BR112012029176B1

BR112012029176B1 - sistema de condicionamento de gás para controlar contaminantes traço nos gases gerados por biomassa e resíduos

Info

Publication number: BR112012029176B1
Application number: BR112012029176-9A
Authority: BR
Inventors: John P. Reardon; Thomas J. Paskach; Paul Evans
Original assignee: Frontline Bioenergy, Llc
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2020-10-27
Also published as: WO2011142837A2; WO2011142837A3; US20110277639A1; CA2799283A1; BR112012029176A2; CA2799283C; EP2569078A2; EP2569078A4; EP2569078B1; DOP2012000287A; EP2569078B8; US8580019B2

Abstract

APARELHO E MÉTODO PARA CONTROLE OTIMIZADO DE GÁS ÁCIDO E METAL TÓXICO EM GASES PRODUZIDOS POR GASEIFICADOR Um aparelho e um método são apresentados para remover os gases ácidos e outros contaminantes traço a níveis muito baixos em gases combustíveis gerados a partir da gaseificação térmica de biomassa ou combustíveis derivados de resíduos. a invenção inclui a otimização de variáveis geométricas, pontos de ajuste de temperatura e pressão via o uso de um reator de leito fluidizado borbulhante pressurizado para converter sorventes brutos granulares (não ativados) e sorventes biocarvão autogerados em partículas idealmente dimensionadas, altamente dispersas, ativas para remover gases ácidos e metais tóxicos. O sistema pode incorporar um resfriador de gás gerado, uma câmara ou zona de contato gássorvente, e um novo filtro (com ou sem os estágios de resfriamento de gás e tempo de permanência adicionais).

Description

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a processos e aparelhos para a remoção de substâncias indesejadas de gases termicamente produzidos e, mais especificamente, para a remoção de gases ácidos, gases cloreto de hidrogênio e sulfeto de hidrogênio, e vapores de metal tóxico tal como mercúrio, e chumbo, dos mesmos.

Fundamentos da Invenção

Os combustíveis alternativos renováveis tal como biomassa lignocelulósica (“bio- massa") e combustíveis derivados de resíduos (“RDF”) de resíduos municipais ou industriais são importantes matérias-primas para a futura produção de energia renovável e combustíveis sintéticos e produtos químicos. Entretanto, alguns desses combustíveis (o crescimento especialmente rápido de biomassa e RDF) contêm cloro e outros contaminantes. O cloro pode existir na cinza como um sal inorgânico, ou pode ser ligado a carbono (na forma orgânica). A combustão ou gaseificação de biomassa (incluindo RDF) contribuirá para a liberação de gás cloreto de hidrogênio (HCI), que é um perigoso poluente do ar (HAP) se emitido. O uso de combustíveis derivados de resíduos pode também produzir vapores de metais tóxicos se presentes na matéria-prima residual, por exemplo, mercúrio e chumbo.

Há também vários elementos sorventes naturais presentes em cinza de biomassa (incluindo metais alcalinos comuns, potássio, e sódio; e também metais alcalinos terrosos, cálcio e magnésio; e óxidos de metal de transição, dióxido de titânio e óxido de zinco) que têm afinidade por gases ácidos em certas temperaturas - geralmente menores do que a temperatura de operação do gaseificador - e também para a captura de metal tóxico. De fato, há vários minerais naturais, tais como dolomita e calcita (calcário), que têm cinética rápida para a captura de gás cloreto de hidrogênio e sulfeto de hidrogênio se ativados - geralmente por aquecimento - que podem ser empregados, junto com a cinza de biomassa natural, para reduzir as concentrações de gás ácido em gases gerados antes da combustão. Ademais, os estudos mostram que o contaminante é mais concentrado no gás gerado e então, se capturado em baixas concentrações (limitadas por cinética de equilíbrio e sorção) no menor volume de gás gerado, então a emissão resultante seria menor em líquido (após a combustão) do que por somente limpeza de gás de escape pós-combustão.

Um esquema de captura de gás ácido (HCI) exemplificado usando calcita (calcário) é como segue:

Reação de captura geral (da fase de óxido):

(Captura líquida, cal para cloreto de cálcio)

A taxa de reação para a captura de cloreto de hidrogênio por óxido de cálcio (CaO) é relatada como sendo de primeira ordem com relação a HCI (Li, M, Shaw, H e Yang, C.L., "Reaction Kinetics of Hydrogn Chloride with Calcium Oxide by Fourier Transform Infrared Spectroscopy”. Ind. Eng. Chem. Res. (39), 2000: 1898 a 1902), e a taxa limitada por reação de superfície - já que as resistências de transferência de massa interna são desprezíveis (pequenas partículas, pequenos grãos) e uma área de superfície em excesso está disponível. As cinéticas para essa reação são relatadas na literatura (Shemwell e outros, 2001, Gullet e outros, 1992, Li e outros, 2000).

As abordagens publicadas para a remoção de cloretos e gás ácido incluem introduzir gás a ser tratado em um leito fluidizado circulante não pressurizado (pressão atmosférica) de calcário - um dispositivo de tratamento de gás - que contata o gás tratado com um alto excesso de sorvente, geralmente em um fluxo de gás de escape pós-combustão. Esse método opera em temperaturas relativamente menores e assim exige grandes volumes de contato. Quando operando em sistemas pós-combustão, o gás precisa ser reaquecido para ter desempenho cinético eficaz. (FGD TECHNOLOGY DEVELOPMENTS IN EUROPE AND NORTH AMERICA, Wolfgang Schuettenhelm, Thomas Robinson, e Anthony Licata, ©Babcock Borsig Power, Inc., 2001).

Também conhecida é a injeção de pós ativados ultrafinos preparados (secos ou úmidos) em um sistema de captura - que poderiam ser a superfície de um combustor de leito fluidizado ou de um gaseificador de leito fluidizado. A injeção de calcário não-ativado em pó, dolomita, ou cal apagada no gás produzido ou gás de escape foi também usada. Entretanto, injetar pós não-ativados a frio exige tempo adicional para o pó ser aquecido à temperatura do gás. Essas outras descrições não alcançam a qualidade de dispersão de partícula que precisa aumentar a eficácia do processo. (Patente US. No. 5.464.597).

Calcário e dolomita são geralmente usados como sorventes em gaseificadores de leito fluidizado circulante atmosférico. O leito fluidizado circulante conta com a eficácia de ciclone de recuperação de areia para influenciar o deslizamento de partículas; então, como o ciclone tem uma geometria fixa, ele não pode modular com a capacidade de produção de gás para efetuar qualquer benefício para controlar o tamanho de partícula do biocarvão e do sorvente com capacidade de produção de gás. Ademais, o sistema atmosférico não pode modular qualquer parâmetro com capacidade para manter a velocidade superficial ideal para a qualidade de tamanho de partícula do sorvente, nem manter o tempo de permanência a jusante como constante. (COmbustion and Gaseification in Fluidized Beds, Prabir Basu, (2006, CRC Press, Taylor and Francis Group).

Uma abordagem comum para o problema de remover substâncias indesejadas tai como cloreto e gás ácido é injetar sorventes em pó secos finamente divididos (< 40 |im) no fluxo de gás alvo (Shemwell, 2001); alternativamente, uma pasta fluida de sorvente precisa ser pulverizada no gás com o sorvente na forma hidratada (por exemplo, cal apagada, Ca(OH)2(s)). A cinética de captura de cloreto (por exemplo) é beneficiada por ter partículas menores para reduzir as limitações de difusão interna e melhorar a utilização do sorvente.

O que é necessário é um sistema que possa alcançar a remoção de cloretos e gás ácido, enquanto operando em um fluxo de gás de menor volume em temperaturas mais altas com menos limitações cinéticas. Ademais, um sistema que não exige reaquecimento de gás seria benéfico. Finalmente, um sistema que poderia ser operado para produzir partículas de sorvente de tamanho desejável e modular parâmetros de modo a manter a velocidade superficial ideal para a qualidade de tamanho de partícula de sorvente e para manter a permanência a jusante constante é altamente desejável.

Sumário da Invenção

Os objetivos da presente invenção abordam a otimização de parâmetros de temperatura multiestágio para alcançar os menores níveis alcançáveis de cloreto. O primeiro objetivo do método e do aparelho desta invenção é alcançar menores concentrações de HCI líquido do que os sistemas de tratamento pós-combustão conhecidos e alcançar menores níveis do que os processos com pressão atmosférica em fluxos de gás produzido por gasei- ficador.

O segundo objetivo é, preferencialmente, empregar pós granulados não-ativados. Uma partícula granulada é definida como uma partícula maior do que seria elutriada, mas preferencialmente proporcional a uma partícula tipo B Geldart. (Geldart n.d.). O terceiro objetivo da invenção é usar variação de pressão para condicionar a alimentação de sorvente a um tamanho de partícula ideal durante sua ativação in situ no reator de leito fluidizado. Isso ocorre antes que o sorvente seja passado pelos estágios a jusante de resfriamento e tempo de permanência e filtração final. É um quarto objetivo que o biocarvão produzido pela presente invenção funcione como um sorvente internamente gerado com minerais naturais. Ele é pulverizado e liberado em um tamanho de partícula ideal para ajudar a captura de gases ácidos, ou impedir a liberação dos mesmos. É um quinto objetivo do aparelho e método da presente invenção que o condicionamento ótimo de temperatura chegue nos menores níveis alcançáveis do gás de pré-combustão.

Várias modalidades da presente invenção podem ser usadas com eficácia. Uma primeira modalidade do aparelho inclui um reator de leito fluidizado borbulhante pressurizado para conversão de sorvente granulado e materiais de biomassa em pós finos ativos úteis para a captura de gás ácido no restante do sistema. Ela ainda inclui um trocador de calor primário para resfriar sorvente e gases produzidos em uma temperatura de sorção preferencial. Uma câmara ou zona de reação de sorvente fornece tempo de permanência de contato gás e sorvente. Um resfriador de gás secundário pode ser empregado se uma segunda temperatura de sorção é necessária. Finalmente, uma câmara ou zona de filtro projetada para fornecer o tempo de permanência de contato gás-sorvente completa a visão geral do sistema.

As configurações alternativas do aparelho poderiam incluir estágios adicionais de trocadores de calor e câmaras ou zonas de contato gás-sorvente. Outras configurações poderiam também incluir câmaras ou zonas de contato gás-sorvente com estágios de resfriamento integrados para criar ótimos gradientes de temperatura na direção do fluxo. Otimizar os gradientes de temperatura maximizaria a absorção de gás ácido para um dado volume de reator.

Um estudo de cinética foi executado para desenvolver esta invenção e suas reivindicações com relação à captura de cloreto de hidrogênio; os resultados são apresentados na FIG. 6 e nas tabelas exemplificadas. A FIG. 5 apresenta os resultados da concentração de HCI em linhas de tempo de permanência constante como uma função da temperatura, considerando uma pressão constante na câmara ou zona de sorção (64,7 psi, 4,46 bar absoluto). As resistências de transferência de massa intrapartículas podem existir em um sistema real que pode deslocar resultados cinéticos e temperaturas ótimas correspondentes, mas as partículas bem dispersas e menores - como são produzidas pela presente invenção - ajudam a minimizar as resistências intrapartículas. A FIG. 6 ilustra a interação entre a cinética de sorção que são mais rápidas em temperaturas elevadas e a limitação de equilíbrio que é mais favorável em menores temperaturas. Uma temperatura ótima pode ser então determinada para um dado volume de reator de sorvente e pressão de operação, que terá determinado o tempo de permanência de gás do reator e a cinética de sorção dessa combinação particular.

A FIG. 6 apresenta os resultados da concentração de HCI como linhas isobáricas para um tempo de permanência fixo de 63 segundos no reator de sorção como uma função da temperatura. As pressões mais altas favorecem uma menor concentração potencial de HCI. No exemplo da FIG. 6, a concentração mínima de HCI alcançada a 50 psig é 30% menor do que a que é alcançada a 0 psig. Nota-se que o ótimo (o contaminante mínimo) ocorre em uma temperatura levemente mais alta com pressão aumentada.

Um aspecto não óbvio da presente invenção é que ela especifica sorventes granulados de alimentação (partículas de -1000 a 2000 |im) no gaseificador de leito fluidizado borbulhante na forma de mineral não-ativado (por exemplo, calcário, dolomita, ou outros), ao invés da injeção de pó ativo e fino seco à superfície.

Outra característica chave é que a operação pressurizada é preferencial. Os muitos benefícios da operação com pressão não são óbvios. Primeiro, o aumento de pressão possibilita uma menor concentração de cloreto final em uma temperatura mais alta como evidenciado na FIG. 6. Em segundo, a operação com pressão variável possibilita o controle de velocidade no leito fluidizado para fixar o tempo de permanência em reatores de contato gás-sorvente de volume fixo a jusante. A operação com pressão elevada possibilita o uso de modulação de ponto de ajuste de pressão para controlar a velocidade superficial do reator em uma dada taxa de produção de gás. A capacidade de controlar a velocidade com modulação de ponto de ajuste de pressão também fornece oportunidade para efetuar a taxa de elutriação e tamanho de partícula preferencial que está correlacionada com a velocidade superficial no reator de leito fluidizado. Essas características estão em contraste com sistemas descritos em outras publicações que são projetadas para operar em pressão ambiente. Esses sistemas precisam variar a velocidade com a capacidade de produção de gás e então não podem modular para alcançar a qualidade de tamanho de partícula ótima com taxas de produção de gás variadas. Isso é especialmente verdadeiro quando o sistema emprega leitos fluidizados circulantes com ciclones de geometria fixa que definem a taxa de deslizamento de sorvente e o tempo de permanência nos recipientes de contato de sorvente a jusante e filtros não pode ser controlado. Esses sistemas então têm desempenho de sorvente menor do que o ideal com a modulação da taxa de produção de gás.

O gaseificador de leito fluidizado gera um produto de gás em um leito agitado de areia onde a maioria da massa de sólidos e temperaturas geralmente excede 700Q C, e assim tem um equilíbrio desfavorável para a absorção de cloreto. Contra intuitivamente, o sorvente em pó de alimentação no leito fluidizado resulta em uma utilização menos eficaz do sorvente - um sorvente em pó injetado no leito fluidizado produz aglomerados que se dissipam e são descarregados como sólidos grandes demais a partir da tela de meio de leito fluidizado. Se o sorvente fino é alimentado no leito fluidizado, ele não fornece a oportunidade de elutriar o tamanho de partícula preferencial com moagem durante a ativação, como é o caso com a presente invenção, por causa de uma tendência da alimentação em pó formar aglomerados. Injetar pós secos finamente divididos na superfície resulta em distribuição pobre do sorvente, o que limita sua eficácia. Em contraste, alimentar partículas de sorvente granulado maiores - especialmente quando alimentadas em pulsos de frequência mais alta (por exemplo, mais do que dez injeções por hora) fornecerá liberação regular através do atrito de partículas finamente divididas, altamente dispersas e bem misturadas com o gás, e ademais, partículas ativadas por calor que fornecem a maior utilização de sorvente.

Os reatores de leito fluidizado são geralmente operados em pressão atmosférica no modo circulante (velocidade mais alta por projeto que está na ordem de 10 a 20 vezes a velocidade de fluidização mínima e que emprega um ciclone para recuperação de areias), ou modo borbulhante (velocidade mais baixa por projeto, na ordem de 3 a 8 vezes a velocidade de fluidização mínima). Um leito fluidizado pode também ser operado em pressão. A taxa de elutriação e o tamanho de partícula de produtos de cinza-carvão de gaseificação e sorvente granulado injetado variará com a velocidade do leito fluidizado. Controlando-se a pressão do leito fluidizado (modulando o fluxo oxidante de entrada ou modulando uma válvula de regulação de pressão a jusante) é possível controlar a velocidade de descarga do leito fluidizado, e assim controlar o sorvente e o tamanho de partícula de cinza-carvão é possível a um grau através do controle da velocidade do leito fluidizado.

Nesta invenção, um reator de leito fluidizado é projetado para operar em pressão variável para fornecer um novo grau de liberdade - de outra forma não disponível a gaseifi- cadores de leito fluidizado atmosférico - para controlar a taxa de liberação e tamanho de partícula de sorvente e biocarvão correlacionando com a velocidade superficial de leito fluidizado borbulhante para a produção de partículas internamente moídas e ativadas que foram incialmente alimentadas como materiais granulados maiores. A operação pressurizada também reduz o limite inferior de concentração (a fração molar de equilíbrio de HCI na fase gasosa) que pode ser alcançado comparado à operação em pressão atmosférica.

Outros objetivos, características e vantagens da presente invenção se tornarão prontamente claros a partir da seguinte descrição. A descrição faz referência aos desenhos em anexo, que são fornecidos para ilustração da modalidade preferencial. Entretanto, tal modalidade não representa o escopo completo da invenção. O assunto que o inventor considera como sua invenção é particularmente apontado e distintamente reivindicado nas reivindicações na conclusão desta especificação.

Breve Descrição dos Desenhos

A FIG. 1 é um desenho esquemático de uma primeira modalidade da presente invenção que mostra o arranjo de um leito fluidizado, trocador(es) de calor, câmara ou zona de tempo de permanência de sorção, e câmara de ar.

A FIG. 2 é um esquema de uma segunda modalidade que mostra o arranjo de um leito fluidizado, trocador(es) de calor, câmara ou zona de tempo de permanência de sorção e câmara de ar junto com o fluxo dividido da mistura de cinza-biocarvão/sorvente para permitir a reciclagem da superfície do gaseificador.

A FIG. 3 é um desenho esquemático de uma terceira modalidade que é similar à segunda, mas o fluxo de reciclagem entre logo acima da câmara ou zona de tempo de permanência de sorção.

A FIG. 4 é um desenho esquemático da invenção incluindo câmaras ou zonas de tempo de permanência e de resfriamento alternado onde a câmara de ar opera como o recipiente de contato gás-sorvente inicial e entrega o gás limpo a um recipiente de contato de sorvente-gás de leito fixo que pode conter um sorvente de alto desempenho para abordar exigências de remoção de contaminante traço ultrabaixo ou sulfeto.

A FIG. 5 apresenta os resultados da concentração de HCI cineticamente determinados em linhas de tempo de permanência constante como uma função da temperatura, considerando uma pressão constante na câmara ou zona de sorção.

A FIG. 6 apresenta os resultados da concentração de HCI como linhas isobáricas por um tempo de permanência fixo de 63 segundos no reator de sorção como uma função da temperatura.

Descrição Detalhada da Invenção

A modalidade básica desta invenção é apresentada na FIG. 1. O aparelho desta invenção é um sistema que compreende um reator de leito fluidizado borbulhante pressurizado (102) que converte internamente um sorvente granulado bruto (101) e materiais de bio- massa em pós finos ativados úteis para a captura de gás ácido no restante do sistema; o sorvente granulado bruto, biomassa, e dispositivo para alimentar o sorvente granulado bruto e a biomassa no reator de leito fluidizado (102) como uma blenda em (101) ou para alimentar separadamente o sorvente em (123). O sistema ainda compreende um trocador de calor primário (106), uma câmara de tempo de permanência de sorvente (ou zona; por todo este pedido o termo “câmara” pode ser usado de forma intercambiável com a palavra “zona”, que implica uma área sem limites físicos separando-a da próxima área) (108), e, preferencialmente, um trocador de calor/resfriador de gás secundário (110) e uma zona de filtro (112). O dito trocador de calor primário (106) resfria o sorvente e os gases produzidos e fornece uma temperatura de sorção preferencial. A câmara ou zona de tempo de permanência de sorvente (108) fornece o tempo de permanência de contato gás-sorvente. O resfriador de gás secundário (110), quando empregado, fornece uma segunda temperatura de sorção preferencial para a câmara ou zona de filtro (112); a câmara ou zona de filtro (112) (por exemplo, câmara de ar ou câmara com elementos de filtro rígidos) é preferencialmente projetada com um plenum de gás geralmente não longo (126), localizado abaixo dos elementos de filtro (ou câmaras de ar) que fornece tempo de permanência de contato gás-sorvente adicional.

O sorvente (101) desta invenção é geralmente calcário geralmente granulado ou dolomita granulada em combinação com materiais de biocarvão ou cinzas de alta área superficial internamente produzidos contendo elementos alcalinos ou alcalino terrosos, vários óxidos de metal de transição (óxidos de titânio, ferro, e zinco), alumina, e sílica, outros elementos de cinza, e carbono fixo. Outros sorventes adicionados podem ser alternativamente utilizados ou descobertos para uso no mesmo aparelho incluindo óxidos de zinco, etc., preferencialmente em um estado não-ativado (por exemplo, pré-ativado). O sorvente (101) precisa estar em seu estado ativado para obter absorção máxima de contaminantes, o que geralmente exige aquecimento e redução de tamanho de partícula. O aquecimento, a redução do tamanho de partícula e a liberação de tamanho controlado são o resultado do uso de leito fluidizado borbulhante (102) de meio (areia) desta invenção. É também benéfico ter o sorvente ativado altamente misturado e disperso (não aglomerado) no fluxo de gás, que é outra utilidade benéfica de alimentar um sorvente granulado com o reator de leito fluidizado em- pregado para a ativação do sorvente.

Configurações alternativas do aparelho poderiam incluir estágios adicionais de trocadores de calor alternando com câmaras ou zonas de contato gás-sorvente. Outras configurações poderiam também incluir câmaras de contato gás-sorvente com estágios de resfriamento integrados para criar gradientes ótimos de temperatura na direção do fluxo com o propósito de maximizar a absorção de contaminantes para um dado volume de reator.

A reciclagem opcional de sorvente e biocarvão é observada na FIG. 2 e na FIG. 3 para melhorar a utilização do sorvente. O fluxo de materiais sólidos separados por filtro, incluindo sorvente e biocarvão parcialmente utilizados no fundo (112) pode ser dividido em dois fluxos (114 e 118), a parte reciclada sendo o fluxo (118). Vários métodos de reciclagem poderiam ser concebidos e óbvios, mas um método envolveria uma câmara ou zona de transferência de fase densa (119) que tem sólidos empurrados por qualquer gás conveniente (por exemplo, nitrogênio vapor, ar, dióxido de carbono, ou outros gases) (120). Os sólidos reciclados podem ser retornados para a superfície (121) como mostrado na FIG. 2, ou qualquer localização a montante do trocador de calor (106), ou após o trocador de calor (106), como mostrado na FIG. 3.

O uso opcional de um recipiente de contato de sorvente de leito empacotado após o recipiente de filtro é uma configuração alternativa desse aparelho, como indicado na FIG. 4, e precisa incluir biocarvão peletizado, já que o material ligante do pelete não é volátil.

O reator de leito fluidizado borbulhante pressurizado (102) fornece uma combinação de benefícios para a invenção. A operação com pressão melhora a cinética para a absorção de gás ácido e também fornece o mecanismo para controlar a velocidade do gaseificador (e tempo de permanência na câmara de sorção). O reator de leito fluidizado agitado por bolhas fornece rápido aquecimento para a ativação do sorvente. Moagem do sorvente (atrito ou trituração), e mistura e dispersão do sorvente no gás a ser tratado. O gaseificador pressurizado pode variar seu fluxo de gás enquanto mantendo constante sua velocidade superficial (ou pressão) e temperatura. Como o tamanho de partícula de sorvente elutriado ótimo está correlacionado com a velocidade, as propriedades desejadas do sorvente podem ser alcançadas modulando-se um ponto de ajuste de pressão. Por exemplo, o ponto de ajuste de pressão preferencial (PBFB.SP) está relacionado a um ponto de ajuste de velocidade desejado (VBFB.SP)θ a pressão de operação atual (PBFB,PV)θ a velocidade superficial atual (VBFB.PV) (igual à medida ou de outra forma, o fluxo de volume de gás conhecido dividido pela área transversal superficial) como segue:

A modulação de pressão para alcançar o ponto de ajuste (PBFB.SP) pode ser executada por vários meios incluindo modulação de válvula a jusante (válvula de retropressão) e modulação de fluxo de entrada (aumentando ou diminuindo os fluxos de escape e/ou bio- combustível).

A técnica anterior descreveu injetar sorventes em pó previamente triturados no fluxo de gás como uma técnica para capturar contaminantes traço de cloreto de hidrogênio. Parece intuitivo injetar sorventes em pó acima da fase densa do gaseificador de leito fluidizado, ou até injetar os sorventes previamente triturados na fase densa do leito fluidizado junto com matéria-prima derivada de biomassa ou resíduo para alcançar o objetivo. Mas, de fato, a ação de mistura do leito fluidizado quando sorventes previamente triturados são injetados nas funções de fase densa forma realmente aglomerados maiores de cal (do qual parte precisa ser removida com a areia gasta) ao invés de produzir as partículas de sorvente desejadas. Ademais, a injeção de sorventes previamente triturados no leito fluidizado realmente não produz o tamanho de partícula ou dispersão otimamente desejado para a captura de gás ácido. A presente invenção, ao invés, considera injetar sorvente como uma partícula granulada (ao invés de pó) que permite que os sorventes sólidos brutos (incluindo partículas de biomassa) tenham liberação controlada por atrito à medida que são ativados. Alimentar partículas granuladas é preferencial porque, através da ação do leito fluidizado, ele gera um fluxo de partículas de sorvente de tamanho ideal que são também uniformemente dispersas no fluxo de gás produzido. A presente invenção fornece melhor utilização de cal e melhor ativação e dispersão de sorvente alimentando partículas granuladas.

Método e Exemplos

O método da presente invenção inclui operar o reator de leito fluidizado (102) para pulverizar e ativar a matéria-prima granulada (sorventes e biomassa não-ativada granulada). O leito fluidizado tritura as partículas granuladas, enquanto ao mesmo tempo, fornece calor necessário para ativar os materiais para a captura de gás ácido. O leito fluidizado é operado em uma velocidade superficial constante, que pode ser 3 a 10 vezes a velocidade de fluidi- zação mínima. A velocidade superficial na fase densa é definida como o fluxo de gás volumétrico do reator dividido pela área transversal do leito fluidizado de fase densa (102). A velocidade superficial preferencial é determinada com base nas correlações para as taxas de elutriação e tamanho de partícula e verificação em campo. O tamanho de uma partícula elutriada (uma partícula que deixa a fase densa através da superfície (104)) é preferencialmente 50 pm ou menos, e mais preferencialmente 20 pm ou menos. Os sorventes granulados são preferencialmente adicionados em pequenas rajadas em intervalos de alta frequência (geralmente 6 ou mais vezes por hora), preferencialmente se aproximando de uma alimentação contínua, ou tal que nenhuma oscilação de temperatura seja observada no reator de leito fluidizado com pulsos de entrada de sorvente.

A primeira etapa de resfriamento fornecida pelo trocador de calor (106) é essencial para fornecer equilíbrio benéfico (força de acionamento termodinâmica) para a captura de gás ácido e também para precipitar elementos alcalinos para fora da fase gasosa. Esses elementos alcalinos podem ter sido associados com a cinza de biomassa ao invés de qualquer sorvente adicionado. Precipitar os elementos alcalinos para fora da fase gasosa como sólidos permite sua reação benéfica com gases ácidos e a subsequente remoção como um sólido. O primeiro trocador de calor (106) é operado para resfriar a mistura gerada de sorvente e gás até uma temperatura ótima (geralmente aproximadamente 398,8Q C (750Q F) a aproximadamente 482,2- C (900Q F)) para a captura de gás ácido na câmara ou zona de contato gás-sorvente (108); e, preferencialmente essa temperatura é menor do que a exigida para precipitar óxidos alcalinos e os correspondentes sais de metal alcalino (quando reagidos com gases ácidos), por exemplo, não mais do que aproximadamente 648,8Q C (1200Q F). Um trocador de calor secundário opcional (110) é operado para alcançar uma temperatura ótima no recipiente de filtro padrão ou modificado (tempo de permanência estendido) (112), geralmente aproximadamente 371,1Q C (7005 F) a aproximadamente 482,2- C (900Q F), mas geralmente uma temperatura menor do que na câmara de contato gás-sorvente (108).

O método para remover contaminantes indesejados incorporado pela presente invenção é exemplificado pelo seguintes exemplos:

Exemplo 1

A Tabela 1 fornece os dados pertinentes fornecendo uma linha de base contra a qual os outros exemplos serão comparados. A linha de base assume que um efeito sorvente singular é empregado. Na prática, múltiplos efeitos estão em jogo. Um gaseificador de leito fluidizado borbulhante é operado a 815,5Q C (1500Q F) através da alimentação de uma relação apropriada de ar e combustível. A biomassa é alimentada na taxa de 2948,4 kg/h (6500 lbs/h) e contém 251,4 ppm de cloreto (base seca). O calcário granulado é coalimentado na taxa de 1% da alimentação de biomassa, ou aproximadamente 14,5 moles Ca/mol HCI. O gás é gerado na taxa de 7017,1 kg/h (15.470 lbs/h) a úmido (1,07 kg (2,38 Ibs) gás úmido/kg de biomassa como alimentada). A concentração inicial de HCI é 100,0 ppmv na superfície, assumindo 100% de liberação de cloro como cloreto de hidrogênio, e assumindo-se que não há absorção de cloreto pela cinza de biomassa - mesmo que saiba-se que os elementos de biocarvão-cinza anteriormente descritos têm propriedades eficazes de sorvente. A velocidade superficial desejada é 1,09 km/h (4 pés/s) (um alvo para produzir as taxas desejadas de elutriação e tamanho de partícula de biocarvão e cal). Então, o ponto de ajuste da pressão de operação é determinado como sendo 15,7 psig, como apropriado para o leito fluidizado de fase densa de 1,82 m (6 pés) de diâmetro, correspondente a um fluxo de gás volumétrico de 3,2 m3/s (113,0 pés3/s). O gás produzido tem um peso molecular de 26,3 Ibs/lbmol com 20% v/v de vapor d’água. Neste exemplo, a câmara de ar geralmente não é alta, isto é, não muito volume em excesso abaixo dos elementos de filtro e o volume entre o resfriador e o filtro é mínimo.

Tabela 1 (Exemplo 1) 100 ppmv de HCI inicial; 14,1 ppm de HCI final, gás com 20% de umidade, 2,068 atm (15 psig); 15.470 pph de gás.

+ velocidade superficial; fluxo de volume nominal de gás por área transversal.

Exclui o volume dos elementos de filtro/câmaras de ar (144, ψ 0,15 m x 3,65 m de comprimento (0,5 x 12 pés)).

O resultado de ponto e ajuste de temperatura otimizado para a captura de cloreto nos volumes (104), (108), e (112) e os tempos de permanência correspondentes são definidos na Tabela 1. A concentração de cloreto em equilíbrio é 0,3 ppm a 482,25 C (9005 F), o que indica um potencial de até 99,7% de remoção, mas limitações cinéticas fornecem uma concentração final menor de 14,1 ppm de HCI, ou somente -86% de redução. Se as temperaturas em (108) e (112) são ambas iguais a 426,65 C (800Q F), não ótimas, então a concentração de HCI é -21 ppm.

Exemplo 2

Este próximo exemplo demonstra o benefício da câmara ou zona de tempo de permanência para sorção de gás. O diâmetro do recipiente de contato gás-sorvente (108) é modificado de 0,60 m (2 pés) para 2,43 m (8 pés), e o comprimento mantido em 9,14 m (30 pés).

O resultado do ponto de ajuste de temperatura otimizado é apresentado na Tabela 2. O estudo de tendência para este exemplo é apresentado na FIG. 7. O caso otimizado alcança 3,3 ppm de HCI (-96,7% de remoção) com 440,5Q C (825Q F) no recipiente de filtro (112) e 482,2Q C (900Q F) no recipiente de contato gás-sorvente intermediário (108). A concentração final é aproximadamente 33% maior se as temperaturas são equivalentes em (108) e (112). Tabela 2 (Exemplo 2) 100 ppmv HCI inicial; 3,31 ppm HCI final, gás com 20% de umidade, 2,068 atm (15 psig); 15.470 pph de gás.

+ velocidade superficial; fluxo de volume nominal de gás por área transversal. * Exclui o volume dos elementos de filtro/câmaras de ar (144, ψ 0,15 m x 3,65 m de comprimento (0,5 x 12 pés)).

Exemplo 3

Este terceiro exemplo demonstra o benefício do volume adicionado no recipiente de filtro aumentando-se sua altura de 5,18 m (17 pés) para mais de 6,09 m (20 pés) (a altura tipicamente a ser usada no aparelho configurada como descrito). Essa extensão da altura do filtro poderia ser feita como uma forma conveniente de aumentar o tempo de permanência de contanto com o sorvente na prática desta invenção com ou sem incluir o recipiente de contato com sorvente intermediário. As dimensões do recipiente de contato gás-sorvente (108) do Exemplo 2 são mantidas nesse terceiro caso, isto é, o diâmetro modificado para 2,43 m (8 pés), o comprimento é o mesmo de 9,14 m (30 pés).

Tabela 3 (Exemplo 3) 100 ppmv HCI inicial; 1,00 ppm HCI final, gás com 20% de umidade, 2,068 atm (15 psig); 15.470 pph de gás.

O resultado do ponto de ajuste de temperatura otimizado é apresentado na Tabela 3. O volume do recipiente de filtro aumentado ajuda a alcançar 1,00 ppm de HCI (-99,0% de remoção) com 440,5Q C (825Q F) no recipiente de filtro (112) e 482,2Q C (900Q F) no recipiente de contato gás-sorvente intermediário (108).

Exemplo 4

Este quarto exemplo e final demonstra o benefício de aumentar a pressão para 102 psig, no sistema dimensionalmente equivalente que foi apresentado no Exemplo 3, mas, neste caso, a alimentação de biomassa é aumentada para 11.340 kg/h (25.000 lbs/h) para manter a velocidade superficial no reator de leito fluidizado.

Tabela 4 (Exemplo 3) 100 ppmv HCI inicial; 1,00 ppm HCI final, gás com 20% de umidade, 7,94 atm (102 psig); 59.500 pph de gás.

O resultado do ponto de ajuste de temperatura otimizado é apresentado na Tabela 4, que alcança < 0,6 ppm de HCI (-99,4% de remoção) com 426,62 C (8005 F) no recipiente de filtro (112) e 510Q C (950Q F) no recipiente de contato gás-sorvente intermediário (108).

Com base em relatos, aumentando-se o comprimento de (108) e (112) para 12,19 m (40 pés), o nível de cloreto cineticamente limitado é - 300 ppb (partes por bilhão).

Assim, a presente invenção foi descrita de uma maneira ilustrativa. Entende-se que a terminologia que foi usada é destinada a descrever a invenção e não limitá-la.

Muitas modificações e variações da presente invenção são possíveis face aos ensinamentos acima. Então, dentro do escopo das reivindicações em anexo, a presente invenção pode ser praticada de outra forma que não a especificamente descrita. Bibliografia

Huiling, F., Yanxu, L, Chunhu. L, Hanzian. G., e Kechang, X. “The apparent kinetics of H2S removal by zinc oxide in the presence of hydrogen”. Fuel (81), 2002: 91 a 96.

Shemwell, B., Levendis, Y.A., e Simons, G.A., “Laboratory study on the high- temperature capture of HCI gas by dry-injection of calcium based sorbents”. Chemosphere (41), 2001: 758 a 796.

Yang, C.L., Li, M., e Shaw, H. “Reaction Kinetics of Hydrogen Chloride with Calcium Oxide by Fourier Transform Infrared Spectroscopy”. Ind. Eng. Chem. Res. (39), 2000: 1898 a 1902.

Números de Referência

A Legenda da Tabela 5 para a captura de gás ácido usando sorventes ativados por leito fluidizado e estágios de contato gás-sorvente e resfriamento alternativos com a filtração final em um novo filtro. Número Descrição 101 porta de alimentação de combustível sólido e sorvente 102 leito fluidizado borbulhante, fase densa 103 entrada de escape de superfície (opcional) 104 superfície, fase diluída 105 duto de gás após o recipiente de leito fluidizado 106 primeiro resfriador de gás 107 entrada do reator de contato gás-sorvente 108 reator de contato gás-sorvente 109 saída do reator de contato gás-sorvente 110 segundo resfriador de gás 111 duto de gás para recipiente de filtro 112 recipiente de filtro 113 duto de gás na descarga de recipiente de filtro 114 descarga de sorvente e biocarvão gastos 115 fluido recuperative (opcional) para primeiro trocador 116 fornecimento de escape e/ou vapor para reator de leito fluidizado 117 descarga de areia de leito fluidizado, à medida que necessário 118 fração de reciclagem de biocarvão e sorvente 119 recipiente de condução pneumático (opcional) 120 gás de condução pneumático (opcional) 121 reciclagem de sorvente e biocarvão para leito fluidizado 122 reciclagem de sorvente e biocarvão à frente do recipiente (108) 123 injeção de calcário, auxiliar (opcional) 124 dispositivo de varredura e medição 125 válvula de retropressão, opção de controle de pressão 126 comprimento extra no recipiente de filtro abaixo dos elementos 127 duto de gás, pós-filtro 128 resfriador de gás, pós-filtro 129 câmara de sorvente de leito empacotado (opcional).

Claims

1. Sistema de condicionamento de gás para controlar contaminantes traço em gases gerados por biomassa e resíduos, o dito sistema CARACTERIZADO por compreender um trocador de calor primário (106), um reator de leito fluidizado borbulhante pressurizado (102) compreendendo pelo menos um material sorvente sólido granular não ativado (101) em que os sorventes sólidos granulados não-ativados (101) são convertidos em sorventes ativados (101), os ditos sorventes ativados compreendendo o tamanho de partícula e a taxa de elutriação controlados pela velocidade superficial, em que a velocidade é controlada pela modulação do ponto de ajuste da pressão, os referidos sorventes ativados arrastados com gases (120), o dito reator (102) em conexão fluida com uma câmara de contato de gás sorvente (108) facilitando tempo de permanência de contato necessário de dito gás (120) e de ditos sorventes ativados (101), a dita câmara de contato de gás sorvente (108) adicionalmente em conexão fluida com um recipiente de filtro (112), o dito recipiente de filtro (112) compreendendo um primeiro duto de gás (113) pelo qual um fluxo de gás filtrado sai e um segundo duto de descarga (114, 117) pelo qual uma porção de um fluxo de sorvente gasto sai do dito sistema com cinzas (118).

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos contaminantes traço são selecionados a partir do grupo que consiste de gases ácidos e metais.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos sorventes sólidos granulares não ativados são convertidos em sorventes ativados (101) através da moagem e ativação de ditos sorventes sólidos granulados não-ativados (101) para proporcionar o dimensionamento e dispersão apropriados de sorventes ativados (101) no dito gás gerado (120).

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a conversão de ditos sorventes sólidos granulares não ativados (101) adicionalmente compreende o controle de pelo menos uma condição de operação.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o controle de pelo menos uma dita condição de operação compreende um controle de velocidade operando o dito sistema em uma velocidade geralmente constante de dito tamanho de partícula controlado por velocidade superficial.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o controle de pelo menos uma dita condição de operação compreende um controle de velocidade operando o dito sistema em uma velocidade entre aproximadamente 3,29 km/h (3 pés/s) a aproximadamente 6,58 km/h (6 pés/s), e uma pressão que facilita o controle de tamanho de partícula de sorvente (101).

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos uma dita condição de operação compreende um controle de velocidade operando o dito sistema em uma velocidade geralmente constante de aproximadamente 4,38 km/h (4 pés/s).

8. Sistema de condicionamento de gás, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito sistema adicionalmente compreende pelo menos um estágio de resfriamento, um controle de velocidade e um controle de pressão operando o dito sistema em uma velocidade geralmente constante de aproximadamente 3,29 km/h (3 pés/s) a aproximadamente 6,58 km/h (6 pés/s), modulando um ponto de ajuste de pressão para controlar o tamanho de partícula sorvente (101) e dispersão, e alternar pelo menos um dito estágio de resfriamento com o dito tempo de permanência de contato na câmara de contato de gás-sorvente (108).

9. Sistema de condicionamento de gás, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que controlar pelo menos uma dita condição de operação compreende um controle de velocidade configurado para uma velocidade geralmente constante de aproximadamente 3,29 km/h (3 pés/s) a aproximadamente 6,58 km/h (6 pés/s), e dispositivos para modular a pressão para alcançar um tamanho de partícula de sorvente e dispersão desejados, e o dito sistema adicionalmente compreendendo pelo menos um estágio de resfriamento integrado em um único recipiente.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito recipiente de filtro adicionalmente compreende um lado sem pó de uma pluralidade de elementos de filtro.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sorvente compreende um sorvente não previamente ativado ativado por aquecimento e triturado pelo leito fluidizado.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sorvente compreende qualquer sorvente autogerado que é um constituinte da alimentação de biomassa, em que o dito sorvente autogerado é ativado por aquecimento e triturado durante a ativação pelo leito fluidizado.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos contaminantes traço são selecionados a partir do grupo que consiste de Hg, As, Cd, Se e Pb.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos contaminantes traço são selecionados a partir do grupo que consiste de HCI, H2S e HCN.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende um trocador de calor secundário (110) para agir como um res- friador de gás e uma zona de filtro (112).