PT2148135E - Processo e dispositivo para o tratamento térmico de resíduos - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "PROCESSO E DISPOSITIVO PARA O TRATAMENTO TÉRMICO DE RESÍDUOS" 0 presente invento diz respeito a um processo para o tratamento térmico de resíduos de toda a espécie, no qual os resíduos são submetidos a um tratamento a alta temperatura com azoto, temperatura essa que ultrapassa 1000°C, em resultado do qual os componentes orgânicos são gaseificados. 0 gás de síntese resultante é retirado do reactor de alta temperatura sem ser arrefecido nem purificado e é em seguida oxidado. A energia térmica do gás de escape resultante é posteriormente aproveitada do ponto de vista térmico. 0 invento diz igualmente respeito a um dispositivo para o tratamento térmico de resíduos de toda a espécie correspondente .

Nos documentos de patente DE 41 30 416 Cl e UA 41 263 C2 encontra-se descrito um processo para o tratamento e a aproveitamento de resíduos de toda a espécie, no qual lixo industrial, doméstico ou especial não seleccionado e não tratado contendo substâncias nocivas discricionárias sob forma sólida e/ou líquida, bem como entulho industrial, são submetidos à acção de calor.

Em DE 43 08 551 são dados a conhecer um disposi- 2 ΡΕ2148135 tivo e um processo para o tratamento térmico de resíduos, em que os resíduos são sujeitos a uma combustão lenta num tambor, dando origem a gás de combustão e a um resíduo sólido. 0 gás de combustão é queimado numa câmara de combustão e o resíduo da combustão é separado numa fracção grosseira e numa fracção fina com recurso a dispositivo de separação . 0 documento DE 43 27 320 diz igualmente respeito a dispositivo e um processo para o tratamento térmico de resíduos, em que o dispositivo inclui uma prensa para comprimir os resíduos; um canal de desgaseificação passível de aquecimento destinado à conversão dos resíduos em sólidos e gases de combustão por via térmica; um reactor de alta temperatura instalado a jusante, destinado à gaseificação do sólido de modo a que seja obtido um gás de síntese, do qual pode ser evacuada uma massa fundida; um dispositivo de arrefecimento; e um dispositivo de purificação de gases.

Estes processos de tratamento representativos do estado da arte têm contudo a desvantagem de permitirem que se perda uma parte considerável da energia libertada quando do arrefecimento súbito ("quenching" em inglês) do gás de síntese.

Por conseguinte, subjazia ao presente invento a tarefa de indicar um processo de tratamento do tipo atrás descrito, mas melhorado ao ponto de permitir utilizar a máxima fracção possível da energia libertada. 3 ΡΕ2148135

No que respeita ao processo, este objectivo foi alcançado por via das características constantes da reivindicação 1. As reivindicações dela dependentes dizem respeito a aperfeiçoamentos vantajosos.

De acordo com o invento é portanto disponibiliza-do um processo para o tratamento de resíduos de toda a espécie, no qual os resíduos são submetidos a um tratamento a alta temperatura com azoto, temperatura essa que ultrapassa 1000°C, em resultado do qual os componentes orgânicos do lixo são gaseificados, os componentes inorgânicos do lixo são fundidos, o gás de síntese não arrefecido e não purificado é oxidado e o gás de escape assim obtido é termicamen-te reutilizado.

Os resíduos começam por ser compactados de um modo que mantenha as suas estrutura mista e compósita a fim de minimizar o volume ocupado pelas lacunas. Os pacotes compactos resultantes são comprimidos para dentro de um canal alongado exteriormente aquecido, o que conduz à formação de uma ''rolha' impermeável a gases a montante da entrada do canal, a qual assume a função de dique em virtude dessa estanqueidade.

Os pacotes compactos são mantidos, no que respeita à parede quente do canal, num contacto correspondente a uma união por equilíbrio de forças até os líquidos e as substâncias altamente voláteis transportados juntamente com eles se evaporarem e terem sido superadas as forças de res- 4 ΡΕ2148135 tituição presentes exercidas por componentes individuais e até os componentes orgânicos transportados juntamente com eles terem assumido, pelo menos em parte, funções aglutina-doras. Após uma breve permanência do material sob tratamento no canal aquecido obtém-se um cordão moldado compacto em que a fracção fina e o pó incluídos no material sob tratamento se encontram ligados. Por conseguinte, obtém-se conglomerados grumosos isentos de pó e estáveis dos pontos de vista formal e estrutural, os quais, numas forma preferida de execução, são subsequentemente vazados para dentro da chaminé de um gaseificador a alta temperatura ou de um reactor a alta temperatura, constituindo um leito permeável a gases e isento de pó.

Os componentes orgânicos são gaseificados mediante a adição de azoto. Em virtude da temperatura de gaseificação resultante, os componentes inorgânicos, ou seja, todos os vidros, metais e outros minerais são fundidos na zona de fusão do reactor de alta temperatura, sob o vazadouro, a temperaturas que podem atingir 2000°C. Contudo, se o reactor tiver sido alimentado com resíduos não seleccio-nados, a massa fundida retirada ainda exibe uma estrutura essencialmente não homogénea. Os componentes que só fundem a temperaturas superiores, tais como, por exemplo, o carbono, mas também certos metais, encontram-se ainda no seu estado de agregados sólidos, constituindo inclusões que impedem um aproveitamento racional destes produtos secundários semelhantes a escória. 5 ΡΕ2148135

Os produtos secundários sob uma forma fundida e fluida são por conseguinte preferencialmente submetidos a um tratamento final adicional em que são alvo de um processo de homogeneização térmica. Neste processo, a massa fundida é purificada numa atmosfera oxidante durante o tempo suficiente para se obter uma massa fundida homogénea a alta temperatura que exclua inclusive a possibilidade da sua eluição a longo prazo. 0 reactor de alta temperatura caracteriza-se por ser mantido a pelo menos 1000°C a toda a extensão da sua capacidade.

Os resíduos gasosos e sólidos são submstidos a altas temperaturas durante o tempo suficiente para que todas as substâncias nocivas termicamente reactivas terem sido destruídas com segurança e para que os hidrocarbonetos de cadeia longa tenham sido cindidos ("cracking" em inglês) . Impede-se assim garantidamente a formação de condensados, tais como alcatrões e óleos.

De acordo com o invento propõe-se agora que o gás de síntese não arrefecido, com uma temperatura superior a 1000°C, e não putificado assim produzido seja conduzido a um aproveitamento energético. 0 presente invento permite optimizar a utilização da energia libertada quando da gaseificação dos resíduos com azoto puro. Além disso, quando comparado com o estado 6 ΡΕ2148135 da arte, este processo não só representa uma simplificação considerável, como também conduz a uma redução significativa dos custos de investimento e operacionais. A poupança de energia alcançável torna o processo de acordo com o invento notoriamente vantajoso, inclusive sob o aspecto ecológico. A fase gasosa é composta pelo gás de síntese obtido em resultado da gaseificação dos componentes orgânicos do lixo e pelo vapor de água essencialmente derivado da humidade contida nesse lixo. Uma vez que a fase gasosa abandona o reactor de alta temperatura a uma temperatura de cerca de 1000°C, nesta fase gasosa quente a energia encontra-se ligada. 0 gás de síntese, que inclui componentes combustíveis, dispõe adicionalmente de energia química.

Caso a fase gasosa seja subitamente arrefecida para uma temperatura inferior a 100°C mediante a injecção de água fria, tal como sucedia até à data no estado da arte, perde-se por completo a energia térmica da fase gasosa. Apenas se pode dispor da energia quimicamente ligada no gás de síntese. 0 presente invento permite por conseguinte utilizar não apenas a energia quimicamente ligada no gás de síntese, como a energia térmica da totalidade da fase gasosa, na medida em que o gás de síntese não arrefecido e não purificado começa por ser oxidado e de preferência submetido a combustão, em condições que ultrapassam ligeiramente as estequiométricas. Esta etapa de oxidação é realizada de 7 ΡΕ2148135 preferência em pelo menos uma câmara de combustão separada, isto é, situada no exterior do reactor de alta temperatura. No decurso da etapa liberta-se então um gás de escape quente, pelo que a fase gasosa é composta por vapor de água e gás de escape quente resultante da combustão do gás de síntese. Esta fase gasosa quente apenas contém energia termi-camente ligada. A energia termicamente ligada na fase gasosa é introduzida numa caldeira de arrefecimento a fim de libertar vapor. 0 vapor produzido, cuja pressão deveria de preferência ultrapassar 50 bar, pode ser utilizado numa turbina a vapor para efeito da produção de corrente eléctrica ou enquanto veiculo de calor, por exemplo no aquecimento central . A fase gasosa arrefecida evacuada de uma caldeira de arrefecimento é submetida a um processo de purificação em conformidade com o estado da arte destinado a aglutinar e depois expulsar dela as substâncias nocivas que contém, tais como compostos de enxofre, cloro ou azoto, metais pesados, pó, compostos orgânicos, etc.

Numa forma vantajosa de execução, a energia térmica libertada em consequência do arrefecimento interno do reactor de alta temperatura é aproveitada na caldeira de arrefecimento.

De acordo com o invento, parte do fluxo do gás de ΡΕ2148135 síntese não arrefecido e não purificado retirado do reactor de alta temperatura é submetido a um arrefecimento súbito e posteriormente purificado. No que respeita a estas operações, procede-se do modo conhecido no estado da arte. A mistura gasosa de síntese, cuja temperatura ultrapassa 1000°C, é submetida a um arrefecimento brusco mediante a injecção de água fria imediatamente após abandonar o reactor de alta temperatura, passando a sua temperatura ser inferior a 100°C. As partículas líquidas e sólidas arrastadas juntamente com o fluxo de gás são transferidas para a água f ria. 0 gás de síntese arrefecido e submetido a esta purificação prévia é seguidamente submetido a um processo de purificação em várias etapas. 0 gás de síntese puro obtido desse modo, composto por hidrogénio, monóxido de carbono e dióxido de carbono pode em seguida ser aproveitado energética ou materialmente. Esta forma de execução é especialmente vantajosa no caso de se pretende utilizar a posteriori um gás de síntese de alta qualidade em sínteses químicas que também viabilizem a produção de combustíveis. De acordo com o invento, o gás de síntese purificado assim obtido pode ser reciclado para o tratamento térmico dos resíduos .

Um dispositivo para o tratamento térmico de resíduos de toda a espécie, dispositivo esse que não pode ser dito em conformidade com o invento, inclui pelo menos uma secção a baixa temperatura e pelo menos uma secção a alta 9 ΡΕ2148135 temperatura, em que a secção a baixa temperatura foi configurada como canal horizontal que transita sem interrupções para um reactor de alta temperatura, bem como pelo menos uma câmara de combustão acoplada à saida de gás exibida pelo reactor de alta temperatura e, a jusante desta câmara, pelo menos uma caldeira de arrefecimento composta por pelo menos uma secção.

Neste caso é vantajoso que a caldeira de arrefecimento esteja acoplada a pelo menos uma turbina a vapor e a um gerador montado a jusante da mesma.

Numa outra forma de execução, que também não pode ser dita em conformidade com o invento, foi previsto que entre a saida de gás de que é provido o reactor de alta temperatura e a câmara de combustão fosse executada uma derivação destinada ao gás e acoplada a uma secção de arrefecimento súbito ("quenching" em inglês) e a uma secção de purificação do gás.

Quando comparado com as instalações de incineração convencionais, o invento exibe as seguintes vantagens: À saida do reactor de alta temperatura, a temperatura da fase gasosa, situada próximo dos 1000°C, é significativamente superior à temperatura do gás de combustão de uma instalação incineradora de lixo, a qual se situa em regra abaixo de 800°C, pelo que a energia térmica especifica da fase gasosa é consideravelmente 10 ΡΕ2148135 superior . A combustão do gás de síntese homogéneo ocorre sob condições ligeiramente sobrestequiométricas, enquanto que uma instalação incineradora de lixo tem de ser operada com um excesso de ar consideravelmente maior, de modo a assegurar que a combustão do lixo extremamente heterogéneo seja completa. Por conseguinte, a quantidade específica de gás de combustão (Nm3/t) de uma instalação incineradora de lixo é consideravelmente superior à quantidade específica de gás de escape associada ao presente invento. Os componentes necessários à purificação do gás devem ser correspondentemente menores - Acresce que a carga específica de substâncias nocivas quando da combustão do lixo heterogéneo é consideravelmente superior à carga específica de substâncias nocivas quando da combustão do gás de síntese homogéneo .

Caso seja utilizada a totalidade da energia térmica e quimicamente ligada na fase gasosa, por exemplo a fim de, com recurso a uma turbina a vapor, converter em corrente eléctrica o vapor libertado, a produção de corrente é significativamente superior à quantidade de corrente eléctrica passível de ser produzida quando da utilização do gás de síntese num motor a gás ou numa turbina a gás. Uma vez que o processo proposto conduz a uma redução notória do 11 ΡΕ2148135 consumo de corrente eléctrica por parte do sistema, é considerável o excedente de corrente que daí resulta, o qual pode ser transferido para a rede.

Se uma instalação de gaseificação representativa do estado da arte for alimentada, por exemplo, com 10 t/h de lixo com um poder calorífico de 12 MJ/kg, bem como com 60 Nm3/t de gás natural, para efeito do arranque e da manutenção em curso o processo de gaseificação, a energia total fornecida corresponde a 39,3 MW. Caso se recorra ao processo proposto, é produzida uma energia utilizável correspondente a 36,8 MW (= 93,6% do total da energia fornecida). Se a eficiência energética da caldeira de arrefecimento for 85% e a da turbina a vapor for 29%, pode produzir-se 9,1 MW de corrente eléctrica (= 23,2% do total da energia fornecida) . Uma vez retirado o consumo energético do sistema, permanece um excedente de corrente de 6,1 MW (= 15,5% do total da enregia fornecida).

Caso se recorra aos processos, conhecidos do estado da arte, de conversão do gás de síntese em corrente eléctrica pode alcançar-se os seguintes excedentes de corrente eléctrica: caldeira a vapor/turbina a vapor: 1,1 MW (= 2,8%), turbina a gás: 2,2 MW (= 5,6%), motor a gás: 3,1 MW (=7,9 %). A maior produção de corrente eléctrica e os meno- 12 ΡΕ2148135 res custos de investimento e operacionais fundamentam a superioridade económica reivindicada para o processo proposto . 0 invento será em seguida descrito em mais pormenor com recurso à Figura 1 anexa.

Na Figura 1 é mostrada uma forma de execução do processo de acordo com o invento, em que o tratamento a alta temperatura é realizada num reactor de alta temperatura 1 configurado como reactor cilíndrico vertical. Este reactor de alta temperatura 1 encontra-se directamente ligado a um canal alimentação forçada 2. Os resíduos que irão alimentar o reactor são compactados com recurso a uma prensa de compactação 3 e depois empurrados ao longo do canal de alimentação forçada 3. À medida que aumenta a pressão de gás, os pacotes compactos 4 resultantes são mantidos em contacto com a parede quente do canal apenas durante o tempo suficiente para os líquidos e as substâncias facilmente voláteis que os mesmos arrastam consigo evaporarem e para serem compensadas as forças de restituição dos componentes individuais, e até os componentes orgânicos neles contidos terem, pelo menos em parte, assumido funções aglutinantes. Num balanço final obtém-se conclomerados grumosos isentos de pó e estáveis do ponto de vista formal e estrutural. A temperatura no canal de alimentação forçada 2, que opera na ausência de azoto, não ultrapassa neste processo 600°C.

Os pacotes compactos 4 precedentemente descritos 13 ΡΕ2148135 são então submetidos, na zona do orifício de entrada do re-actor de alta temperatura 1, a uma irradiação de calor extremamente intensa. A consequente expansão súbita de gases residuais e resíduos da combustão conduz à fragmentação dos pacotes. 0 material sólido fragmentado assim obtido forma então no interior do reactor de alta temperatura 1 um leito 5 impermeável a gases, no qual o carbono do material destinado é sujeito a combustão com recurso a lanças 6 cujo combustível é azoto, ar enriquecido com azoto ou um outro gás combustível, começando por dar origem a CO2 ou CO. Os gases de combustão que, por sobre o leito 5, fluem turbi-lhonados através do reactor 1 são completamente cindidos. No decurso da formação do gás de síntese produz-se entre o carbono, o CO2, o CO e o vapor de água expulso dos resíduos um equilíbrio reactivo que é função da temperatura. Este gás de síntese em bruto é depois evacuado através da conduta 7 a ele destinada.

Sob o leito de gaseificação 5 constituído no interior do reactor de alta temperatura 1, na cristã do leito 5 aquecida até um máximo de 2000°C são fundidos os componentes minerais e metálicos do resíduos da combustão. A massa fundida é directamente introduzida num reactor de pós-tratameneto 8, na medida em que, com o auxílio de lanças 6 que funcionam com azoto, é submetida a uma homogeneização a uma temperatura superior a 1400°C. Finalmente, esta massa fundida homogeneizada é introduzida num banho de água 9. Este curso do processo que acabou de ser descrito e este dispositivo correspondem no essencial ao processo já conhe- 14 ΡΕ2148135 eido do estado da arte e dito "de termosselecção". A este respeito remete-se o leitor para o documento EP 1 203 060 BI ou para o já mencionado DE 41 30 416 Cl.

Essencial no que toca ao invento é a condução para pelo menos uma câmara de combustão 10 do gás de síntese não purificado, não arrefecido e a uma temperatura superior a 1000°C, que foi evacuado do reactor de alta temperatura 1 através da conduta 7 destinada ao gás de síntese. Nesta câmara de oxidação procede-se então a uma oxidação de modo a que ocorra uma combustão ligeiramente sobrestequiométri-ca. Obtém-se como produto uma fase gasosa quente composta por vapor de água quente e gases de escape quentes libertados quando da combustão do gás de síntese. Nesta fase gasosa quente já só existe energia termicamente ligada. Por intermédio de uma outra conduta 11 destinada a gases, esta fase gasosa quente é conduzida para dentro de uma caldeira de arrefecimento 12. nesta caldeira é produzido vapor que é conduzido para uma turbina a vapor 13. À secção quente desta foi atribuído o número 14 e à secção fria correspondente foi atribuído o número 15. Esta turbina a vapor 13 pode ter sido acoplada a um gerador G para efeito da produção de corrente eléctrica. O gás arrefecido efluente da caldeira de arrefecimento 12 pode então ser conduzido a uma purificação de modo a aglutinar e dele expulsar as substâncias nocivas eventualmente presentes, tais como enxofre, cloro e compostos azotados, metais pesados, pós e compostos orgânicos. 15 ΡΕ2148135 A forma de execução descrita com recurso à Figura 1 também pode ser modificada no sentido em que o arrefecimento interno de que é provido o reactor de alta temperatura 1, arrefecimento esse que pode ter sido inserido na parede do referido reactor, ser eventualmente ainda conduzida do reactor de alta temperatura 1, no caso vertente da sua zona subjacente ao leito de gaseificação 5, para a caldeira de arrefecimento 12. Tal permite voltar a melhorar a produção de energia.

Lisboa, 23 de Julho de 2013

Claims (7)

1. ΡΕ2148135 1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o tratamento térmico de resíduos de toda a espécie, no qual os resíduos são submetidos a um tratamento a alta temperatura com azoto e/ou com ar enriquecido com azoto a uma temperatura que ultrapassa 1000°C, em resultado do qual os componentes orgânicos do lixo são gaseificados, os componentes imorgânicos do lixo são fundidos, o gás de síntese não arrefecido e não purificado é oxidado e o gás de escape libertado no processo é termicamente aproveitado, tratamento a alta temperatura esse que é realizado num reactor de alta temperatura (1), ca-racterizado por um fluxo parcial do gás de síntese não arrefecido e não purificado retirado do reactor de alta temperatura (1) ser submetido a um arrefecimento súbito e subsequentemente purificado e por o gás de síntese purificado assim obtido ser reciclado para efeito do tratamento térmico dos resíduos.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás de síntese não arrefecido e não purificado ser evacuado do reactor de alta temperatura (1) e oxidado em pelo menos uma câmara de combustão (10) separada .
3. 3. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por a energia térmica ser fornecida a uma caldeira de arrefecimento (12) para efeito 2 ΡΕ2148135 da produção de vapor.
4. 4. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o vapor libertado ser utilizado para a produção de corrente eléctrica.
5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o vapor ser utilizado como veículo de calor, por exemplo no aquecimento central.
6. 6. Processo de acordo com uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado por os gases de escape arrefecidos na caldeira de arrefecimento (12) serem submetidos a uma purificação.
7. 7. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por a energia térmica evacuada do reactor de alta temperatura (1) ser, no interior da caldeira de arrefecimento (12), adicionalmente aproveitada em termos energéticos. Lisboa, 23 de Julho de 2013