PT874881E

PT874881E - Producao de energia termica a partir de combustiveis carbonaceos solidos

Info

Publication number: PT874881E
Application number: PT96935092T
Authority: PT
Inventors: John Ernest Elsom Sharpe
Original assignee: Compact Power Ltd
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 2000-10-31
Also published as: AU7318696A; GR3033979T3; ATE191926T1; ES2160258T3; DE69607861D1; EP0874881A1; DE69613402T2; DE69607861T2; US6067915A; EP0873382B1; WO1997015640A1; EP0873382A1; GR3036562T3; DK0874881T3; AU7318596A; DE69613402D1; EP0874881B1; ATE202137T1; US6024032A; PT873382E

Description

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EPO 874 881 / PT

DESCRICÃO “Produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos”

Este invento refere-se à produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos, por exemplo resíduos sólidos.

Nos processos convencionais de leito profundo para a produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos, forma-se um leito profundo em que ar primário de combustão, com vapor e/ou outros aditivos opcionais e adicionais, ou gases reciclados são introduzidos no fundo ou cerca do fundo do leito, provocando oxidação parciai e gaseificação do carvão na parte inferior do leito, enquanto na parte superior do leito a pirólise do combustível introduzido de fresco proporciona gás de pirólise e carvão que cai para baixo no leito, para ser sujeito ao processo de gaseificação anteriormente mencionado, sendo a mistura de gases assim produzidos a partir do leito profundo posteriormente misturada com ar de combustão secundário e queimada para produzir energia térmica.

Um tal processo é descrito no nosso pedido de patente britânica co-pendente N° UK 95 L 1090.4, que reivindica um processo para produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos possuindo teores de cinzas relativamente elevados, processo esse que compreende sujeitar o combustível a pirólise e gaseificação num leito de combustível numa câmara de combustão, sendo o combustível feito reagir com ar primário junto com vapor e/ou vapor de água e/ou gás de escape reciclado, sendo o gás produzido a partir do leito posteriormente sujeito a combustão secundária, em que o leito de combustível não é suportado por uma grelha, sendo o ar primário introduzido no leito de combustível por meio de um ou mais tubos com aberturas que se projectam no, ou através do leito, e sendo a cinza resultante da pirólise e gaseificação continuamente removida do fundo da câmara de combustão num estado de partículas não sobrequeimadas. São conhecidos outros processos em que combustíveis carbonáceos são transportados através de uma câmara de combustão substancialmente horizontal ou inclinada, enquanto são sujeitos a combustão, opcionalmente com adição de vapor, de modo que o combustível é progressivamente pirolisado e gaseificado à medida que passa através da câmara.

Contudo, em tais processos não existe uma fronteira clara entre as zonas em que os respectivos passos de pirólise e gaseificação têm lugar mesmo que o processo seja conduzido num modo de etapas, e uma consequência disto é que é difícil controlar os dois diferentes passos que são na realidade processos químicos bastante diferentes e que têm diferentes 85 330 ΕΡ 0 874 881 / PT requisitos, e também controlar o passo da combustão secundária, e como tal existe o problema do processo global não poder ser gerido tão eficazmente quanto poderia ser. É desejável poder controlar estes passos processuais independentemente, e assim optimizar o processo global, em particular para permitir que uma ampla gama de combustíveis e resíduos possa ser manuseada no processo e no aparelho designado para o processamento de uma ampla gama de combustíveis e resíduos.

Além disso é evidentemente desejável que o controlo separado possa ser atingido de um modo compacto por meio de um aparelho robusto e relativamente simples, sem introduzir complexidades que poderiam contrabalançar quaisquer vantagens obtidas pelo controlo separado dos passos de pirólise e gaseificação.

Adicionalmente, é evidente que qualquer controlo separado deverá ser obtido sem perda, ou com perdas mínimas, na eficiência térmica do processo global.

Em DE 4 327 320 AI descreve-se um processo e aparelho para o descarte térmico de resíduos incluindo um passo inicial em que o resíduo é desgaseificado num tubo de desgaseificação. O tubo de desgaseificação é aquecido indirectamente pela energia proveniente de uma caldeira térmica de resíduo, a qual retira calor dos gases de combustão provenientes da combustão secundária dos produtos gasosos vindos do resíduo.

Quando o termo “ar” é utilizado neste fascículo, pretende-se evidentemente que qualquer gás ou mistura de gases compreendendo oxigénio e que irá realizar combustão esteja dentro do âmbito da revelação.

De acordo com o presente invento, é proporcionado um processo para a produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos, processo que compreende sujeitar o combustível carbonáceo a uma pirólise substancialmente anaeróbia em pelo menos uma primeira zona, e depois transferir o carvão resultante da pirólise para uma segunda zona que está separada da primeira zona ou zonas, sendo o carvão sujeito a gaseificação na segunda zona pela introdução de ar primário de combustão, opcionalmente com vapor e/ou gás de escape reciclado, sendo os gases de saída da segunda zona e os gases de pirólise da primeira zona posteriormente sujeitos a combustão secundária, e sendo a primeira zona ou zonas aquecidas por calor proveniente da referida combustão secundária, sendo a cinza removida do fundo da segunda zona.

Igualmente proporcionado pelo presente invento é um aparelho para a produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos, através de pirólise e

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EPO 874 881 / PT gaseificação, aparelho que compreende uma câmara de combustão tendo uma zona de pirólise espaçada horizontalmente e situada a um nível superior da zona de gaseificação, e adequada para levar a cabo uma pirólise substancialmente anaeróbia, sendo proporcionados meios para a introdução de combustível carbonáceo sólido na referida zona de pirólise, e para mover o carvão resultante da pirólise do combustível para a zona de gaseificação, sendo a zona de gaseificação proporcionada com meios para admitir ar primário de combustão, e opcionalmente vapor e/ou gases de escape reciclados, e também meios para a remoção de cinza do fundo da zona, sendo igualmente proporcionados meios para a introdução de ar secundário de combustão no gás de saída da zona de pirólise e no gás de água ou gás de produção proveniente da zona de gaseificação, e meios para utilizar pelo menos parte do calor resultante da combustão secundária para aquecer a zona de pirólise. O anteriormente referido espaçamento ou separação dos passos de pirólise e gaseificação pode ser conseguido por meio de uma ou mais prateleiras aquecidas por irradiação na câmara de combustão ou aparelho em que o combustível carbonáceo sólido é inicialmente carregado e depois deixado sofrer pirólise no calor irradiado, antes do carvão remanescente ser transferido para o leito profundo da zona de gaseificação e reduzido a uma cinza que é removida do fundo do leito. A geometria de uma tal prateleira é importante, tal como o é a geometria do interior da câmara de combustão na área em que ocorre a combustão secundária, porque é o calor que emana da superfície interna da câmara, que é aquecida por irradiação a partir da combustão secundária que ocorre na gama de 1100 a 1300°C, que efectua a pirólise do combustível. A superfície interna da câmara de combustão está neste caso preferivelmente na forma de um tecto curvo sobre o espaço de combustão e prateleira de pirólise. A própria prateleira está espaçada horizontalmente e está situada a um nível mais elevado do que o leito profundo e está preferivelmente inclinada para baixo, para longe da zona do leito profundo, de modo a parar carvão que caia acidentalmente no leito profundo antes de ter sido atingido um tempo apropriado para o transferir deliberadamente. A transferência do carvão para o leito profundo pode neste caso ser rapidamente efectuada, por meio de um ou mais aríetes que são proporcionados com isolamento e arrefecimento adequados.

Um arranjo alternativo para a zona de pirólise pode ser o de uma grelha móvel que descarrega para o leito profundo.

Contudo, uma forma particularmente preferida de zona de pirólise é um reactor tubular através do qual o combustível é passado e o reactor tubular é aquecido pelos gases quentes provenientes da referida combustão secundária. Preferivelmente, o reactor tubular é

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ΕΡ 0 874 881 /PT 4 disposto de forma que pelo menos parte dos gases quentes produzidos pela combustão secundária são passados em tomo do reactor tubular, de modo a aquecer o combustível carbonáceo aí contido e a submetê-lo a pirólise. Também preferido nesta forma do invento é um meio de alimentação para alimentar o combustível carbonáceo sólido através de cada zona ou zonas de pirólise e ejectar o carvão resultante para a zona de gaseificação, que idealmente está na forma de um meio de alimentação em parafuso, ou inclui tais meios de alimentação em parafuso, uma vez que se verificou que esses eram particularmente eficazes nos casos em que outros tipos de meios de alimentação tais como aríetes, quando utilizados isolados, tinham resultado em encravamentos ao usar certos tipos de combustível carbonáceo, em particular com combustíveis em partículas. A utilização de uma alimentação em parafuso permite assim uma gama mais ampla de combustíveis carbonáceos, mas também permite um melhor controlo do próprio passo de pirólise em relação ao processo como um todo, servindo assim para melhorar adicionalmente as vantagens técnicas do presente invento que deriva da clara separação dos passos de pirólise anaeróbia e gaseificação aeróbia e do uso eficaz do calor proveniente da combustão secundária.

Será de notar que o aparelho pode estar na forma de uma pluralidade de zonas de pirólise, prateleiras ou grelhas que podem descarregar carvão para uma única zona de gaseificação ou para uma pluralidade de tais zonas. Como tal, uma pluralidade de prateleiras de pirólise ou tubos de reacção pode ser disposta por cima e em tomo de um único leito profundo de combustível ou, adicional ou altemativamente, por exemplo dispostos um por cima do outro.

Tubos separados de entrada de ar secundário de combustão podem ser proporcionados na câmara de combustão, respectivamente para o gás de pirólise e gás de produção/água, de modo a proporcionar uma distribuição apropriada do ar secundário de combustão. O ar primário de combustão/vapor é fornecido com um controlo separado e a taxa de alimentação de combustível e a taxa de transferência de carvão podem também ser controladas separadamente, de modo a proporcionar-se um débito de calor total apropriado e um tempo de permanência apropriado para o combustível na zona ou zonas de pirólise.

Será observado que a separação das zonas de pirólise e de gaseificação tendo diferentes condições reaccionais, como descrito anteriormente e exemplificado a seguir, permite que o processo de pirólise seja controlado separadamente do passo de gaseificação, e também permite que o passo de combustão secundária seja controlado separadamente em relação ao gás de pirólise e de produção/água. 3 85 330

ΕΡ 0 874 881 / PT Ο gás quente que é produzido na combustão secundária pode evidentemente ser utilizado convenientemente para produção de vapor numa caldeira e o vapor utilizado depois, por exemplo, para gerar electricidade de um modo convencional.

Será igualmente de notar que o equipamento padrão de incineração pode ser rapidamente modificado para operar de acordo com o presente invento, com adaptações mínimas dos aparelhos existentes, reduzindo dessa forma despesas de capital em novas unidades, enquanto se obtêm benefícios da capacidade de controlo e permitindo-se assim que uma gama mais ampla de resíduos possa ser tratada, para a recuperação eficaz de energia térmica.

Em seguida apresenta-se a descrição, por meio de exemplo com referência às Figuras em anexo, de processos e aparelhos de acordo com este invento.

Nas Figuras tem-se: A Figura 1 representa esquematicamente um aparelho de acordo com o invento. A Figura 2 mostra esquematicamente como um incinerador padrão pode ser adaptado para pirólise e gaseificação separadas, de acordo com o presente invento. A Figura 3 representa esquematicamente como uma pluralidade de prateleiras de pirólise pode ser disposta em tomo de um leito profundo de gaseificação. A Figura 4 representa esquematicamente uma concretização alternativa e preferida do aparelho de acordo com o invento, utilizando um reactor tubular de pirólise em vez de uma prateleira para a primeira zona de pirólise separada.

As Figuras 5 e 6 mostram respectivamente uma secção vertical e plana de uma representação esquemática de uma disposição mais específica do aparelho da Figura 4, utilizando dois reactores tubulares de pirólise e disposições acessórias de alimentação, e mostram também a disposição do reactor térmico onde ocorre a combustão secundária, gerando os gases quentes para aquecer os tubos do reactor de pirólise.

Na Figura 1 proporciona-se uma câmara de combustão (1), com uma zona de paredes verticais (2) para realização da gaseificação do carvão num leito profundo de combustível, sendo proporcionada uma entrada de vapor/ar (3) próximo da base da zona, sob a forma de

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ΕΡ 0 874 881 / PT 6 um ou mais tubos com orifícios, estendendo-se através da secção transversal da zona, e com meios em parafuso (4) a serem proporcionados na base da câmara de combustão, para remoção da cinza resultante da gaseificação do carvão.

Proporciona-se em (5) uma prateleira que está inclinada para cima, na direcção do rebordo da zona de pirólise, e para onde o combustível é alimentado através de uma abertura (6). O combustível na prateleira de pirólise (5) é sujeito a pirólise por meio do calor irradiando da parede superior curvada e refractária (7) da câmara de combustão. É proporcionado um aríete (8) adjacente à prateleira de pirólise, para permitir que o carvão resultante do processo de pirólise possa ser empurrado sobre o rebordo da prateleira e para o leito profundo de carvão de combustível para gaseificação. Os referidos meios de aríete (8) podem obviamente ser adaptados para introdução do combustível na câmara de combustão, em vez de ser através da abertura (6).

Tubos de entrada de ar secundário (9, 10) são proporcionados nos espaços por cima da prateleira de pirólise e do leito profundo de gaseificação de combustível, respectivamente, para fornecerem ar para a combustão secundária dos gases que emanam respectivamente destas duas zonas de reacção.

Como foi anteriormente mencionado, o calor proveniente da combustão secundária é interceptado pelo tecto curvo refractário (7), o qual por sua vez irradia calor sobre a prateleira de pirólise, provocando a pirólise do combustível aí presente. O calor de escape da câmara de reacção sai por (11) e é conduzido a uma caldeira para conversão, por exemplo, em vapor para geração de electricidade de um modo convencional.

Na Figura 2 é mostrada uma disposição através da qual um incinerador padrão pode ser adaptado para realizar pirólise e gaseificação separadas, de acordo com o processo deste invento.

Uma zona de gaseificação com um leito profundo disposta verticalmente (22) é adaptada de modo similar ao do aparelho mostrado na Figura 1, sendo fornecidos um tubo de entrada de vapor/ar (23) para ar/vapor primário, e meios em parafuso para remoção de cinza (24(a)).

Situada acima da zona do leito profundo(22) está uma grelha de pirólise com

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ΕΡ 0 874 881 i PT balouço, a qual é actuada por actuadores (25(a)) e alimentada com combustível através da abertura (26). A grelha de pirólise é aquecida por calor irradiado do tecto da câmara de reacção (27).

Na câmara são também proporcionados tubos de entrada de ar secundário (29(a) e 29(b)), respectivamente sobre a grelha de pirólise e o leito profundo de gaseificação, saindo os gases quentes em (20) para uma caldeira. A cinza também é removida sob a grelha de pirólise, em (24(b)).

Será notado que a disposição na Figura 2 opera de modo similar ao mostrado na Figura 1, pois os processos de pirólise e gaseificação são levados a cabo em zonas separadas que apresentam diferentes condições de reacção, o que permite serem controladas em separado.

Na Figura 3 mostra-se como uma pluralidade de prateleiras de pirólise (35), cada uma tendo um declive inverso e proporcionada com um empurrador ou aríete para cinza (38), pode ser disposta em tomo de um único leito profundo de gaseificação (32), para tratamento do carvão resultante da gaseificação do combustível alimentado a cada uma das prateleiras de pirólise (35).

Na Figura 4 mostra-se uma secção esquemática vertical de um aparelho alternativo e preferido para realizar o invento, utilizando um tubo de reacção de pirólise em vez de uma prateleira de pirólise.

Neste caso, será de notar que um tubo de reacção (45) é alimentado com combustível carbonáceo por meio de um aríete de alimentação (48) e forma uma zona de pirólise separada da segunda zona (42), que é uma zona de leito profundo de gaseificação, proporcionada com ar primário e opcionalmente com vapor ou gás de escape reciclado em (43), sendo a cinza removida do fundo da segunda zona por meio de uma disposição adequada (44). Os gases de pirólise provenientes do tubo de pirólise e o gás de produção proveniente da zona de leito profundo de gaseificação, passam ambos para cima através da câmara reffactária isolada, a ser fornecida com ar secundário pelas entradas (49), para proporcionar combustão secundária no reactor térmico (40), cujos gases passam em tomo do tubo de pirólise (45) e o aquecem a um grau suficiente para produzir pirólise. Tipicamente, a temperatura dos gases provenientes do reactor térmico estão na gama de 800°C a 1300°C. Utilizando o aríete de alimentação (48), o carvão sujeito a pirólise é obrigado a sair do tubo de pirólise e a cair na zona de gaseificação (42). Neste caso, será observado que em vez do tipo de disposição mostrado nas 8 85 330

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Figuras 1 a 3, em que o calor para a etapa de pirólise é proveniente principalmente como calor irradiado da combustão secundária, na disposição da Figura 4 os gases quentes da combustão secundária são passados em tomo do tubo de pirólise, e isto permite um aquecimento mais eficaz para o processo de pirólise.

As Figuras 5 e 6 mostram esquematicamente com maior detalhe uma disposição prática do aparelho mostrado na Figura 4, utilizando dois tubos de pirólise e um reactor térmico de vórtice, em conjunto com meios específicos para alimentar os tubos de pirólise, encerrando meios em parafuso para permitir ou ajudar a passagem do combustível a ser submetido a pirólise através dos tubos, e também uma disposição de aríete de alimentação para introduzir o material combustível carbonáceo nos tubos de pirólise. Nas Figuras 5 e 6 são utilizadas as mesmas referências numéricas, tal como usadas na Figura 4 para características correspondentes.

Numerosas variações dos processos e aparelhos especificamente descritos acima serão evidentes para o perito na arte, sem afastamento do âmbito do invento tal como reivindicado nas reivindicações seguintes.

Lisboa, 10. JlíL. 2000

Por COMPACT POWER LIMITED - O AGENTE OFICIAL -

Claims

85 330 ΕΡ 0 874 881 /PT 1/3 REIVINDICAÇÕES 1 - Processo para a produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos, processo que compreende sujeitar o combustível carbonáceo em pelo menos uma primeira zona (5, 45) a uma temperatura que é suficientemente elevada para submeter substancialmente o fuel a pirólise anaerobicamente. e depois transferir o carvão resultante da pirólise para uma segunda zona (2, 32, 42) que está separada da primeira zona ou zonas, sendo o carvão sujeito a gaseificação na segunda zona pela introdução de ar primário de combustão, opcionalmente com vapor e/ou gás de escape reciclado, sendo os gases de saída da segunda zona e os gases de pirólise da primeira zona posteriormente sujeitos a combustão secundária, sendo a cinza removida do fundo da segunda zona, caracterizado por a primeira zona ou zonas aquecidas principalmente por calor de irradiação proveniente directamente da referida combustão secundária.
2 - Processo de acordo com a reivindicação 1. em que a referida primeira zona ou zonas é proporcionada por uma prateleira ou prateleiras (5) numa câmara de reacção, sendo a prateleira ou prateleiras aquecidas por irradiação, por meio de calor irradiado do tecto (7, 27) da câmara de reacção.
3 - Processo de acordo com a reivindicação 2. em que a ou cada prateleira de pirólise (5) se inclina para trás, de modo a evitar que o combustível que está a ser sujeito a pirólise possa cair prematuramente na segunda zona (2, 32, 42).
4 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, em que o ar de combustão secundário é alimentado separadamente aos gases de pirólise resultantes respectivamente do combustível sujeito a pirólise e do gás de produção/água que emana do leito profundo de gaseificação.
5 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, em que o tecto 87) da câmara de reacção é conformada para focar o calor proveniente da combustão secundária sobre a ou cada prateleira de pirólise.
6 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, em que são proporcionados meios (8, 38, 8) para mover o combustível sujeito a pirólise a partir da ou de cada prateleira de pirólise para o leito profundo de gaseificação de combustível.
7 - Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a primeira zona é proporcionada por um reactor tubular (45), através do qual o combustível sólido é passado, e 85 330 ΕΡ 0 874 881 / PT 2/3 ο reactor tubular é aquecido directamente por calor de irradiação proveniente dos gases quentes vindos da referida combustão secundária.
8 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, em que a combustão secundária é realizada a uma temperatura de 1100°C a 1300°C.
9 - Aparelho para a produção de energia térmica a partir de combustíveis carbonáceos sólidos, através de pirólise e gaseificação, aparelho que compreende uma câmara de reacção (1) tendo pelo menos uma zona de pirólise (5, 25, 45) espaçada horizontalmente e situada a um nível superior ao da zona de gaseificação (2, 32, 42), e adequada para levar a cabo uma pirólise substancialmente anaeróbia, sendo proporcionados meios (8, 38, 43) para a introdução de combustível carbonáceo sólido na referida zona de pirólise, e para mover o carvão resultante da pirólise do combustível para a zona de gaseificação, sendo a zona de gaseificação proporcionada com meios (3, 23, 43) para admitir ar primário de combustão, e opcionalmente vapor e/ou gases de escape reciclados, e também meios (4, 24, 44) para a remoção de cinza do fundo da zona, sendo igualmente proporcionados meios (9, 29. 49) para a introdução de ar secundário de combustão no gás de saída da zona de pirólise e no gás de água ou gás de produção proveniente da zona de gaseificação, caracterizado por o aparelho também compreender meios (7, 27, 40) para utilizar pelo menos parte do calor resultante da combustão secundária para aquecer directa e radiantemente a zona de pirólise (5. 25, 45).
10 - Aparelho de acordo com a reivindicação 9, em que a referida zona de pirólise é proporcionada por uma prateleira (5) sobre a qual o combusth'el é depositado, por cima da zona de gaseificação.
11 - Aparelho de acordo com a reivindicação 9 ou reivindicação 10, em que a prateleira é inclinada para trás, para evitar a prematura transferência para a zona de gaseificação do combustível que está a ser sujeito a pirólise.
12 - Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, em que são proporcionados meios (7, 27) para irradiar parte do calor resultante da combustão secundária para a zona de pirólise.
13 - Aparelho de acordo com a reivindicação 12, em que o tecto (7) da câmara de reacção é conformado de modo a focar o calor de irradiação proveniente da combustão secundária para a prateleira de pirólise. 85 330 ΕΡ 0 874 881 / PT 3/3
14 - Aparelho de acordo com a reivindicação 9, em que a zona de pirólise está sob a forma de um reactor tubular (45), dirigido para o espaço acima da zona de gaseificação e através de qual reactor tubular c passado o combustível carbonáceo sólido.
15 - Aparelho de acordo com a reivindicação 14. em que o reactor tubular é disposto de forma a que pelo menos parte dos gases quentes produzidos pela combustão secundária são passados em tomo do reactor tubular, de maneira a aquecer por irradiação o combustível carbonáceo aí contido, de forma a submetê-lo a pirólise.
16 - Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15, em que são proporcionados meios para alimentar o combustível carbonáceo sólido através da zona de pirólise e a ejectar o carvão resultante para a zona de gaseificação.
17 - Aparelho de acordo com a reivindicação 16, em que os referidos meios de alimentação compreendem meios de alimentação em parafuso (51), em conjunto com meios de aríete para a carga inicial do tubo de pirólise com combustível carbonáceo sólido. Lisboa, r lo. JUL 20GQ Por COMPACT POWER LIMITED - O AGENTE OFICIAL -