PT777838E

PT777838E - Conversao das lamas das fabricas de papel ou de tipo identico

Info

Publication number: PT777838E
Application number: PT95929570T
Authority: PT
Inventors: Timothy M Nechvatal; Thomas J Jansen
Original assignee: Minergy Corp
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 2001-05-31
Also published as: ZA957141B; CZ58797A3; US5549059A; CZ293242B6; CA2197229A1; ES2155525T3; FI970790A; EE03405B1; AU3328195A; CN1157652A; PL318811A1; RU2142098C1; EE9700038A; CA2197229C; KR100313624B1; JPH10505662A; EP0777838A4; PL181000B1; AU688957B2; MY113191A

Description

DESCRIÇÃO “CONVERSÃO DAS LAMAS DAS FABRICAS DE PAPEL OU DE TIPO IDÊNTICO”

Antecedentes da invenção A presente invenção diz respeito à conversão de resíduos e mais particularmente à conversão de lamas que possuam um elevado teor orgânico e uma proporção significativa de cinzas, tais como as lamas, das fábricas de papel.

As fábricas de papel e de pasta de papel produzem grandes quantidades de resíduos industriais designados por lamas. De forma típica, as fábricas vêem-se livres destas lamas depositando-as em aterros sanitários. A falta cada vez maior de espaço para aterros sanitários e os regulamentos ambientais cada vez mais restritivos têm vindo a fazer com que o método de deitar fora as lamas seja cada vez mais dispendioso e menos desejável.

Deitar fora as lamas provenientes de um processo de reciclagem de papel constitui um problema maior do que deitar fora as lamas provenientes dos processos convencionais de fabrico de papel. As lamas provenientes de um processo de reciclagem contêm uma quantidade significativa de fibras e de revestimentos do papel. A quantidade de lamas geradas num processo de reciclagem de papel é superior à quantidade de lamas gerada na produção de pasta de papel virgem. O advento cada vez mais generalizado da reciclagem de papel levou a um aumento da quantidade total de lamas.

Como alternativa aos aterros sanitários, as lamas da indústria do papel têm sido queimadas com recurso à tecnologia em caldeiras de leito fluidificado. A combustão das lamas permite recuperar o seu conteúdo calorífico, evapora o seu conteúdo em água e reduz o volume de resíduos. No entanto, devido ao grande conteúdo em cinzas nas lamas da indústria do papel, continua a haver um considerável produto residual que tem de ser lançado nos aterros sanitários. 1

Os fornos de ciclone têm sido utilizados há muitos anos para queimar carvão para aquecer caldeiras. Uma característica dos fornos de ciclone é a geração de uma escória com uma consistência vítrea. As escórias das caldeiras dos fornos de ciclone alimentados com carvão são utilizadas como materiais de construção para estradas, como materiais abrasivos ou arenosos e ainda em produtos para recobrir edifícios.

Embora os fornos de ciclone tenham sido desenvolvidos para queimar carvão com uma qualidade que não serve para a combustão sob a forma de carvão pulverizado, também têm sido utilizados para queimar combustíveis sólidos residuais, enquanto combustíveis complementares, ou para queimar óleos ou gases combustíveis, enquanto combustíveis primários, contigentes ou de arranque. Quando os combustíveis residuais são utilizados com o carvão, tais combustíveis complementares possuem normalmente um teor em cinzas relativamente baixo e proporcionam menos de 20% do calor fornecido e constituem uma percentagem ainda menor do caudal de combustível que alimenta o forno de ciclone. 0 documento EP-A-0436759 descreve um sistema para o tratamento de materiais residuais, v.g. lamas, sob a forma de um material finamente pulverizado. Este sistema possui dois fomos de combustão, designadamente um forno de combustão primária em que o material residual pulverizado é queimado com ar de combustão preaquecido e um forno de combustão secundária em que é queimado o produto resultante do forno de combustão primária. ( A patente de invenção norte-americana n° 5 022 329 descreve um forno de ciclone que é utilizado como complemento de uma caldeira onde são queimados os resíduos sólidos municipais. Há um processo tecnológico de vitrificação em ciclone, conforme descrito no documento técnico da autoria de J.M. Czuczwa et al., com o título “Development Status of the Babcock & Wilcox Cyclone Vitrification Technology for Contaminated Soil”, que visa a utilização de um forno de ciclone para tratar resíduos perigosos com elevado teor em substâncias inorgânicas e solos contaminados que contenham também constituintes orgânicos. A patente de invenção norte-americana n° 2 Γ u 4 193 206 descreve um processo para secar e granular lamas de águas residuais domésticas sem mais nenhum tratamento industrial.

Descrição abreviada da invenção

De acordo com a presente invenção, tal como reivindicado na reivindicação 1, as lamas da indústria do papel ou outras lamas orgânicas semelhantes com um elevado teor em cinzas são aglomeradas em blocos, sendo essas lamas queimadas num forno de ciclone conjuntamente com outra fonte de combustível para se recuperar o seu conteúdo calorífico e para se converter o seu conteúdo em cinzas numa escória desejável. De preferência, a segunda fonte de combustível é um gás natural e as lamas contribuem com 40% ou mais do calor fornecido ao forno de ciclone e podem constituir eventualmente o caudal principal de combustível. Por razões de manuseamento pode ser necessário secar as lamas antes de as queimar. Comprovou-se que a secagem até se obter um teor em humidade da ordem de 20% ou inferior é aceitável para efeitos de introdução num forno de ciclone. É possível juntar às lamas um agente dispersante auxiliar do escoamento, tal como a pedra calcária, para se garantir a formação de uma escória vítrea desejável às temperaturas de trabalho.

As lamas da indústria de papel contêm tipicamente um teor em cinzas compreendido entre 20% e 50%, em base seca. As lamas possuem também uma composição orgânica significativa, de tal modo que os poderes caloríficos das lamas estão tipicamente compreendidos entre 9300 kJ/kg (4000 btu/lb) e 17400 kj/kg (7500 btu/lb), em base seca. Embora as lamas da indústria do papel constituam uma fonte preferível de combustível, também podem ser utilizadas para o mesmo efeito outras lamas que possuam teores em cinzas e poderes caloríficos semelhantes, por exemplo, as lamas de águas residuais domésticas ou outras lamas de águas residuais industriais. O conteúdo calorífico das lamas é recuperado por uma caldeira ou por qualquer outro sistema permutador de calor ligado ao forno. 0 elevado conteúdo em cinzas das lamas irá ficar aprisionado na escória que ao arrefecer irá apresentar uma consistência vítrea, 3 duradoura, forte e dura que permite manuseá-la facilmente para ser utilizada como material de construção, como abrasivo, como material para a cobertura exterior de edifícios ou ainda para outros fins úteis. Todos os metais pesados ou quaisquer outros componentes perigosos ou indesejáveis existentes nas cinzas irão ficar retidos dentro da escória vítrea. 0 principal objectivo da presente invenção consiste em proporcionar um método para converter as lamas da indústria do papel de uma forma económica e segura em termos ambientais.

Constitui outro objectivo da presente invenção proporcionar um método para recuperar o conteúdo calorífico das lamas da indústria do papel, gerando simultaneamente, a partir do conteúdo em cinzas dessas lamas, um produto com utilidade.

Os objectivos anteriores e as vantagens da presente invenção tornar-se-ão mais claros após a leitura da memória descritiva minuciosa subsequente. Na memória descritiva faz-se referência ao desenho anexo que ilustra uma variante preferencial da invenção.

Descrição abreviada do desenho A figura 1 é um desenho esquemático em corte longitudinal de um forno de ciclone utilizável no método da presente invenção; e a figura 2 é um corte transversal do forno de ciclone efectuado pelo plano identificado pela linha 2-2 na figura 1.

Descrição minuciosa dos aspectos preferenciais A composição das lamas da indústria do papel pode ser bastante diversificada. No entanto, caracteriza-se geralmente pelo facto de possuir um componente muito volátil, incluindo uma percentagem significativa de carbono, e um elevado teor em cinzas. Também possui um conteúdo calorífico relativamente elevado. As análises imediata, elementar e mineralógica para três lamas típicas da indústria do papel, provenientes de processos de reciclagem, revelaram os dados que constam dos quadros seguintes: 4

IAMAS “R” DA INDÚSTRIA DO PAPEL

Análise imediata, % Análise elementar, % Base seca Base seca Cinzas 48,64 Carbono 24,68 Substâncias voláteis 50,26 Hidrogénio 3,76 Carbono fixo 1,10 Azoto 0,63 100,00 Enxofre 0,06 kJ/kg (Btu/lb) 9528 (4123) Cinzas 48,64 Oxigénio (dif.) 22,23 Enxofre 0,06 100,00 MAF kJ (Btu) 8470 (8028) Análise mineralógica Com base nos resíduos queimados (% em peso) Dióxido de silício, S1O2 39,86 Trióxido dialumínico, A1203 34,21

Dióxido de titânio, T1O2 7,20 Óxido de ferro, Fe2Q3 0,85 Óxido de cálcio, CaO 13,30 Óxido de magnésio, MgO 1,20 Óxido de potássio, K20 0,23 Óxido de sódio, Na20 0,12

Triõxido de enxofre, SO3 0,69 Pentóxido de fósforo, P205 0,49 Óxido de estrôncio, SrO 0,02 Óxido de bário, BaO 0,05 Óxido de manganês, Mn304 0 , 07 Indeterminados (outros) 1,71 100,00 Método: ‘ASTM Designation D 3682-87’ 5 r u, IAMAS “IP” DA INDÚSTRIA DO PAPEL Análise imediata, % Análise elementar, O, 0 Base seca Base seca Cinzas 20,21 Carbono 47,27 Substâncias voláteis 56,74 Hidrogénio 4,40 Carbono fixo 25,05 Azoto 1,33 100,00 Enxofre 1,00 kJ/kg (Btu/lb) 17973 (7734) Cinzas 20,21 Oxigénio (dif.) 25,79 Enxofre 1,00 100,00 MAF kj (Btu) 10227 (9693)

Análise mineralógica Dióxido de silício, SiCfe Trióxido dialuminico, AI2O3 Dióxido de titânio, Ti02

Com base nos resíduos queimados (% em peso) 38,85 16,92 1,40 Óxido de ferro, Fe203 Óxido de cálcio, CaO Óxido de magnésio, MgO Óxido de potássio, K20 Óxido de sódio, Na20 5,07 14,94 4,882,01 1,27

Trióxido de enxofre, SO3 Pentóxido de fósforo, P20s Óxido de estrôncio, SrO Óxido de bário, BaO Óxido de manganês, Mn304 Indeterminados (outros) 8.23 3.24 0,04 0,33 0,39 2,43100,00 Método: ‘ASTM Designation D 3682-87’ 6 Γ

IMS “JR” DA INDÚSTRIA DO PAPEL

Análise imediata, % Análise elementar, % Base seca Base seca Cinzas 45,98 Carbono 25,24 Substâncias voláteis 52,46 Hidrogénio 3,84 Carbono fixo 1,49 Azoto 0,37 100,00 Enxofre 0,02 kJ/kg (Btu/lb) 9368 (4031) Cinzas 45,98 Oxigénio (dif.) 24,55 Enxofre 0,02 100,00 MAE kJ (Btu) 7873 (7462) Análise mineralógica Com base nos resíduos queimac (% em peso) Dióxido de silício, Si02 40,29 Trióxido dialumínico, AI2O3 31,96 Dióxido de titânio, T1O2 11,60 Óxido de ferro, Fe203 0,87 Óxido de cálcio, CaO 12,64 Óxido de magnésio, MgO 0,70 Óxido de potássio, K20 0,11 Óxido de sódio, Na20 0,15 Trióxido de enxofre, SO3 0,36 Pentóxido de fósforo, p2o5 0,20 Óxido de estrôncio, SrO 0,05 Óxido de bário, BaO 0,05 0,06 0,96 100,00 Óxido de manganês, Mn304 Indeterminados (outros) Método: ‘ASTM Designation D 3682-87’ 7 Γ li

As análises anteriores revelam a existência de teores de cinzas entre 18% e 43% e de substâncias voláteis entre 44% e 50%. Os poderes caloríficos estão compreendidos entre 9368 (4031) e 17973 (7734) kJ/kg (Btus por libra), relativamente ao peso em base seca. Estas lamas da indústria do papel revelam também perfis de combustão que indicam boas características de inflamação nas amostras secas. Os pontos de inflamação são comparáveis de forma favorável com os carvões de diversos tipos. Outras lamas da indústria do papel muito ricas em fibras podem ter um teor em cinzas mais pequeno, da ordem dos 10%.

Foram efectuados estudos piloto em testes de combustão de lamas da indústria do papel num forno de ciclone em que se utilizou um pequeno simulador de caldeira da empresa ‘Babcock & Wilcox7 aquecida por um forno de ciclone simples numa versão em escala reduzida da empresa ‘Babcock & Wilcox’. Na figura 1 da patente de invenção norte-americana n° 5 022 329, concedida a 11 de Junho de 1991 a Rackley et al. e cedida à empresa ‘Babcock & Wilcox Company’, está ilustrado um forno de ciclone típico. Os testes do estudo piloto foram efectuados com uma mistura de lamas da indústria do papel a que se juntou pedra calcária, enquanto agente dispersante auxiliar do escoamento, e também com lamas provenientes de uma única fonte sem o agente dispersante auxiliar do escoamento. Apresenta-se seguidamente os resultados das análise imediata e elementar da mistura de lamas com a pedra calcária, relativamente a uma base seca, tal como foram . recebidas e quando queimadas.

MISTURA DE LAMAS DA INDÚSTRIA DO PAPEL COM PEDRA CALCÁRIA

Base Conforme recebidas Quando queimadas Base seca Análise imediata (%) Humidade 50,79 18,34 — Substâncias voláteis 24,61 40,84 50,01 Carbono fixo 1,40 2,33 2,85 Cinzas 23,20 38,49 47,14 8

Poder calorífico não 3686 (1586) 6114 (2631) 7488 (3222) corrigido kJ/kg (Btu/lb) kJ/kg (Btu/lb) (sem — — 14164 (6095) minerais e sem cinzas) Análise Elementar(%) Humidade 50,79 18,34 — Carbono 11,06 18,36 22,48 Hidrogénio 1,36 2,26 2,77 Azoto 0,28 0,47 0,57 Enxofre 0,08 0,14 0,17 Cloro 0,03 0,05 0,06 Cinzas 23,20 38,49 47,17 Oxigénio (diferença) 13,20 21,89 26,81 Total 100,00 100,00 100,00 Carbonatos totais 5,94 9,86 12,08 (%C02) Carbonato de cálcio 13,91 22,42 27,47 (% de CaC03) (Cale.) Análise das cinzas (%) Sílica na forma de Si02 31,93 Alumínio na forma de AI2O3 23,32 Ferro na forma de Fe203 1,25 Titânio na forma de Ti02 5,63 Cálcio na forma de CaO 28,23 Magnésio na forma de Mg0 5,53 Sódio na forma de Na20 * 0,32 Potássio na forma de K20 * 0,45 Enxofre na forma de S03 1,84 Fósforo na forma de P2O5 <0,10 Carbonato total na forma de CO2 (%) 1,34 Zinco na forma de ZnO 0,08 * por fotómetro de chama 9

As lamas húmidas originam problemas de manuseamento. De preferência, as lamas devem ser secas até terem um teor em humidade de 20% ou inferior antes de serem introduzidas no forno de ciclone. Antes de serem carregadas pelo sistema alimentador que as conduz ao forno de ciclone fez-se passar as lamas secas conjuntamente com a pedra calcária através de um crivo com a malha de 9,5 mm (3/8”) .

As experiências foram realizadas de tal modo que o calor fornecido pelas lamas ao forno ficou compreendido entre cerca de 10% e cerca de 40% do calor total fornecido. Nas primeiras experiências, o gás natural foi a outra fonte de combustível. O forno estava quente e a escória escorreu pela torneira das escórias. A escória proveniente da co-combustão das lamas era sólida, dura, forte e duradoura e semelhante à escória da combustão de carvão num forno de ciclone.

Depois de se ter comprovado com êxito a co-combustão das lamas e do gás natural no pequeno simulador de caldeira, foram realizadas experiências em que foram acrescentados pneus retalhados para se reduzir o fornecimento de gás natural. Fez-se passar os pneus retalhados, utilizados como combustível, através de um crivo com a malha de 12,7 mm (1/”), tendo este material sido misturado com as lamas. As experiências foram realizadas de modo a que entre cerca de 10% e cerca de 20% do calor foi fornecido pelos pneus, 40% pelas lamas e a parte restante pelo gás natural. As duas experiências realizadas foram ambas satisfatórias.

Apesar de se ter utilizado nas experiências dos estudos piloto lamas cujo contributo térmico foi inferior ao seu máximo poder calorífico, em termos de caudal mássico (v.g. kg (libras) de combustível por hora), as lamas superaram o gás natural. Não obstante o facto de as lamas da indústria do papel conterem apenas pequenas quantidades de metais pesados, estes ficaram aprisionados nas escórias e estas foram aprovadas em testes de lixiviados.

Os resultados foram comparáveis quer quando se utilizou apenas as lamas da indústria de papel de uma única fonte quer quando se utilizou a mistura de lamas a que se juntou a pedra calcária, enquanto agente dispersante auxiliar do escoamento. 10 f u

As figuras 1 e 2 ilustram um forno de ciclone adaptado para queimar lamas da indústria do papel. 0 forno de ciclone é constituído por um tambor de ciclone 10 que é um cilindro horizontal arrefecido com água. O tambor de ciclone 10 dispõe de uma entrada 11 de admissão de ar secundário que entra nesse tambor de ciclone 10 tangencialmente, conforme se observa na figura 2. Há queimadores de gás 12 montados na entrada 11 de admissão de ar do tambor de ciclone 10. Em posição adjacente aos queimadores 12 está montado um dispositivo 13 de inflamação do gás. Os injectores 14 estão afastados entre si ao longo do tambor de ciclone 10. As lamas vão entrar conjuntamente com o ar primário no tambor de ciclone 10 através dos injectores 14. O ar primário e o ar secundário provocam um fluxo turbilhonar do gás natural, das lamas e do ar dentro do tambor de ciclone 10 e a partir do tambor 10 para dentro do forno 15. O forno 15 pode ser ligado a uma caldeira segundo um qualquer dos inúmeros processos conhecidos. A escória forma-se na superfície interior do tambor de ciclone 10. A escória fundida vai sair através de um orifício 16 de jorro de escórias e passa por uma torneira 17 das escórias onde as escórias fundidas são removidas e tipicamente arrefecidas por um processo de extinção.

Uma vez que uma única fonte de lamas da indústria do papel pode ser inadequada como fonte de combustível complementar para que um forno de ciclone aqueça uma caldeira, é possível que venha a ser necessária uma mistura de lamas da indústria do papel. As lamas podem ser misturadas num passo de um processo de secagem das lamas por tamboração. Para a exploração de fornos de ciclone em grande escala, as dimensões óptimas das lamas irão estar compreendidas entre 9,5 mm (3/8”) e 15,9 mm (5/8”). Além disso, por razões de facilidade de manuseamento, as lamas são aglomeradas em blocos.

Eventualmente pode não ser necessário acrescentar pedra calcária ou outros agentes dispersantes auxiliares do escoamento. A eventualidade de ser necessário um agente dispersante auxiliar do escoamento vai depender da viscosidade das escórias produzidas 11 pelas lamas. 0 padrão de medição é a temperatura ‘T-250’ que é a temperatura a que as escórias têm uma viscosidade de 250 poise. Se a temperatura ‘T-250’ for inferior às temperaturas de trabalho no forno de ciclone, então não é necessário nenhum agente dispersante auxiliar do escoamento.

Embora as escórias sejam normalmente arrefecidas de forma rápida por um processo de extinção e sejam depois fragmentadas para posterior utilização, as escórias fundidas podem seguir directamente para uma operação de moldagem ou de conformação para com elas serem obtidos produtos úteis, tais como tijolos ou telhas, ou para serem transformadas numa substância de tipo fibroso, tal como a lã mineral. As lamas, arrefecidas por qualquer meio, irão apresentar uma consistência idêntica à do vidro. Se for necessário lançar as escórias para aterros sanitários, encontrar-se-ão pois num estado em que é fácil manuseá-las, comparativamente com as lamas ou as cinzas.

As lamas provenientes de águas residuais domésticas e outras lamas resultantes do tratamento de águas residuais industriais podem ser transformadas utilizando o processo da presente invenção. Tais lamas contêm um componente volátil semelhante, constituintes orgânicos semelhantes e conteúdos em cinzas semelhantes aos das lamas da indústria do papel. As análises elementares e mineralógicas de lamas típicas de águas residuais domésticas estão explicitadas na patente de invenção norte-americana η° 5 057 009 concedida a 15 de Outubro de 1991 ao autor da presente invenção. A capacidade dos fornos de ciclone para queimarem lamas e para converterem os seus conteúdos em cinzas numa escória com utilidade representa uma tecnologia superior aos outros métodos actualmente disponíveis para descartar lamas da indústria do papel. São obtidos resultados excelentes em fornos de ciclone convencionais utilizando lamas parcialmente secas (isto é, com um teor em humidade de cerca de 20% ou inferior). No entanto, é possível acondicionar lamas mais húmidas com um equipamento adequado para alimentar o forno, se for gerado calor suficiente para evaporar a água e forem mantidas temperaturas suficientemente elevadas para se formarem as escórias.

As lamas podem representar mais de 50% do poder calorífico do combustível utilizado no forno de ciclone- Isto é particularmente assim se o teor em humidade das lamas enviadas para o forno for diminuto ou se o seu teor em cinzas for baixo. Além disso, a adição de uma proporção maior de agente dispersante auxiliar do escoamento irá fazer baixar a temperatura necessária para a formação das escórias e irá permitir que uma maior percentagem do poder calorífico provenha das lamas. É possível efectuar a co-combustão de pneus retalhados conjuntamente com as lamas da indústria do papel para se reduzir a quantidade necessária de gás natural. É possível utilizar como combustível complementar o carvão ou o óleo combustível. Em todos os casos o caudal mássico de lamas pode ser superior ao dos outros combustíveis que vão alimentar o forno de ciclone. A maior parte das cinzas existentes nas lamas irão fundir-se com as escórias e é provável que apenas uma pequena fracção das cinzas (menos de 5%) seja arrastada pelos gases de combustão. A escória da co-combustão das lamas é sólida, dura, forte e duradoura e é semelhante à escória da combustão do carvão num forno de ciclone.

Lisboa, 14 de Fevereiro de 2001 0 AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAI*

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Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Método para converter as lamas da indústria do papel ou outras lamas orgânicas semelhantes que possuam um elevado teor em cinzas, o qual compreende os passos seguintes: aglomerar as lamas em blocos; introduzir as lamas aglomeradas num forno de ciclone conjuntamente com uma segunda fonte de combustível para queimar as lamas dentro do forno de ciclone e para recuperar o conteúdo calorífico das lamas e para converter o conteúdo das lamas em cinzas numa escória dentro do forno de ciclone.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as lamas contribuem com uma proporção compreendida entre cerca de 10% e cerca de 40% de todo o calor fornecido ao forno.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as lamas contribuem com mais de 50% do calor fornecido ao forno.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as lamas são secas até atingirem um teor em humidade de cerca de 20% ou inferior antes de serem queimadas.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as lamas possuem um conteúdo orgânico significativo e um conteúdo em cinzas compreendido entre cerca de 20% e cerca de 50%, relativamente ao peso em base seca.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as escórias são retiradas do forno quando estão fundidas.
7. Método de acordo com a reivindicação 6, em que as escórias fundidas são moldadas para proporcionarem um produto com o aspecto de vidro. i
8. Método de acordo com a reivindicação 6, em que as escórias fundidas são transformadas em fibras. Lisboa, 14 de Fevereiro de 2001 0 AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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