PT2373927E - Processamento de gás residual proveniente do tratamento de resíduos - Google Patents

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PT2373927E
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Description

DESCRIÇÃO «PROCESSAMENTO DE GÁS RESIDUAL PROVENIENTE DO TRATAMENTO DE RESÍDUOS» [0001] A presente invenção refere-se a um método e aparelho para processamento do gás residual proveniente do tratamento de resíduos.
[0002] São conhecidas várias abordagens ao tratamento destrutivo de resíduos, incluindo a incineração, pirólise, combustão (gaseificação) e combinações destes métodos.
[0003] Um problema do tratamento de resíduos, em particular de resíduos domésticos, é que não há duas cargas residuais idênticas, devido ao número de variáveis que existem na sua composição, incluindo peso, volume e teor de água. Isto é geralmente verdadeiro mesmo no caso de fluxos de resíduos singulares tais como resíduos de incontinência.
[0004] A legislação que regula a indústria de tratamento de resíduos define níveis máximos para determinados componentes do produto do tratamento. A realidade é, assim, que qualquer sistema de eliminação de resíduos tem de lidar com insumos descontrolados, mas deve depois produzir emissões não perigosas controladas.
[0005] Uma carga de resíduos típica a ser tratada por uma combinação de pirólise e combustão de acordo com os processos descritos na W02007/104954, de efluente misto ou singular, irá produzir monóxido de carbono (CO), hidrogénio (H2), vários hidrocarbonetos (incluindo compostos orgânicos 1 voláteis, também designados COV ou CxHyOz, e alcatrão, sendo produzida uma mistura de compostos orgânicos por pirólise da matéria orgânica nos resíduos), água (H20), óxidos sulfúricos (SOx) , óxidos de nitrogénio (também designados óxidos nitrosos, N0X) , cloreto de hidrogénio (HC1), fluoreto de hidrogénio (HF) e vários metais voláteis. A patente US 5826520 também descreve um aparelho e um processo para a pirólise e combustão consecutivas de resíduos num único recinto.
[0006] É desejável que estes processos sejam realizados o mais perto possível do local onde os resíduos são produzidos, evitando o transporte dos mesmos a grandes distâncias; mas consegui-lo respeitando a legislação que regula os gases residuais exige o cumprimento rigoroso dos níveis máximos para determinados componentes de gás residual. Também é desejável fornecer métodos e aparelhos adequados para uso na escala doméstica.
[0007] Os métodos de pirólise e combustão conhecidos podem produzir níveis elevados de monóxido de carbono e também hidrocarbonetos, como COV e/ou alcatrões. Sabe-se que a introdução de um passo de combustão secundário reduz estas emissões em instalações de pirólise de grande dimensão. Isto, contudo, gera temperaturas que seriam excessivas numa unidade doméstica e pode também gerar outros componentes de gás residual indesejados.
[0008] É um objectivo da invenção melhorar os problemas identificados acima. Um objectivo das modalidades particulares da invenção é fornecer um processo e aparelho para tratar resíduos no local numa escala doméstica e escala doméstica grande com redução nos níveis de monóxido 2 de carbono e hidrocarbonetos no gás residual. É um objectivo de modalidades especificas da invenção fazê-lo para residências com vários fogos e também residências domésticas individuais e empresas comerciais como supermercados, restaurantes, lares e hospitais. Outro objectivo é reduzir e/ou eliminar a necessidade de transporte dos resíduos e evitar que estes acabem num aterro, permitindo que as autoridades locais cumpram os requisitos das directivas sobre reciclagem.
[0009] Deste modo, a invenção fornece um método para tratamento de resíduos de acordo com a reivindicação 1.
[0010] Na presente invenção, "combustão" inclui qualquer reacção de oxidação de materiais à base de carbono onde o oxidante é oxigénio e onde a reacção é neutra em termos de energia ou pelo menos ligeiramente exotérmica. Isto inclui gaseificação, que é o termo preciso para a reacção de oxidação que ocorre na câmara na presente invenção já que a oxidação tende a ser ligeiramente exotérmica e o produto principal é monóxido de carbono, em vez de dióxido de carbono. [0011] Assim, em modalidades típicas da invenção, os resíduos são aquecidos para efectuar a pirólise dos resíduos na câmara. Num passo subsequente, que geralmente ocorre imediatamente a seguir, mas que pode ser separado temporalmente da pirólise, é introduzido oxigénio suficiente na mesma câmara para efectuar a gaseificação nessa câmara dos resíduos pirolizados. Assim, a pirólise e a gaseificação são realizados em sequência na mesma câmara. Preferencialmente, a entrada de oxigénio é suficiente para a gaseificação mas insuficiente para permitir a ignição dos 3 resíduos. Consequentemente, a gaseificação prossegue sem ignição e sem uma chama na câmara.
[0012] Métodos e aparelhos da invenção são particularmente adequados para tratamento de resíduos seleccionados dos resíduos domésticos, resíduos alimentares, resíduos carbonáceos, resíduos produzidos em apartamentos, casas e edifícios habitacionais de fogo único ou múltiplos fogos, resíduos de restaurantes, resíduos de supermercados, resíduos hospitalares, resíduos de serviços de saúde incluindo clínicas e lares, resíduos de tratamento de esgotos e resíduos sanitários, especialmente resíduos domésticos, resíduos alimentares e resíduos produzidos por edifícios habitacionais de múltiplos fogos.
[0013] A invenção também fornece um aparelho de acordo com a reivindicação 13.
[0014] 0 catalisador de oxidaçao é adequadamente operado a uma temperatura de 200°C a 900°C, especialmente a uma temperatura de 300°C a 800°C. Os catalisadores de oxidação para uso na invenção podem compreender platina ou paládio e, ocasionalmente, embora menos frequentemente, ródio. Em modalidades particulares, o catalisador de oxidação é um filtro de partículas diesel ou um conversor catalítico de duas vias ou compreende paládio em alumina. Modalidades específicas empregam um ou mais conversores catalíticos do tipo usado na indústria automóvel, que, em uso, revelaram ser eficazes na redução significativa do teor de hidrocarbonetos e CO do gás residual. Podem ser usados na invenção catalisadores de oxidação com paládio e alumina ou contendo platina e irídio. 4 [0015] O métodos da invenção podem compreender colocar gás residual em contacto com um primeiro catalisador de oxidação que é um filtro de partículas diesel e um segundo catalisador que é um conversor catalítico de duas vias ou pode compreender colocar gás residual em contacto com um primeiro catalisador de oxidação que é um filtro de partículas diesel e um segundo catalisador que compreende paládio e alumina.
[0016] Os métodos da invenção podem também incluir a filtração do gás residual para remover a cinza antes de colocar o gás residual em contacto com os catalisadores de oxidação e redução, de preferência, filtração do gás residual de modo a que a cinza permaneça na câmara. Modalidades especialmente preferidas incluem a filtração do gás residual para remover a cinza e a utilização de um catalisador de oxidação que compreende paládio em alumina. Em modalidades alternativas da invenção, pode ser usado um ciclone para recolher a cinza antes do contacto do gás residual com os catalisadores de oxidação e redução, de modo a que a cinza possa depois ser removida separadamente ou deitada na tubagem de descarga de uma câmara existente.
[0017] Noutras modalidades da invenção, o método compreende ainda o contacto dos gases residuais com um catalisador de redução para remover os óxidos nitrosos, habitualmente por conversão em nitrogénio e oxigénio. "Óxidos nitrosos" como aqui usado refere-se a qualquer óxido de nitrogénio e inclui os compostos habitualmente conhecidos como N0X. A ordem das superfícies catalíticas pode ser tal que o gás residual passa primeiro pelo catalisador de oxidação e depois pelo catalisador de redução ou que o gás residual 5 passa primeiro pelo catalisador de redução e depois pelo catalisador de oxidação. Os catalisadores de redução para uso na invenção podem compreender ródio e também, embora menos frequentemente, paládio e/ou platina. Os catalisadores de redução podem compreender ródio e platina, ródio e paládio ou os três: ródio, paládio e platina.
[0018] 0 catalisador de redução é adequadamente operado a uma temperatura de 300°C a 700°C, especialmente a uma temperatura de 400°C a 600°C. 0 catalisador de redução pode ser um conversor catalítico de 3 vias, e.g. da indústria automóvel.
[0019] Pode ser usado um catalisador de redução se for conhecido que o teor de óxido nitroso do gás residual está acima de um determinado nível ou for expectável que esteja, e.g. um nível no qual os regulamentos referentes às emissões seriam desrespeitados. Pode igualmente ser usado um catalisador de redução no caso de outro processo no tratamento de gás residual, ao remover um componente indesejável, introduzir óxidos nitrosos como subprodutos.
[0020] Pode ser usado um catalisador que combine, numa só unidade, as superfícies do catalisador de redução e superfícies do catalisador de oxidação ou uma superfície que possa permitir tanto a oxidação como a redução, dependendo da natureza do gás.
[0021] Assim, a invenção fornece um aparelho que incorpora um ou mais conversores catalíticos para reduzir o teor de gás residual de CO e hidrocarbonetos, tais como COV e alcatrão, e também o seu teor de óxidos nitrosos. 6 [0022] Em modalidades particularmente preferidas, o método compreende colocar o gás residual em contacto com um catalisador de oxidação e, subsequentemente, colocar o gás residual em contacto com um catalisador de redução. Numa modalidade especifica descrita nos exemplos, o método compreende colocar o gás residual em contacto com, sequencialmente, um catalisador de oxidação, um catalisador de redução e um segundo catalisador de oxidação. Uma modalidade adicional preferida da invenção compreende colocar o gás residual em contacto com um único catalisador de oxidação. Outras unidades de tratamento de gás residual aqui descritas podem ser colocadas entre os catalisadores, e o que foi dito acima refere-se às respectivas posições de catalisador no fluxo de gás residual.
[0023] Enquanto passo adicional, o método poderá envolver o contacto entre o gás residual e um, vários ou todos os (i) depuradores húmidos para a remoção de ácidos inorgânicos e metais voláteis, (ii) uma unidade designada por VTT, consistindo esta numa unidade de tratamento de COV que destrói compostos orgânicos voláteis e alcatrões pesados mas é capaz produzir NOx térmico, (iii) uma unidade de filtração a seco, um eliminador misto que previne o transporte de vapor de água para as etapas de processamento subsequentes e (iv) um filtro que elimina partículas. Este último filtro poderá ser omitido caso o gás residual passe, finalmente, por um curso hídrico tal como o esgoto, uma vez que a água irá também remover partículas. 0 depurador húmido poderá ainda fornecer uma filtração de partículas suficiente para dispensar a utilização de qualquer outro filtro. 7 [0024] A invenção fornece adicionalmente um aparelho para tratamento de resíduos consonante com a reivindicação 13, para execução dos seus métodos.
[0025] A câmara é adaptada para se encontrar selada de maneira a que os resíduos possam ser aquecidos na ausência de oxigénio, para dar origem à sua pirólise, correspondendo esta, geralmente, a uma fase inicial no tratamento de resíduos. A câmara contém ainda uma secção de entrada de ar para permitir a entrada de oxigénio, enquanto componente do ar, de modo a efectivar a combustão dos resíduos. Tal como aqui referenciada, a ausência de oxigénio direccionada à efectivação da pirólise pretende designar a uma quantidade de oxigénio insuficiente para que a combustão ou oxidação ocorram em qualquer extensão significativa, sendo, portanto, as reacções na câmara essencialmente de pirólise. Como tal, durante a fase de pirólise pode haver alguma introdução de ar, por exemplo, para agilizar a descarga de gás residual no sentido do exaustor. O ar poderá ser fornecido à câmara através de um compressor opcionalmente conectado a um tanque de ar. Tal poderá adicionalmente permitir a injecção de ar pressurizado na câmara para agitar os resíduos, garantindo, desse modo, que a carga total de resíduos seja uniformemente aquecida.
[0026] O ar fornecido à câmara poderá atravessar um permutador térmico que recebe a descarga do conversor catalítico. 0 permutador térmico transfere calor a partir dos gases, libertando o catalisador sobre o ar fornecido à câmara, reduzindo, dessa maneira, a quantidade de energia necessária para a aquecer. 8 [0027] O catalisador de oxidação poderá ser um filtro de partículas diesel, um conversor catalítico de duas vias ou poderá conter paládio e alumina. 0 aparelho poderá ainda conter um primeiro catalisador de oxidação que consiste num filtro de partículas diesel e um segundo catalisador que corresponde a um conversor catalítico de duas vias ou um primeiro catalisador de oxidação que consiste num filtro de partículas diesel e um segundo catalisador que contenha paládio e alumina.
[0028] 0 aparelho poderá ainda compreender um catalisador de redução para a catálise de óxidos nitrosos presentes no gás residual e, caso o catalisador de redução esteja presente, será preferencial que o aparelho contenha, de forma sequencial, um catalisador de oxidação para tratamento do gás residual que sai da câmara e um catalisador de redução para tratamento do gás residual que sai do catalisador de oxidação. 0 aparelho poderá ainda conter um filtro para prevenir a saída de cinza da câmara através do gás residual. Em alternativa, poderá ser utilizado um ciclone para recolher a cinza do gás residual que sai da câmara antes de este entrar no catalisador.
[0029] Em maior detalhe, a invenção prevê um processo de tratamento de resíduos consonante com a reivindicação 1 e, opcionalmente, com um ou mais catalisadores de redução. 0 método compreende, opcionalmente, a descarga hídrica dos resíduos de combustão presentes na câmara. Os sedimentos sólidos dos resíduos tratados normalmente correspondem a cinzas finas e são facilmente eliminados em, por exemplo, esgotos ou outros cursos hídricos. Os resíduos são assim tratados no local. Opcionalmente, poderão ser utilizadas 9 injecções de ar pressurizado para auxiliar o arrastamento de residuos da câmara.
[0030] A invenção poderá empregar catalisadores de 2 ou 3 vias. Os catalisadores de 2 vias são, geralmente, estritamente oxidativos e convertem (oxidam) monóxido de carbono e hidrocarbonetos em dióxido de carbono e água.
Os catalisadores de 3 vias podem ainda converter óxidos nitrosos em nitrogénio sendo, desse modo, capazes de converter monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos nitrosos em dióxido de carbono, nitrogénio e vapor de água por via de uma combinação de oxidação e redução consonante com, por exemplo, a natureza do gás a ser convertido, independentemente de este ser relativamente fraco ou rico e/ou do seu teor de oxigénio.
[0031] Opcionalmente, poderá ser adicionada aos gases residuais provenientes do processo tratamento de residuos uma solução como a ureia no sentido de reduzir os níveis de óxidos de nitrogénio neles presentes. A solução é habitualmente fornecida por injecção no catalisador ou nas suas proximidades. Uma solução de ureia gera amónia, reagindo esta com os óxidos de nitrogénio, reduzindo-os a nitrogénio e oxigénio quando na presença de um catalisador RCS (redução catalítica selectiva).
[0032] Uma opção adicional para a redução de emissões de NOx consiste na adição de compostos químicos oxidantes à água de depuração, de modo a que a fracção NO presente nestas emissões seja oxidada a N02 que poderá mais facilmente ser absorvida pelo depurador, aumentando, desse modo, a fracção global de NOx que é removida do gás residual pela água de depuração. Tais compostos oxidantes 10 incluem, entre outros, hipocloritos de sódio e cálcio; compostos oxiclorados, genericamente, (ClOx); peróxido de hidrogénio; permanganato de potássio; sulfito de sódio e Fe-EDTA.
[0033] Numa modalidade da invenção, o catalisador de oxidação é um conversor catalítico de duas vias e catalisa duas reacções, nomeadamente a oxidação de monóxido de carbono em dióxido de carbono (e.g. 2C0 + 02 ->· 2C02) e a oxidação de hidrocarbonetos em dióxido de carbono e água (e.g. CxH4x + 2x02 - xC02 + 2xH20).
[0034] Noutra modalidade da invenção, o catalisador de oxidação é um designado conversor catalítico de três vias e catalisa três reacções, nomeadamente redução de óxidos de nitrogénio em nitrogénio e oxigénio (e.g. 2N0x -► x02 + N2) , oxidação de monóxido de carbono em dióxido de carbono (e.g. 2C0 + 02 -► 2C02) e oxidação de hidrocarbonetos (HC) em dióxido de carbono e água (e.g. CxH2x+2 + 2x02 -► xC02 + 2xH20) .
[0035] Noutra modalidade da invenção, o aparelho compreende tanto um conversor catalítico de duas vias e um conversor catalítico de três vias, o gás residual passando preferencialmente primeiro pelo conversor catalítico de duas vias.
[0036] 0 catalisador de oxidaçao pode ser um denominado catalisador do tipo filtro de partículas diesel (catalisador FPD) . Estes são termicamente robustos e podem ser usados especialmente para remover alcatrão do gás residual, já que a remoção de alcatrão é exotérmica e os filtros FPD podem tolerar as temperaturas geradas. Um 11 catalisador desse tipo pode ser adquirido à European
Exhaust & Catalysts Ltd, UK, contendo 3 substratos de dimensões aproximadas de 14,2cm x 3cm (5,66 polegadas x 1,2 polegadas), porosidade de 7970 poros por metro (220 ppi (poros por polegada)) dentro de uma lata de aço. Os substratos são revestidos com um revestimento catalítico com um metal precioso conducente de 138g/m3 (15g/ft3) de paládio e o catalisador tem uma temperatura de funcionamento preferida no intervalo de 700-800°C, mais preferencialmente cerca de 750°C. Este catalisador pode remover hidrocarbonetos como alcatrões e monóxido de carbono do gás residual.
[0037] Outro catalisador de oxidação adequado é um catalisador automóvel da European Exhaust & Catalysts Ltd (EEC) contendo 2 substratos de cerca de ll,7cm x 7,5cm 2 (4,66 polegadas x 3 polegadas) x 635.000 células por m (400cpsi (células por polegada quadrada)) numa lata de aço, com uma carga catalítica de 321g/m3 (35g/ft3) de platina. 0 catalisador tem uma temperatura de funcionamento preferida no intervalo de 200-800°C, mais preferencialmente cerca de 300-500°C.
[0038] O catalisador de oxidação pode ser do tipo exemplificado pelo catalisador CK-304 da Haldor-Topsoe (HT). Estes catalisadores incluem paládio em alumina, geralmente como paládio impregnado em alumina, por exemplo em esferas de 3-5mm de diâmetro com uma temperatura de funcionamento preferida no intervalo de 500-600°C. Estes catalisadores são úteis na remoção de COV, incluindo metano e etano. Alcanos leves como metano e etano são geralmente bem removidos por estes catalisadores. São menos tolerantes em relação a temperaturas elevadas, e podem, assim, ser 12 usados isoladamente ou em combinação com um FPD que remove alcatrões exotérmicos de modo a que o HT possa então remover os COV remanescentes, especialmente metano. Estes catalisadores pode também ser operados a temperaturas mais baixas, e.g. 350-500°C, por exemplo quando a destruição do metano é menos importante ou durante uma parte do ciclo de tratamento de resíduos quando a produção de metano é reduzida.
[0039] Habitualmente, as reacções que ocorrem no catalisador são exotérmicas e é assim possível que um catalisador sobreaqueça quando em uso. De acordo com a invenção, é incluído um sensor de temperatura no catalisador ou próximo deste , de modo que um aumento da temperatura acima de um nível predeterminado ou acima de um nível predeterminado durante uma quantidade de tempo predeterminada desencadeia um aumento na entrada de ar no catalisador para reduzir a temperatura. Em modalidades particulares da invenção, o catalisador opera a cerca de 600°C e tolera períodos breves de funcionamento a cerca de 700°C; contudo, temperaturas prolongadas superiores a cerca de 700°C podem ser danosas. As tolerâncias de temperatura e limiares relevantes variam de acordo com: o tipo específico de catalisador usado, sendo a temperatura de funcionamento óptima frequentemente determinada pela composição pretendida dos gases residuais que saem do catalisador. Geralmente, temperaturas de funcionamento mais elevadas, e.g. de cerca de 700°C ou superiores, resultam na remoção de até 100% dos COV pelo catalisador. Se é aceitável que alguns produtos, como o metano, estejam presentes no gás residual que sai do aparelho, então a temperatura de funcionamento do catalisador pode ser reduzida, contudo, se a temperatura for muito baixa, e.g. inferior a cerca de 13 300°C, então um número significativo de COV pode não ser removido pelo catalisador.
[0040] A invenção também compreende um sensor de oxigénio para determinar o teor de oxigénio no gás de escape do catalisador e esta informação pode ser usada para modular a quantidade de ar introduzido no catalisador ou introduzido na câmara ou em ambos. Habitualmente, se o teor de oxigénio cair abaixo de um nível predeterminado, então a quantidade de ar introduzido é aumentada até o nível de oxigénio nos gases de saída alcançar um limiar aceitável. Similarmente, se a quantidade de oxigénio se situar acima de um determinado nível, então a quantidade de ar introduzido é reduzida. Geralmente, na presente invenção a referência a entrada de oxigénio é obtida pela introdução de ar.
[0041] Se houver pouco oxigénio presente nos gases residuais que entram no conversor catalítico, há o risco, por exemplo, de que H2S, com o seu odor característico, não seja suficientemente convertido em SOx e assim não seja capturado por um depurador hídrico, resultando na libertação de H2S do aparelho.
[0042] Geralmente, no funcionamento segundo a invenção, o nível de oxigénio do gás que sai do aparelho é mantido no intervalo de 1-16%, de preferência no intervalo de 3-10%. Um nível de oxigénio seguro é habitualmente de pelo menos 4%, de preferência 5 a 6%. Se o oxigénio subir para cerca de 16% ou mais, então a entrada de ar será geralmente reduzida, quer através da redução do ar introduzido na câmara, quer pela redução do ar introduzido antes do catalisador ou ambos. 14 [0043] O sensor de oxigénio poderá ser fornecido como um sensor "lambda", tal como os utilizados na indústria automóvel. Os sensores lambda podem ser envenenados pelo enxofre devendo, por isso, estar localizados a jusante do depurador (que remove o enxofre do fluxo gasoso residual). Poderão ser utilizados sensores de oxigénio alternativos que não sejam envenenados pelo enxofre e, nesta modalidade, o depurador e catalisador poderão encontrar-se em qualquer ordem ou o depurador poderá mesmo estar ausente.
[0044] Os óxidos de nitrogénio presentes no gás residual poderão ser reduzidos por reacção com CO e COV, uma vez que estes compostos se consomem mutuamente. Contudo, num excesso de oxigénio o CO e os COV tenderão a reagir com o mesmo. Por conseguinte, um controlo rigoroso dos níveis de oxigénio permitirá a remoção de óxidos de nitrogénio por reacção com CO e COV.
[0045] 0 catalisador de redução poderá ser fornecido por um conversor catalítico de 3 vias do tipo conhecido pela utilização na indústria automóvel, por exemplo, como os amplamente disponibilizados por diversos fornecedores, tais como os provenientes da Wuxi Honghu Muffler Co., Ltd. e da Beihai Huihuang Chemical Ceramic Co. Ltd, ambas chinesas, cujas temperaturas de funcionamento se encontram, geralmente, no intervalo entre 400-800°C. Um exemplo de um catalisador utilizado até à data no método é o catalisador de 3 vias EC1000 da EEC, com um substrato cerâmico de 635 000 células/m2 (400cpsi) 93 mm x 152 mm e um revestimento lavável de alumina/zircónio/cério de PGM Paládio:Ródio 5:1.
[0046] Numa operaçao típica da invenção, as emissões 15 sólidas na forma de cinza são descarregadas da câmara com, por exemplo, água. As emissões gasosas, designadas gás residual, são tratadas em separado e abandonam a câmara através de um canal de saída de gás residual, opcionalmente situado no topo da câmara, fluindo primeiramente para um catalisador na forma de filtro de partículas diesel (FPD). Estes filtros operam a cerca de 700°C, removendo o alcatrão através de oxidação catalítica, assim como enquanto fracção de CO e COV. Depois do FPD encontra-se uma segunda base catalítica de oxidação, a operar a cerca de 500°C. Esta base catalítica remove os COV, CO, hidrogénio e alcatrões remanescentes através da sua conversão em dióxido de carbono e vapor de água, removendo ainda óxidos nitrosos, convertendo-os em nitrogénio e oxigénio. A partir da segunda base catalítica os gases remanescentes passam para um depurador hídrico que opera a cerca de 70°C e absorve gases hidrossolúveis tais como HC1 e HF, assim como qualquer material particulado sólido. Os gases que saem do topo do depurador hídrico são, então, essencialmente constituídos por água, valor de água e dióxido de carbono, sendo considerados como não tóxicos.
[0047] Um aparelho de pirólise e combustão para execução da invenção contém uma câmara selável, uma zona de tratamento de resíduos na câmara, uma porta de introdução de resíduos na câmara, uma porta para a saída dos resíduos tratados, um elemento de aquecimento, uma saída para o gás residual e um catalisador de oxidação por onde passa esse mesmo gás depois de sair da câmara.
[0048] Tal como abaixo descrito em maior detalhe, o aparelho da invenção compreende uma única câmara adaptada para a pirólise e combustão de resíduos no seu interior. 0 16 aparelho de controlo é configurado de modo a que a entrada de oxigénio seja suficiente para a combustão (gaseificação) e insuficiente para a ignição dos resíduos. Consequentemente, a combustão prossegue sem ignição e sem chamas na câmara ou qualquer outra secção do aparelho.
[0049] Um processo para tratamento de resíduos de acordo com a invenção compreende a introdução de resíduos numa câmara, o aquecimento desses mesmos resíduos a uma temperatura suficientemente elevada para causar a sua pirólise, a introdução de oxigénio na câmara para efectuar a combustão dos resíduos, a passagem do gás residual através de um ou mais catalisadores de oxidação e a descarga de resíduos do material queimado da câmara, opcionalmente com água. A temperatura elevada necessária à efectivação da pirólise encontrar-se-á adequadamente entre 400-700°C. 0 funcionamento a estas temperaturas com arrefecimento rápido da câmara e seu conteúdo aquando da finalização do tratamento num período de ciclo relativamente curto tem tendência a evitar a formação de alguns dos contaminantes mais nocivos (e.g., dioxinas e furano) normalmente associados à pirólise ou unidades de incineração genéricas, podendo ainda formá-los em menor escala, assegurando que substancialmente todos os resíduos, com excepção dos componentes recicláveis, possam ser tratados. Em particular, a produção de N0X pode ser reduzida por comparação com os métodos de incineração conhecidos. É, portanto, uma vantagem da invenção que o tratamento catalítico de gases residuais possa ser realizado com eficácia. A temperatura de pirólise estará, preferencialmente, entre os 500-700°C, com maior preferência entre 500-600°C. Numa modalidade específica do 17 processo, abaixo descrita em maior detalhe, o sistema opera a cerca de 550°C.
[0050] A combustão é adequadamente desempenhada a temperaturas elevadas, normalmente iguais ou superiores a 400°C, preferencialmente de pelo menos 500°C. No funcionamento normal de um aparelho da invenção, a câmara é aquecida até à temperatura de pirólise sendo a combustão executada como passo seguinte sem aquecimento ou arrefecimento separados específicos da câmara. 0 calor gerado pela combustão mantém, geralmente, uma temperatura elevada no interior dos residuos e, dependendo do seu teor calorífico, poderá aumentar ligeiramente a temperatura pelo que os aquecedores da câmara são habitualmente desligados durante este processo. 0 calor poderá ser removido da câmara pela passagem de gases residuais através de um radiador ou permutador térmico, sendo o calor recuperado utilizado para outros fins. A temperatura da câmara poderá ainda ser regulada através do controlo do fluxo de ar direccionado ao seu interior. A temperatura da câmara durante a combustão geralmente não excede os 800°C e, preferencialmente, não estará acima de 750°C ou 700°C.
[0051] O volume da câmara para o aparelho estará normalmente no intervalo entre 0,01-0,50 m3. O volume da câmara encontrar-se-á preferencialmente entre 0,02-0,30 m3, mais preferencialmente, entre 0,03-0,20 m3 ou entre 0,04-0,10 m3. Até à data, foram testadas com sucesso câmaras com volumes entre cerca de 0,06m3 e 0,14m3. O processo e aparelho são adequados ao tratamento de fluxos de residuos de até 10 toneladas por dia.
[0052] Na utilização de uma modalidade específica da 18 invenção, as emissões gasosas poderão inicialmente atravessar um filtro de partículas diesel (o FPD) que funciona por conversão catalítica na presença de ar para fornecer um ambiente oxidante. 0 FPD opera adequadamente a temperaturas entre cerca de 500-900°C, preferencialmente entre 600-800°C, com maior preferência entre 650-750°C, removendo o alcatrão do gás residual. É geralmente levado a essa temperatura de operação no início do processo por um ou mais aquecedores externos. Em utilização, a oxidação é exotérmica e a temperatura poderá ser auto-sustentável, podendo ser controlada através da elevação e redução do fluxo gasoso residual e ar através do FPD. A partir do FPD, os gases poderão passar por um segundo catalisador, o HT, que opera a cerca de 300-700°C, preferencialmente entre 400-600°C e com maior preferência entre 450-550°C para fornecer um ambiente oxidativo na presença de ar no sentido da remoção de COV do gás residual. Poderá ser injectado ar na base catalítica e um ou mais aquecedores dentro do catalisador poderão configurá-lo à temperatura aquando da passagem dos primeiros gases residuais. Mais uma vez, a reacção na base catalítica é exotérmica de modo a que os aquecedores possam ser desligados assim que a temperatura seja auto-sustentável. A temperatura poderá ser regulada através do controlo do fluxo gasoso residual e de ar. Depois do HT, os gases atravessam um depurador hídrico que remove todos os gases hidrossolúveis e quaisquer partículas remanescentes, arrefecendo ainda os gases.
[0053] As vantagens da invenção incluem a sua eficiência na redução dos níveis de hidrocarbonetos e CO no gás residual, permitindo, desse modo, a utilização do método e aparelho de processamento de resíduos embora permanecendo dentro dos limites seguros de emissão. Uma vantagem adicional de 19 certas modalidades reside na combinação de catalisadores para a remoção de diferentes contaminantes gasosos e a combinação de catalisadores para que os de natureza termotolerante a montante permitam a retirada de COV difíceis de remover num catalisador a jusante.
[0054] A invenção será agora ilustrada fazendo referência aos desenhos anexos nos quais: A Fig. 1 mostra um fluxograma esquemático de uma primeira modalidade da invenção onde é utilizado um catalisador de oxidação; A Fig. 2 mostra um fluxograma esquemático de uma segunda modalidade da invenção onde é utilizado um catalisador de oxidação, r A Fig. 3 mostra um fluxograma esquemático de uma terceira modalidade da invenção onde é utilizado um catalisador de oxidaçao; A Fig. 4 mostra um fluxograma esquemático de uma quarta modalidade da invenção onde são utilizados um catalisador de oxidação e um catalisador de redução; A Fig. 5 mostra um fluxograma esquemático de uma quinta modalidade da invenção onde é utilizado um catalisador de oxidação singular; e A Fig. 6 apresenta um fluxograma esquemático de uma sexta modalidade da invenção onde é utilizado um único catalisador combinado com um permutador de calor e com o retrocontrolo dos níveis de oxigénio e temperatura do catalisador. 20
Exemplos [0055] Um aparelho não especificamente descrito é como descrito previamente no pedido de patente Internacional publicado como W02007/104954, também designado aqui como aparelho PyroPure®.
[0056] Relativamente à fig. 1, a câmara do PyroPure® opera a temperaturas de 0°C até cerca de 600°C, geralmente a cerca de 550°C e os gases residuais passam num filtro de partículas diesel, FPD. Este opera a cerca de 550°C-850°C, geralmente a cerca de 750°C e remove o alcatrão do gás. É introduzido ar nesse momento para permitir a oxidação catalítica, o controlo do fluxo de ar controlando a temperatura do catalisador.
[0057] 0 produto do FPD é passado para uma unidade VTT, uma unidade de tratamento térmico VOC que opera a cerca de 1000°C. Isto destrói o H 2, compostos orgânicos voláteis e alcatrões pesados, contudo pode produzir algum N0X térmico. Assim, produz um subproduto que pode ter de ser solucionado subsequentemente, embora o NOx se mantenha em geral abaixo dos limites aceitáveis, não sendo necessário qualquer tratamento específico nesse caso. A partir do VTT os gases passam por um depurador húmido a operar a cerca de 80°C no qual o gás sai abaixo do nível da água e passa através de um vapor de água. Isto remove o alcatrão remanescente (se existente) e os gases solúveis como S02 e HC1. De seguida, o gás passa por uma unidade de filtração a seco, por um eliminador de névoa a operar a mais de 120°C para evitar a condensação, que previne a transferência de vapor de água para etapas de processamento subsequentes. Os gases passam então por um filtro cerâmico que opera a cerca de 200°C e 21 elimina as partículas remanescentes. 0 filtro é omitido se o subproduto eventual passar para a água de esgoto, já que a água de esgoto também irá remover partículas, e não está assim representado na fig. 1.
[0058] 0 depurador hídrico contém aproximadamente 40 litros de água e é uma unidade fechada, na qual a água circula continuamente no decurso do ciclo. No final do ciclo a água é descarregada no esgoto. O pH da água no depurador deve ser 6-7, i.e. neutro, e isto será mantido na maior parte das cargas de resíduos. Contudo, é possível que com uma carga com um teor de PVC elevado, o valor do pH diminua e a água se torne excessivamente acídica. O valor do pH é medido ao longo do processo e se começar a diminuir, é adicionada mais água. Pode igualmente ser continuamente adicionada água fresca à medida que é retirada água residual.
[0059] A etapa seguinte é uma denominada auto-catálise, referente a um conversor catalítico de duas vias convencional do tipo disponível na indústria automóvel. 0 ar aquecido é introduzido nesta etapa e o conversor catalítico habitualmente opera a cerca de 400°C. Isto remove o CO e alguns COV.
[0060] Finalmente, o gás tratado passa através de um filtro de carbono (não ilustrado na fig. 1) que opera a menos de 100°C, o gás sairá finalmente a temperaturas inferiores a 50°C em consonância com a legislação existente.
[0061] O produto de saída contém contaminantes a níveis aceitáveis do ponto de vista da actual legislação ambiental. Isto permite que o produto de saída seja 22 libertado na atmosfera e/ou esgotos, possibilitando que o equipamento possa operar in situ.
[0062] A fig. 2 apresenta uma adaptação da modalidade da fig. 1, onde o VTT é dispensado. Tal implica a presença de menos contaminantes NOx, na medida em que estes não são gerados pelo VTT constante na modalidade da fig. 1.
[0063] 0 FPD remove o alcatrão e uma fracção de COV e CO através de oxidação catalítica. O depurador húmido, operando a cerca de 70°C remove ácidos inorgânicos e metais voláteis, a filtração a seco remove partículas não retidas pelo depurador. A base catalítica final é um catalisador HT particularmente capaz de remover COV como o metano e etano do gás residual (removido na modalidade apresentada na fig. 1 pelo VTT), opera a cerca de 600°C e remove COV, CO e hidrogénio. Esta modalidade depende da minimização da formação de óxido nitroso, evitando, dessa forma, a necessidade de um catalisador de redução.
[0064] A Fig. 3 mostra uma adaptação da modalidade da fig. 2, na qual o depurador húmido é posicionado depois da segunda base catalítica.
[0065] Tal como na fig. 1, o FPD remove o alcatrão e uma fracção de COV e CO através de oxidação catalítica. 0 gás residual passa então para a segunda base catalítica, um catalisador HT, no qual é introduzido ar, opcionalmente ar aquecido e que opera a cerca de 600°C. Isto conclui a oxidação de CO, COV e hidrogénio em dióxido de carbono e água.
[0066] Os gases então passam para o depurador húmido, que 23 opera a cerca de 70°C, que remove ácidos inorgânicos, metais e partículas voláteis, estes últimos com tal eficiência que não é necessária uma filtração a seco separada. Depois do depurador hídrico, o ar limpo e filtrado com um teor de oxigénio geralmente de 10%-21% sai para a conduta de esgoto.
[0067] Outra modalidade da invenção está representada na fig. 4. Quanto às outras modalidades, o gás residual passa primeiro por um catalisador de oxidação FPD. A partir daqui, os gases passam através de um conversor catalítico de 3 vias que pode actuar como catalisador de redução para reduzir os óxidos nitrosos e depois para a base catalítica de um catalisador de oxidação HT, com entrada de ar, onde a oxidação de COV e CO é concluída. Finalmente, os gases passam através do depurador húmido. Depois do depurador hídrico, o ar limpo e filtrado com um teor de oxigénio geralmente de 10%-21% sai para a conduta de esgoto.
[0068] Ainda outra modalidade da invenção está representada na fig. 5. 0 gás residual que sai da câmara passa através de um filtro de rede metálica (não representado) para remover a cinza e depois não passa através de um FPD como nas outras modalidades, mas através da base catalítica de um catalisador HT onde, com introdução de ar, é realizada a oxidação do alcatrão, COV e CO. Finalmente, os gases passam através do depurador húmido. Depois do depurador hídrico, o ar limpo e filtrado com um teor de oxigénio de 10%-21% sai para a conduta de esgoto.
[0069] Uma modalidade preferida da invenção está representada na fig. 6. A pirólise, combustão (gaseificação) e tratamento do gás residual são 24 substancialmente como nos exemplos anteriores, excepto se indicado de outra forma. Os gases de exaustão em bruto que saem da câmara passam primeiro através de um ciclone para remover a cinza do gás residual antes do contacto do gás residual com um catalisador. Neste aparelho o catalisador é um catalisador de oxidação de paládio/alumina com uma única base catalítica. Ao sair do ciclone, os gases residuais passam então através da base catalítica e um termopar associado ao catalisador fornece informações de retrocontrolo da temperatura a um ventilador de ar variável. 0 ventilador controla a quantidade de ar a misturar com os gases de exaustão e este ar é, primeiro, passado por um aquecedor para modular a sua temperatura. Os gases de exaustão que saem da base catalítica passam através do permutador de calor a caminho do depurador de gás. 0 permutador de calor transfere o calor da base catalítica para o ar injectado na câmara que é usado durante as etapas de pirólise e oxidação. Os gases de exaustão arrefecidos ao saírem do permutador de calor passam pelo depurador de gás para remoção de S02, ácidos, partículas e metais voláteis e são arrefecidos ainda mais pela água presente no depurador. Os gases de exaustão limpos que saem do depurador passam por um detector de oxigénio que monitoriza o teor de oxigénio no gás de escape e fornece informações de retrocontrolo ao ventilador de ar variável, de modo a modular a quantidade de ar que deverá ser misturado com os gases de exaustão introduzidos no catalisador de oxidação.
[0070] Num modo de funcionamento do aparelho, cerca de 8 kg de resíduos domésticos típicos são colocados na câmara, que é aquecida até cerca de 550°C para pirólise com um fluxo de ar de cerca de 16L/min. introduzido desde o início. A etapa 25 de pirólise dura cerca de 40 minutos após os quais o fluxo de ar para dentro da câmara é aumentado gradualmente até cerca de 150 L/min, iniciando a etapa de oxidação. Quando a etapa de pirólise começa, a base catalítica é aquecida até cerca de 600°C através do fornecimento de ar aquecido pelo ventilador de ar variável a uma taxa de cerca de 200 L/min. O fluxo de ar é aumentado até cerca de 800 L/min durante o ciclo, conforme necessário. A taxa de fluxo de ar é controlada pelo termopar mantendo a temperatura do catalisador dentro da respectiva temperatura de funcionamento e o teor de oxigénio do gás de escape final conforme medido pelo detector de oxigénio. O teor de oxigénio do gás de escape final é controlado dentro do intervalo de 3-10%.
[0071] A invenção fornece assim um método e aparelho de tratamento de resíduos.
Lisboa, 26

Claims (22)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Um método para tratamento de resíduos, compreendendo: aquecimento dos resíduos numa câmara até uma temperatura elevada para efectuar a pirólise dos resíduos; introdução de oxigénio na câmara para efectuar a gaseificação dos resíduos pirolizados, de forma que a pirólise e a gaseificação sejam realizadas sequencialmente na mesma câmara; contacto do gás residual dos passos de pirólise e/ou gaseificação com um catalisador de oxidação para converter o monóxido de carbono e os hidrocarbonetos presentes no gás residual em dióxido de carbono e água; determinação do teor de oxigénio do gás de escape proveniente do catalisador usando um sensor de oxigénio, e utilização desta informação para modular a introdução de ar no catalisador ou na câmara ou em ambos, de modo a manter o nível de oxigénio do gás que sai do aparelho; e monitorização da temperatura do catalisador através de um sensor de temperatura no catalisador ou na sua proximidade, de modo a que um aumento da temperatura desencadeie um aumento da entrada de ar no catalisador para reduzir a temperatura. 1
  2. 2. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que a temperatura elevada para efectuar a pirólise é de 400-700 °C.
  3. 3. Um método de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que o nivel de oxiqénio do gás que sai do aparelho é mantido no intervalo de 1-16%.
  4. 4. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o nivel de oxigénio do gás que sai do aparelho é mantido no intervalo de 3-10%.
  5. 5. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o catalisador de oxidação compreende platina, paládio ou ródio.
  6. 6. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que um aumento na temperatura do catalisador acima de cerca de 600° desencadeia um aumento da entrada de ar no catalisador.
  7. 7. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo ainda um catalisador de redução para converter óxidos nitrosos em nitrogénio e oxigénio.
  8. 8. Um método de acordo com a reivindicação 7, em que o catalisador de redução compreende platina, paládio ou ródio.
  9. 9. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicação anteriores, compreendendo o contacto entre o gás residual e um depurador húmido para a remoção de ácidos inorgânicos e metais voláteis. 2
  10. 10. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo a filtração do gás residual para remover a cinza antes de colocar o gás residual em contacto com os catalisadores de oxidação e/ou redução.
  11. 11. Um método de acordo com a reivindicação 10, compreendendo o contacto do gás residual com um ciclone para remover a cinza antes do contacto do gás residual com os catalisadores de oxidação e/ou redução.
  12. 12. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo a passagem do gás de escape do catalisador por um permutador de calor.
  13. 13. Aparelho de tratamento de resíduos, que compreende: - uma câmara para receber os resíduos; - um aquecedor para aquecer os resíduos na câmara; - uma saída para descarga do gás residual da câmara; um catalisador de oxidação para catalisar a oxidação de monóxido de carbono e hidrocarbonetos presentes no gás residual; e caracterizado por também compreender: um monitor de oxigénio para monitorizar o teor de oxigénio do gás de escape do catalisador de oxidação; uma entrada para combinar ar com o gás residual antes do contacto com o catalisador de oxidação, em que a entrada de ar no gás residual antes do contacto com o catalisador de oxidação é controlada pelo monitor de oxigénio; 3 e um sensor de temperatura para monitorizar a temperatura de funcionamento do catalisador, em que o sensor de temperatura é ligado à entrada de ar, para que a entrada de ar possa ser controlada para modular a temperatura de funcionamento do catalisador, o aparelho estando adaptado para ser selado para que os resíduos possam ser aquecidos para efectuar a pirólise dos resíduos e compreendendo uma entrada de ar que permite a gaseificação dos resíduos na mesma câmara.
  14. 14. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, adaptado para efectuar a pirólise dos resíduos a uma temperatura a partir de 400 a 700°C.
  15. 15. Aparelho de acordo com a reivindicação 13 ou reivindicação 14, adaptado para permitir que o contacto com o catalisador de oxidação seja controlado pelo monitor de oxigénio, para que o teor de oxigénio do gás residual, após o contacto com o catalisador de oxidação, esteja no intervalo de 1-16%.
  16. 16. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-15, adaptado para permitir que o contacto com o catalisador de oxidação seja controlado pelo monitor de oxigénio, para que o teor de oxigénio do gás residual, após o contacto com o catalisador de oxidação, esteja no intervalo de 3-10%.
  17. 17. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-16, em que o catalisador de oxidação compreende platina, paládio ou ródio. 4
  18. 18. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-17, compreendendo ainda um catalisador de redução para catalisar a redução de óxidos nitrosos presentes no gás residual.
  19. 19. Aparelho de acordo com a reivindicação 18, em que o catalisador de redução compreende ródio.
  20. 20. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-19 compreendendo um filtro de cinza entre a câmara e o catalisador para evitar que a cinza presente no gás residual atinja o catalisador.
  21. 21. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, compreendendo um ciclone para evitar a entrada de cinza nos catalisadores de oxidação e/ou redução.
  22. 22. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-21, compreendendo ainda um permutador de calor para processar gases de exaustão que saem do catalisador e entram na câmara. Lisboa, 5
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