PT2847516E

PT2847516E - Melhoramentos no tratamento de resíduos

Info

Publication number: PT2847516E
Application number: PT137205035T
Authority: PT
Inventors: Al Chalabi Rifat; Henry Perry Ophneil; Li Ke
Original assignee: Chinook End-Stage Recycling Ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2016-06-23
Also published as: IN2014DN10393A; EA201401227A1; WO2013167870A1; GB201208165D0; CA2872960A1; AU2013257835B2; DK2847516T3; HUE029578T2; EA027222B1; EP2847516A1; BR112014027964A2; US20150089947A1; EP2847516B1; PL2847516T3; MX2014013567A; GB2488923B; GB2488923A; KR20150014485A; CN104520645B; AU2013257835A1

Description

DESCRIÇÃO melhoramentos NO tratamento de resíduos A. presente invenção refere-se a sistemas para tratamento de material contendo conteúdo orgânico, em particular, refere-se a sistemas de valorização energética para extrair energia de resíduos contendo conteúdo orgânico, os quais têm ura baixo poder calorífico. Um sistema como esse é conhecido, por exemplo, da WO 2008/122875.

Resíduos orgânicos com baixo poder calorífico (PC) , tais como resíduos sólidos urbanos (RSU) de elevado teor de humidade, resíduos alimentares, resíduos agrícolas e sedimentos de elevada humidade são difíceis de tratar.

Sm alguns países, por exemplo, nos países nórdicos em que há precipitação elevada, e queda de neve, os resíduos têm tipicamente um teor: de humidade mais elevado que diminui o seu poder calorífico (por unidade de massa). Além disso, como mais plásticos são reciclados, e, como tal, são removidos do fluxo de resíduos, os .resíduos finais com. um teor de plásticos inferior têm um PC reduzido. dm métoao de tratamento de resíduos é a incineração. TipiCcimenre, antes da incineração é necessário misturar ^ombusL.ível adicional a esses resíduos, isto é, de outra. x.uute, por exemplo, carvão, biomassa seca, gás natural, e“c·' para que, durante a incineração, possa ser mantida a combustão autossustentada, isto é, para que seja alcançado um trcu.amen.to térmico automático. λj.guns resíduos são tratados através de um processo de gaseificação, no qual os resíduos são aquecidos numa dmoo^m de oxigénio reduzido para produzir gás de Sxi.tese, e o gás é queimado para produzir um gás de escape de Luipeidtura elevada que é utilizado para produzir e^e^gicx eletrica, por exemplo, aquecendo água para acionar uma turbina a vapor.

Os gasei.fxcad.ores convencionais incluem gase if içado res de j-eito fluidificado de tratamento continuo, gaotiii^adores de leito fixo contínuos ou por lotes, ou gabeifixadores tipo grelha. No entanto, estes tipos de gaseixicadoies nao estão bem adaptados ao tratamento de resíauos de baixo poder calorífico. A maioria dos gaseifi^adores comerciais sâo operados contínuamente, isto e, Ob resíduos sao introduzidos numa extremidade, passam Cviitinuameiite através do mecanismo e saem na outra extremidade, e o gás é retirado. À medida que o material paosa arraves do gaseificador é, em primeiro lugar, secado, quanao o calor expele o teor de humidade, e, depois, o ma teria1 e gaseificado, em cujo momento a energia contida nos resíduos é libertada sob a forma de moléculas de hidrocarboneto juntamente com gases inertes, tais como nitrogénio. A humidade e os gases são libertados na mesma câmara de tratamento e são retirados em conjunto. A velocidade do fluxo de gás através da câmara de tratamento é muito elevada, por volta de 3 m/s’1, o que cria um gás de saída completamente misturado. 0 gás resultante de um tratamento semelhante terá um elevado teor de humidade e um baixo teor de gás de síntese (CO, íh.r Cíh) . 0 poder calorífico do gás de saída será, por isso, igualmente baixo. Além disso, devido ao elevado teor de humidade dos resíduos que são carregados conti nuamente no mecanismo, é normalmente necessário utilizar uma fonte externa de combustível, por exemplo, gás natural ou carvão, para produzir o calor necessário para evaporar a água. Isto leva a uma maior produção de CO2, o que não só é ambientalmente prejudicial, mas também dilui ainda mais o gás de síntese produzido. 0 resultado final é que o gás de síntese produzido é de uma qualidade inferior, a. qual, sem um tratamento posterior extenso e energeticamente intensivo, apenas é adequada para combustão.

Mesmo quando se utilizam gaseificadores de leito fixo convencionais nos quais os resíduos são introduzidos em lotes, permanecem problemas similares. Estes tipos de gaseificadores têm um período de tratamento para gaseificar os resíduos muito longo, tipicamente de muitas horas, e o g á s li b e r t a d o c o n t ém u m a mist u r a de g a s e s, incluíndo grandes volumes de nitrogénio, vapor e dióxido de carbono. 0 gás abandona o gaseificador numa corrente de gás misturada e a composição do gás misturado é na mesma de uma qualidade inferior, e é geralmente apenas adequada para combustão. 0 obj etivo final dos sistemas de valorização energética é produzir energia elétrica. Como descrito acima, isto é tipicamente realizado através da conversão do gás produzido em calor, para produzir vapor para acionar uma turbina a vapor. No entanto, a eficiência de conversão da energia em potência, utilizando este método, é bastante baixa, tipicamente por volta de 18 % a 24 %.

Geralmente, não são utilizados sistemas com eficiência de conversão superior, por exemplo, combustão direta de gás de síntese numa turbina a gás ou motor de movimento alternativo, pois o gás de síntese produzido nestes gaseificadores convencionais é de uma qualidade inferior que não cumpre os requisitos de combustível de tais motores ou turbinas a gás, os quais exigem um gás de síntese limoo de elevado poder calorífico, tipicamente na ordem dos 0, 0176-0, 029 KW/0, 028 m3 ( 60-100 BTU/FT3) , não contendo nenhum ou um muito escasso teor de alcatrão.

Para o gás de baixo PC produzido em gaseificadores convencionais ser utilizado diretamente num motor de gás de síntese ou turbina a gás, existem, então, duas i-^vOes <>

Primeiramente, os resíduos de baixo pç , • ^· podem ser misturados com um combustível de fonte -Eterna, por exemplo, gás natural, propano, etc. Isto leva à · ^ n 17 ‘ °- introdução de um consumo largamente aumentado de combustível fóssil n? proauçao de energia cio gasenicador, o que é desvantai os o e nocivo para o ambiente, e, adicionalmente, aumenta o custo de produção de energia, pois esta torna-se dependente de um consumo aumentado de combustível adquirido externamente A segunda opção é pré-tratar os resíduos para aumentar o PC aos resrduocD aides de estes serem gaseificados. pré-tratamento é complexo e é um procedimento proibitivamente dispendioso que combina múltiplas operações consecutivas de trituração dos resíduos, secagem dos restemos e oeretizaçao dos resrdsos antes da gaseifinação Apesar disto fornecer, deveras, uma possibilidade de alimentar diretamente um motor a gás, este tratamento é um tratamento en e rget i carne n te muito intensivo e, devido às elevadas despesas de investimento, despesas de funcionamento e despesas de manutenção, necessárias para transformar os resíduos de baixo PC num combustível derivado de resíduos (CDR), não é urna solução comercialmente atrativa. A presente invenção atenua, pelo menos, em parte alguns dos problemas mencionados acima e fornece um método e mecanismo que permitem que o produto de um processo de gaseificação de resíduos de baixo PC seja convertido em potência num motor de gás de síntese.

Tal como aqui utilizada, será. entendido que a expressão «motor a gás» inclui diversos tipos de motores de combustão que funcionam a gás e inclui, sem limitações, motores a gás de movimento alternativo e turbinas a gás.

De acordo com. um primeiro aspeto da invenção, é fornecido um método de tratamento ae material com um conteúdo orgânico, compreendendo: aquecer um lote do dito material num mecanismo de tratamento por lotes com uma atmosfera de oxigénio reduzido para gaseificar, pelo menos, algum do conteúdo orgânico para produzir gás de síntese; elevar a temperaitura do dito gás de síntese e manter o gás de síntese à dita temperatura elevada durante um período de permanência suficiente para quebrar termicamente todos os hidrocarbonetos de cadeia longa ou compostos orgânicos voláteis que nele existam; analisar o poder calorífico do gás de síntese produzido, quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior a um limite predefinido, desviar o gás de síntese com baixo poder calorífico para um queimador de uma caldeira para produzir vapor; e quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito limite predefinido, desviar o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico para um motor a gás para produzir eletricidade. 0 método pode ter um primeiro limite predefinido e um segundo limite predefinido e, quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior ao dito primeiro limite predefinido, desviar-se o gás de síntese com baixo poder calorífico para um queimador de uma caldeira para produzir vapor, num primeiro modo de funcionamento; quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito primeiro limite predefinido, desviar-se o dito gás de sintese com um elevado poder caloríf ico para um motor a gás para produzir eletricidade, num segundo modo de funcionamento; e, quando o poder calorífico do gás de síntese descer abaixo do segundo limite, desviar-se o gás de síntese com baixo poder calorífico para um queimador de uma caldeira para produzir vapor, numa terceira fase de funcionamento.

Como será entendido, a presente invenção fornece, assim sendo, um sistema que pode alternar entre a utilização do gás produzido para alimentar uma caldeira para potência derivada de turbina a gás convencional, e pode alternar, assim que o PC estiver num nível adequado, para a utilização direta do gás de síntese num motor a gás de sintese. Como o motor a gas ç ^ síntese tem uma eficiência de conver sao de energia muito superior a da turbina de caldeira/vapor, a eficiência global do sistema pode ser grandemente melhorada, utilizando, na mesma, resíduos de baixo PC, sem a necessidade de pré-tratar os resíduos ou tratar posteriormente o gás.

Os primeiro e segundo limites têm o mesmo valor ou podem divergir. Em ambos os casos, o vaior-limite acima do quar o gás é direcionado para o motor a gás de síntese terá um PC adequado 'para utilização no motor a gás de síntese. 0 método pode ainda compreender: quando o poder calorífico do gás de síntese exceder um terceiro limite, superior aos ditos primeiro e segundo limites 'predeterminados, desviar-se o dito gás de síntese com muito elevado poder calorífico para um tanque de armazenamento. Além. de ser consumido num motor a gás de síntese, o aás de síntese tem outras utilizações, como um combustível químico ou para separação nos seus gases componentes para outra utilização química. No entanto, a pureza dos gases utilizados para. isto terá de ser de um PC ainda mais elevado que aquele utilizado no motor a gás de síntese. 0 método pode ainda compreender extrair calor do dito gás de síntese e utilizar o dito calor para produzir vapor. Recuperar o calor desta fase do tratamento não só reduz a temperatura do gás que é fornecido ao motor a gás de síntese, mas também recupera energia do gás, a qual pode ser utilizada para acionar a caldeira. Para aumentar adicionalmente a eficiência global, o calor residual do motor a gás pode também ser utilizado para aquecer água na caldeira, para produzir vapor. 0 vapor produzido pode ser utilizado para acionar uma turbina a vapor para produzir eletricidade. 0 método pode compreender armazenar temporariamente o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico e/ou armazenar o gás de síntese com baixo poder calorífico em reservatórios de armazenamento. Desta forma, não só pode ser fornecida uma compensação de combustível, pois o gás de um mecanismo de tratamento por lotes não é produzido a um débito constante, como os tanques ae armazenamento funcionam também como tanques ae mistura, pois, ao contrário cie sistemas cie tratamento constante, os quais tendem a ter uma composição de gas de saída Pastante consistente, a composição do gás de um sistema cie tratamento por lotes tende a variar ao longo do tempo. Ao utilizar os tanques de armazenamento, as variações de composição ao longo do tempo são niveladas e pode ser fornecido um gás com uma composiçã.o mais constante à caldeira/motor a gás. 0 método compreende ainda preferentemente limpar o dito gás de síntese antes da utilização. Podem ser utilizadas técnicas o'e filtragem e limpeza conhecidas.

Analisar o poder calorífico do gás de síntese produzido pode compreender analisar a composição química, do gás de síntese, em particular, pode compreender analisar um ou mais de entre o teor de hidrogénio do gás de síntese, o teor cie monóxido de carbono do gás de síntese, e o teor de metano cio gás de síntese.

No limite predeterminado, o poder calorífico do gás de síntese pode situar-se num intervalo entre 0,0117- 0,02 93 KW/0, 02 8 irh (40-10 0 BTU por pé cúbico). Pode adicionalmente situar-se num intervalo entre 0,0234- 0,0293 KW/0,028 m3 (80-100 BTU por pé cúbico). No terceiro limite, o poder calorífico do gás de síntese pode situar-se num intervalo entre 0, 0586-0,0644 K.W/0, 028 m3 (200-220 BTIJ por pé cúbico).

Desviar o gás de síntese com baixo poder calorífico para um queimador de uma caldeira para produzir vapor pode compreender desviar o gás de síntese através de uma primeira trajetória de fluxo que leva a. um oxidador térmico, a montante de um permutador de calor da caldeira, em que o gás de síntese é queimado, criando assim um fluxo de gás quente ao longo do permutador de calor, e mantendo o gás de síntese a uma temperatura elevada durante o dito período de permanência; e desviar o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico para um motor a qás pode compreender desviar o gás de síntese através de uma segunda trajetória de fluxo para um motor a gás de síntese, através de um mecanismo de tratamento térmico em que a temperatura do dito gás de síntese é elevada e mantida à dita temperatura elevada durante o dito período de permanência. 0 método pode ainda compreender fornecer um circuito de recirculação com um queimador incluído e recircular gases quentes através do forno de tratamento por lotes e o dito circuito de recirculação aquecer o dito forno de tratamento por lotes.

De acordo com um segundo aspeto da invenção, é fornecido um. mecanismo para tratamento de material com. um conteúdo orgânico compreendendo: pelo menos um forno de tratamento por lotes configurado para aquecer um lote do dito material numa atmosfera de oxigénio reduzido para gaseificar, pelo menos, algum do conteúdo orgânico do dito material para produzir gás de síntese; pelo menos um mecanismo de tratamento térmico configurado para receber gás de síntese do dito forno de tratamento por lotes e tendo um sistema de aquecimento a si associado, o dito mecanismo de tratamento térmico configurado para elevar a temperatura do dito gás de síntese em si contido durante um período de permanência suficiente para quebrar termicamente todos os hidxocarbonetos de cadeia longa ou compostos orgânicos voláteis que nele existam; pelo menos um sistema de sensores para analisar a composição do gás de síntese produzido e configurado para emitir um sinal indicativo do seu poder calorífico; pelo menos um motor a gás; uma caldeira; um sistema de válvulas para direcionar o gás de síntese para o motor a gás de síntese ou a caldeira; e um controlador configurado para detetar quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior a um limite predeíinido e controlar o dito sistema de válvulas para direcionar o gás de síntese com baixo poder calorífico para um queimador da dita caldeira para produzir vapor; e detetar quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito limite predefinido e controlar o dito sistema de válvulas para direcionar o dito gás de síntese com elevado poder calorífico para o dito motor a gás para produzir e 1 e t r i c i d a de ,

Como será entendido, o mecanismo pode executar o método do primeiro aspeto da invenção. 0 limite predeterminado pode compreender um primeiro limite predeterminado e um segundo limite predeterminado e o controlador pode ser configurado para detetar quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior ao dito primeiro limite predefinido, e controlar o dito sistema de válvulas para direcionar o gás de síntese com baixo poder calorífico para o dito queimador da dita caldeira para produzir vapor, num primeiro modo de funcionamento; detetar quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito primeiro limite predefinido, e controlar o dito sistema de válvulas para direcionar o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico para o dito motor a gás para produzir eletricidade, num segundo modo de funcionamento; e detetar quando o poder calorífico do gás de síntese descer abaixo do segundo limite, e controlar o dito sistema de válvulas para direcionar o gás de síntese com baixo poder calorífico para o dito queimador da dita caldeira para produzir vapor, numa terceira fase de funcionamento. 0 controlador pode ainda ser configurado para detetar quando o poder calorífico do gás de síntese exceder um terceiro limite, superior aos ditos primeiro e segundo limites predeterminados, e controlar o dito sistema de válvulas para direcionar o dito gás de síntese com muito elevado poder calorífico para um tanque de armazenamento.

Um permutador de calor pode ser fornecido a jusante do mecanismo de tratamento térmico, e ser configurado para extrair calor do dito gás de síntese para arrefecer o dito gás de síntese. 0 calor extraído pode ser utilizado para produzir vapor,

Pode ser fornecida uma conduta para direcionar gases de escape quentes do dito motor a gás para um permutador de calor na caldeira para produzir vapor. 0 mecanismo pode ter uma turbina, acionada pelo vapor, para produzir eletricidade. 0 mecanismo pode incluir um reservatório de armazenamento para armazenar temporariamente o gás de síntese com um elevado poder calorífico e/ou um reservatório de armazenamento para armazenar temp ora ri cimente o gás de síntese com um baixo poder calorífico.

Também pode ser fornecida uma unidade de limpeza para limpar o gás de síntese antes da utilização. 0 mecanismo pode compreender um analisador de gases para analisar a composição química do gás de síntese, para obter um sinal indicativo do seu poder calorífico. 0 motor a gás pode compreender um ou mais de entre um motor de movimento alternativo e uma turbina a gás.

Numa disposição, o mecanismo de tratamento térmico pode incluir um sistema de válvulas a jusante do dito forno de tratamento por lotes para desviar o gás de síntese para um ou mais de entre uma primeira trajetória de fluxo que leva até ao dito motor a gás de síntese e uma segunda trajetória de fluxo que leva até à caldeira, e em que o mecanismo de tratamento térmico compreende um reator-térmico situado na primeira trajetória de fluxo, a montante do motor a gás de síntese, e um oxidador térmico situado na segunda trajetória de fluxo, a montante da caldeira. 0 reator térmico pode ser configurado para aquecer o gás de síntese sem o queimar, e ao passo que o oxidador térmico está configurado para aquecer o gás de síntese para o queimar. 0 mecanismo pode ainda compreender um circuito de recxrculação para recircuiar gases quentes através do forno de tratamento por lotes sem os passar através do dito mecanismo de tratamento térmico, o mecanismo compreendendo ainda um queimador fornecido num dito circuito de recirculação para fornecer um fluxo de gás quente através do dito forno de tratamento por lotes.

Formas de realização especificas da invenção serão agora descritas, a titulo de exemplo, fazendo referência aos diagramas seguintes, em que: A figura 1 é um diagrama esquemático de um mecanismo de tratamento constante do estado da técnica, mostrando a qualidade de gás do gás emitido à medida que o material passa através cie si. A figura 2 é um gráfico de PC sobre tempo para um mecanismo de tratamento por lotes do tipo que pode ser utilizado com a invenção; A figura 3 é um fluxograma do método da presente invenção; A figura 4 é um diagrama esquemático de um mecanismo da presente invenção; A figura 5 é um diagrama esquemático de um outro mecanismo da presente invenção; e A figura 6 é um diagrama esquemático de um outro mecanismo da invenção.

Fazendo referência à figura 1, é mostrado um diagrama esquemático de uma câmara de tratamento 2 de alimentação e tratamento contínuos, tal como é conhecida no estado da técnica. A câmara tanto pode ser um forno rotativo, no qual os resíduos 8 se movem à. medida que roda no interior por ação da gravidade, como uma câmara fixa, na qual os resíduos 8 se movem pela ação de grelhas em movimento (grelhas descendentes) . A câmara tem uma entrada 4 de resíduos, através da qual um fornecimento constante de resíduos a tratar entra na câmara, e uma saída 6 de resíduos através da qual os resíduos finais (carvão, inertes, metais, etc.) que foram completamente tratados saem da câmara. Apesar de não mostrado, será entendido que a entrada 4 e a saída 6 são configuradas de uma forma conhecida para minimizar a quantidade de ar que pode entrar com os resíduos ou entrar através da saída 6 da câmara. Os resíduos 8 são transportados através da câmara e são gaseificados. Um fornecimento de gás quente destituído de oxigénio entra na câmara pela entrada de gás 10 e sai da câmara pela saída de gás 12. Durante uma fase inicial do tratamento, os resíduos 8 são aquecidos pelo gás quente e a humidade é evaporada. Durante esta fase («A»), existe pouca gaseificação, tal como pode ser observado no gráfico 14, o qual mostra o PC do gás de síntese emitido pelos resíduos em diferentes localizações ao longo da câmara. Assim que a humidade tiver sido amplamente extraída, a temperatura dos resíduos começa a elevar-se e inicia-se a gaseificação do seu conteúdo orgânico. Durante esta fase («B»), existe um aumento do poder calorífico do gás de síntese produzido. O poder calorífico do gás de síntese continua a elevar-se, à medida que mais monóxido de carbono e hidrogénio são libertados, e estabiliza-se num patamar, na região «C».

Junto à saída 6 da. câmara de tratamento 2, visto que a maioria do material foi tratado, o PC do gás de síntese libertado começa a diminuir («D») .

Visto que, em mecanismos de alimentação e tratamento contínuos de resíduos semelhantes ao mostrado, os gases quentes que acionam o processo passam através de toda a câmara de tratamento, os gases emitidos pelos resíduos 8 em diferentes pontos ao longo da câmara são arrastados num único fluxo de gás de saída e são misturados. O resultado é que o gás de síntese de saída, apesar de um fluxo de massa e um poder calorífico relativamente constantes, tem um elevado teor de humidade e um baixo PC, pois o PC do gás de síntese será a média do PC dos gases libertados ao longo do comprimento da câmara de tratamento. Este gás de síntese de saída combinado não tem PC suficiente para ser utilizado diretamente nura motor a gás de síntese. Isto é especialmente o caso dos resíduos de baixo PC que tenham um elevado teor de humidade.

Fazendo referência à iigura 2, é mostrado um gráfico de PC sobre tempo para um forno de tratamento por lotes utilizado com a presente invenção. 0 forno pode ser um forno rotativo de tratamento por lotes, como descrito no pedido de patente internacional WO 2006/100512. Como pode ser observado, o PC do gás de síntese de saída do forno de tratamento por lotes altera-se ao longo do tempo de uma forma similar àquela como a saída da câmara de tratamento contínuo se altera ao longo do espaço. No entanto, visto que o gás de síntese gerado na câmara de tratamento por lotes abandona continuamente a câmara de tratamento, o PC do gás de síntese que sai da câmara será então o PC real do gás de síntese em qualquer ponto no tempo (como na figura 2), pois não é misturado com o gás de síntese de saída do processo em diferentes pontos no tempo. O PC do gás de síntese que sai é igual ao mostrado no gráfico para o tempo específico, e não é calculado em média ao longo do ciclo. Como pode ser observado, o gás de síntese de saída é dividido em três fases distintas, uma primeira fase na qual o PC é baixo, uma segunda fase na qual o PC é elevado, e uma terceira fase na qual o PC é novamente baixo. O período mostrado na figura, que surge aqui a título de exemplo, é de 120 minutos, mas poderia ser um período de tratamento inferior ou superior.

Fazendo referência às figuras 3 e 4, é mostrado um diagrama esquemático do método da invenção.

Um lote de resíduos «E» tendo um conteúdo orgânico é colocado num mecanismo de tratamento de gaseificação 16 por lotes que pode, por exemplo, ser similar ao forno rotativo descrito na WO 2006/100512. O forno é fechado e gás com um baixo teor de oxigénio é circulado através de si, para aquecer o material em si contido até uma temperatura eficaz para a gaseificação. A temperatura de gaseificação pode variar, dependendo dos parâmetros de tratamento, mas estará tipicamente num excesso de 5 00 °C, e o teor de oxigénio será inferior a 3 %, preferentemente inferior a 1 % do c a ud a 1. vo I umé t r i c o .

Quando o processo começa, ocorrerá alguma •gaseificação, mas a maioria do calor será utilizada para evaporar o teor de humidade dos resíduos. O gás de síntese produzido neste momento tem um baixo poder calorífico (fase 1., f i gu ra 2) .

Depois de sair da câmara de tratamento, o gás entra num mecanismo de tratamento térmico 18 onde é elevado a uma temperatura por volta dos 1.100 °C. O gás é mantido no mecanismo de tratamento térmico a esta temperatura durante um período de permanência suficiente para que os hidrocarbonetos de cadeia longa e os COV presentes no gás sejam quebrados em hidrocarbonetos de cadeia curta (por exemplo, CH4) , monóxido de carbono e hidrogénio. Ao contrário do sistema descrito na WO 2006/100512, o gás ée síntese não é queimado no mecanismo de tratamento térmico. O mecanismo inclui, de facto, um queimador, mas é apenas fornecido com uma razão de combustível-oxigénio estequiométrica, para que não haja nenhum excesso ge oxigénio que permita que o gás de síntese que entra mecanismo de tratamento a partir do forno seja queimado.

Depois de sair da câmara de tratamento térmico 18 A crases são passados através de um permutador de calor ολ

C para os arrefecer. Isto serve dois propósitos: em primeiro luga f-, f -h vf C» Li O era calor do gás de síntese, o qual pode Se fornecido à caldeira, e, em segundo lugar, arrefece o g^.-de síntese para que os componentes do sistema a jusante possam ter uma temperatura de operação inferior, o qUQ simplifica e reduz o custo do sistema. O permutador ne calor 20 pode ter um fluido circulante que permuta cal0r com a caldeira 22 para aquecer a água nela contida pgr_ produzir vapor, ou, alternativamente, o permutador de calor 20 pode criar diretamente vapor, funcionando verdadeiramente como uma caldeira secundária. O gás de síntese arrefecido é então passado através de uma unidade de limpeza 24 para remover todas as partículas de material ou outros poluentes nele contidos. Isto é realizado utilizando técnicas conhecidas que serão aparentes aos especialistas na técnica. O gás de síntese limpo é analisado para determinar o seu PC, ou uma indicação do seu PC. Como será entendido, a análise pode ser efetuada a montante da unidade de limpeza 24, mas é efetuada preferentemente a jusante, para que nenhuns poluentes no gás de síntese interfiram ou degradem os sensores ao longo do tempo. O PC é preterentemente analisado analisando um ou mais de entre o teor de CO, o teor de H? β o teor de CPU do gás de síntese, por exempio, com. um analisador de gases 26 em linha, e produzindo um sinal indicativo do PC respetivo.

Um controlador 28 recebe os sinais indicativos do rC do gás sendo produzido e controla as válvulas 10, 32. Na fase inicial de funcionamento, quando o nível do PC é baixo e o teor de humidade é elevado, o control adea fecha a válvula 30 e abre a válvula 32, para direcionar o gas para um reservatório 34 de gás de baixo PC. u Çàs deste reservatório é fornecido, através de uma disposição de válvulas (omitidas, para maior clareza), ao queimador de uma caldeira 22, onde é queimado. Água no interior da caldeira é aquecida pela queima do gás de síntese e pelo calor extraído através do permutador de calor 2υ e produz vapor, o qual é utilizado para acionar uma turbina a vapor 36 para produzir eletricidade «H». À medida que o material na câmara continua a ser tratado, a humidade será evaporada e mais quantidade do material começará a gaseificar. O PC do gás de síntese libertado começará a aumentar. O controlador 28 que está a receber o sinal indicativo do PC analisa o sinal e, assim que um limite predefinido for atingido, que se situa por volta dos 0, 0117-0, 0351 KW/0, 028 rn3 (40-120 BTU por pé cúbico) (preferentemente 0,0234-0,0293 KW/0,02o m (80-100 BTU por pé cúbico)), o controlador 28 opera as válvulas para. fechar a válvula 32 e abrir a. válvula 30, para que o gás de síntese com um PC acima do limite seja direcionado para um reservauorio 38 de gas o.e s j.GvaGO PC. O gas do reservatório 38 é fornecido, através de um sistema de válvulas (omitido, para maior clareza.,), ao movor a. gas 4u. O motor a gás 40 pode ser um único motor a gás ou pode ser um conjunto de motores a gás de diferentes tipos, por exemplo, podem ser fornecidos uma turbina a gás e um motor a gás de movimento alternativo. O gás de síntese alimenta o motor a gás 40 para produzir eletricidade «F». Visto que a eficiência de conversão da energia em potência dos motores a gás de síntese excede tipicamente os 33 %, muitas vezes cerca de 38 %, e visto que a eficiência de conversão da energia em potência da caldeira/turbina a vapor é tipicamente de 18-24 %, ao alternar assim que a qualidade necessária do gás, isto é, o PC suficiente seja. atingido, a eficiência global do processo é grandemente melhorada. O (s) motor (es) a gás de síntese 40 produzirá (ão) gás de escape quente como subproduto da conversão:· de energia em si realizada, e este e fornecido a um permuta dor de calor na caldeira 22 para recuperar o respetivo calor e ajudar na cria ção de v apo r. 0 gás de comouSLão «G» da caldeira pode ser tratado de qualquer forma, conhecida, antes de ser libertado para a atmosfera, se necessá.rio, À medida que o lote de material se aproxima do final do cielo de Liàtainen , n quanr idade de mo^óxícic1 de carbono, hidrogénio e Ouuros hidrocarbonetos superiores no respetivo gás de sinuese que é libertado começará a diminuir e o PC do gás de síntese que sai da câmara de processamento começará a baixar. Assim que o controlador 28 detetar que o PC desceu abaixo de um limite predefinedo, o qual será igual ou muito similar ao limite utilizado na subida do PC, o controlador ativa novamente as válvulas 30, 32 para direcionarem novamente o gás de síntese com o PC ma is baixo, que já não é de qualidade suficiente para utilizar no motor a gás de síntese 40, para o reservatório 34 de gás de baixo PC.

Como será entendido a partir dos diagramas, devido ao calor extraído do arrefecimento do gás de síntese e do calor extraído da exaustão do motor a gás de síntese, mesmo quando o gás de síntese não está a ser direcionado para o reservatório 34 de gás de baixo PC, continuará a ser produzido vapor para acionar a turbina a vapor 36.

Como será também entendido, durante a produção de gás de baixo PC nas fases 1 e 3 (figura 2), e durante a produção de gás d.e elevado PC na fase 2, o PC e o teor de humidade do gás de síntese produzido não são constantes. Os reservatórios 34, 38 fornecem tanques de compensação nos quais os gases sendo produzidos se podem misturar entre si, para que o respetivo gás retirado tenha um PC mais consistente que o gás de síntese que entra nos reservatórios 34, 38. Além disso, os reservatórios serão preferentemente dimensionados para qie possam fornecer uma suficiente compensação de gás de síntese de cada qualidade para que o motor a gás e a caldeira possam trabalhar continuamente, independentemente do reservatório para que o gás de síntese esteja a ser direcionado num determinado momento.

Fazendo referência à figura. 5, além do referido acima, uma característica adicional da invenção é a capacidade do controlador 28 de analisar o PC do gás de síntese sendo produzido e, se este exceder um terceiro limite, mais elevado, por exemplo, se os KW (BTU) excederem um limite por volta de 0,0586-0,0644 KW/0,028 má (200-220 BTU por pé cúbico), os comandos do controlador fecham ambas as válvulas 30 e 32 e abrem a válvula 42 para direcionar o gás de síntese com o Po mais e 1 e v a d o para um ra^ciue de armazenamento 44. Este gás de síntese pode, então, ser utilizado noutros processos e não é utilizado diretamente na produção de eletricidade através da caldeira ou do motor a gá s de s ínte s e.

Fazendo referência à figura 6, e mostrado um mecanismo adicional da invenção. Neste mecanismo, o mecanismo de tratamento por lotes 16 tem urna conduta 4 6 que forma um circuito de recirculação através de um queimador 48 que pode ser um queimador a oxigénio. Uma válvula 50 pode desviar seletivamente o fluxo de gás do mecanismo de tratamento 16 através do circuito de recirculação. No arranque, isto pode ajudar a aumentar rapidamente a temperatura no mecanismo 16. Ao manter um pequeno circuito de recirculação, as perdas de calor são minimizadas e pode ser alcançado o rápido aquecimento. A jusante da válvula 50, a trajetória de fluxo dos gases que saem do mecanismo de tratamento 16 divide--se. Uma trajetória de fluxo leva até um oxida dor térmico 18.Ά, e a outra, leva até uma unidade de craqueamento térmico 18B, o oxidador térmico e a unidade de craqueamento térmico formando em conjunto um mecanismo de tratamento térmico. Considerando primeiro a trajetória de fluxo através do oxidador térmico 18A, esta é a primeira trajetória de fluxo através da qual os gases que saem do mecanismo de t r at ame nt o 18 pass ar ão.

No oxidador térmico 18A, um queimador queima os gases que entram no oxidador na presença de oxigénio (por exemplo, do ar) , para produzir um fluxo de gases de combustão quentes. Estes gases passam sobre um permutador de calor 52 que produz vapor para acionar uma turbina a vapor 36 ligada a um gerador 54 que produz eletricidade. O oxidador térmico 18A e o permutador de calor 52 formam em conjunto a caldeira 22. Um desgaseificador 56 e um condensador 58 são fornecidos no circuito de condensador para condensar o vapor depois de ele ter passado através da turbina a vapor. Depois de terem passado sobre o permutador de calor 52, os gases de combustão, que já foram então arrefecidos, passam através de purificadores, os quais podem incluir qualquer tecnologia de limpeza de ar adequada conhecida na técnica, por exemplo, filtros de mangas 68, antes de serem ventilados para a atmosfera através de uma conduta de chaminé 60. À medida que o lote de material a ser tratado entra na fase II (figura 2), o poder calorífico do gás é aumentado. À medida que o poder calorífico do gás aumenta, a capacidade do oxidador térmico 18Ά será atingida e este ficará em perigo de sobreaquecimento. Para evitá-lo, a válvula 62 pode ser aberta, permitindo que, pelo menos, algum do gás passe para a unidade de craqueamento 18B, na qual é aquecido, na ausência de oxigénio, e mantido a uma temperatura elevada durante o tempo suficiente para destruir todos os COV e hidrocarbonetos de cadeia longa em si. contidos. Os gases saem então da unidade de craqueamento térmico 18B e passam através de um supressor 64 e de um permutador de calor 20 para reduzir a temperatura dos gases. O permutador de calor 20 pode estar ligado ao permutador de calor da caldeira 22 e à turbina 38 para aumentar a temperatura do vapor que aciona a turbina. Depois do permutador de calor 20, o gás de síntese arrefecido passa através de uma unidade de limpeza 24, por exemplo, um sistema de lavagem Venturi, e de um sistema de lavagem húmido 66. O gás está, então, pronto para passar para o armazenamento 38 de gás. É fornecida uma multiplicidade de motores a gás de síntese 40 a jusante do reservatório de gás, nos quais o gás de síntese do reservatório 36 é transformado em energia elétrica, utilizando os motores a gás de sintese para acionar um gerador .

Utilizando este método, a caldeira pode trabalhar constantemente ao longo do ciclo e, durante o pico do ciclo (fase III), quando a capacidade do oxidador térmico/caldeira não é suficiente para lidar com. a energia de todo o gás sendo produzido (devido ao seu volume aumentado e/ou PC) , pelo menos algum do gás pode ser desviado através da unidade de craqueamento térmico, limpo e guardado no reservatório 36. Este pode, então, ser utilizado para acionar os motores a gás de síntese 40. A compensação criada pelo tanque de armazenamento 38 permite um funcionamento relativamente constante dos motores a gás de síntese, independentemente da produção cíclica de gás. Além disso, ao utilizar constantemente o oxidador térmico e caldeira, a turbina a vapor pode trabalhar em condições relativamente constantes. Quando a produção de gás pelo mecanismo de tratamento 16 abranda, e o PC baixa, a válvula 52 pode ser operada para reduzir e/ou parar o fluxo de gás parsi o mecanismo de craquesimento térmico 18B. No entanto, devido à compensação de gás no tanque de armazenamento, o motor a gás de síntese pode continuar a trabalhar. É uma. vantagem específica desta forma de realização que o mecanismo de tratamento térmico esteja separõLdo entre um oxidador térmico e um craqueador térmico, os quais dividem a carga máxima entre si. Assim sendo, quando não está a trabalhar à capacidade máxima, o que sucede durante uma grande porção do ciclo, apenas o oxidador térmico é utilizado. Como tal, o oxidador térmico é concebido para satisfazer uma capacidade reduzida, e é, por isso, mais pequeno, e, como tal, funciona mais eficientemente devido à utilização alargada. A dimensão do oxidador térmico é, por isso, concebida para a eficiência durante a maior parte do cicio, em vez de para a produção máxima de gás.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, ο IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição * WO 2008122875 A [0001] * WO 2006100512 A [0044] [0046] [0048]

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Um método de tratamento de material (E) com um conteúdo orgânico, compreendendo: aquecer um lote do dito material num mecanismo de tratamento por lotes (16) com uma atmosfera de oxigénio reduzido para gaseificar, pelo menos, algum do conteúdo orgânico para produzir gás de síntese; elevar a temperatura do dito gás de síntese e manter o gás de síntese à dita temperatura elevada durante um período de permanência suficiente para quebrar termicamente todos os hidrocarbonetos de cadeia longa ou compostos orgânicos voláteis que nele existam; analisar o poder calorífico do gás de síntese produzido, quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior a um limite predefinido, desviar o gás de síntese com um baixo poder calorífico para um queimador de uma caldeira (22) para produzir vapor; e quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito limite predefinido, desviar o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico para um motor a gás (40) para produzir eletricidade.
2. Um método, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo ainda um primeiro limite predefinido e um segundo limite predefinido e em que: quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior ao dito primeiro limite predefinido, desviar o gás de síntese com um baixo poder calorífico para um queimador de uma caldeira (22) para produzir vapor, num primeiro modo de funcionamento; quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito primeiro limite predefinido, desviar o dito gás de síntese ^om um elevado poder calorífico paira urn motor a Qá^ (*0) para produzir eletricidade, num segundo modo de funeιοη^ΐΡθπΐ-o^ 0 quando o poder calox'ifico do gás de síntese descer abaixo de um segunao limite predef inido, desviar o gás de síntese com um baixo poder calorífico para um queimador ae uma caldeira (22) para produzir vapor, numa terceira fase de funcionamento e, opcionalmente, em que o primeiro e segundo limites têm o mesmo valore 3. 0 metoao, de acordo com a reivindicação 2, compreendendo ainda.: quando o poder calorífico do gás de síntese exceder urn terceiro limite, superior aos ditos primeiro e segundo limites predeterminados, desviar-se o dito gás de síntese com muito elevado poder calorífico para urn tanque de armazenamento (44). 4. 0 método, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, compreendendo ainda armazenar temporariamente o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico num reservatório de armazenamento (38) e./ou armazenar temporariamente o dito gás de síntese com baixo poder calorífico num reservatório de armazenamento (34), 5. 0 método, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que analisai: o poder calorífico do gás de síntese produzido compreende analisar a composição química do gás de síntese, opcionalmente em que analisar a composição química do gás de síntese compreende analisar um ou mais de entre o teor de hidrogénio do gás de síntese, o teor de monóxido de carbono do gás de síntese, e o teor de metano do gás de síntese. 6. 0 método, de acordo com a. reivindicação 3, em que o poder calorífico do gás de síntese no limite predeterminado está no intervalo entre 0, 011/-0, 0293 KW/u, 028 nr (4u-100 BTU por pé cúbico) e/ou ern U1-16 ° Poc^er carorírico do gás de síntese no terceiro limite está no intervalo enure 0, 0586-0, 0 644 KW/0,028 m3 (200-220 BTU por pé cúbico).
7. O método, de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4, em que: desviar o gás de síntese com baixo poder calorífico para um queimador de uma caldeira {12} para produzir vapor compreende desviar ° q^s síntese através de uma primeira trajetória de fluxo que leva. a um oxidador térmico (18A), a montante de um permutador de calor (52) da caldeira, em que o gás de síntese é queimado, criando assim um fiuxo de gás quente ao longo do permutador de calor (52), e mantendo o gás de síntese a uma temperatura elevada durante o dito período de permanência; e em que desviar o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico para um motor a gás (40) compreende desviar o gás de síntese através de uma segunda trajetória de fluxo para um motor a gás de síntese, através de um mecanismo de tratamento térmico (18 B) em que a temperatura do dito gás de smtese é elevada, e mantida à dita temperatura elevada durante o dito período de permanência.
8. O método, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, compreendendo ainda fornecer um circuito de ree_!_ruulaÇcio (4o) com um (48) queimador incluído e recircular gases quentes através do forno de tratamento por lotes (16) e o dito circuito de recirculação (46) aquecer o dito forno de tratamento por lotes (16).
9. Um mecanismo para tratamento de material (E) com um conteúdo orgânico, compreendendo: p^elo menos um forno de tratamento por lotes (16) configurado para aquecer um lote do dito material numa atmosfera de oxigénio reduzido para gaseificar, pelo menos, algum do conteúdo orgânico do dito material para produzir gás de síntese; pelo menos um mecanismo de tratamento térmico (18) configurado para receber gás de síntese do dito forno de tratamento por lotes (16) e tendo um sistema de aquecimento a si associado, o dito mecanismo de tratamento térmico (18) configurado para elevar a temperatura do dito gás de síntese em si contido durante um período de permanência suficiente para quebrar termicamente todos os hidrocarbonetos de cadeia longa ou compostos orgânicos voláteis que nele existam; pelo menos um sistema de sensores (26) para analisar a composição do gás de síntese produzido e configurado para emitir um sinal indicativo do seu poder calorífico; pelo menos um motor a gás (40) ; uma caldeira (22) ; um sistema de válvulas (30, 32) para direcionar o gás de síntese para o motor a. gás de síntese ou a caloeira; e um controlador (28) configurado para: detetar quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior a um limite predefinido e controlar o dito sistema de válvulas (30, 32) para direcionar o gás de síntese com baixo poder calorífico para um queimador da dita caldeira (22) para produzir vapor; e detetar quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito limite predefinido e controlar o dito sistema de válvulas (30, 32) para direcionar o dito gás de síntese com elevado poder calorífico para o dito motor a gás (40) para produzir eletricidade.
10. Um mecanismo, de acordo com a reivindicação 9, em 'que o dito limite predeterminado compreende um primeiro limite predeterminado e um segundo limite predeterminado e em que o c o n t r o 1. a do r (28) e s t á c o n f i g u r a do p a r a : detetar quando o poder calorífico do gás de síntese for inferior ao dito primeiro limite predefinido e controlar o dito sistema, de válvulas (3 0, 32) para direcionar o gás de síntese com baixo poder calorífico para o dito queimador da dita caldeira (22) para produzir vapor, num primeiro modo de funcionamento; detetar quando o poder calorífico do gás de síntese exceder o dito primeiro limite predefinido e controlar o dito sistema de válvulas (30, 32) para direcionar o gás de síntese com elevado poder calorífico para o dito motor a gás (40) para produzir eletricidade, num segundo modo de f unc i on ame nt o; e detetar quando o poder calorífico do gás de síntese descer abaixo do dito segundo limite e controlar o dito sistema de válvulas (30, 32) para direcionar o gás de síntese com baixo poder calorífico para o dito queimador da dita caldeira (22) para produzir vapor, numa terceira fase de funcionamento.
11. O mecanismo, de acordo corn a reivindicação 10, em que o controlador (28) está ainda configurado para detetar quando o poder calorífico do gás de síntese exceder um terceiro limite, superior aos ditos primeiro e segundo limites predeterminados, e controlar o dito sistema de válvulas (30, 32) para direcionar o dito gás de síntese com muito elevado poder calorífico para um tanque d.e armazenamento (44) . 12. 0 mecanismo, de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 11, compreendendo ainda um reservatório de armazenamento (38) para armazenar temporariamente o dito gás de síntese com um elevado poder calorífico e/ou um reservatório de armazenamento (34) para armazenar temporariamente o dito gás de síntese com um baixo poder calorífico. 13. 0 mecanismo, de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 12, compreendendo ainda um analisador de gases (26) para analisar a composição química do gás de síntese, para obter um sinal indicativo do seu poder calorífico. 14. 0 mecanismo, de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 13, em que o mecanismo de tratamento térmico (18) incluiu um sistema de válvulas (62) a jusante do dito forno de tratamento por lotes (16) para desviar o gás de síntese para um ou ma is de entre uma primeira trajetória de fluxo que leva até ao dito motor a gás (40) e uma segunda trajetória de fluxo que leva até à caldeira (22), e em que o mecanismo de tratamento térmico (18) compreende um reator térmico (18B) situado na primeira trajetória de fluxo, a montante do motor a gás, e um oxidador térmico (18Ά) situado na segunda trajetória de fluxo, a montante da caldeira (22), e, opcionalmente, em que o dito reator térmico (18B) esta configurado para. aquecer o gás de síntese sem o queimar, e em que o oxidador térmico (18Ά) está configurado para aquecer o gás de síntese -para o queimar,
15. O mecanismo, de acordo com a reivindicação 14, compreendendo ainda um circuito de recirculação (46) para recircular gases quentes através cio forno de tratamento por lotes (16) sem os passar através do dito mecanismo cie tratamento térmico (18), o mecanismo compreendendo ainda um queimador (48) fornecido num dito circuito de recirculação (4 6) para fornecer um fluxo de gás quente através do dito forno de tratamento por lotes (16).