WO2015168763A1 - Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão - Google Patents

Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão Download PDF

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tar
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furnace
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Ricardo Antônio VICITIN
Adriana De Oliveira Vilela
José URBANO ALVES
Thalis PACCELI DA SILVA E SOUZA
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Bocaiuva Mecanica Ltda.
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Definitions

  • This patent relates to a process and furnace developed for the production of charcoal with the recovery of gases, tar and pyroligneous extract.
  • This invention relates to a process and an oven for the industrial production of charcoal and recovery of the gases generated in the process as a solution to the problem inherent in the carbonization process as performed today by most charcoal plants.
  • the majority of charcoal production around 70%, comes from the traditional charcoal of masonry ovens, called "hot-tailed ovens". These furnaces have low percentage yield in mass conversion of biomass to charcoal and have long production cycles. Typically five days are spent to carbonize biomass and 7 days to complete cooling, ie between loading and unloading about 12 to 14 days are used.
  • PI 0506224-1 discloses the use of the container furnace as a gasifier through the combined inlet of steam and oxygen by means of gas distributors within the furnace in which biomass gasification is processed.
  • PI 0506224-1 also discloses the use of combustible gases as an energy source for the wood drying process; the use of thermal insulation to extend the life of the furnaces; and the presence of a water seal to ensure oven tightness.
  • the proposed invention has a carbonization time between 8 and 16 hours depending on the moisture content of the wood. This time is significantly shorter than the carbonization time of a masonry kiln, which is on average 5 days. For small and / or low thickness biomass, such as antlers and grass, the carbonization lasted between 3 and 4 hours. By the end of carbonization is meant charcoal production, characterized in that it has a fixed carbon content of between 70 and 85%.
  • This application also reveals that the basic cycle consists of four steps: loading, carbonization, cooling and unloading. For each step a container oven is necessary to ensure the continuity of the cycle and for greater production, it is necessary to manufacture multiple ovens in cyclic operation.
  • PI 0603433-0 presents as an innovation to the state of the art the presence of air inlet valves positioned throughout the side of the metal furnace. This is an important solution as it allows the operator to control the air inlet by closing / opening on / off gradually or integrally so that the air inlet flow can be monitored by equalizing the inlet speed. , valve opening area and time. This is an evolution from the manual process to a mechanized and potentially automated process.
  • the controlled form of air injection also allows an optimization of the energy content of the gas generated in the carbonization, qualifying it as a potential fuel for use in, for example, electricity generation.
  • the reactor used to promote the carbonization of organic matter has a cylindrical shape, which is positioned horizontally.
  • the wood is supported by grids, whereby part of the gases produced during the carbonization itself is returned to heat the pyrolysis bed of a second reactor.
  • the injected gases and the produced gases are sucked through a separator.
  • a portion of the gases are then reheated in a heat exchanger to 280 ° C to 450 ° C and reinjected into the pyrolysis bed through the oven grids. There is therefore an upward flow of gas within that container.
  • the remaining pyrolysis gases go to a combustion chamber and the products of this reaction are taken to the reactor during the wood drying step.
  • the gases released during drying are added.
  • the gas flow is upward.
  • the gases sucked from the drying chamber are then taken to a third reactor, in which they travel the coal produced upwards, promoting their cooling.
  • the industrial kiln for charcoal production consists of a movable metal container with a predominantly circular cross-section, the purpose of which is to convert the biomass inserted inside it into charcoal in the shortest possible time and with the highest gravimetric yield (ratio between the mass of charcoal per dry biomass mass).
  • the proposed solution includes, in addition to the carbonization container furnace, all the other components of the system, which together enable this project for the energy, operational and environmental production of biomass derivatives: bioreductor (charcoal), tar, pyroligneous liquor and combustible gases. ,
  • the project contemplates a unique and differentiated exhaust system of gases and vapors generated during the carbonization process.
  • This system composed of an exhaust fan, generates the necessary depression inside the container, as well as a special fluid dynamics, which simultaneously promotes gas exhaustion and atmospheric air injection.
  • the effect of gas exhaustion, combined with the process control and ignition mechanisms, allows the reduction of the time required for the conversion of biomass to charcoal from 8 to 12 hours (which consists of the best results referenced in the processes described in the state of the art). ), for a time of less than 4 hours - this value has been set for a hanging wood mass of around 10 tonnes.
  • This advance specifically in terms of productivity, was only possible due to improved furnace design and support structures, plant lay-out, mechanization, automation and operation of process control techniques, which will be described in due time in this report.
  • the industrial charcoal oven solves this problem by inserting holes at strategic points along the outer surface of the furnace to keep the isotherm speed of 200 ° C always high. This is achieved by analyzing the furnace thermal profile over the carbonization time and the consequent introduction of holes at the lowest velocity points.
  • the furnace, object of this patent had its points of slowness, or deceleration of the carbonization front (which we call the 200 ° C isotherm), mapped and minimized by the addition of holes for atmospheric air intake. Air intake at these specific points accelerates carbonization as it promotes combustion of the combustible gas present in this region; which eventually "pulls" the carbonization line, which usually occurs from top to bottom in the vertical direction of the furnace.
  • the present invention provides as a solution to the problem of unwanted air infiltration and explosion a sealed metal oven with physical isolation in all areas and bases that connect the oven to the rest of the structure and / or allow controlled air intake.
  • the air inlet valves are mechanical and have a seal.
  • the furnace base and top loading cap have a refrigerated flange sealing ring.
  • the design / furnace presented as an industrial solution in this application has properly designed pressure relief valves positioned along of the furnace structure and assembly coupled to the gas pipeline system. Such valves act, as necessary, as relief systems, opening and returning to their original position without any reliance on human actuation. This is an important advantage of the proposed furnace for industrial charcoal production over other carbonization furnaces, as it allows regulating the internal pressure of the furnace.
  • the Container Oven has a two-way discharge valve, located in the lower region of the oven, whose function is to release from the base the charcoal produced without waiting for the cooling step.
  • the discharge valve is the key element for this inventive leap, the proposed solution is made up of a series of points that together make it possible to safely and quickly unload coal while still burning. This design allows the furnace to be designed and manufactured with adequate thermal insulation, ie light and efficient. The results of the energy balance showed that this way, the thermal losses of this oven are less than 5% of all the energy contained in the spilled wood, which has a moisture content below 30%.
  • the second advantage derived from the present invention is the design and manufacture of a container suitable for receiving the coal in the first stage.
  • carbon fastening ie above 400 ° C. It is a metal cylinder, but underweight, under 4 tonnes, uninsulated and with a unique water spray system on the coal during all unloading.
  • This controlled spraying system of water on falling coal does not interfere with the mechanical characteristics of it, since the amount of water does not exceed the volume required only for the enthalpy energy removal or vaporization.
  • water spraying reduces the time required for coal cooling in the carbonization furnace by more than 70%, without prejudice to its mechanical properties and also without the unintentional and uncontrolled maintenance of the carbon fixation process that occurs in other state of the art ovens.
  • the furnace loading process has also been optimized. Rather than loading the furnace by the base as described in the prior art, the present invention, which is the subject of this report, proposes a top loading system of the furnace, eliminating the need to rotate, tilt or tip the furnace for loading. This advance over the state of the art considerably reduces the loading time of the furnaces, resulting in a productivity gain thanks to increased furnace availability for the carbonization process. Top loading also allows for better load homogenization and greater operational regularity.
  • the industrial furnace metal container (1) for charcoal production has its internal volume virtually divided into three parts, as shown in Figure 1: top (R1), center cylinder (R2) and bottom cone trunk (R3) . There are no physical barriers between regions; The division listed here is only to simplify the description of the various components of the proposed solution.
  • the top region (R1) located at the top of the furnace, can be cone-shaped or spherical in shape. This region can be partially divided or completely separated from the central cylinder, as shown in Figure 2, assuming the function of cap (2) for the biomass loading hole inside the oven (3).
  • its cone or spherical trunk shape allows the creation of relief mechanisms to control the internal pressure of the process (4).
  • This pressure relief mechanism is defined as a preferably circular relief hole in the surface of the top region, sealed by a movable, compatible relief relief cap that moves vertically upward when internal pressure is discharged. beyond expected and returns to the orifice seat when internal pressure is regularized.
  • the hole may be positioned anywhere on the surface of the top region, but should preferably be concentric, with the diameter close to that of the oven.
  • the relief cap should have an area and weight compatible with the oven, the raw material and the process, which for this invention corresponds to an area ranging between 0.25 and 0.45 m 2 and weight between 30 and 55 kg.
  • the initial sizing of explosion relief valves was based on the NFPA68 / 2007 standard, but due to the limited applicability of this standard to the industrial kiln for charcoal production, the final values for area and weight were the result of the elaboration of their own mathematical models. explosion tests carried out in place in the oven.
  • the seal (5) between the cover and the relief hole should be made of soft material resistant to temperatures up to 95 ° C, soft to absorb impacts and promote sealing, as the pressure required to ensure process sealing will only be a function of the weight of the lid.
  • the movable relief cap has its vertical stroke limited by a series of guides, preferably three equidistant or hinged connecting the pressure relief port cap (4) to the top region (R1).
  • the top region has the largest diameter, in the case of the frusto-conical shape, equal to the diameter of the central cylinder region, with inclination of the cone throne to the vertical must have an angle (A1). between 8 and 25 °.
  • the region is insulated internally with ceramic fiber blanket (6), and it is isolated from contact with the raw material inside the oven by a thin (1.5 mm thick) stainless steel plate (7). This plate also prevents contact of the insulating blanket with vapors and tar dispersed in the oven's internal atmosphere.
  • the top region (R1) is attached to the central cylinder region by specific mechanisms positioned near the larger diameter of the top. These mechanisms are pivot pins (8) attached to the center cylinder region that engage over guides (9) attached to the top region (R1). The joint is sealed using special high temperature seals (10). The pressure required to secure the seal is provided by threads on the pins and nuts on the guides.
  • the region called center cylinder (R2), shown in Figure 1 corresponds to the main process control region.
  • the central cylinder preferably has a diameter (D) of 3500mm and a height (H) of 4800mm.
  • Its lateral surface has a series of holes, shown schematically in Figure 2, with flow control mechanisms (11) (control valves). These valves are distributed as follows: 4 (four) columns of valves equally spaced along the perimeter of the cross section and in each column there are valves distributed in 7 positions along the height of the furnace.
  • These 28 valves (11) are responsible for supplying atmospheric oxygen to the furnace perimeter region.
  • each of the valves is determined according to the study of the oven temperature profile.
  • the value of 200 ° C is said by studies in the area as the temperature at which the wood dries up, that is to say, from this temperature the roasting begins, followed by the carbonization process itself.
  • the studies developed for the elaboration of the proposed solution showed that the longest stage of the conversion process is the drying of the wood binding water. Then study the behavior of the 200 ° C isotherm in the oven and the means to promote the acceleration of its displacement, thus accelerating the drying process.
  • Figure 1 depending on the study, should be distributed as follows: 4 holes with a diameter of 2 "in position (H1) between 5% and 7% of the total height of the cylindrical region measured from the center cylinder base, 4 holes with a diameter of 2 "in the (H2) position between 18% and 26% of the total height of the cylindrical region measured from the base of the central cylinder.
  • a sensor monitors the temperature on the side (12) and inside of the oven (12a) to provide an accurate indication of the status or progress of the process. carbonization and ensure that the safety limits for proper oven operation are not exceeded.
  • These temperature measurement devices can be type K thermocouples that are inserted into thermometric wells that house the sensor and electrical connections of vapors and tar mists inside the oven.
  • a series of temperature sensors are installed inside the oven (12a), near the central region, for better process monitoring.
  • the center cylinder region (2) is internally lined with several layers of materials that thermally insulate the metal housing.
  • the industrial kiln for charcoal production works at process temperatures of around 400 ° C, but in the orifice region this temperature can reach peaks of up to 1100 ° C. This is due to the oxygen entering the outside atmosphere into the oven, which in contact with the fuel gas and ignition source forms a torch-like flame.
  • the carbonization process has aggravating factors that make the use of these materials isolated. During carbonization are released beyond condensable and non-condensable gases, water vapor, tar, pyroligneous liquor and volatile compounds present in the ashes.
  • the tar in the furnace is in the form of a fine mist that would impregnate and damage certain types of insulating blankets, as well as the alkalies present in the ashes.
  • most refractory materials have a percentage of full-pore pores, that is, pores that connect the hot face to the cold face allowing tar to pass, which can damage the outer wall of the furnace.
  • Both tar and pyroligneous liquor have in their composition a portion of acetic acid that reflects the corrosive nature of the internal atmosphere.
  • Some refractory materials are incompatible with acid atmospheres or water vapors. The material being carried by the top of the furnace hits the inner walls with impact, causing abrasion wear and breakage of refractory materials; conventional.
  • the invention proposes a solution to thermally insulate the furnace, guaranteeing carcass temperatures in the order of 100 ° C and minimizing the passage of tar to the outer wall.
  • the proposed solution is a combination of materials that alone could not meet the needs of the process, but together meet; accurately and efficiently.
  • the materials to promote the isolation of the infernal surface of the metal cylinder into the furnace are: 2-inch-thick ceramic fiber (13), relatively low-cost, low-density insulating material (this material is primarily responsible for reducing the temperature in the furnace housing); 1.5mm thick smooth stainless steel plate (14) covering the entire exposed surface of the blanket; low cement refractory concrete with at least 45% AI2O3 mixed with stainless steel metal fibers at a proportion of 2% by weight of concrete (15) used - this concrete associated with the use of metal fibers ensures the integrity of the concrete, preventing the spread cracking as a function of process temperature variation.
  • the metal fiber refractory concrete is replaced by a refractory concrete with at least 47% Al 2 0 3 and a maximum density of 2.27kg / m 3 applied over a hexagonal mesh of its own. for anchoring refractory castables with a total thickness of 27 mm.
  • This concrete in this region combined with a special curing process reduces the total percentage of full passage pores to 5%.
  • the region called the lower cone trunk (R3) consists of an inverted cone trunk, or a circular to square cross-section transition with rounded corners made of sheet metal.
  • this cone (16) must be perforated to allow gases to pass from the biomass bed to the bottom, but retaining the biomass. It is recommended that the holes have a diameter of 40mm with an average hole spacing of 120mm. 063
  • the angle of inclination for the cone should be such as to promote the flow of charcoal without flow retention.
  • Figure 1 shows for charcoal this angle (A2) varies between 30 ° and 50 °, with the optimum configuration being the slope of 36 °.
  • the larger diameter of the cone trunk should follow the diameter of the central cylinder region.
  • a charcoal discharge valve (17) is located in the lower portion of the lower cone trunk region, and observed in Figure 2, a charcoal discharge valve (17) is located.
  • This valve consists of an obstruction surface to the solid material located above it and must allow the passage of gases and condensables generated in the process.
  • the valve must be movable, clearing the passage at the end of the carbonization process in order to discharge the charcoal produced.
  • this valve should be flat with holes evenly distributed over the surface to allow gas to pass through and retain solid objects such as the inverted cone trunk.
  • the diameter of the holes may be similar to the one used in the cone, but the percentage of leaked area over the opening area must be at least 20% in order to guarantee the maximum flow for the gas flow.
  • the orifice flat surface (18) is mounted on a frame provided with wheels (19), which in turn is on rails that allow the lid and frame to move in one direction only.
  • a stainless steel metal rod (20) Connecting the structure to the external environment is a stainless steel metal rod (20).
  • the cap assembly, wheeled structure and stem are called the carfo-lid.
  • some of the holes in the cone trunk (21) establish, through ducts, contact with the external environment for the injection of gases, such as atmospheric air, dosed by specific control mechanisms such as valves.
  • These valves are ball valves with stainless steel ball and material seat for temperatures up to 150 ° C.
  • the lid can be made of special alloy steel such as AST 572.
  • the total volume height (HC) comprised of the three regions (top (R1), central cylinder (R2) and lower cone trunk (R3)), over the diameter (D) of the central zone ( center cylinder) should range from 1, 0 to 2.2.
  • the diameter range of the Center cylinder ranges from 3300mm and 4580mm, recommended value as ideal oven configuration.
  • the internal volume of the furnace available for receiving biomass as raw material comprising the three regions (top (R1), central cylinder (R2) and bottom cone trunk (R3)), hereinafter referred to as the “conversion zone”. ", can have volumetric capacity between 35 and 65m 3 with satisfactory results, being the optimal condition equal to 50m 3 .
  • the conversion zone is held vertically by means of a holding device, the shape of which is the association between a cone trunk and a cylinder of defined proportions made of sheet metal.
  • This device is a fundamental point for the invention as will be shown below.
  • This support structure shown in Figure 2 also known as “oven exit” (22), acts as an expansion box in the process, allowing the accumulated gases in the furnace base to recirculate, providing an atmosphere of hot gases and facilitating the conduction of the oven. process by preheating the biomass at the bottom of the furnace.
  • the "furnace skirt" (22) is provided with specific pressure relief devices called relief valves (23). These relief valves should always be symmetrically distributed and along the circumference of the furnace.
  • the relief cap should have an area and weight compatible with the oven, raw material and process, which for this invention corresponds to an area ranging from 0.25 to 0.6m 2 and weight between 90 and 160kg. Its position is limited to the lateral area of the cone trunk and should be provided with a duct or chimney (24) that directs the flow from increasing process pressure upward or a safe place.
  • the smallest diameter of the supporting structure is equal to the diameter of the central cylinder region, with the point of union between the "oven skirt" (22) and the central cylinder (R2) about 200mm above the lower limit.
  • the largest diameter (DB) can range from 1.25 to 1.35 times the diameter of the central cylinder region.
  • the structure is lined internally with a ceramic fiber blanket (25) with a density of 128kg / m 3 , protected by a 2mm thick flat stainless steel plate (26).
  • the skirt (22) also acts as a furnace center of gravity equalizer to make its operation safer from the possibility of an imbalance and tipping.
  • the furnace support base of the furnace support structure is provided with water channel (27) for cooling the furnace coupling sealing carbonization system.
  • Next to the furnace support base are the guides for the furnace coupling to the carbonization system support base.
  • process ignition points (28). These points may be located in the three regions of the conversion zone, but the ideal position for the process ignition is the lower region of the center cylinder, shown in Figure 1, at (HO) position between 5% and 15% of the total height of the process. cylindrical region measured from the base of the central cylinder. The location of this point at the limit given above allows for better process control because although the 200 ° C isotherm gradually advances from the ignition point to the rest of the furnace, ignition at this height of the furnace allows the hot gases of the furnace ignition occurs a preheating of the entire conversion zone, increasing the isotherm travel speed by 200 ° C.
  • the size for the process ignition hole may range from 4 to 6 inches.
  • the ignition ports must be fitted with air flow control devices.
  • the orifice area must be free from obstructions, (such as butterfly valves whose flow obstruction element divides the flow passage area in half) and must be temperature resistant. up to 200 ° C. Therefore it is recommended to use the ball valve with stainless steel ball and material seat for temperatures up to 200 ° C. Due to the high temperatures in the vicinity of the flash point, a refractory block with at least 70% Al 2 0 3 , resistant to a temperature of 1600 ° C, is installed in this region.
  • the carbonization system an integral part of the industrial kiln for charcoal production, consists of a movable support base (29), condensable recovery equipment (30), pressure relief safety device (31 ), exhaust fan (32) and gas and vapor conduit ducts (33).
  • the carbonization system is fixed equipment in a carbonization plant and the furnace is a mobile equipment that attaches to this system.
  • the movable support base is constituted by a cylindrical ring (34), of diameter equal to the larger diameter of the support structure, constructed of metallic material. Attached to the loop are the guides (35), which have the function of assisting the positioning of the oven on the movable support base. Also on the mobile base have been hinged pins (36) that fit over the oven base base guides (37). Through this mechanism, with the aid of a system of nuts and spindles the oven is kept pressed against the movable support base. The seal (38) between the oven and the movable support base is promoted by the use of special rubber for temperatures up to 90 ° C. Connected internally to the support ring, an inverted cone trunk (39) made of sheet steel allows uniform capture of all gas flow and condensables. The larger diameter of the cone should follow the smaller diameter of the support ring.
  • the opening angle (A3) should be between 40 ° and 60 ° and the smallest diameter (D ⁇ ) should be sufficient so that the gas flow velocity does not exceed 10m / s.
  • the movable support base is named for its position on an industrial weighing system with hinged load cells (40) (commonly used on road scales) to absorb any lateral displacement caused by the collision between the oven and the guides. (35) and between the furnace and movable support base. Therefore, the base is free to move vertically, allowing the correct weighing of the material.
  • the solution presented in this invention consists in the use of two concentric tubes, the smaller diameter tube (42) being physically connected to the inverted cone trunk (39) of the movable support base and the larger diameter tube (43) connected to the expansion box. (44).
  • a flexible gasket 41 made of fiberglass cloth covered with a plastic film surrounds the ducts.
  • This flexible joint (41) has one end clamped to the cone (39) in the upper position and another end attached to the larger tube (43) at the bottom.
  • This assembly allows perfect operation of the weighing system as it disconnects the entire assembly that rests on the load cells from the rest of the equipment. This avoids the possibility of creating the "lever effect" when the weight of the wood / coal contained in the furnace would be influenced or would change due to the gas flow and piping movement and the rest of the system that would be connected. to the cone.
  • the expansion box Connected to the larger duct, used to connect the expansion joint to the movable support base, there is an expansion box (44) for reducing the flow velocity and deposition of particulate and condensable material. Speed in this region will reduce to 50% of speed in the duct.
  • the expansion box has two flow outlets. The first one is located at the base of the box and has a filter (45) that allows only the condensables to flow to a storage tank (46). The second outlet located on the side of the expansion box allows gases, vapor and mist to still escape in the gas stream. In this second outlet, the duct 33 is sized to have no flow velocity greater than 6m / s. This duct continues to carry the gases to the hood.
  • the connection to the hood is made perpendicular to the pipe length. This is because an explosion gate (47) is installed at the end of the duct to ensure operational safety and equipment integrity in the event of overpressure in the gas lines and / or flame return due to gas burning in the incinerator.
  • the blast door is made up of a flat surface that remains closed using only the lid's own weight. In the event of an increase in internal pressure, the door opens, relieving internal pressure and directing, through a chimney (48), the exhaust flow to a safe region. This gas receiving region or location should preferably be suitable for flaring with full combustion capacity.
  • the exhaust fan (32), one of the main components of the process, consists of centrifugal exhaust fan with a nominal flow of 10,000m 3 / h and a static pressure of at least 250mmca.
  • the rotor must be made of stainless steel.
  • the equipment must be equipped with a rotation controller to allow its adaptation to the use of different forms of biomass and production process.
  • the industrial charcoal furnace features a device for the rapid unloading of still hot coal to release the furnace for the carbonization process as soon as possible.
  • Figure 3 represents this device.
  • the base for the discharge is composed of a platform that has a cone trunk (49) with the largest diameter compatible with the largest diameter of the supporting structure (DB) and smaller diameter compatible with the discharge valve (17). .
  • a movable cylindrical container (50) with a capacity of between 24 and 32m 3 of charcoal.
  • the movable cylinder has 3 to 5 water spray nozzles (51) with flow rates ranging from 5 to 20 l / min and are positioned inside to cool the red-hot coal during and after unloading.
  • the industrial kiln for charcoal production is loaded with biomass from the upper opening in the central cylinder region.
  • a conveyor belt associated or not with silos or storage / stock cylinders to ensure a constant supply of biomass to the furnace. This ensures a quick load time, which preferably should be less than 5 minutes to power 50m chip 3 in the furnace whose internal temperature should be above 200 ° C.
  • top cover or top region is then placed over the central cylinder region and secured to it with the aid of the threaded pivot pins, guides and nuts.
  • the carbonization furnace is then moved to the carbonization system, where it is then positioned and locked over the movable support base.
  • the hood is turned on and adjusted so that its speed is compatible with the material used.
  • the objective is to constantly maintain a volumetric flow rate of 6,000m 3 / h, and the rotation speed is adjusted to give the flow rate mentioned.
  • the ignition process is then started. First make sure that the valves located at the top of the oven are open to create a continuous flow of gases inside the oven. Only then does the ignition itself take place. Through the 4 ignition points of the process, a small amount of no more than 2kg of acicuias, or red-hot coal, is injected into the furnace. The heat generated at these 4 points spreads through the lower region while a warm stream of gases rises up the bed warming it. The strategic position of the ignition point allows preheating to over 200 ° C of the entire bed volume, optimizing the process, as with the entire furnace above 200 ° C the conduction of carbonization becomes faster. .
  • the carbonization process is then controlled by the air inlets, which are opened to allow oxygen to enter, which in turn leads to partial burning of the gases within the furnace. This burning provides energy for the remainder of the endothermic phase of the carbonization process, and then closed the holes whose regions have reached the temperature limits for the process. This process of opening and closing valves is repeated until all internal volume is in temperatures above 350 ° C. Throughout the period the oven has its weight and temperature continuously monitored. The end of the process is reached when the load weight of the furnace $ e equals the weight set as the production target for the furnace.
  • the oven is then uncoupled and removed from the baseplate and the hood is switched off.
  • the Oven is then positioned over the unloading base where automatic mechanisms connected to the lid carriage rods clear the hole of the lower cone region for the unloading of the still hot coal, with a temperature above 300 ° C.
  • water spray nozzles directed to the downward coal stream promote a surface cooling of the coal.
  • the discharged coal is accumulated in a non-insulated metal cooling vessel. After the unloading process, which preferably does not exceed 3 minutes, is completed, the container containing the hot coal is closed and sealed, whereupon to complete its cooling process.
  • the cooling process occurs by natural convection and by the enthalpy effect of the removal of heat from evaporation of water that is sprinkled, strategically in the regions of the coal bed, where the temperature exceeds 120 ° C.
  • This process step which lasts from 10 to 15 hours, guarantees the release of the container oven for the continuous process of loading, charring, unloading, loading, charring, unloading ... And so on in cycles that last between 3 and 6 hours.
  • the pilot kiln-tested container furnace has been refined, resulting in the manufacture of an industrial-scale pilot furnace.
  • the altered items were especially related to increased firewood capacity, improved instrumentation, control, mechanization, operating procedure, process and thermal size.
  • the parameters monitored during the races are: load weight, flow, composition, density, pressure and gas temperature, air inlet flow in the load, firewood temperature sampled at more than 70 points spread over the furnace volume and volume of pyroligneous generated.
  • this furnace has a very significant differential compared to current carbonization furnaces: the preferred generation or production of gas over tar and pyroligneous (the condensable fraction eventually gasifies). This is an essential factor in favoring the association of the carbonization project to a thermoelectric plant, with simultaneous burning of biomass and carbonization gas. With a minimal fraction of condensables contained in the generated gas, their transport, displacement, storage and plumbing become viable to be carried to a plenum or a balloon, where it is homogenized, and then to direct burning in a boiler to promote electricity generation.
  • the 35m 3 capacity industrial charcoal furnace can be loaded through the upper hole with wood chips, average particle size between 100 and 120mm.
  • the oven, with the lid on and locked, is placed on the carbonization system and locked on the base.
  • Mobile support. The hood is then turned on and ignition at the specific, red-hot points is started.
  • the carbonization control through the opening and closing of the holes follows in order to supply energy to the endothermic phase. The process ends in about 3 hours. Producing 2,400 kg of charcoal, with a gravity yield of 33%.
  • the 35m 3 capacity industrial charcoal oven can be loaded through the upper hole with wooden sticks, average size 200mm.
  • the oven, with the lid in place and locked, is placed on the carbonization system and locked on the movable support base.
  • the hood is then turned on and the ignition at the specific points, with embers; is started.
  • the carbonization control through the opening and closing of the holes follows in order to supply energy to the endothermic phase.
  • the process ends in about 5 hours. Producing 2,800 kg of charcoal, with 35% gravimetric yield.

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Abstract

Esta patente de invenção refere-se a um processo e um forno desenvolvidos para produção de carvão vegetal com a recuperação dos gases, alcatrão e extrato pirolenhoso. O sistema unitário é composto por um forno metálico, uma plataforma de carregamento, uma plataforma de carbonização e uma plataforma de descarregamento. Para geração contínua de gases, o processo opera com múltiplas plataformas de carbonização e um ou mais fornos por plataforma de carbonização. O forno é dotado de entradas de ar em pontos laterais, estratégicos e mecanismo para alívio de pressão. O sistema de carbonização é composto por um exaustor, dutos especiais para a condução dos gases, além de dispositivos para a recuperação dos condensáveis. Os gases gerados no processo são direcionados para um queimador, um gaseificador ou diretamente em uma caldeira a fim de gerar energia térmica e/ou elétrica. A tecnologia apresenta, de forma exclusiva, um rendimento gravimétrico em gás combustível superior a 60% e uma produtividade em carvão vegetal acima de 800kg/h, de forma que cada ciclo de operação do forno dura menos que 5 horas. O carvão é descarregado quertte, ao fim da carbonização e carregado com toletes de madeira, imediatamente após o descarregamento. O processo conjuga soluções técnicas, económicas, operacionais e ambientalmente viáveis.

Description

"PROCESSO INDUSTRIAL UTILIZANDO FORNO METÁLICO COM EXAUSTÃO FORÇADA E MECANISMOS DESENVOLVIDOS PARA PRODUÇÃO CONCOMITANTE DE CARVÃO, GÁS COMBUSTÍVEL, EXTRATO PIROLENHOSO E ALCATRÃO".
Campo Utilização:
[0001] Esta patente de invenção refere-se a um processo e um forno desenvolvidos para produção de carvão vegetal com a recuperação dos gases, alcatrão e extrato pirolenhoso.
Estado da técnica:
[0002] Esta invenção se refere a um processo e um forno para a produção industrial de carvão vegetal e recuperação dos gases gerados no processo, como forma de solucionar o problema inerente ao processo de carbonização tal como executado hoje pela maioria das carvoarias. No Brasil, a maior parte da produção de carvão vegetal, em torno de 70%, vem das carvoarias tradicionais dos fornos de alvenaria, ditos "fornos rabo-quente". Estes fornos apresentam baixo percentual de rendimento, em massa, na conversão de biomassa em carvão vegetal e possuem ciclos de produção de elevada duração. Tipicamente são gastos cinco dias para carbonizar biomassa e 7 dias para resfriamento completo, ou seja entre o carregamento e descarregamento são utilizados cerca de 12 a 14 dias.
[0003] No processo tradicional de produção de carvão em fornos de alvenaria tipo "Rabo-quente", a lenha e o carvão são, respectivamente, carregados e descarregados manualmente, sujeitando o operador do fbrno a condições severas e rudes de trabalho. Os meios de controle do processo são subjetivos e extremamente dependentes da experiência do operador, que deve avaliar, conforme critérios sensoriais, parâmetros como a cor da fumaça para determinar o fechamento das aberturas na* parede do forno. Essas aberturas, feitas manualmente, são denominadas "baianas" na superfície do forno e "tatus" na base do forno. Além disso, os gases gerados no processo de carbonização são lançados na atmosfera sem nenhum controle e/ou aproveitamento, resultando em um desperdício energético significativo. Os gases liberados por esses fornos prejudicam ainda o ambiente de trabalho dos operadores, visto que, a fumaça liberada quando em contato com olhos e mucosas provocam irritação, podendo conter também substâncias tóxicas. Somados aos problemas aqui relatados, tem-se ainda a questão referente à produção em larga escala para atender aos grandes consumidores de carvão vegetal, de forma eficiente, automatizada, mecanizada, com custos reduzidos e sem prejuízo ao meio ambiente.
[0004] Desde 2001, apresentamos ao INPI uma série de solicitações de concessão de patentes contendo propostas para a solução destes problemas. Estes pedidos correlacionados ao objeto deste relatório são discutidos e apresentados, de forma cronológica, a seguir.
[0005] Em 2 de Outubro de 2001 , foi depositado no INPI sob o número PI 0104858-9 a solicitação para a concessão de uma patente referente a um forno container para a produção de carvão vegetal. Neste pedido pleiteamos um forno metálico, com exaustão forçada dos gases, que deve ser colocado sob uma câmara de combustão dentro de um poço isolante. Na câmara de combustão, resíduos florestais ou lenha de baixa qualidade são queimados para fornecer energia ao processo de carbonização. Esta invenção possui somente uma válvula de controle para todo o processo, que fica localizada na câmara de combustão abaixo do forno. Os gases gerados no processo são succionados por um exaustor, queimados e então descartados ao meio ambiente. Este sistema, embora tenha se proposto a solucionar os problemas citados anteriormente, tais como menor tempo de carbonização e melhor controle do processo e melhores condições de trabalho aos operários, não abrange completamente todas as questões energéticas, ambientais e operacionais. Por exemplo, por este sistema o carregamento deve ser feito manualmente. A etapa de resfriamento ocorre dentro dos fornos, o que reduz o tempo produtivo de cada forno. Além disso, o sistema é dotado somente de uma válvula de controle, o que para pequenos volumes pode ser aceitável, mas para fornos industriais de grande volume, como o referente à proposta desta invenção, não são efetivas, sendo necessário o controle do processo em vários pontos do forno. Portanto, trata-se de um projeto, que mesmo superando o estado da técnica do processo de carbonização, não apresentava no momento de seu protocolo todas as condições adicionais necessárias para completa solução dos problemas energéticos, ambientais e operacionais. Essas condições e melhorias foram sendo apresentadas nos demais processos e pedidos de patente solicitados ao IN PI, a partir de 2001, incluindo este novo pedido de patente, o qual estamos requerendo no momento presente (2014).
[0006] Em 29 de Dezembro de 2005, foi depositado no INPl sob o número PI 0506224-1 a solicitação para a concessão de uma patente referente a um gaseificador acoplado a um forno container. O documento revela o uso do forno container como um gaseificador através da entrada combinada de vapor e oxigénio por meio de distribuidores de gases no interior do forno em que se processa a gaseificação da biomassa. PI 0506224-1 revela também o uso dos gases combustíveis como uma fonte de energia para o processo de secagem da madeira; o uso de isolamento térmico para aumentar a vida útil dos fornos; e a presença de um selo d'água para garantir a estanqueidade do forno. Esta proposta, ou pedido de inovação, constitui uma melhoria ou aprimoramento em relação à (PI 0104858-9), pois, utiliza-se uma câmara de combustão abaixo do forno para fornecer energia ao processo; utiliza-se exaustão forçada dos gases; há um método económico de estanqueidade do forno e o processo ocorre em fornos metálicos móveis. Embora o documento PI 0506224-1 trate da funcionalidade do forno container como um gaseificador, não é proposta uma solução definitiva para a produção de carvão vegetal em larga escala, visto que, os rendimentos de carvão vegetal em um forno de carbonização que opera como um gaseificador são baixos quando comparados ao processo tradicional. Esta invenção, protocolada em Dezembro de 2005, pretende apresentar e/ou caracterizar o forno containe como um equipamento de gaseificação, associado a um sistema de carbonização. Porém, ainda não apresenta as soluções completas para a mecanização, automação e otimização ambiental, energética e operacional, que serão demonstradas neste pedido.
[0007] Em 28 de Abril de 2006, foi depositado no INPl sob o número PI 0603433-0 a solicitação para a concessão de uma patente referente a um processo de produção continua de carvão em fornos containers com aproveitamento dos gases combustíveis provenientes da carbonização da biomassa. Neste documento é apresentado como principal inovação aos pedidos anteriores, o conceito de fornos metálicos dotados de orifícios com válvulas mecânicas de controle, distribuídas pela lateral do forno. Essas válvulas podem ser abertas ou fechadas conforme necessidade e prosseguimento da carbonização. No início do processo o forno deve ser colocado dentro de uma camisa de alvenaria sob uma câmara de combustão, que fornecerá a energia necessária para a carbonização da biomassa. Esta câmara pode ter uma ou mais entradas de ar para auxiliar o controle. De acordo com o PI 0603433-0, a invenção proposta apresenta um tempo de carbonização entre 8 e 16 horas dependendo do teor de umidade da madeira. Esso tempo é significativamente menor que o tempo de carbonização de um forno de alvenaria, que é em média 5 dias. Para biomassa de pequeno porte e/ou de baixa espessura, como galhada e capim, a carbonização durou entre 3 e 4 horas. Entende-se por final da carbonização, a produção de carvão vegetal, caracterizado por conter um teor de carbono fixo entre 70 e 85%. Este pedido revela também que o ciclo básico é composto por quatro etapas: carregamento, carbonização, resfriamento e descarregamento. Para cada etapa se faz necessário um forno container para garantir a continuidade do ciclo e para maior produção, torna-se necessária a fabricação de múltiplos fornos em operação cíclica.
[0008] PI 0603433-0 apresenta como inovação ao estado da arte a presença de válvulas de entrada de ar posicionadas por toda a latera do forno metálico. Trata-se de uma solução importante, uma vez que permite ao operador um controle da entrada de ar por fechamento/abertura on/off, gradual ou integral, de forma que a vazão de entrada de ar possa ser monitorada pelo equacionamento da velocidade de entrada, área e tempo de abertura da válvula. Esta é uma evolução do processo manual para um processo mecanizado e potencialmente automatizável. A forma controlada de injeção de ar permite também uma otimização do conteúdo energético do gás gerado na carbonização, qualificando-o como potencialmente combustível para uso, por exemplo, na geração de energia elétrica. [0009] No entanto, por necessitar manter o carvão dentro do forno container durante a etapa de resfriamento, a invenção proposta em PI 0603433-0 inviabiliza a utilização contínua do forno, exclusivamente para produção de carvão. Além disso, o documento não revela uma proposta para solucionar o descarregamento rápido ou instantâneo do forno.
[0010] Prosseguindo com o mesmo projeto, em 11 de Agosto de 2006, foi depositado no INPI sob o número PI0603622-8 uma solicitação de concessão de patente referente a um processo de produção contínua de carvão vegetal em fornos containers, desta vez considerando o projeto com sistema de exaustão dos gases, que pode ocorrer pela base, topo e/ou lateral do forno. Nesta solicitação, o principal avanço em relação ao processo anterior é o estabelecimento de três opções para o ponto de exaustão no forno, podendo este ser efetuado pelo topo, base ou lateral, isoladamente ou em conjunto. Esta inovação também consiste em uma evolução ou inovação do estado da arte, uma vez que em nenhum processo ou tecnologia de carbonização, ocorre simultaneamente a exaustão dos gases de forma distribuída por toda a superfície da carga, o que potencializa a produtividade e o rendimento, já que proporciona maior área e volume em condições homogéneas de fluidodinâmica e transferência de calor. Nos processos tradicionais, cohvencionou-se a ocorrência de uma frente ou linha de carbonização que percorre a carga usualmente em um único sentido, especialmente no sentido vertical ou ao longo do comprimento das toras. Obviamente, coexiste uma frente de carbonização que ocorre individualmente em cada peça de biomassa, do sentido externo (casca) para o centro ou miolo da tora.
[0011] Também em 11 de agosto de 2006, uma segunda solicitação de concessão de patente foi depositada no INPI sob o número PI0603623-6 referente a um processo de produção continua de carvão vegetal em fornos containers com ignição pelo topo, base e laterais do forno. Este é um avanço em relação ao estado da técnica, uma vez que usualmente a ignição ocorre exclusivamente pela base e/ou topo do forno. De forma semelhante ao pedido PI0603622-8, esta solução pretende garantir o uso deste recurso de forma exclusiva. [0012] No entanto, com o decorrer do desenvolvimento desta pesquisa, tecnicamente, a adição de dois ou mais pontos de exauètão acarreta a necessidade de um controle maior sobre o processo devido às diversas frentes de carbonização que se formam. Ademais, pontos de ignição em posições diferentes na altura e circunferência do forno levam a uma operação insegura, pois gases gerados por uma das frentes de carbonização podem entrar em contato com a chama/brasa produzida por outra frente. Dependendo da temperatura e do teor de hidrogénio, vapor d'água e oxigénio nessas áreas, há o riso) de explosão. Diante dessas possibilidades/riscos, as propostas de melhoria em PI0603623-6 não avançaram e não resultaram em ganhos reais. Além disso, este sistema ainda não propõe uma solução global, que torne viável, técnica, económica, ambiental e energeticamente a operação de uma planta industrial de produção de carvão vegetai.
[0013] Em 10 de Outubro de 2006, foi depositado no INPI sob o número PI0605093-0 a solicitação de concessão de patente, referente a forno container para gaseificação de bagaço de cana e/ou biomassa. Nest solicitação é descrito um processo de gaseificação utilizando o forno container. Semelhante aos textos anteriores ressalta-se que esta solicitação não propõe uma solução para o descarregamento do carvão de forma a liberar o forno dò processo de resfriamento, mas revela o uso de bicos de aspersão para acelerar o processo de resfriamento dentro dos fornos.
[0014] Em 24 de Outubro de 2008, foi depositado no INPI sob o número PI0804554-2 a solicitação de concessão de patente referente a um processo e equipamento automatizado de produção contínua de carvão vegetal, com monitoramento continuo de peso e temperatura. Nest solicitação é descrito um processo e um equipamento para a produção de carvão vegetal, composto por um forno metálico com válvulas automáticas distribuídas pela superfície do forno, dividindo o forno em V regiões, de acordo com a necessidade de cada projeto. O forno ainda pode ser dotado de uma camisa interna para a distribuição de gases. O processo é monitorado via mecanismos para medição de temperatura, pressão e peso e controlado via dispositivos manuais ou automáticos. O controle do processo é assistido por um software que estabelece uma curva padrão ou mapa de processo e informa continuamente ao operador em quais pontos do forno serão necessários controles e ajustes. O ciclo de produção nesse processo envolve quatro etapas, sendo necessário um forno em cada uma delas, para garantir a continuidade do ciclo. Este documento revela ainda o uso do próprio forno para promover o resfriamento acelerado do carvão produzido, através dá pulverização de água no interior do forno ou pelo resfriamento (em trocador de calor externo) e recirculação do gás pelo forno. PI0804554-2 propõe também que o carregamento e descarregamento do forno sejam feitos com o mesmo estando "tombado", ou seja, no sentido horizontal. Em resumo, a solução apresentada tenta solucionar os problemas inerentes ao processo industrial de produção de carvão vegetal, porém é falha quando novamente volta a utilizar o forno, objeto dimensionado e projetado para resistir a altas temperaturas, para promover o resfriamento. Novamente esta solução ainda não apresenta uma inovação global quanto à otimização e eficiência energética, ambiental e operacional do processo, por impossibilitar o uso exclusivo do forno para o processo de carbonização, por não apresentar soluções detalhadas de mecanização, automação e controle. Outra falha apresentada no processo diz respeito às proposições para carregamento e descarregamento do forno. "Tombar" o forno, em outras palavras, retirá-lo da posição vertical e girá-lo para a horizontal, resulta em um processo complicado, principalmente quando se trabalha com fornos de grande capacidade (acima de 30m3 de volume útil). Os equipamentos necessários para realizar essas operações têm custos elevados, descaracterizando a aplicação industrial deste tipo de carregamento/descarregamento para um forno industrial. Outro ponto a ser levado em consideração refére-se ao dimensionamento do forno, que deveria possuir reforços estruturais para atender ao carregamento proposto, resultando em um aumento dos custos do projeto.
[0015] Em 3 de Dezembro de 1998, foi depositado no INPl, por uma terceira empresa, sob o número PI9806361-8 a solicitação de concessão de patente referente a um processo e forno para a destilação destrutiva da madeira visando a obtenção do carvão vegetal e ou recuperação dos produtos voláteis da madeira, ou a obtenção da madeira anidra. Neste documento o reator utilizado para promover a carbonização de matéria orgânica apresenta um formato cilíndrico, que se posiciona no sentido horizontal. Nesse reator, a madeira é sustentada por grades, pelas quais, parte dos gases produzidos durante a própria carbonização é retornada para aquecer o leito de pirólise de um segundo reator. Na região superior do reator, durante a fase de carbonização, os gases injetados e os gases produzidos são sugados e passam por um separador. Uma parte dos gases é então reaquecida em um trocador de calor até 280°C a 450°C e reinjetada no leito de pirólise através das grades do forno. Tem-se, portanto um fluxo de gás ascendente dentro desse recipiente.
[0016] O restante dos gases de pirólise vai para uma câmara de combustão e os produtos dessa reação são levados para o reator durante a etapa de secagem da madeira. Ao fluxo de gases que é injetado, acrescentam-se os gases liberados durante a secagem. Da mesma forma que no reator de pirólise, o fluxo de gases é ascendente.
[0017] Os gases sugados da câmara de secagem são, então, levados para um terceiro reator, na qual percorrem o carvão produzido também no sentido ascendente, promovendo seu resfriamento.
[0018] Todos os processos de secagem, combustão e resfriamento acontecem simultaneâmente e levam um tempo estimado de 18 horas. Os equipamentos relacionados à combustão de gases e trocadores de calor são fixos, bem como os reatores, onde ocorre de forma simultânea e consecutiva as etapas de pirólise, secagem e resfriamento. Para que todas as etapas possam ocorrer no mesmo reator, os dutos são sempre trocados e um tanque assume as seguintes etapas cíclicas: pirólise - resfriamento - secagem. Ou seja, neste processo, o reator é fixo e o fluxo dos gases é móvel; há uma inversão do fluxo de secagem, do fluxo de pirólise e do fluxo de resfriamento entre os reatores durante todo o processo.
[0019] O objetivo desta patente, PI9806361-8, protocolada por terceiros, é promover carbonização, secagem e resfriamento simultaneamente em recipientes diferentes, com a alternância do fluxo de gases gerados e produzidos durante o processo, seja pelos próprios reatores/carga, seja em com uso de equipamentos externos, como trocadores de calor.
[0020] O processo de secagem descrito em PI9806361-8 apresenta algumas desvantagens. A maior delas advém do fato de haver muitos equipamentos, tubulações e registros para promover a rotatividade entre os containeres/reatores. Dessa forma, não apenas a estratégia de controle se torna mais dificultosa, mas há grande potencial de ocorrência de problemas como condensação, incrustação e entupimento devido aos gases condensáveis advindos dá produção do carvão, como o alcatrão e o pirolenhoso.
[0021] Como em um mesmo reator ocorrem simultaneamente a pirólise, resfriamento e secagem, não há possibilidade de construir um tanque que atenda especificamente a cada uma dessas etapas. Não há detalhes de construção dados na patente, mas seria ideal que o tanque na pirólise fosse um isolante térmico e que o contrário ocorresse durante o resfriamento. Esse lay-out cria a obrigatoriedade de uma ou outra propriedade ter que ser priorizada na configuração de um único equipamento com múltiplas utilidades.
[0022] Na patente PI9806361-8, menciona-se que madeira não será queimada para dar início ao processo de carbonização, mas não há menção de como será dado o seu start-up. Uma possibilidade seria um gasómetro para armazenamento dos gases que serão circulados, mas devido à presença dos condensáveis, essa idéia pode não ser tão viável como a simples combustão de uma quantidade inicial de madeira.
[0023] Os processos demonstrados no estado da arte apresentam, portanto, falhas em sua concepção e não propõem soluções completas para o problema da produção industriai de carvão vegetal. Todas as construções utilizam o forno para a produção do carvão vegetal como recipiente para promover o resfriamento do carvão e não há uma solução que engloba viabilização técnica, económica, energética e ambiental simultaneamente. Este pedido presente pretende apresentar esta solução inovadora, global, que abrange e supera os demais pedidos protocolados, em especial quanto ao aproveitamento energético da biomassa, operação do forno, projeto, layout e logística operacional, incluindo o descarregamento do carvão de forma a liberar o forno da etapa de resfriamento, o que eleva, efetivamente a produtividade do processo; permitindo que o forno seja utilizado para seu fim mais nobre e único: produção de carvão e gás combustível.
Solução do Problema
[0024] O forno industrial para produção de carvão vegetal consiste em um recipiente metálico, móvel, com seção transversal predominantemente circular, cujo objetivo é converter a biomassa inserida em seu interior em carvão vegetal, no menor tempo possível e com maior rendimento gravimétrico (razão entre a massa de carvão vegetal por massa de biomassa seca). A solução proposta engloba, além do forno container de carbonização, todos os demais componentes do sistema, que juntos capacitam este projeto para uma produção energeticamente, operacionalmente e ambientalmente de derivados de biomassa: bioredutor (carvão vegetal), alcatrão, licor pirolenhoso e gases combustíveis,
[0025] Dessa forma, o projeto contempla um sistema exclusivo e diferenciado de exaustão dos gases e vapores gerados durante o processo de carbonização. Esse sistema, composto por um exaustor gera a depressão necessária no interior do recipiente, bem como uma fluidodinâmica especial, que promove, simultaneamente, a exaustão dos gases e a injeção de ar atmosférico. O efeito da exaustão dos gases, aliada aos mecanismos de controle e ignição do processo, permite a redução do tempo necessário para a conversão de biomassa em carvão vegetal de 8 a 12 horas (que consiste nos melhores resultados referenciados nos processos descritos no estado da técnica), para um tempo inferior a 4 horas - esse valor foi estabelecido para uma massa de madeira enfornada em torno de 10 toneladas. Este avanço, especificamente quanto â produtividade, somente foi possível devido ao aprimoramento do projeto do forno e estruturas de apoio, lay-out da planta, mecanização, automação e operação das técnicas de controle do processo, que serão descritas oportunamente neste relatório.
[0026] Fornos de alvenaria para a produção de carvão vegetal apresentam como uma das principais desvantagens o fato de possuírem elevados tempos para a conversão de biomassa em carvão vegetal, conforme mencionado anteriormente, entre 12 e 14 dias. Este tempo elevado está em parte associado a má distribuição do fluxo de gases no interior do forno.
[0027] O forno industrial para a produção de carvão vegetal soluciona este problema pela introdução de orifícios em pontos estratégicos, ao longo da superfície externa do forno, de modo a manter a velocidade da isoterma de 200°C sempre elevada. Isto é atingido através da análise do perfil téiímico do forno ao longo do tempo de carbonização e a consequente introdução de orifícios nos pontos de menor velocidade. O forno, objeto desta patente, teve seus pontos de lentidão, ou desaceleração da frente de carbonização (a qual denominamos de isoterma de 200°C), mapeados e minimizados pela adição de orifícios para a entrada de ar atmosférico. A entrada de ar nestes pontos específicos acelera a carbonização, uma vez que promove a combustão do gás combustível presente nesta região; o que acaba por "puxar" a linha de carbonização, que ocorre, usualmente, de cima pra baixo no sentido vertical do forno.
[0028] Nenhum forno de carbonização, seja metálico ou de alvenaria, em operação na atualidade e/ou em datas remotas possui em sua estrutura, este tipo de controle industrial da entrada e vazão de ar, que pode ser manual ou automatizado e ainda restrito à entrada de ar, oxigénio enriquecido, ou mesmo um gás inerte aquecido. Nos fornos de alvenaria tradicionais, em especial o "rabo quente", estas entradas de ar, denominadas baianas e tatus são operadas manualmente de forma sensorial e artesanal, sem possibilidade de um contrate aprimorado da vazão de entrada e monitoramento da velocidade da isoterma ou frente de carbonização, que não seja meramente sensorial, por tato e olfato. Somãda à ausência de controle adequado de temperatura e entrada de oxigénio, nos fornos rabo quente há presença de trincas e furos na parede de alvenaria qtie resultam em frequentes explosões e desmoronamento dos fornos, com conseguinte prejuízo financeiro.
[0029] A presente invenção apresenta como solução para o problema de infiltração indesejada de ar e explosão um forno metálico vedado, com isolamento físico em todas as áreas e bases que conectam o forno ao restante da estrutura e/ou permitem entrada controlada de ar. Para garantir essa vedação, as válvulas para entrada de ar são mecânicas e possuem selo de vedação. Da mesma forma, a base do forno e a tampa superior para carregamento possuem anel de vedação com flange refrigerado Além disso, o projeto/forno apresentado como solução industrial neste pedido de invenção dispõe de válvulas para alívio de pressão, devidamente projetadas e posicionadas ao longo da estrutura e do conjunto do forno acoplado ao sistema de tubulação de condução do gás. Tais válvulas atuam, sempre que necessário, como sistemas de alívio, abrindo e retornando à posição original sem nenhuma dependência da atuação humana. Esta é uma vantagem importante do forno proposto para produção industrial de carvão vegetal frente aos demais fornos de carbonização, pois permite regular a pressão interna do forno.
[0030] Outro avanço de extrema relevância ao estado da técnica consiste no desenvolvimento de um mecanismo que permite o descarregamento do carvão ainda quente do forno de carbonização em um segundo recipiente de resfriamento, para, desta forma, liberar o Forno Container para seu uso mais nobre: a exclusiva produção de carvão vegetal.
[0031] Para tanto, o Forno Container dispõe de uma válvula bipartida de descarga, localizada ná região inferior do forno, cuja função é liberar pela base o carvão vegetal produzido sem aguardar a etapa de resfriamento. Com a inclusão da válvula de descarga inferior a disponibilidade do forno container para o processo produtivo se elevou consideravelmente, reduzindo o investimento em número de fornos. Embora a válvula de descarga seja o elemento chave para este salto inventivo, a solução proposta é composta de uma série de pontos qiie em conjunto possibilitam o descarregamento do carvão, ainda em brasa, com segurança e rapidez. Este projeto permite que o forno seja projetado e fabricado com isolamento térmico adequado, ou seja, leve e eficiente. Os resultados do balanço de energia demonstraram que dessa forma, as perdas térmicas deste Forno são inferiores a 5% de toda a energia contida na lenha entornada, lenha esta com um teor de umidade abaixo de 30%. A segunda vantagem derivada da presente invenção consiste no projeto e fabricação de um recipiente próprio para receber o carvão ainda na etapa de fixação de carbono, ou seja, acima de 400°C. Trata÷se de um cilindro metálico, porém com baixo peso, abaixo de 4 toneladas, sem nenhum isolamento e dotado de um sistema exclusivo de aspersão de água sobre o carvão durante todo o descarregamento. Esse sistema de pulverização controlada de água sobre o carvão em queda não interfere nas características mecânicas do mesmo, uma vez que a quantidade de água não ultrapassa o volume necessário somente para remoção da energia entálpica ou vaporização da mesma. E principalmente, a pulverização de água reduz em mais de 70% o tempo necessário para resfriamento do carvão no próprio forno de carbonização, sem prejuízo de suas propriedades mecânicas e também sem a manutenção involuntária e descontrolada do processo de fixação de carbono, que ocorre nos demais fornos do estado da técnica.
[0032] O processo de carregamento do forno também foi otimizado. Ao invés de carregar o forno pela base, como descrito no estado da técnica, a presente invenção, objeto deste relatório, propõe um sistema dé carregamento pela parte superior do forno, eliminando a necessidade de girar, bascular ou tombar o forno para o carregamento. Este avanço em relação ao estado da técnica reduz consideravelmente o tempo de carregamento dos fornos, resultando em um ganho de produtividade graças ao aumento da disponibilidade do forno para o processo de carbonização. O carregamento pela parte superior permite ainda uma melhor homogeneização da carga e maior regularidade operacional.
[0033] Esta nova tecnologia conta com um sistema exclusivo e inédito de monitoramento simultâneo e em tempo real de todas as variáveis do processo, sendo elas:
• Teor de umidade da lenha
• Massa de lenha enfornada
• Rendimento gravimétrico em carvão
• Teor do pirolenhoso no gás cóletado.
• Vazão de entrada de ar
• Percentual de excesso de O2 estequiométrico na reação de combustão
• Percentual de combustão completa • Fração de alcatrão coletada, condensada e queimada
• Fração de pirolenhoso coletado, vaporizado e queimado
• Temperaturas medidas (gás, isolamento, forno, carcaça, carvão)
• Energia de ativação da reação
• Calor de pirólise
• Percentuais dos derivados combustíveis da lenha que fornecem energia ao processo de carbonização
• Vazões de exaustão
• Teor de O2, N2, H2) CH4, CO2, CO e CnHm do gás não condensável
• % de excesso de ar estequiométrico
• % de combustão completa
• % de queima do carvão
• % de queima do alcatrão
• % de queima do pirolenhoso
• % de queima do GNC
• % da reação entre C e vapor d'água
• % de combustão complete da reação do C, com formação de CO e h [0034] As inovações propostas como solução para os problemas citados serão apresentadas em detalhes nos itens que se seguem.
Descrição da invenção
[0035] O recipiente metálico do forno industrial (1) para a produção de carvão vegetal tem seu volume interno dividido virtualmente em três partes, conforme Figura 1 : topo (R1), cilindro central (R2) e tronco de cone inferior (R3). Não existem barreiras físicas entre as regiões; a divisão aqui listada se faz apenas para simplificar a descrição dos diversos componente da solução proposta.
[0036] A região do topo (R1), localizada na parte superior do forno, pode ser em formato de tronco de cone ou torresférico. Essa região pode ser parcialmente dividida ou completamente separada do cilindro central, conforme Figura 2, assumindo a função de tampa (2) para o orifício de carregamento de biomassa no interior do forno (3). Além disso, seu formato em tronco de cone ou torresférico permite a criação de mecanismos de alívio para controle da pressão interna do processo (4). Este mecanismo de alívio de pressão é definido como um orifício de alívio, preferencialmente circular, na superfície da região do topo, vedado por uma tampa de alívio móvel, compatível com o orifício, que se desloca verticalmente para cima, quando a pressão interna se efeva além do esperado e retorna a sede do orifício quando regularizada a pressão interna. O orifício pode estar posicionado em qualquer ponto da superfície da região do topo, porém este deve ser preferencialmente concêntrico, com o diâmetro próximo ao do forno. A tampa de alívio deve ter área e peso compatível com o forno, com a matéria-prima e com o processo, o que para o esta invenção corresponde a uma área variando entre 0,25 e 0,45 m2 e peso entre 30 e 55 kg. O dimensionamento inicial de válvulas para alívio de explosão teve como base a norma NFPA68/2007, porém devido a aplicabilidade limitada desta norma ao forno industrial para produção de carvão vegetai, os valores finais para área e peso foram resultados da elaboração de modelos matemáticos próprios associados a testes de explosão realizados in lóco no forno. A vedação (5) entre a tampa e o orifício de alívio deve ser feita por material resistente a temperaturas de até 95°C, macio, para absorver os impactos e promover a vedação, visto que a pressão de necessária para garantir a vedação do processo será função somente do peso da tampa. A tampa de alivio móvel tem seu curso vertical limitado por uma série de guias, preferencialmente três equidistantes ou articulada ligando a tampa do orifício de alivio de pressão (4) ao região do topo (R1).
[0037] Em sua configuração óttma, a região do topo possui o diâmetro maior, no caso da forma tronco-cônica, igual ao diâmetro da região do cilindro central, com inclinação do trono de cone com a vertical deve possuir um ângulo (A1) entre 8o e 25°. A região é isolada internamente, com manta de fibra cerâmica (6), e esta é isolada do contato com a matéria prima no interior do forno por uma chapa fina (com espessura de 1,5 mm) de aço inox (7). Essa chapa também impede o contato da manta isolante com os vapores e alcatrão dispersos na atmosfera interna do forno. A região do topo (R1) é presa a região do cilindro central através de mecanismos específicos posicionados próximo ao diâmetro maior do topo. Estes mecanismos são pinos articulados (8), presos à região do cilindro central, que se encaixam sobre guias (9) presas à região do topo (R1). A junção é vedada utilizando vedações especiais para alta temperatura (10). A pressão necessária para garantir a vedação é propiciada por roscas presentes nos pinos e porcas colocadas sobre as guias.
[0038] A região denominada cilindro central (R2), mostrada na Figura 1 corresponde à região principal de controle do processo. O cilindro central possui preferencialmente diâmetro (D) de 3500mm e altura (H) de 4800mm. Sua superfície lateral apresenta uma série de orifícios, representados esquematicamente na Figura 2, dotados de mecanismos de controle de vazão (11) (válvulas de controle). Estas válvulas são distribuídas da seguinte forma: 4 (quatro) colunas de válvulas igualmente espaçadas ao longo do perímetro da seção transversal e em cada coluna há válvulas distribuídas em 7 posições ao longo da altura do forno. Há no total 28 orifícios (11) através dos quais se pode injetar gases no interior do forno ou utilizar como escape em caso de sobre pressão durante a conversão da biomassa em carvão vegetal. Estas 28 válvulas (11) são responsáveis por fornecer oxigénio atmosférico à região perimetral do forno. Adicionalmente foram colocados 4 (quatro) tubos que conectam a parede do forno ao seu interior, em um diâmetro próximo ao centro. Estes quatro tubos também são dotados de mecanismos de controle de vazão. Esses mecanismos são válvulas de esfera, com esfera em inox e sede em material para temperatura até 150°C. Com relação à altura, os tubos são posicionados em uma altura intermediária a dos orifícios localizados na parede lateral, sendo dois tubos por nível.
[0039] A altura de cada uma das válvulas é determinada de acordo com o estudo do perfil de temperaturas do forno. Nesse estudo, foi avaliada a velocidade com que a isoterma de temperatura no valor 200°C avança ao Ibngo da altura do forno. O valor de 200°C é dito pelos estudos na área como a temperatura em que se encerra a secagem da madeira, ou seja, a partir desta temperatura se inicia a torrefação, seguido do processo de carbonização propriamente dito. Os estudos desenvolvidos, para a elaboração da solução proposta demonstraram que a etapa de maior duração do processo de conversão é a secagem da água de ligação da madeira, buscou-se então estudar o comportamento da isoterma de 200°C no forno e os meios para promover a aceleração de seu deslocamento, acelerando assim o processo de secagem. Assim, procedeu-se com análise da velocidade de deslocamento da isoterma de 200°C em função do posicionamento dos orifícios. Os dados obtidos em ensaios laboratoriais demonstram que a velocidade com que essa isoterma avança no leito do forno se reduz gradativamente do ponto de ignição do forno em diante. Somente há o aumento da velocidade de propagação quando ocorre nova aproximação de um ponto de entrada de oxigénio. Determinado o comportamento típico da velocidade da isoterma de valor 200°C, foi possível afirmar e otimizar quais seriam as distâncias mínimas recomendadas entre os orifícios de entrada de gases atmosféricos. O posicionamento dos orifícios ao longo da altura da região do cilindro centrai para sua configuração ótima podem ser observados esquematicamente Figura 1 , em função do estudo elaborado, devem ser distribuídos da seguinte forma: 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H1) entre 5% e 7% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H2) entre 18% e 26% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro centrai, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H3) entre 30% e 38% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H4) entre 50% e 54% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H5) entre 62% e 68% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H6) entre 78% è 84% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H7) entre 94% e 98% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central; todos os orifícios são dotados de válvulas para o controle de vazão. A distância mínima entre os tubos posicionados entre os orifícios nai lateral do cilindro é de 26% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, sendo recomendado o uso destes tubos entre os níveis localizados na base do forno, pois nessa parte a condução do processo de carbonização se torna mais crítica. [0040] Na Figura 2, próximo a cada um dos orifícios e tubos, um sensor monitora a temperatura na lateral (12) e interior do forno (12a), com o objetivo de fornecer uma indicação precisa sobre o status ou avanço do processo de carbonização e garantir que não sejam ultrapassados os limites de segurança para a operação adequada do forno. Estes dispositivos para a medição de temperatura podem ser termopares tipo k que são inseridos em poços termométricos que abrigam o sensor e conexões elétricas dos vapores e névoas de alcatrão presentes no interior do forno. Para efeito de controle, além dos termopares laterais, uma série de sensores de temperatura é instalada no interior do forno (12a), próximos a região central, para um melhor monitoramento do processo.
[0041] A região do cilindro central ( 2) é revestida internamente com diversas camadas de materiais que isolam termicamente a Carcaça metálica. O forno industrial para a produção de carvão vegetal trabalha com temperaturas de processo da ordem de 400°C, porém na região dos orifícios esta temperatura pode atingir picos de até 1100°C. Isto ocorre devido à entrada de oxigénio da atmosfera externa no interior do fomo, que em contato o gás combustível e fonte de ignição formam uma chama semelhante a um maçarico. Tecnicamente existem materiais no mercado que conseguem suportar as elevadas temperaturas descritas nesse relatório, porém o processo de carbonização possui agravantes que impossibilitam o uso isolado destes materiais. Durante a carbonização são liberados além dos gases condensáveis e não condensáveis, vapor d'água, alcatrão, licor pirolenhoso e compostos voláteis presentes nas cinzas. O alcatrão no interior do forno está sob a forma de uma fina névoa, que impregnaria e danificaria certos tipos de mantas isolantes, bem como os álcalis presentes nas cinzas. Além disso, a maioria dos materiais refratários apresenta um percentual de poros de passagem total, ou seja, são poros que conectam a face quente a face fria permitindo a passagem de alcatrão, que pode danificar a parede externa do forno. Tanto o alcatrão, quanto o licor pirolenhoso possuem em sua composição uma parcela de ácido acético que traduzem a natureza corrosiva da atmosfera interna. Alguns materiais refratários são incompatíveis com atmosferas ácidas ou vapores d'água. O material ao ser carregado pelo topo do forno atinge as paredes internas com impacto, causando desgastes por abrasão e quebra de materiais refratários; convencionais. A invenção, objeto deste relatório, propõe uma solução de modo a isolar termicamente o forno, garantindo temperaturas na carcaça da ordem de 100°C e reduzindo ao máximo a passagem de alcatrão para a parede externa. A solução proposta é uma combinação de materiais que isoladamente não conseguiram atender as necessidades do processo, mas em conjunto atendem; com exatidão e eficiência. Para a região dos orifícios (considerada para este relatório, ã região compreendida em um raio entre 100mm e 200mm tomada a partir do centro do orifício), os materiais para promover o isolamento da superfície inferna do cilindro metálico para o interior do forno são: manta de fibra cerâmica (13) com 2 polegadas de espessura, material isolante de baixa densidade e custo relativamente reduzido (este material é o principal responsável pela redução da temperatura na carcaça do forno); chapa de inox lisa espessura de 1,5mm (14), recobrindo toda a superfície exposta da manta; concreto refratário de baixo cimento com no mínimo 45% de AI2O3 misturado com fibras metálicas em aço inoxidável a proporção de 2% em massa de concreto (15) utilizado - este concreto associado ao uso de fibras metálicas garante a integridade co concreto, evitando a propagação de trincas em função da variação de temperatura do processo. Para a região fora dos orifícios e pontos de ignição, o concreto refratário com fibras metálicas é substituído por um concreto refratário com no mínimo 47% de Al203 e densidade máxima de 2,27kg/m3 aplicados sobre uma malha hexagonal, própria para ancoragem de concretos refratários, com espessura total de 27 mm. O uso deste concreto nesta região aliado a um processo de cura especial reduz o percentual total de poros de passagem plena para 5%.
[0042] Na Figura 1, a região denominada tronco de cone inferior (R3) consiste em um tronco de cone invertido, ou em uma transição de seção transversal circular para quadrado com cantos arredondados feito em chapa metálica. Na Figura 2 este cone (16) deve ser perfurado de modo a permitir a passagem de gases do leito de biomassa para a parte inferior, porem, retendo a biomassa. É recomendado que os orifícios tenham diâmetro de 40mm com espaçamento médio entre os furos de 120 063
20
mm, ou com no mínimo 20% de área livre de passagem na área lateral do cone. O ângulo de inclinação para o cone deve ser tal, que promova o escoamento do carvão vegetal sem retenções de fluxo. A Figura 1, apresenta para o carvão vegetal este ângulo (A2) varia entre 30° e 50°, sendo a configuração ôtima a inclinação de 36°. O diâmetro maior do tronco de cone deve acompanhar o diâmetro da região do cilindro central.
[0043] Situada na porção inferior da região do tronco de cone inferior, e observado na Figura 2, está localizada uma válvula de descarga (17) do carvão vegetal. Esta válvula consiste em uma superfície de obstrução ao material sólido localizado acima da mesma e deve permitir a passagem dos gases e condensáveis gerados no processo. A válvula deve ser móvel, desobstruindo a passagem ao final do processo de carbonização a fim de descarregar o carvão vegetal produzido. Para que atenda aos requisitos mínimos, esta válvula deve ser plana com orifícios distribuídos sobre a superfície uniformemente, de modo a permitir a passagem de gases e retendo objetos sólidos, como no tronco de cone invertido. O diâmetro dos furos pode ser semelhante ao utilizado no cone, porém o percentual de área vazada sobre a área de abertura deve ser de no mínimo 20% de forma a garantir o escoamento máximo para o fluxo de gases. A superfície plana com orifício (18) fica instalada sobre uma estrutura dotada de rodas (19), que por sua vez está sobre trilhos que permitem o deslocamento da tampa e estrutura em apenas um sentido. Ligando a estrutura ao ambiente externo existe uma haste metálica em aço inoxidável (20). Ao conjunto tampa, estrutura com rodas e haste dá-se o nome de carfo-tampa. Na região inferior, alguns dos orifícios do tronco de cone (21) estabelecem, através de dutos, contato com o ambiente externo para a injeção de gases, como ó ar atmosférico, dosado por mecanismos de controle específicos como válvulas. Estas válvulas são válvulas de esfera, com esfera em inox e sede em material para temperatura até 150°C. A tampa pode ser fabricada em liga de aço especial como, por exemplo, AST 572.
[0044] Na Figura 1 , a altura total do volume (HC) compreendido pelas três regiões (topo (R1), cilindro central (R2) e tronco de cone inferior (R3)), sobre o diâmetro (D) da zona central (cilindro central) deve variar entre 1 ,0 e 2,2. A faixa de diâmetros do cilindro central varia de 3300mm e 4580mm, valor recomendado como configuração ideal do forno.
[0045] O volume interno do forno, disponível para receber a biomassa como matéria-prima, compreendido pelas três regiões (topo (R1), cilindro central (R2) e tronco de cone inferior (R3)), doravante denominado "zona de conversão", pode ter capacidade volumétrica entre 35 e 65m3 com resultados satisfatórios, sendo a condição ótima igual a 50m3.
[0046] A zona conversão é mantida na vertical através de um dispositivo de sustentação, cuja forma consiste na associação entre um tronco de cone e um cilindro de proporções definidas feitos de chapa metálica. Este dispositivo consiste em ponto fundamental para a invenção conforme será demonstrado a seguir. Esta estrutura de sustentação mostrada na Figura 2, também denominada "saia do forno" (22), atua como caixa de expansão no processo, permitindo que os gases acumulados na base do forno recirculem, propiciando uma atmosfera de gases quentes e facilitando a condução do processo pelo pré-aquecimento da biomassa na parte inferior do forno. Em caso de sobre pressão na região do tronco de cone inferior, a "saia do forno" (22) é dotada de dispositivos de alívio de pressão específicos, chamados válvulas de alívio (23). Essas válvulas de alívio devem sempre ser distribuídas de forma simétrica, e ao longo da circunferência do forno. A tampa de alívio deve ter área e peso compatível com o forno, matéria-prima e processo, que para esta invenção corresponde a uma área variando entre 0,25 e 0,6m2 e peso entre 90 e 160kg. Sua posição fica limitada à área lateral do tronco de cone e deve ser dotada de um duto ou chaminé (24) que direcione o fluxo proveniente do aumento de pressão no processo para cima ou um local seguro. O diâmetro menor da estrutura de sustentação é igual ao diâmetro da região do cilindro central, sendo o ponto de união entre a "saia do forno" (22) e o cilindro central (R2) cerca de 200mm acima do limite inferior. O diâmetro maior (DB) pode variar entre 1 ,25 a 1 ,35 vezes o diâmetro da região do cilindro central. A estrutura é revestida internamente com manta de fibra cerâmica (25) com densidade de 128kg/m3, protegida por uma chapa lisa de aço inoxidável (26) de 2mm de espessura. A saia (22) atua também como um equalizador do centro de gravidade do forno para tornar sua operação mais segura quanto à possibilidade de um desequilíbrio e tombamento.
[0047] A base de apoio do forno da estrutura de sustentação do forno é dotada de canal de água (27) para resfriamento da vedação do acoplamento forno sistema de carbonização. Junto à base de apoio do forno estão presentes as guias para o acoplamento do forno à base de apoio do sistema de carbonização.
[0048] A invenção, objeto deste relatório, é dotada de orifícios especiais denominados pontos de ignição do processo (28). Estes pontos podem estar localizados nas três regiões da zona de conversão, porém a posição ideal para a ignição do processo é a região inferior do cilindro central, mostrada na Figura 1, na posição (HO) entre 5% e 15% da altura total da região cilíndrica medida a partir da base do cilindro central. A localização desse ponto no limite determinado acima permite um melhor controle do processo, pois embora ai isoterma de 200°C avance gradativamente do ponto de ignição para o restante do forno, a ignição nesta altura do forno permite que através dos gases quentes do processo de ignição ocorra um pré-aquecimento de toda a zona de conversão, aumentando a velocidade de deslocamento da isoterma de 200°C. A dimensão para 0 orifício destinado a ignição do processo pode variar entre 4 e 6 polegadas. De maneira semelhante aos orifícios para a entrada do ar atmosférico, os orifícios de ignição devem ser dotados de dispositivos de controle do fluxo de ar. Sendo requisitos básicos para seu funcionamento a garantia de vedação, a área do orifício não deve possuir obstruções, (como por exemplo, válvulas tipo borboleta cujo elemento de obstrução do fluxo divide ao meio a área de passagem do fluxo) e devem ser resistentes a temperaturas de até 200°C. Portanto recomenda-se o uso da válvula de esfera, com esfera em aço inoxidável e sede em material para temperaturas de até 200°C. Devido às temperaturas elevadas nas proximidades do ponto de ignição, é instalado nesta região um bloco refratário com no mínimo 70% de Al203, resistente a temperatura de 1600°C.
[0049] Além do forno descrito acima, esta invenção, faz uso exclusivo do sistema de carbonização descrito a seguir e mostrado na Figura 3.
[0050] O sistema de carbonização, parte integrante do forno industrial para a produção de carvão vegetal, é composto por uma base de apoio móvel (29), equipamento de recuperação de condensáveis (30), dispositivo de segurança para alívio de pressão (31), exaustor (32) e dutos de condução dos gases e vapores (33). O sistema de carbonização são equipamentos fixos em uma planta de carbonização e o forno é um equipamento móvel que se acopla a este sistema.
[0051] A base de apoio móvel é constituída por um anei cilíndrico (34), de diâmetro igual ao diâmetro maior da estrutura de sustentação, construída em material metálico. Presas ao anei estão as guias (35), que tem a função de auxiliar o posicionamento do forno sobre a base de apoio móvel. Também sobre a base de apoio móvéi foram instalados pinos articulados (36) que se encaixam sobre as guias da base de apoio do forno (37). Através deste mecanismo, com o auxílio de um sistema de porcas e fusos o forno é mantido pressionado contra a base de apoio móvel. A vedação (38) entre o forno e a base de apoio móvel é promovida pelo uso de borracha especial para temperatura de até 90°C. Ligado internamente ao anel de apoio, um tronco de cone invertido (39), fabricado em chapa de aço, permite a captação uniforme de todo o fluxo gasoso e de condensáveis. O diâmetro maior do cone deve acompanhar o diâmetro menor do anel de apoio. O ângulo de abertura (A3) deve ficar entre 40° e 60° e o diâmetro menor (DÇ) dever ser suficiente para que a velocidade do fluxo de gases não ultrapasse 10m/s.
[0052] A base de apoio móvel recebe este nome por estar alocada sobre um sistema de pesagem industrial, com células carga articuladas (40) (utilizada normalmente em balanças rodoviárias) para absorver os eventuais deslocamentos laterais provocados pela colisão entre o forno e as guias (35) e entre o forno e base de apoio móvel. Portanto, a base tem liberdade para se deslocar verticalmente, permitindo a pesagem correta do material.
[0053] Ligando a base de apoio móvel ao exaustor, há uma série de dutos e acessórios que conduzem o fluxo de gases e condensáveis para fora do forno. Esses gases e condensáveis podem ser aproveitados em outros processos, como a combustão para fornecimento de energia térmica, entre outros. Devido à presença do sistema de pesagem, a ligação entre o diâmetro menor do cone invertido na base de apoio móvel e o primeiro trecho da tubulação dos gases deve ser feita utilizando uma junção flexível (41). Esta junta (41) deve ser resistente a temperaturas de até 265°C, de material inoxidável e livre de espaços onde material condensável possa acumular e prejudicar a flexibilidade da junta. A solução apresentada nesta invenção consiste no uso de dois tubos concêntricos, sendo o tubo de diâmetro menor (42) fisicamente ligado ao tronco de cone invertido (39) da base apoio móvel e o tubo de diâmetro maior (43) conectado a caixa de expansão (44). Para evitar que ar falso seja aspirado pela fresta entre os dutos, uma junta flexível (41), feita em tecido de fibra de vidro recoberta por uma película plástica, envolve os dutos. Essa junta flexível (41) tem uma extremidade presa por abraçadeiras ao cone (39) na posição superior e outra extremidade presa ao tubo maior (43) na parte inferior. Essa montagem permite perfeito funcionamento do sistema de pesagem, uma vez que desconecta todo o conjunto que se apoia sobre as células de carga do restante do equipamento. Evita-se, desta forma, a possibilidade de criação do "efeito alavanca", quando o peso da lenha/carvão contidos no forno seria influenciado ou sofreria alteração em função do fluxo de gases e movimentação da tubulação e restante do sistema, que estariam conectados ao cone.
[0054] Ligado ao duto maior, usado para conectar a junta de expansão à base de apoio móvel, existe uma caixa de expansão (44) para a redução da velocidade do fluxo e deposição de material particulado e condensáveis. A velocidade nessa região se reduzirá para 50% da velocidade no duto. A caixa de expansão é dotada de duas saídas de fluxo. A primeira localizada na base da caixa e é dotada de um filtro (45) que permite o escoamento somente dos condensáveis para um tanque de armazenamento (46). A segunda saída localizada na lateral da caixa de expansão permite saída dos gases, vapor e névoa ainda dispersas no fluxo de gases. Nesta segunda saída, o duto (33) é dimensionado para não ter velocidade de fluxo superior a 6m/s. Este duto segue conduzindo os gases até o exaustor.
[0055] Ao final do duto (33), a conexão com o exaustor é feita perpendicular ao comprimento da tubulação. Isto ocorre porque uma porta de explosão (47) é instalada na extremidade do duto para garantir a segurança operacional e integridade dos equipamentos em caso de sobre pressão nas linhas de gás e/ou retorno da chama decorrente da queima do gás no incinerador. A porta de explosão é composta por uma superfície plana, que se mantém fechada utilizando somente o peso próprio da tampa. Em caso de aumento na pressão interna, a porta se abre, aliviando a pressão interna e direcionando, através de uma chaminé (48), o fluxo de escape para uma região segura. Este região ou local de recebimento do gás deve ser, preferencialmente, apropriada para queima do gás com capacidade para combustão completa do mesmo.
[0056] O exaustor (32), um dos principais componentes do processo, consiste em exaustor centrífugo com vazão nominal de 10.000m3/h e pressão estática de no mínimo 250mmca. O rotor deve ser fabricado em aço inoxidável. O equipamento deve ser dotado de controlador de rotação para permitir a adaptação do mesmo ao uso de diferentes formas de biomassa e processo de produção.
[0057] O forno industrial para a produção de carvão vegetal apresenta um dispositivo para o descarregamento rápido do carvão ainda quente de forma a liberar o forno para o processo de carbonização o mais breve possível. A Figura 3 representa este dispositivo.
[0058] A base para o descarregamento é composta uma plataforma que possui um tronco de cone (49) com o diâmetro maior compatível com o diâmetro da maior da estrutura de sustentação (DB) e diâmetro menor compatível com a válvula de descarga (17). Abaixo da plataforma há um recipiente cilíndrico móvel (50) com capacidade entre 24 e 32m3 de carvão vegetal. O cilindro móvel possui de 3 a 5 bicos de aspersão de água (51) com vazão variando entre 5 e 20 l/min são posicionados em seu interior para resfriar o carvão em brasa durante e após o descarregamento.
[0059] Sobre o procedimento para a operação dos fornos.
[0060] O forno industrial para a produção de carvão vegetal é carregado com biomassa pela abertura superior na região do cilindro central. Para o carregamento, devido à alta capacidade volumétrica destes fornos, é recomendado preferencialmente o uso de correia transportadora associada ou não a silos ou cilindros de armazenamento/estoque, para garantir o abastecimento constante de biomassa para o forno. Este procedimento garante um tempo de carregamento rápido, que preferencialmente deve ser inferior a 5 minutos para alimentação de 50m3 de cavaco no forno, cuja temperatura interna deverá estar acima de 200°C.
[0061] Em seguida a tampa superior ou região do topo é colocada sobre a região do cilindro centrai e presa à mesma com o auxílio dos pinos articulados roscados, guias e porcas. O forno de carbonização então é movido para o sistema de carbonização, onde então é posicionado e travado sobre a base de apoio móvel.
[0062] Depois de travado o forno, o exaustor é ligado e ajustado de forma que sua velocidade fique compatível com o material utilizado. Tipicamente objetiva-se a manutenção constante de uma vazão volumétrica de 6.000m3/h, sendo a velocidade de rotação ajustada para que se tenha a vazão mencionada.
[0063] O processo de ignição então ê iniciado. Primeiramente certifica~se que as válvulas localizadas na parte superior do forno estejam abertas para criar um fluxo continuo de gases no interior do forno. Só então a ignição propriamente dita se processa. Através dos 4 pontos de ignição do processo, uma pequena quantidade não superior a 2kg de acícuias, ou carvão em brasa, ê injetada no forno. O calor gerado nestes 4 pontos se propaga pela região inferior enquanto uma corrente de gases quente sobe pelo leito aquecendo-o. A posição estratégica do ponto de ignição permite o pré-aquecimento a uma temperatura superior a 200°C de todo o volume do leito, otimizando o processo, visto que com todo o forno acima de 200°C a condução da carbonização se torna mais rápida.
[0064] O processo de carbonização é então controlado pelos orifícios de entrada de ar, que são abertos para permitir a entrada de oxigénio, que por sua vez leva à queima parcial dos gases no interior do forno. Essa queima fornece energia para o restante da fase endotérmica do processo de carbonização, sendo na sequência fechados os orifícios cujas regiões atingiram os limites de temperatura para o processo. [0065] Este processo de abertura e fechamento das válvulas se repete até que todo o volume interno esteja em temperaturas acima dos 350°C. Durante todo o período o forno tem seu peso e temperatura monitorados continuamente. O final do processo é alcançado quando o peso da carga do forno $e iguala ao peso estipulado como meta de produção para o forno.
£0066] Quando se atinge a meta de produção, o forno então é desacoplado e retirado da base de apoio e o exaustor é desligado. O Forno então é posicionado sobre a base de descarregamento onde mecanismos automáticos conectados as hastes do carro tampa desobstruem o orifício da região do cone inferior para o descarregamento do carvão ainda em brasa, com temperatura superior a 300°C. Durante a queda do carvão em brasa, bicos de aspersão de água direcionados ao fluxo de carvão descendente promovem um resfriamento superficial do carvão. O carvão descarregado é acumulado em um recipiente próprio, metálico, não isolado, para o resfriamento. Depois de concluído o processo de descarregamento, que preferencialmente não ultrapassa 3 minutos, o recipiente contendo o carvão quente é fechado e vedado, donde segue para concluir seu processo de resfriamento.
[0067] O processo de resfriamento ocorre por convecção natural e pelo efeito entálpico da remoção do calor de evaporação da água que é aspergida, estrategicamente nas regiões do leito de carvão, onde a temperatura ultrapassa 120°C.
[0068] Esta etapa do processo, que dura entre 10 a 15 horas, garante a liberação do forno container para o processo contínuo de carregamento, carbonização, descarregamento, carregamento, carbonização, descarregamento... E assim sucessivamente em ciclos que duram entre 3 e 6 horas.
[0069] O forno container, testado em escala piloto laboratorial, teve seu projeto aperfeiçoado, resultando na fabricação de um forno piloto em escala industrial. Os itens alterados foram especialmente relacionados com aumento na capacidade de lenha enfornada, melhoria na instrumentação, controle, mecanização, procedimento operacional, processo e porte térmico. Neste forno os parâmetros monitorados durante as corridas são: peso da carga, vazão, composição, densidade, pressão e temperatura dos gases, vazão de entrada do ar na carga, temperatura da lenha amostrada em mais de 70 pontos espalhados pelo volíume do forno e volume de pirolenhoso gerado.
[0070] Todos os dados foram gerados de forma contínua, em tempo real e simultâneos. Os testes convergiram para um processo estabilizado nas seguintes condições: rendimento volumétrico de 1.3 st de lenha por m3 de carvão, rendimento gravimétrico de 35%, tempo de carbonização de 3h, geração de 6.500m3/h por forno com PCI médio de 1.700kJ/m3, possibilidade de geração de potência térmica por forno de 3MW, ou o equivalente à geração de 1MWe por 1000 toneladas de carvão, produção de 150 litros de pirolenhoso por ciclo, produção de carvão vegetal com 200kg/m3 de densidade a granel. Estes resultados demonstram que o Forno Container Industrial de produção de carvão vegetal, ou Forno Container Rima (FCR) consiste em uma tecnologia industrial pioneira na cogeração de carvão vegetal e potência térmica capaz de gerar energia elétriea de forma técnica e economicamente viável.
• O desenvolvimento deste projeto possibilitou o detalhamento do balanço de massa e energia no FCR, cujos valores demonstram que neste forno não há excesso de oxigénio; a combustão ocorre com todos os produtos derivados do processo (gases, alcatrão, pirolenhoso e carvão). E além da reação de combustão, foi possível constatar que ocorrem reações intermediárias importantes, como a reação exotérmica do carbono corri vapor d'água, gaseificação e craqueamento. Estas reações intermediárias que ocorrem no forno, cuja exclusividade operacional está sendo requerida neste pedido, são responsáveis por um resultado inovador no estado da arte da tecnologia de carbonização. Ou seja, somente nas condições estruturais, operacionais, térmicas e mecânicas deste projeto, é possível produzir carvão com um rendimento gravimétrico de 35% e ao mesmo tempo um rendimento gravimétrico de gás de 60%, contra o valor tradicional, em torno de 30% para a geração de gás. Isso significa que este forno apresenta um diferencial bastante significativo em relação aos fornos atuais de carbonização: a geração ou produção preferencial de gás em relação ao alcatrão e pirolenhoso (a fração condensávei acaba se gaseificando). Esse é um fator essencial para favorecer a associação dete projeto de carbonização a uma central termoeiétrica, com queima simultânea de biomassa e gás da carbonização. Com uma fração mínima de condensáveis contido no gás gerado, seu transporte, deslocamento, armazenamento e encanamento se tornam viáveis para que seja conduzido até um plenum ou um balão, onde se homogeniza, e em seguida para queima direta em uma caldeira, a fim de promover geração de energia elétrica.
i O balanço de massa e energia, resultou na constatação de um processo altamente eficiente. As perdas térmicas são inferiores a 5%. O percentual da energia disponível necessária para manter ou sustentar a pirólise é de 10%. A energia contida no carvão em torno de 60% da energia presente na madeira e nos gases de 25%.
[0071] Exemplos de aplicação
[0072] A seguir será mostrada uma série de possíveis configurações para a invenção proposta, que buscam ilustrar seus diversos usos. E embora possa ser exemplificada por, não se limitada aos exemplos que seguem.
[0073] Exemplo 1 :
[0074] O forno Industrial para produção de carvão vegetal com capacidade para 35m3 pode ser carregado pelo orifício superior com cavacos de madeira, granulométrica média entre 100 e 120mm. O forno, já com a tampa colocada e travada, é colocado sobre o sistema de carbonização e travado sobre a base de apoio móvel. O exaustor então é ligado e a ignição nos pontos específicos, com brasa, é iniciada. O controle de carbonização pela abertura e fechamento dos orifícios segue de forma a fornecer energia para a fase éndotérmica. O processo de encerra em cerca de 3 horas. Produzindo 2.400 kg de carvão vegetal, com rendimento gravimétrico de 33%.
[0075] Exemplo 2:
[0076} O forno Industrial para produção de carvão vegetal com capacidade para 35m3 pode ser carregado pelo orifício superior com toretes de madeira, tamanho médio de 200mm. O forno, já com a tampa colocada e travada, é colocado sobre o sistema de carbonização e travado sobre a base de apoio móvel. O exaustor então é ligado e a ignição nos pontos específicos, com brasa; é iniciada. O controle de carbonização pela abertura e fechamento dos orifícios segue de forma a fornecer energia para a fase éndotérmica. O processo de encerra em cerca de 5 horas. Produzindo 2.800 kg de carvão vegetal, com rendimento gravimétrico de 35%.

Claims

REINVIDiCACÃO
1. Processo industria! utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, que consiste em um forno metálico dotado de mecanismos específicos para otimizar processo de produção, caracterizado por ser um recipiente metálico com capacidade de enfornamento entre 35 a 65 m3, preferencialmente em torno de 50m3 de lenha ou biomassa (1 ), com um teto cónico (R1), que funciona como tampa superior (2) dotado de mecanismos para alívio de pressão (4) e dispositivos para a fixação da tampa ao forno (8 e 9); corpo cilíndrico (R2) dotado de 28 orifícios na área lateral com controle de vazão (11), 4 tubos para a injeção de ar no interior da carga, 4 pontos de ignição lateral (28), revestimento refratário impermeável ao alcatrão e vapores (13, 14 e 15) e dispositivos de monitoramento de temperatura (12 e 12a); fundo metálico perfurado (16) com carro tampa (17), também perfurado, para permitir a passagem do fluxo de gases, dotado de tubos para injeção de gases (21) e estrutura de sustentação (22) dotada de portas de alívio de pressão (23), mecanismos para prender o forno ao sistema de carbonização (36 e 37).
2. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um corpo cilíndrico (R2) com diâmetro (D) variando entre 3300mm e 4580mm, cuja razão entra a altura total da zona de conversão (HC) sobre o diâmetro (D) esteja entre os limites de 1 ,0 e 2,2.
3. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por um corpo cilíndrico (R2) dotado de revestimento refratário de baixa permeabilidade aos vapores e alcatrões gerados no processo de carbonização composto por manta de fibra cerâmica (13) com 2 polegadas de espessura, chapa de aço inoxidável lisa (14) na espessura de 1 ,5mm; em uma faixa de até 100mm do centro do orifício é apiicado sobre a chapa de aço inoxidável concreto reTratário (15) de baixo cimento com no mínimo 45% de Al203 misturado com fibras metálicas de aço inoxidável na proporção de 2% em massa de concreto; para as demais regiões é aplicado, sobre a chapa de aço inoxidável, concreto refiratário com no mínimo 47% de AI2O3 e densidade máxima de 2,27kg/m3 aplicados sobre uma malha hexagonal própria para ancoragem de concretos refratários com espessura total de 27 mm.
4. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por um corpo cilíndrico (R2) com 28 orifícios (11) na área lateral distribuídos da seguinte forma: 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H1) entre 5% e 7% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H2) entre 18% e 26% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H3) entre 30% e 38% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H4) entre 50% e 54% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H5) entre 62% e 68% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H6) entre 78% e 84% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H7) entre 94% e 98% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, sendo que todos os orifícios são dotados de válvulas para o controle de vazão.
5. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por um corpo cilíndrico (R2) com 4 pontos de ignição na área lateral (28) distribuídos de forma equidistante ao longo da circunferência posicionados entre 5% e 15% da altura total da região cilíndrica (HO) medidos a partir da base do cilindro central, sendo que todos os orifícios, destes pontos de ignição, são dotados de válvulas para o controle de vazão com diâmetro podendo variar entre 4 e 6 polegadas.
6. Processo industrial utilizando forno metálibo com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por um corpo cilíndrico (R2) com 4 pontos de ignição na área lateral (28) do cilindro central dotados de proteção refratária composta por um bloco de material refratário com no mínimo 70% de Afe03, resistente a temperatura acima de 1200°C.
7. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um teto cónico (R1) com diâmetro maior igual a região cilíndrica e ângulo de inclinação (A1) entre a faixa de 8o a 25°.
8. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um teto cónico (R1) que funciona como tampa superior do forno (2) dotada de dispositivos para a fixação da tampa ao forno composto guias verticais (9) presas ao teto cónico que em associação a pinos articulados (8), presos ao cilindro central (R1), prendem e pressionam a tampa por meio de mecanismo tipo porca e parafuso.
9. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um teto cónico (R1) dotado de mecanismos para alívio de pressão (4) definido como um orifício de alívio, vedado por uma tampa de alívio móvel com área variando entre 0,30 e 0,6m2, peso entre 90 e 250kg, sendo que tampa de alivio móvel tem seu curso vertical limitado por três guias equidistantes ou articulada ligando a tampa do orifício de alivio de pressão (4) ao região do topo (R1).
10. Processo industrial a partir de forno tipo container com exaustão forçada, com mecanismos desenvolvidos para produção de carvão, gás combustível e extrato pirolenhoso, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um fundo (R3) que funciona como bocal de descarga para o carvão vegetal produzido, sendo que o bocal possui ângulo de inclinação (A2) entre 30° e 50°, o diâmetro maior com o mesmo o diâmetro da região cilíndrica do forno e o diâmetro menor deve ser no formato circular ou quadrado com cantos arredondados. O forno é dotado de dispositivos para a fixação da tampa ao forno composto por guias verticais (37) presas ao teto cónico que em associação com pinos articulados (36), presos ao cilindro central, prendem e pressionam a tampa por meio de mecanismo tipo porca e parafuso.
11. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um fundo (R3) produzido em chapa de aço, com orifícios distribuídos na área lateral (16) de forma a permitir a passagem do fluxo gasoso e reter o material sólido sendo que os furos possuem o diâmetro de 40mm com espaçamento entre os furos de 120 mm, ou com no mínimo 20% de área livre de passagem na área lateral do cone.
12. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter ou dispor em sua base de um ou dois carros tampa (17), para fluxo ou escoamento do carvão, composto por uma tampa, feita em chapa de aço com furos distribuídos sob sua superfície (18) cujo o somatório das áreas vazadas deve ser de no mínimo 20% da área total; uma estrutura com rodas (19) e uma haste metálica (20).
13. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por uma estrutura de sustentação (22) capaz de manter o forno na posição vertical cujo volume é a associação entre um troco de cone e um cilindro, sendo que o diâmetro menor deve ser igual ao da região cilíndrica e o diâmetro maior (DB) fica entre 1 ,25 e 1 ,35 vezes o diâmetro da região cilindro central (D).
14. Processo industrial a partir de forno tipo container com exaustão forçada, com mecanismos desenvolvidos para produção de carvão, gás combustível e extrato pirolenhoso, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por uma estrutura de sustentação (22) dotada de mecanismos para alívio de pressão (23) definido como uma área de alívio, vedado por uma tampa de alívio articulada em uma de suas arestas com área variando entre 0,25 e 0,6m2 e peso entre 90 e 160kg, sendo que sua posição fica limitada a área lateral do tronco de cone e deve ser dotada de um duto ou chaminé (24) que direcione o fluxo proveniente do aumento de pressão no processo para cima ou um local seguro.
15. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por. uma estrutura de sustentação (22) dotada dotado de dispositivos para a fixação do forno a base de apoio móvel compostos por guias (37) feitos com chapa de aço paralelas, presas a estrutura de sustentação e por pinos articulados (36) roscados presos a base de apoio móvel, sendo que o travamento do forno à base de apoio se dá por mecanismo tipo porca e parafuso.
16. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, caracterizado por possuir um sistema de carbonização composto por uma base de apoio móvel (29), composta por um anel metálico (34), guias para posicionamento do forno (35), tronco de cone (39) e sistema de pesagem (40) e mecanismos para o travamento do forno sobre o anel (36 e 37); equipamento de recuperação de condensáveis (30), composto por uma caixa de expansão (44) com saídas independentes para os gases e os condensáveis, filtro (45) e tanque de armazenamento (46); dispositivo de segurança para alívio de pressão (31), composto por uma porta articulada (47) e chaminé (48); exaustor (32) e dutos de condução dos gases e vapores (33).
17. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por uma base de apoio móvel (29) composta por um anel cilíndrico (34) de diâmetro igual ao maior diâmetro da estrutura de sustentação, com guias de posicionamento (35) fabricada por chapas paralelas que formam um canal por onde uma chapa guia presa ao forno (1) percorre, até que o forno (1) apoie completamente sobre a base móvel (29).
18. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por uma base de apoio móvel (29) dotada de um sistema de pesagem industrial (40), com células carga articuladas para absorver os eventuais deslocamentos laterais provocados pela colisão entre o forno (1) e as guias (35), entre o forno (1) e base dé apoio móvel (29).
9. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por uma caixa de expansão (44) com diâmetro suficiente para reduzir a velocidade para 50% da velocidade no duto de condução dos gases; possuindo duas saídas de fluxo sendo que a primeira localizada na base da caixa e é dotada de um filtro (45) que permite o escoamento somente dos condensáveis para um tanque de armazenamento (46) e a segunda saída localizada na lateral da caixa de expansão permite saída dos gases e vapor e névoa ainda dispersas no fluxo de gases pelos dutos (33), dimensionado para não ter velocidade de fluxo superior a 16m/s.
20. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por uma união entre a base de apoio móvel (29) e a caixa de expansão (44) ser efetuada por dois tubos concêntricos sendo que o tubo de diâmetro menor (42) é fisicamente ligado ao tronco de cone (39) invertido da base apoio móvel (29) e o tubo de diâmetro maior (43) permanece conectado a caixa de expansão (44) envoltos uma junta flexível (41), feita em tecido de fibra de vidro recoberta por uma película de plástica com uma extremidade presa por abraçadeiras ao tronco de cone invertido (39) na posição superior e outra extremidade presa ao tubo maior (43) na parte inferior.
21. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por conter um dispositivo de segurança para alivio de pressão (31) ao final da tubulação composta por uma superfície plana, que se mantém fechada utilizando somente o peso próprio desta superfície construída em chapa metálica denominada tampa (47) que se eleva em caso de sobre pressão nos dutos que conduzem os gases ao exaustor e chaminé (48) para a condução gases liberados durante o alívio de pressão.
22. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, caracterizado por base para o descarregamento composta por uma plataforma que possui um tronco de cone (49) com o diâmetro maior compatível com o diâmetro da maior da estrutura de sustentação (DB) e diâmetro menor compatível com a válvula de descarga (17).
23. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 22, caracterizado por dispor ou contar com um recipiente cilíndrico móvel (50) com capacidade entre 24 e 32m3 de carvão de vegetal, construído de chapa metálica, preparado para receber o carvão em brasa descarregado pela plataforma de descarregamento, dotado de 3 a 5 bicos de aspersão de água (51), com vazão variando entre 5 e 20 l/min, posicionados para resfriar o carvão em brasa durante o descarregamento e um bico central, posicionado no centro da carga.
24. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 22, caracterizado por dispor ou contar com um recipiente cilíndrico, dotado de uma tampa superior, vedada por selo hídrico; recipiente este que após receber o carvão o mantém isolado, sem entrada de ar, para resfriamento, com tempo inferior a 15 horas, para atingir temperaturas inferiores a 60°C, em todo o volume.
25. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, caracterizado por um processo de produção de carvão vegetal que consiste em carregar a biomassa pela parte superior do forno, tampar e vedar a tampa superior, com o auxilio dos dispositivos específicos para fixação da tampa ao forno, em seguida desloca-se o forno para base de apoio móvel, travando o forno sobre a mesma, onde se inicia o processo de carbonização pela ignição e exaustão e conduz-se o aquecimento do forno de modo a obter em todo se volume uma temperatura superior á 350°C e peso próximo ao rendimento de carvão estipulado.
26. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão cuja exaustão dos gases se mantém próxima aos 6.000m3/h.
27. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concofnitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão onde a ignição através dos 4 pontos de ignição com a adição de menos de 2kg de carvão em brasa, permite o pré-aquecimento uniforme do forno devido a posição estratégia dos pontos de ignição e dos pontos de entrada de ar.
28. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extraio pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão onde o controle da entrada de ar e oxigénio se dá através dos orifícios laterais, e tubos internos, que por sua vez permitem a queima parcial dos gases no interior do forno fornecendo energia para o restante da fase endotérmica do processo de carbonização sendo na sequência fechados os orifícios, cuja região atingiu os limites de temperatura do processo.
29. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão onde após o encerramento do processo de carbonização o forno desacoplado dá base de apoio móvel é deslocado para base de descarregamento, por uma ponte rolante, onde mecanismos automáticos conectados à haste do carro tampa abrem, desobstruindo o orifício da região do cone inferior para o descarregamento do carvão ainda em brasa, com temperatura superior a 300°C, sendo que durante a queda do carvão em brasa, bicos de aspersão de água direcionados ao fluxo de carvão descendente, promovem um resfriamento superficial do carvão e o carvão descarregado é acumulado em um recipiente próprio para o resfriamento, que é fechado e vedado, donde segue para concluir seu processo de resfriamento, sem entrada de ar ou oxigénio; de forma a bloquear ou interromper a reação de fixação de carbono.
30. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão descarregar o carvão, imediatamente após atingir o rendimento gravimétrico desejado, em um recipiente cilíndrico com vedação e válvulas de alívio, em um tempo mínimo, inferior a 10 minutos, de forma a minimizar o contato do carvão com o ar atmosférico.
31. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão carregar a biomassa, imediatamente após descarregar o carvão no cilindro de resfriamento, de forma a manter seu porte térmico para minimizar as perdas térmicas.
32. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão carregar forno de lenha e/ou biomassa, conforme granulometria desejada para o produto final, sendo, preferencialmente, eucalipto, com comprimento acima de 200mm, largura acima de 150mm e espessura acima de 10Omm.
33. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão carregar a lenha ou biomassa por meio de uma correia ou esteira transportadora, sem er^gaiolamento, em um tempo inferior a 30 minutos.
34. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 25, caracterizado por processo de produção de carvão possuir um tempo de carbonização entre 3 e 6 horas, dependendo do teor de umidade da lenha, cujo fator de utilização chega a atingir valores superiores a 90%, uma vez que o forno está sempre em processo de carbonização, com exceção dos intervalos para carregamento e descarregamento.
35. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, caracterizado por operar simultaneamente com outras baterias de fornos, preferencialmente, 6 plataformas de carbonização, possibilitando uma produção mensal supèrior a 20.000 m3 de carvão vegetal e superior a 10.000m3/h de gás combustível, com poder calorífico superior a 1500 kJ/m3.
36. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por fazer parte de uma planta química, com produção simultânea de carvão vegetal, alcatrão, pirolenhoso e gás combustível.
37. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por apresentar um potencial de geração de potência elétrica de até 1MWe para cada 1000 toneladas de carvão produzido por mês.
38. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por apresentar uma perda térmica inferior a 5% da energia inicial contida na lenha, com 25% de umidade, um rendimento gravimétrico em carvão superior a 33% e um rendimento gravimétrico em gás combustível superior a 60%.
39. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por apresentar um percentual da energia disponível, necessário para manter ou sistentar a pirólise de 10% da energia inicial contida na lenha, com umidade em tomo de 25%.
40. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por permitir a automação do processo a partir da abertura das válvulas, conforme monitoramento contínuo e on line do peso total, perfil térmico volumétrico e características do fluxo de gás: composição e vazão.
41. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por permitir a queima direta do gás combustível gerado durante a carbonização, sendo desnecessário um pre-tratamento de gás, em função deste não apresentar componentes prejudiciais e/ou que possam danificar a operação de uma caldeira a vapor.
42. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por permitir a queima simultânea do gás combustível gerado nà carbonização com biomassa em uma caldeira, cujo vapor gerado pode atingir pressões superiores a 40bar e nessa condição girar uma turbina para geração de energia elétrica.
43. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, coftforme reivindicação 35, caracterizado por permitir a queima do gás combustível gerado na carbonização em preferencialmente uma ou mais entradas da caldeira, entrada esta, posicionada sobre a grelha rotativa de queima da biomassa, de forma a minimizar a necessidade de entrada do ar secundário na caldeira.
44. Processo industrial utilizando forno metálico com exaustão forçada e mecanismos desenvolvidos para produção concomitante de carvão, gás combustível, extrato pirolenhoso e alcatrão, conforme reivindicação 35, caracterizado por permitir de forma exclusiva e inovadora o aproveitamento da energia contida na floresta em sua forma mais nobre: produção de combustível sólido sustentável e geração de energia elétríca, com a queima exclusiva de biomassa e gás da carbonização, evitando a necessidade de recuperação do alcatrão e pirolenhoso, que são transformados em gás durante o processo.
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