BR112015017918B1 - Gaseificador e método de gaseificação de matérias-primas - Google Patents
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Abstract
gaseificador e método de gaseificação de matérias-primas. um gaseificador de corrente descendente e um método de gaseificação que utiliza uma pluralidade de tubos posicionados verticalmente para criar uma zona de pirólise, uma zona de oxidação abaixo da zona de pirólise e uma zona de redução abaixo da zona de oxidação. a forma dos tubos elimina a necessidade de uma restrição (forno), que limita o máximo rendimento atingível. uma grelha rotativa e verticalmente ajustável está localizada abaixo, mas não ligada à zona de redução do gaseificador.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a uma tecnologia e equipamento termoquímicos, em particular, a processos e aparelhos para a gaseificação da biomassa sólida, resíduos domésticos e industriais, combustíveis fósseis, bem como outras matérias-primas contendo carbono usando corrente descendente de gaseificação.
[0002] A gaseificação é um processo de decomposição térmica contínua em que os materiais carbonáceos ou orgânicos sólidos (matérias-primas) dividem- se em uma mistura de gás combustível. Os componentes de gás combustível formados são primariamente monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), e metano (CH4). Outros gases não- combustíveis, tais como o nitrogênio (N2), o vapor (H2O), e dióxido de carbono (CO2) também estão presentes em várias quantidades. O processo de gaseificação envolve pirólise seguido por oxidação parcial, o qual é controlado por injeção de ar ou de outros gases contendo oxigênio na matéria-prima parcialmente pirolisada. Mais especificamente, a gaseificação da biomassa é uma sequência de reações incluindo a evaporação da água, a decomposição de lignina, deflagração celulósica e redução de carbono. Uma fonte externa de calor começa a reação, mas a oxidação parcial fornece calor para manter a decomposição térmica da matéria-prima. Se é usado oxigênio concentrado, a mistura de gás resultante é denominada gás sintético. Se o ar (que inclui nitrogênio) é usado como o oxidante, a mistura de gás resultante é denominada gás produtor. Para simplificar, o termo "Gás Produtor", como aqui utilizado inclui tanto o gás sintético quanto o gás produtor.Ambas as misturas de gases são consideradas um "gás combustível"e pode ser usada como um substituto para o gás natural em muitos processos. Eles também podem ser usados como um precursor para gerar diversos produtos químicos industriais e combustíveis para motores. Quando a biomassa é utilizada como matéria-prima, a gaseificação e a combustão do gás produtor são consideradas como uma fonte de energia renovável.
[0003] De um modo geral, a gaseificação oferece uma alternativa mais eficiente, rentável e amigável ao meio ambiente para a extração de energia potencial de matéria-prima sólida em comparação à combustão. Como resultado de gaseificação, a energia potencial da matéria- prima pode ser convertida em Gás Produtor, que é a combustão mais limpa, compressível e mais portátil. O Gás Produtor pode ser queimado diretamente em alguns motores e queimadores, purificado para produzir metanol e hidrogênio, ou convertido em combustível líquido sintético através do Fischer-Tropsch e outros métodos e processos
[0004] Existem três processos de gaseificação comuns: a gaseificação de leito fluidizado, gaseificação de corrente ascendente e gaseificação de corrente descendente. A presente invenção é uma gaseificação de corrente descendente melhorada. Portanto, apenas uma breve descrição de gaseificação de leito fluidizado e gaseificação de corrente ascendente são fornecidas e seguidas para uma discussão mais completa de gaseificação de corrente descendente.
[0005] O gaseificador de leito fixo de contracorrente ("corrente ascendente") consiste de um leito fixo de matéria-prima no topo de uma grande grelha através da qual passam vapor, oxigênio e/ou fluxo de ar ascendente. Gaseificadores de corrente ascendente normalmente requerem matéria-prima que é resistente e não propensa a aglomeração ou agregação de modo que irá formar um leito permeável. O gaseificador de corrente ascendente é constituído por um leito de matéria-prima através do qual o oxidante (vapor, oxigênio e/ou ar) flui a partir da parte inferior e sai através da parte superior como gás. Os gaseificadores de corrente ascendente são termicamente eficientes devido aos gases ascendentes pirolisarem e secarem a biomassa de entrada, transferindo calor de modo que o Gás Produtor de saída é resfriado quando sai do gaseificador. No entanto, quantidades significativas de alcatrão estão presentes no Gás Produtor, por isso, deve ser extensivamente limpo antes da utilização, a menos que seja queimado no ponto de geração. O alcatrão pode ser reciclado para o gaseificador, mas a remoção de alcatrão é complicada e dispendiosa. O gaseificador de corrente ascendente tem sido o padrão de gaseificação de carvão por 150 anos e também é popular em fogões de cozimento de biomassa.
[0006] Em um gaseificador de leito fluidizado, o oxidante é soprado através de um leito de partículas sólidas a uma velocidade suficiente para manter as partículas sólidas em um estado de suspensão. A matéria- prima é introduzida no gaseificador, muito rapidamente misturada com o material do leito e quase instantaneamente aquecida para a temperatura do leito, tanto externamente quanto usando um meio de transferência de calor. A maioria destes gaseificadores de leito fluidizados são equipados com um ciclone interno, a fim de minimizar carvão mineral (transitam para o fluxo de Gás Produtor) e remover a média fluidificação do Gás Produtor. As principais vantagens incluem a flexibilidade de matéria prima e a capacidade de controlar facilmente a temperatura da reação, o que permite a gaseificação de materiais de grão fino (pó de serra, etc.) sem a necessidade de pré-processamento. Os gaseificadores de leito fluidizado também podem muito bem ser escalados para tamanhos grandes. Infelizmente, ocorrem problemas com alimentação, instabilidade do leito, acúmulo de carbono residual e sinterização de cinzas nos canais de gás. Outras desvantagens incluem alto teor de alcatrão do Gás Produtor (até 500 mg/m3 de gás), eficiência relativamente baixa e resposta ineficaz às alterações de carga. Devido aos altos custos operacionais e de manutenção, este estilo de gaseificação é economicamente limitado a aplicações em larga escala, normalmente superior a 100 toneladas por dia.
[0007] Na gaseificação de corrente descendente, toda matéria-prima, ar e gases fluem na mesma direção - de cima para baixo. Embora a gaseificação de corrente ascendente seja tipicamente preferida para o processamento de matéria-prima de biomassa e a gaseificação em leito fluidizado seja tipicamente usada em gaseificação de carvão, o processo de gaseificação de corrente descendente tem um número de vantagens. Uma vantagem da gaseificação de corrente descendente é baixos níveis de alcatrão no Gás Produtor resultante devido a que os alcatrões gerados durante a pirólise devem passar através da Zona de Oxidação (definida abaixo) e do leito de carvão na Zona de Redução (definido abaixo) antes de sair do gaseificador. A alta temperatura da Zona de Oxidação e o topo do leito de carvão dividem os alcatrões (isto é, fracionamento térmico). O resultado é um Gás Produtor que pode ser resfriado e mais facilmente limpo para uso em motores alternativos, turbinas a gás e processos de reforma catalítica.
[0008] Os processos atuais de gaseificação de corrente descendente têm algumas desvantagens significativas que têm impedido a adoção generalizada. Estas desvantagens são: (1) a matéria-prima geralmente tem que ser pré-processada em tamanhos padrão com propriedades químicas semelhantes (sem mistura de diferentes tipos de matérias-primas ou peças de diferentes tamanhos) para permitir a gaseificação contínua sem ligação (isto é, sem bloqueio) do dispositivo ou interrupção da qualidade do Gás Produtor; (2) a matéria-prima deve ter uma faixa padronizada de componentes voláteis; (3) A matéria-prima deve ter um conteúdo calorífico padronizado (isto é, btu/lb); (4) em geral, o gaseificador tem que ser interrompido frequentemente para limpeza e remoção de excesso de carvão que se acumula na parte inferior do gaseificador; (5) o Gás Produtor criado é de qualidade inconsistente, e o gaseificador é menos produtivo e menos eficiente devido às mudanças de temperatura causadas por paradas frequentes e variações de matéria-prima; (6) os gaseificadores não permitem reconfiguração durante a operação e devem ser desligados cada vez que a reação de oxidação desloca do seu local designado no gaseificador; (7) os gaseificadores não são termicamente estáveis durante longos períodos de tempo e perdem eficiência (ou derretem); e (8) os gaseificadores não permitem a localização da reação de oxidação a ser movida alinhada com a zona de redução para compensar as diferentes condições requeridas para gaseificar diferentes tipos de matéria-prima e para gerar diferentes relações de componentes de Gás Produtor. Mas, a mais significativa desvantagem dos gaseificadores de corrente descendente atuais é que (9) eles exigem recuperador de carregamento de modo que a Zona de Oxidação, também a zona mais quente do gaseificador, seja projetada com um ponto de restrição substancial (isto é, uma restrição de aproximadamente metade do diâmetro das outras seções do gaseificador).
[0009] Em um gaseificador de corrente descendente ideal, existem três zonas: uma Zona de Pirólise, uma Zona de Oxidação e uma Zona de Redução (cada uma definida abaixo). Em um tal gaseificador ideal, (1) o tempo de residência de matéria-prima pode ser controlada na Zona de Oxidação (em relação ao fluxo de matéria-prima através do resto do gaseificador) para permitir que a quantidade máxima de matéria-prima se submeta à gaseificação antes de passar para fora da Zona de Oxidação na Zona de Redução e (2) a Zona de Redução seria projetada para fazer com que o gás quente produzido na Zona de Oxidação misture com o carvão na Zona Redução tão rapidamente e tão completamente quanto possível para promover a gaseificação completa. Infelizmente, a zona de restrição em gaseificadores atuais dificulta muito o volume total de matéria-prima que pode ser movido por meio de um tal gaseificador e interrompe o fluxo global e de saída de Gás Produtor.
[0010] As áreas de restrição encontradas em gaseificadores da arte anterior são comumente referidas como uma garganta e forno, que são um projeto intencional em gaseificadores de corrente descendente atuais como ditado pela teoria vigente, Teoria da Velocidade Superficial.
[0011] Velocidade Superficial (SV) é medida como:SV = Taxa de Produção de Gás/Área da seção transversal = (m3/s)/(m2) = m/sem que s = tempo e m = distância.
[0012] A Teoria da Velocidade Superficial, quando utilizada para conceber gaseificadores de corrente descendente, dita que uma maior velocidade de gás superficial na Zona de Oxidação, significa um Gás Produtor mais limpo e menos subproduto de carvão será produzido.
[0013] A restrição física exigida pela Teoria da Velocidade Superficial na Zona de Oxidação limita ambas a entrada e saída de matéria-prima em gaseificadores de corrente descendente tradicionais. Seria preferível controlar a velocidade da matéria-prima na área de restrição independente da sua velocidade ao longo do resto do gaseificador, de modo a promover a gaseificação completa e reduzir a produção de subproduto de carvão.
[0014] O que é necessário é um projeto de gaseificador de corrente descendente que permita que a taxa de fluxo de matéria-prima seja controlada à medida que passa através da Zona de Oxidação com restrição mínima, a fim de melhorar o volume total e fluxo de matéria-prima passando através do gaseificador.
[0015] O que se segue é um resumo da presente invenção. É fornecido como um prefácio para auxiliar os homens da técnica para assimilar mais rapidamente a discussão detalhada, que se segue e não se destina de modo algum a limitar o âmbito das reivindicações, que são anexas, de modo a salientar particularmente a presente invenção.
[0016] A presente invenção é um gaseificador que compreende uma pluralidade de tubos unidos e posicionados verticalmente. Os tubos têm uma parede interior e uma parede exterior e uma extremidade distante e próxima, em que a extremidade próxima proporciona uma entrada e a extremidade distante proporciona uma saída. O gaseificador tem três zonas de reação separadas: (1) uma Zona de Pirólise; (2) uma Zona de Oxidação abaixo da Zona de Pirólise; e (3) uma Zona de Redução abaixo da Zona de Oxidação. Uma grelha rotativa e verticalmente ajustável está localizada abaixo, mas não ligada à Zona de Redução. Ao contrário de outros gaseificadores, este é um gaseificador de núcleo parcialmente aberto sem uma vedação hermética na extremidade distante do gaseificador.
[0017] Opcionalmente, uma Zona de Secagem é colocada acima da Zona de Pirólise de modo que o calor do gaseificador pode ser usado para secar matéria-prima antes da sua entrada no gaseificador. Em operação, a matéria- prima é alimentada na Zona de Pirólise (quer diretamente ou por meio da Zona de Secagem). A gravidade faz com que a matéria-prima mova para baixo através das três zonas de reação, com o Gás Produtor e cinzas de carvão e resíduo de subproduto formado depois de uma matéria-prima de biomassa ter sido gaseificada ("Biocarvão") que sai através da grelha na parte inferior do gaseificador em calhas de coleta. O Biocarvão é separado do Gás Produtor pela força da gravidade.
[0018] O Gás Produtor também sai através da grelha e é coletado por respiros de coleta nas laterais das calhas de coleta. A pressão dentro das calhas de coleta é uma função de tubos ligados aos respiros de coleta de gás e máquinas ligadas a esses tubos a jusante do gaseificador (isto é, motores, câmaras de coleta, etc.), a pressão do gaseificador não é dependente da pressão das calhas de coleta.
[0019] A figura 1 mostra uma vista frontal em corte de um gaseificador.
[0020] A figura 2 mostra uma vista lateral em corte de um gaseificador.
[0021] A figura 3 mostra a vista frontalexterna de um gaseificador.
[0022] A figura 4 mostra a vista lateral externa de um gaseificador.
[0023] A figura 5 mostra uma vista frontal em corte de um gaseificador com dimensões apresentadas em polegadas.
[0024] A figura 6 mostra uma vista lateral em corte de um gaseificador com dimensões apresentadas em polegadas.
[0025] A figura 7 mostra uma vista lateral em corte de um gaseificador ilustrando a parte mais densa de um gradiente induzido e um arrastado.
[0026] A figura 8 mostra uma vista em perspectiva em corte de um gaseificador ilustrando a parte mais densa de um gradiente induzido e um arrastado.
[0027] A figura 9 mostra uma vista lateral em corte de um gaseificador com uma banda de oxidação.
[0028] A figura 10 mostra uma vista em perspectiva em corte de um gaseificador com uma banda de oxidação.
[0029] A figura 11 mostra uma vista em perspectiva de uma estrutura de grelha.
[0030] A figura 12 mostra uma vista de topo de uma estrutura de grelha.
[0031] A figura 13 mostra uma vista em perspectiva de uma grelha montada tendo uma ranhura em espiral.
[0032] A figura 14 mostra uma vista frontal de uma grelha montada tendo orifícios cortados na grelha.
[0033] A figura 15 mostra uma vista em perspectiva do segmento removível de uma grelha.
[0034] A figura 16 mostra uma vista superior do segmento removível de uma grelha.
[0035] A figura 17 mostra uma vista lateral em corte de um gaseificador com setas descrevendo o processo de gaseificação.
[0036] A lista de termos definidos a seguir não pretende ser limitante ou abrangente, mas fornece apenas uma ferramenta de referência rápida para a compreensão da presente invenção. Outros termos definidos estão em maiúsculas em outras seções deste documento onde são utilizados. Os termos em maiúsculas, devem incluir todas as variantes, versões singulares e/ou plurais dos termos aqui usados.
[0037] "Leito de Corrente Oxidante" ou "Leito de Ar" significa que a Corrente de Oxidante que entra no gaseificador através das entradas (isto é, pelas entradas de ar não-plano), posicionadas na parte superior da Zona de Pirólise (ou a opcional Zona de Secagem).
[0038] "Biocarvão"significa cinzas de carbono e resíduo de subproduto formado depois de uma matéria-prima de biomassa ter sido gaseificada.
[0039] "Desvio" significa o "espaço"entre a parte superior da grelha situada abaixo do gaseificador e a abertura na parte inferior da Zona de Redução, que também pode ser referido como o afastamento da grelha.
[0040] "Sistema de Controle" significa um sistema operacional, que inclui vários mecanismos de controle e software coordenado para que um usuário/operador ajuste as variáveis de um gaseificador tais como rotação e altura de grelha, entrada de matéria-prima e Correntes de Oxidantes.
[0041] "Zona de Secagem", no que diz respeito ao gaseificador, significa uma área em que a matéria-prima é secada antes de entrar em uma Zona de Pirólise, a dita Zona de Secagem sendo um recipiente do tipo ou extensão do gaseificador acima da Zona de Pirólise, mas alternativamente pode ser uma área e/ou componente/unidade separada do gaseificador. No contexto do processo de gaseificação, a "Zona de Secagem" significa a etapa em que a matéria-prima é seca.
[0042] "Faixa de Fluxo Gaseificador" significa o caminho, geralmente em direção ao centro de um gaseificador, onde matéria-prima se move mais rápida, é gaseificada, e o Gás Produtor resultante e o Biocarvão continuam a mover-se na Zona de Redução e fora do gaseificador através de uma grelha.
[0043] "Corrente de Oxidante" significa ar ou outros gases contendo oxigênio.
[0044] "Banda de Oxidação", no que diz respeito a um gaseificador, significa o local onde ocorre a reação de gaseificação primária. A Banda de Oxidação é onde as Correntes Oxidantes convergem e, em conjunto com o calor do gaseificador e a presença de matéria-prima, o gaseificador oxida rapidamente a matéria-prima em uma faixa estreita de gás quente branco que se estende ao longo do diâmetro de um gaseificador. No contexto do processo de gaseificação, a "Banda de Oxidação"significa a fase mais quente da reação da gasificação.
[0045] "Zona de Oxidação", no que diz respeito ao gaseificador, significa uma zona de um gaseificador que conduz para cima e longe de uma Banda de Oxidação. A forma geral da Zona de Oxidação é de um tubo oco, o tubo tendo uma entrada e uma saída de aproximadamente o mesmo tamanho, mas dilatado no meio. No contexto do processo de gaseificação, a "Zona de Oxidação"significa uma fase em que a matéria-prima muda para um gás.
[0046] "Entradas de Ar Plano" significam entradas de ar sob pressão utilizadas para injetar Correntes de Oxidante pressurizadas em um gaseificador. Em gaseificadores existentes, respiros são usados para permitir a entrada do ar passivamente em um gaseificador, mas Entradas de Ar Plano são, em vez disso, pressurizadas para injetar Correntes Oxidantes dentro do gaseificador.
[0047] "Corrente Plana de Oxidante" ou "Ar Plano", significa uma Corrente de Oxidante entrando em um gaseificador através das Entradas de Ar Plano.
[0048] "Bloqueio de pressão"significa um conjunto de bloqueio de pressão com uma válvula em sua parte superior e outra válvula em sua parte inferior, o bloqueio de pressão estando localizado na parte superior de um gaseificador.
[0049] "Onda de Pressão"significa a pressão diferencial entre o centro da Banda de Oxidação e a parede da Zona de Oxidação, o que empurra a matéria-prima em direção à parede de um gaseificador formando um gradiente induzido de matéria-prima acima da Banda de Oxidação ("Gradiente Induzido de Matéria-prima") e um gradiente arrastado de Biocarvão abaixo da Banda de Oxidação ("Gradiente arrastado de Biocarvão").
[0050] "Gás Produtor", significa a mistura de gás combustível criado por gaseificação da matéria-prima e inclui ambos, gás de síntese e gás de produtor.
[0051] "Corrente de Oxidante de Purga" ou "Ar de Purga", significa a Corrente de Oxidante misturada com matéria-prima antes da matéria-prima entrar na Zona de Pirólise (ou da opcional Zona de Secagem).
[0052] "Zona de Pirólise", no que diz respeito a um gaseificador, significa a zona do gaseificador, onde a matéria-prima começa a fluidificar e se decompor antes de passar para a Zona de Oxidação. A forma geral da Zona de Pirólise pode variar de um tubo oco a um cone oco invertido. No contexto de um processo de gaseificação, a "Zona de Pirólise"significa a fase em que a matéria-prima começa a fluidificar e se decompor.
[0053] "Zona de Redução", no que diz respeito a um gaseificador, significa a zona do gaseificador onde Gás Produtor se mistura com Biocarvão, resfria-se e produz Gás Produtor adicional. A forma geral da Zona de Redução é a de um tubo oco, sendo mais largo do que a saída da Zona de Oxidação. No contexto do processo de gaseificação, a "Zona de Redução"significa a fase em que Gás Produtor se mistura com Biocarvão.
[0054] A presente invenção refere-se a um método e aparelho para a gaseificação de matéria-prima de biomassa contendo carbono. O gaseificador compreende uma pluralidade de tubos unidos e posicionados verticalmente. Os tubos têm uma parede interior e uma parede exterior e uma extremidade distante e próxima, em que a extremidade próxima proporciona uma entrada e a extremidade distante proporciona uma saída. O gaseificador tem três zonas de reação sequenciais separadas: (1) uma Zona de Pirólise; (2) uma Zona de Oxidação abaixo da Zona de Pirólise; e (3) uma Zona de Redução abaixo da Zona de Oxidação. Uma grelha rotativa e ajustável verticalmente está localizada abaixo, mas não ligada, à Zona de Redução. Ao contrário de outros gaseificadores, este é um gaseificador de núcleo parcialmente aberto; não há nenhuma parede de vedação hermética na parte inferior da Zona de Redução ou na parte inferior do próprio gaseificador.
[0055] As figuras 1 e 2 mostram uma vista frontal em corte de um gaseificador. Este gaseificador de corrente descendente é um gaseificador sequencial, de fluxo de co-corrente, por gravidade assistida, de mudança de fase termoquímica possuindo pelo menos três zonas: uma Zona de Pirólise 20, uma Zona de Oxidação 30 e uma Zona de Redução 40. O gaseificador oxida parcialmente uma parte da matéria- prima, que libera energia de calor de ativação suficiente para iniciar uma reação termoquímica de mudança de fase sólida para gás da matéria-prima restante, para Gás Produtor. O processo de gaseificação é uma sequência de reações incluindo a evaporação de água, decomposição da lignina, deflagração celulósica e de redução de carbono e é controlado por injeção de Correntes de Oxidante na matéria- prima parcialmente pirolisada. Embora a presente invenção irá ser descrita no contexto de um método e aparelho para o processamento de biomassa, os princípios descritos podem ser aplicados a muitos outros tipos de matéria-prima e várias formas de realização serão facilmente evidentes para os homens da técnica.
[0056] O interior de todo o gaseificador é revestido com carboneto de sílica, óxido de sílica, óxido de alumínio, ligas refratárias, outras cerâmicas ou outro material que apresente propriedades similares, isto é, estável a temperaturas elevadas. Materiais não voláteis e desgaseificados são separados do Gás Produtor pela gravidade, uma vez que estes materiais caem para a parte inferior do gaseificador. Este gaseificador de alta eficiência converte a energia química potencial da matéria- prima em Gás Produtor, com a quantidade média de Biocarvão gerado sendo cerca de 1% a 10% em peso da matéria-prima original.
[0057] As figuras 3 e 4 mostram as vistas frontais e laterais exteriores de um gaseificador. A matéria-prima se move para baixo no gaseificador onde ocorre a gaseificação. Quando o gaseificador atinge um estado operacional estável (isto é, o estado em que cada zona do gaseificador atingiu uma temperatura constante e sustentada), um gradiente de temperatura vertical forma-se dentro do gaseificador e estratifica a matéria-prima em uma sequência de camadas ou zonas que correspondem aproximadamente à Zona de Pirólise 20, a Zona de Oxidação 30 e a Zona de Redução 40 baseada nas etapas do processo de gaseificação. Não há fronteiras fixas entre estas zonas, mas em vez disso as fronteiras são contíguas. Portanto, há gradientes de transição possuindo propriedades mistas de cada uma das zonas adjacentes (isto é, pirólise de matéria- prima pode começar na Zona de Secagem 10 e a oxidação pode começar na zona de Pirólise 20). A matéria-prima é mantida a um nível acima da Zona de Pirólise 20 e puxada para baixo através da Zona de Pirólise 20 pela gravidade de modo que a matéria-prima descendente substitui a matéria-prima que tenha sido gaseificada. Os gases e a matéria-prima fluem no sentido descendente no interior do gaseificador. Materiais sólidos fluem através do gaseificador por gravidade. Gases se movem para baixo através do gaseificador por diferencial de pressão.
[0058] Os sólidos (por exemplo, matéria-prima e Biocarvão) são mantidos no interior do gaseificador por uma grelha 50 rotativa verticalmente ajustável, localizada imediatamente abaixo da Zona de Redução 40 do gaseificador, como mostrado nas Figuras 1, 2, 3 e 4. O tempo de permanência de sólidos no interior do gaseificador é controlado pela velocidade de rotação da grelha 50, a posição vertical da grelha 50, e a taxa de gaseificação (isto é, mudança de fase) dentro do gaseificador. O Biocarvão acumula no topo da grelha 50 e atua como um pseudosselo para a parte inferior do gaseificador, o que permite então o gaseificador pressurizar e manter a pressurização mesmo quando o Biocarvão deixar continuamente o gaseificador. O Biocarvão cai a partir da parte inferior do gaseificador por meio da grelha rotativa 50 ou pelo desvio 49. Uma vez que o Biocarvão tenha caído a partir da grelha 50 ou do desvio 49, ele cai em uma ou mais calhas de coleta 60 embaixo da grelha 50 e, em seguida, para uma caixa de resíduo 90, onde é removido do gaseificador por um eixo helicoidal 91.
[0059] Em uma forma de realização, as zonas do gaseificador incluem: a Zona de Secagem 10, a Zona de Pirólise 20, a Zona de Oxidação 30, a Zona de Redução 40 com uma grelha 50 localizada embaixo do gaseificador. Abaixo do gaseificador existem respiros de coleta de gás 70, calhas de coleta de Biocarvão 60 e uma caixa de resíduo de Biocarvão 90.
[0060] As figuras 5 e 6 mostram um corte frontal e vista lateral de um gaseificador com dimensões. A Zona de Secagem (opcional)
[0061] Na Zona de Secagem 10, a umidade no interior da matéria-prima é evaporada quando ela é exposta a emissão de calor radiante emitido na Zona de Oxidação 30. O vapor de água flui para baixo através da Zona de Pirólise 20 para a Zona de Oxidação 30, juntamente com o Leito de Corrente Oxidante e a Corrente Oxidante de Purga sendo alimentada no gaseificador. As temperaturas na Zona de Secagem 10 podem variar amplamente, dependendo de como o gaseificador for operado. A título de exemplo, para aparas de madeira com 25% de teor de humidade, o intervalo normal de temperatura na Zona de Secagem 10 é de cerca de 100 a 300°F. A profundidade da Zona de Secagem 10, em uma forma de realização pode ser entre zero e 1,8288 metros (zero a seis pés) de altura. Esta profundidade pode aumentar com o teor de umidade da matéria-prima, o tamanho do gaseificador e a forma de realização do gaseificador utilizado. O calor radiante da Zona de Oxidação 30 impulsiona os processos de evaporação. No entanto, o pré-aquecimento do Leito de Corrente Oxidante e da Corrente Oxidante de Purga podem acelerar o processo de secagem.
[0062] A secagem da matéria-prima no interior do gaseificador é um processo endotérmico, e assim energia (isto é, calor) é necessária para secar e liberar água da matéria-prima na forma de vapor, cujo vapor auxilia as reações que ocorrem abaixo. A matéria-prima mais úmida, exige mais energia da Zona de Secagem 10.
[0063] A mudança física primária na Zona de Secagem 10 é:H2O(i) + Calor -> H2O(g)
[0064] Em que "H"é Hidrogênio, "O"é oxigênio, "l"é líquido, e "g"é gás.
[0065] Descrição do Mecanismo de Alimentação e dos Indicadores de Nível de Enchimento
[0066] Uma vez que o gaseificador fica pressurizado durante a operação, um Bloqueio de Pressão pode ser usado para trazer matéria-prima para o gaseificador enquanto se mantém a pressão do gaseificador. Uma válvula de topo do Bloqueio de Pressão abre para admitir a matéria-prima no Bloqueio de Pressão e, em seguida, fecha. O interior do Bloqueio de Pressão pressuriza para equalizar com a pressão do ar da Zona de Pirólise 20 (ou Zona de Secagem 10 opcional), que pode ser controlada por um usuário através dos Sistemas de Controle, antes de uma válvula de fundo abrir permitindo a matéria- prima sair do Bloqueio de Pressão e entrar no gaseificador sob a pressão de ar ajustada.
[0067] O Bloqueio de Pressão pode serfabricado a partir de materiais, tais como tubos de aço carbono sem costura Schedule 40, flanges de aço classe 150 libras e válvulas de gaveta classe padrão 150 libras, tais como válvulas tipo guilhotina faca. Este conjunto de Bloqueio de Pressão pode ser integrado no projeto do equipamento e usado um par de válvulas industriais padrão tipo guilhotina faca com um tubo entre elas. Em uma forma de realização o tubo pode ser um Schedule 40 de 18" orientado verticalmente. O comprimento do tubo pode ser ajustado, dependendo do método de entrega de matéria-prima e do volume desejado. Um exemplo de um Bloqueio de Pressão é 72" de comprimento, que vai fornecer 100 a 120 libras de matéria-prima por despejo de matéria-prima na Zona de Secagem 10 (se aplicável) ou na Zona de Pirólise 20. Em uma forma de realização, ligado ao tubo existem acoplamentos com rosca para receber (1) uma chave de nível, tal como uma chave rotativa de nível, chave de fim de curso, chave de fótons, ou uma chave a laser, e (2) um transmissor de pressão, e (3) uma linha de fornecimento de ar pressurizado.
[0068] O usuário final pode automatizar o processo de enchimento de matéria-prima do gaseificador com um temporizador ou por meio de um sensor de micro-ondas ou outro indicador de nível de enchimento adequado, para detectar a presença de matéria-prima no nível de enchimento no gaseificador e também no Bloqueio de Pressão ("Indicadores de Nível de Enchimento"). A Zona de Secagem 10 do gaseificador pode ter um ou mais Indicadores de Nível de Enchimento 12 capazes de funcionar em ambientes de alta temperatura. Uma vez que o Indicador de Nível de Enchimento 12 detecta que o nível de matéria-prima é baixo, o mecanismo de alimentação automático entra em operação. Um projeto de gaseificador com múltiplos Indicadores de Nível de Enchimento 12 permite mais opções na escolha da altura do leito de matéria-prima ao usar um sistema de enchimento automático.
[0069] Em uma forma de realização, a válvula de topo do Bloqueio de Pressão abre e um mecanismo de carregamento de caçamba despeja matéria-prima no Bloqueio de Pressão até um Indicador de Nível de Enchimento no Bloqueio de Pressão detectar que está cheio. A válvula de topo do Bloqueio de Pressão fecha e o Bloqueio de Pressão pressuriza para coincidir com a pressão da Zona de Secagem 10 (se aplicável) ou da Zona de Pirólise 20. Em seguida, a válvula de fundo do Bloqueio de Pressão abre e deposita a matéria-prima em um eixo helicoidal pressurizado que está ligado à Zona de Secagem 10 (se aplicável) ou à Zona de Pirólise 20. O eixo helicoidal, em seguida, deposita a matéria-prima na parte superior do gaseificador. Os sistemas de controle do gaseificador determinam quando inicia cada ciclo de preenchimento de matéria-prima com base nos sinais, tais como temperatura ou mudanças de pressão, recebidos de vários sensores e indicadores sobre o gaseificador.
[0070] A Zona de Pirólise 20 está diretamente abaixo da Zona de Secagem 10 (se uma Zona de Secagem 10 está incluída) dentro do gaseificador. A Zona de Pirólise 20 pode ser aumentada ou diminuída em altura baseada nas propriedades do tipo predominante de matéria-prima antecipada. Uma Zona de Pirólise 20 mais alta irá acomodar materiais mais úmidos e/ou mais complexos que requerem mais secagem e tempos de pirólise mais longos.
[0071] Na Zona de Pirólise 20, vapores, óleos e gases constituintes são destilados e movidos para baixo por efeito da gravidade, diferenças de pressão e vapor criados na Zona de Secagem 10 e na Zona de Pirólise 20. A Zona de Pirólise 20 é endotérmica na parte superior e conta com calor liberado a partir da parte inferior. Na parte inferior da Zona de Pirólise 20, onde a temperatura aumenta, a matéria-prima começa a quebrar-se espontaneamente para baixo, pois torna-se quimicamente instável a temperaturas elevadas. Portanto, a decomposição de matéria-prima ocorre na parte inferior da Zona de Pirólise 20 é exotérmica e libera calor. Em uma forma de realização, a Zona de Pirólise 20 tem 1,2192 a 1,8288 metros (4 a 6 pés) de profundidade.
[0072] A Pirólise química é altamente complexa. As principais alterações químicas e físicas que ocorrem nesta zona podem ser simplificadas e representadas pelo seguinte: CxHyOz(s) + Calor -> Vapores Orgânicos (formaldeído, álcoois, alcatrões, etc.) CxHyOz(s) -> CH4 + H2 + C(s) + Vapores Orgânicos (alcatrão) + Calor
[0073] Como algum oxigênio das Correntes Oxidante sendo alimentadas no gaseificador está presente na Zona de Pirólise 20, a oxidação pode ocorrer assim que a matéria-prima se aproxima da parte inferior da Zona de Pirólise 20.
[0074] A Zona de Oxidação 30 é a zona no gaseificador que conduz para cima e afasta da Banda de Oxidação 350 ou a etapa geral do método que inclui a formação da Banda de Oxidação 350. A Zona de Oxidação 30, é onde a Banda de Oxidação 350 forma e representa a etapa mais quente no processo de gaseificação e é onde a fração celulósica da matéria-prima converte a partir de um sólido para um gás.
[0075] Como mostrado nas Figuras 7 e 8, durante a operação, o fluxo de uma Corrente Oxidante através da Zona de Pirólise 20 induz um gradiente de matéria-prima para formar (1) verticalmente, começando na direção do topo da parede externa da Zona de Pirólise 20 e terminando para baixo em um anel inferior das Entradas de Ar Plano 32 na Zona de Oxidação 30 e (2) horizontalmente, começando no centro do gaseificador e terminando na parede do gaseificador (o “Gradiente de Matéria-prima Induzida").
[0076] Tal como mostrado nas Figuras 7, 8, 9, e 10, este Gradiente de Matéria-prima Induzida é uma densidade diferencial e aumentada da matéria-prima tornando mais denso na direção do perímetro da parede do gaseificador e acima da Banda de Oxidação 350 (a "Parte Mais Densa") formado por, pelo menos, quatro fatores que atuam em conjunto: (1) a Onda de Pressão da Banda de Oxidação 350 pressiona a matéria-prima contra a parede interior do gaseificador; (2) a geometria da Zona de Pirólise 20 e a Zona de Oxidação 30 (isto é, os ângulos das paredes); (3) o volume total da Corrente Oxidante que flui para a Zona de Pirólise 20 e para a Zona de Oxidação 30; e (4) o volume relativo da Corrente Oxidante que flui para cada Zona de Pirólise 20 e a Zona de Oxidação 30. A Parte Mais Densa do Gradiente de Matéria-prima Induzida é ilustrada em 200.
[0077] A matéria-prima percorre através do gaseificador em diferentes velocidades. Alguma das matérias-primas avança continuamente para baixo no gaseificador na Faixa de Fluxo do Gaseificador 203, enquanto que outra matéria-prima pode parar ou retardar em vários pontos no gaseificador. A matéria-prima se move mais lentamente e/ou fica suspensa dentro do Gradiente de Matéria-prima Induzida 200. A Parte mais Densa do Gradiente de Matéria-prima Induzida 200 é uma matéria-prima mais densa e mais lenta que a matéria-prima na Faixa de Fluxo do Gaseificador.
[0078] A Parte mais Densa do Gradiente de Matéria-prima Induzida 200 termina nas Entradas de Ar Plano 32 mais baixas onde a Zona de Oxidação 30 dilata a um diâmetro mais largo. Em uma forma de realização, esta dilatação é projetada para ser um degrau-Kline Fogelman, a fim de direcionar e controlar a taxa de fluxo de gases e sólidos movendo para baixo no gaseificador.
[0079] Normalmente, quando gases atravessam uma etapa tal como um degrau Kline-Fogelman, um turbilhonamento é formado. O anel inferior das Entradas de Ar Plano 32 na Zona de Oxidação 30 injetam ar no local onde o turbilhonamento iria de outro modo se formar. Esta corrente de ar que entra colide com o Gás Produtor e matérias-primas descendentes na Faixa de Fluxo do Gaseificador 203, redireciona os gases quentes para longe da parede do gaseificador, neutraliza a formação de um turbilhonamento, e alimenta a Banda de Oxidação 350.
[0080] Como condições na mudança do gaseificador, o Gradiente de Matéria-prima Induzida também pode mudar permitindo o movimento da Banda de Oxidação 350 e da Faixa de Fluxo do Gaseificador 203 dentro do gaseificador. Isto não é possível em outros gaseificadores, onde a Faixa de Fluxo do Gaseificador 203 seria formada contra a parede externa do gaseificador.
[0081] Como mostrado nas Figuras 9 e 10, a matéria-prima na Faixa de Fluxo do Gaseificador 203 percorre para baixo através do gaseificador na Banda de Oxidação 350. A Banda de Oxidação 350 é o ponto onde um calor significativo é liberado pela deflagração da matéria de celulose na matéria-prima. Uma vez iniciado durante a partida, a Banda de Oxidação 350 é sustentada pela adição das Correntes Oxidantes das Entradas de Ar Plano 31, 32 e matéria-prima descendente a partir de cima. A Banda de Oxidação 350 oxida parcialmente a matéria-prima em Biocarvão e gases constituintes de Gás Produtor. Vapores de alcatrão gerados na Zona de Pirólise 20 são adicionalmente decompostos na presença de vapor sob as elevadas temperaturas da Banda de Oxidação 350 em Gás Produtor adicional.
[0082] Conforme mostrado nas Figuras 7, 8, 9 e 10, a forma geral da Zona de Oxidação 30 é de um tubo oco, tendo o tubo uma entrada 301 e uma saída 303 de aproximadamente, o mesmo tamanho, mas é dilatado no meio 302. Este é o oposto de gaseificadores de corrente descendente tradicionais onde a Zona de Oxidação estreita em um ponto de restrição de acordo com a Teoria da Velocidade Superficial.
[0083] Em uma forma de realização, a entrada 301 e a saída 303 da Zona de Oxidação 30 são metade do diâmetro da seção dilatada 302 da Zona de Oxidação 30. Há pelo menos dois anéis de Entradas de Ar Plano 31, 32. Em uma forma de realização, um anel superior 31 é de aproximadamente 27,94 centímetros (11 polegadas) acima do anel inferior 32 e um anel inferior das Entradas de Ar Plano 32 está na parte mais larga da seção dilatada 302 da Zona de Oxidação 30.
[0084] As temperaturas extremamente elevadasgeradas por esta Banda de Oxidação 350 produzem o calor que impulsiona as reações químicas e físicas na Zona de Pirólise 20 e Zona de Secagem 10 acima (se aplicável). A Banda de Oxidação 350 naturalmente tende a mover-se para cima no gaseificador em direção à matéria-prima não consumida e fornece a Corrente Oxidante acima. Abaixo da Banda de Oxidação 350 é uma mistura de Biocarvão, que é relativamente estável a altas temperaturas. O gaseificador é projetado para permitir a Banda de Oxidação 350 mover para cima e para baixo dentro do gaseificador. Em uma forma de realização, a Banda de Oxidação 350 pode ser mantida no lugar no gaseificador usando uma grelha 50 (localizada abaixo da Zona de Redução 40) para remover o Biocarvão abaixo da Banda de Oxidação 350, contrariando a tendência da Banda de Oxidação 350 mover para cima. Sempre que a grelha 50 para de rodar, a Banda de Oxidação 350 começa a subir.
[0085] Em uma forma de realização, um anel superior das Entradas de Ar Plano 31 posicionado acima do conjunto inferior das Entradas de Ar Plano 32, permite que Correntes Oxidantes adicionais sejam injetadas na matéria- prima pouco antes de sua entrada na Banda de Oxidação 350. Usando a velocidade de rotação da grelha 50, a taxa e a relação do Leito de Corrente Oxidante, a Corrente Oxidante de Purga e as Correntes Oxidantes Plano, a Banda de Oxidação 350 podem ser realizadas em qualquer local desejado dentro do gaseificador. Em uma forma de realização, a Banda de Oxidação 350 é mantida um pouco abaixo do anel inferior das Entradas de Ar Plano 32.
[0086] A oxidação parcial de matéria-prima também é complexa mas pode ser simplificada nas seguintes expressões:Limite-Matéria-prima C + 1/202 -> CO + CalorLimite-Matéria-prima C + O2 -> C02 + Calor Limite-Matéria-prima H + 02 -> H20 + Calor Limite-Matéria-prima H -> H2 CO + 3H2 -> CH4 + H20 + Calor C02 + 4H2 -> CH4 + 2H20 + Calor Resíduo Sólido C + 2H2 -> CH4 + Calor CO + H20 -> C02 + H2 + Calor
[0087] As reações na Zona de Oxidação 30 são exotérmicas e liberam o calor que opera todo o gaseificador.
[0088] Também mostrado nas Figuras 7, 8, 9 e 10, logo abaixo da Banda de Oxidação 350, o início de um segundo gradiente de formas de Biocarvão (1) verticalmente, começando logo abaixo do anel inferior das Entradas de Ar Plano 32 na Zona de Oxidação 30 e prolongando-se para baixo ao longo da parede da Zona de Oxidação 30 para a Zona de Redução 40 (2) horizontalmente, a partir do centro do gaseificador para a parede do gaseificador (o " Gradiente de Biocarvão Arrastado"). Como Biocarvão deixa a Banda de Oxidação 350, o diâmetro da Zona de Oxidação 30 estreita-se para aproximadamente o mesmo tamanho que a entrada 301 para a Zona de Oxidação 30. A Onda de Pressão da Banda de Oxidação empurra o Biocarvão contra a parede que se estreita da Zona de Oxidação. A Parte mais Densa do Gradiente de Biocarvão Arrastado é ilustrado pelo 300. A Onda de Pressão retarda o movimento da Parte mais Densa do Biocarvão no Gradiente de Biocarvão Arrastado 300 em relação ao Biocarvão na Faixa de Fluxo do Gaseificador 203. A Faixa de Fluxo do Gaseificador 203 permanece intacta mesmo embora a matéria-prima tenha mudado de fase, e Gás Produtor e Biocarvão estão agora se movendo para baixo, em vez de matéria-prima.
[0089] A Parte mais Densa do Gradiente de Biocarvão Arrastado 300 corre para baixo ao longo da parede da Zona de Oxidação 30 para a Zona de Redução 40. Como a Zona de Redução 40 é mais larga do que a Zona de Oxidação 30, a entrada para a Zona de Redução 40 forma uma etapa adicional. Em uma forma de realização, o ângulo da parede da Zona de Oxidação 30 e a entrada para a Zona de Redução 40, forma um degrau Kline-Fogleman. Como o Gás Produtor atravessa a etapa em uma Zona de Redução 40 mais larga (isto é, a expansão de um diâmetro na Zona de Redução 40), forma-se um turbilhonamento na Zona de Redução 40. Este turbilhonamento estimula a mistura entre o Gás Produtor e Biocarvão na Zona de Redução 40.
[0090] De forma diferente dos gaseificadores de corrente descendente tradicionais, este gaseificador de corrente descendente não tem uma zona de restrição na Zona de Oxidação 30, mas, em vez disso, a Zona de Oxidação 30 aumenta em tamanho. Quase todos os gaseificadores atuais de corrente descendente aplicam a Teoria da Velocidade Superficial e são, portanto, construídos com uma restrição na Zona de Oxidação 30, a fim de alcançar um Gás Produtor de qualidade utilizável. Além disso, a maioria dos gaseificadores de corrente descendente atuais usam vácuo para sugar o Gás Produtor através do gaseificador.
[0091] Os dois gradientes que são formados neste gaseificador, o Gradiente de Matéria-prima Induzida acima da Banda de Oxidação 350 e o Gradiente de Biocarvão Arrastado abaixo da Banda de Oxidação 350 funcionam em conjunto para simular uma garganta e forno dentro do gaseificador. As vantagens desta abordagem são que a Banda de Oxidação 350 pode mover-se para cima ou para baixo no gaseificador sem danificar ou eventualmente destruir o próprio gaseificador, e o interior do gaseificador pode adaptar-se a diferentes tipos e misturas de matéria-prima. Outros gaseificadores com uma garganta fixa e forno, devem ser calibrados para uma pequena faixa de matéria-prima, não podem ser facilmente ajustados para acomodar outros tipos de matéria-prima, e não pode ser ajustado durante a operação para acomodar mudanças.
[0092] Conforme mostrado nas Figuras 1, 2, 7 e 8, a Zona de Redução 40 do gaseificador é igual ou maior em diâmetro do que a saída 303 da Zona de Oxidação 30. As duas funções primárias da Zona de Redução 40 são para gaseificar carbono residual do Biocarvão e para resfriar o Gás Produtor. Ambas as funções ocorrem pelo mesmo mecanismo, nomeadamente as reações endotérmicas de constituintes de Gás Produtor e do carbono sólido contido dentro do Biocarvão.
[0093] Conforme discutido acima, quando Gás Produtor e Biocarvão entram na Zona de Redução 40, um turbilhonamento forma-se através do degrau entre a Zona de Oxidação 30 de saída 303 e a Zona de Redução 40 mais larga. Esta turbulência na Zona de Redução 40 faz uma mistura muito melhor de Gás Produtor com Biocarvão na Zona de Redução 40 do que em outros projetos de gaseificador. Isto permite a quase completa gaseificação do carbono no leito, e maximiza o efeito de resfriamento. Em uma forma de realização, a Zona de Redução 40 do gaseificador mantém cerca de 0,6096 a 1,8288 metros (2 a 6 pés) de leito de Biocarvão acima da grelha 50.
[0094] O Gás Produtor sai dos gaseificadores de corrente descendente típicos a temperaturas em torno de 1.500° F ou superior. O Gás Produtor sai deste gaseificador a temperaturas inferiores a 1500° F. Em uma forma de realização, este sai a uma temperatura inferior a 1000° F. Além disso, a espessura do leito de Biocarvão permite que cerca de 90 a 99% do carbono combustível saia deste gaseificador como Gás Produtor, dependendo da matéria- prima.
[0095] As reações de redução que ocorrem nos gaseificadores de corrente descendente têm sido bem estudadas e são entendidas a envolver: Carbono + CO2 + Calor -> 2CO Carbono + H2O + Calor -> CO + H2 Carbono + 2H2O + Calor -> CO2 + 2H2 CO2 + H2 + Calor -> CO + H2O
[0096] A grelha 50 do gaseificador pode ser feita de aço inoxidável ou outro material adequado que seja durável, resistente ao calor e não-reativo, tal comocarboneto de sílica, óxido de sílica, óxido de alumínio,ligas de refratários ou outras cerâmicas, a grelha tendouma face superior e uma face inferior. Em uma forma derealização como mostrada nas Figuras 3 e 4, a face inferior da grelha e do eixo podem ser montadas sobre uma plataforma de elevação 80 que se move para cima e para baixo e é controlada por sistemas de controle variáveis. Como mostrado nas Figuras 3 e 4, a face superior da grelha 50 está posicionada abaixo da extremidade inferior da Zona de Redução 40. Em uma forma de realização, o Desvio é um intervalo de 0,635 a 5,080 centímetros (0,25 a 2 polegadas) entre a Zona de Redução 40 e a face superior da grelha 50. A Ranhura em Espiral
[0097] A Figura 11 mostra a grelha 50 de gaseificador que fornece suporte para todos os sólidos no gaseificador. Em uma forma de realização, a grelha 50 tem um quadro 505 e duas faces, uma facesuperior e uma face inferior.
[0098] As Figuras 11 e 12 mostram que a facesuperior da grelha 50 tem uma ranhura em espiral 501. A ranhura em espiral 501 é orientada no gaseificador de modo que faceie a Zona de Redução 40. A ranhura em espiral 501 tem um ponto de partida no centro da grelha e uma cauda continuando para fora, para a extremidade da grelha 50. Portanto, em uma forma de realização a ranhura em espiral se estende por toda a face superior da grelha. A finalidade da ranhura em espiral 501 é que ela naturalmente move oBiocarvão para fora do centro da grelha 50 para aextremidade da grelha 50, com a rotação da grelha 50 nadireção oposta à da ranhura em espiral 501. O Biocarvão segue a cauda da ranhura em espiral 501conforme a grelha 50 gira na direção oposta até que o Biocarvão é forçadoatravés do Desvio a partir da Zona de Redução 40.
[0099] Em uma forma de realização da Zona de Redução 40, carboneto de sílica, óxido de sílica, óxido de alumínio, uma liga refratária, outras cerâmicas ou qualquer outro material corrente resistente ao calor, de alta densidade, reveste as paredes da Zona de Redução 40. Este material corrente resistente ao calor, de alta densidade, atua como uma lima para moer para longe qualquer Biocarvão que é pressionado contra e arrastado ao longo da parede exterior da Zona de Redução 40 pela grelha rotativa 50. Esta combinação de ter uma ranhura em espiral 501 na grelha forçando o Biocarvão em direção e ao longo da parede revestida da Zona de Redução 40 auxilia na moagem de grandes pedaços de carvão em pedaços pequenos o suficiente para que eles escapem pelo Desvio. Um homem da técnica reconhecerá que diferentes tipos de espirais podem ser utilizados (por exemplo, de Arquimedes, logarítmica, etc.).
[0100] Em uma forma de realização, a ranhura em espiral 501 na grelha é uma ranhura 502 de Arquimedes em forma de "V", onde a extremidade externa de uma ranhura na espiral encontra extremidade interna da ranhura adjacente para formar uma borda saliente. Um objetivo da forma em "v" da ranhura é para evitar ter quaisquer ângulos de 90 °, que de outro modo criariam pontos quentes ou seções termicamente instáveis na grelha 50.
[0101] Em uma forma de realização, a grelha 50 pode ser levantada e baixada para criar um Desvio superior ou inferior, permitindo que os itens maiores que tenham entrado inadvertidamente no gaseificador e/ou materiais que não foram gaseificados serem removidos sem desligar o gaseificador (por exemplo, tijolos, pedras, etc.). Em uma forma de realização com uma ranhura em espiral 501 na grelha 50, estes corpos estranhos serão forçados em direção à parede da Zona de Redução 40, e em seguida, na grelha 50 podem ser baixados para permitir que sejam descarregados através do Desvio. Este projeto permite que o gaseificador permaneça em serviço e ainda remova objetos grandes, desgaseificados da Zona de Redução 40. A capacidade de levantar e abaixar a grelha 50 também pode ser usada sempre que a manutenção seja necessária dentro do gaseificador. Além disso, as funções do Desvio 49 para controlar o fluxo de Gás Produtor fora da Zona de Redução 40, o Desvio 49 atua semelhante a uma válvula. Por exemplo, um pequeno Desvio aumenta a resistência ao fluxo do Gás Produtor através da grelha 50 e faz a pressão aumentar no gaseificador.
[0102] As Figuras 13 e 14, mostram a grelha montada. As Figuras 15 e 16 mostram os segmentos em "fatia de torta" da grelha 502. As Figuras 13 e 14 mostram uma perspectiva e uma vista frontal de uma grelha montada tendo orifícios elípticos 503. Em uma forma de realização os orifícios elípticos 503, tais como em forma de rim, ou em forma de furos ovais, são distribuídos simetricamente através da grelha 50 (exceto que não há orifícios no centro da grelha acima do eixo mecânico que levanta e gira a grelha). O objetivo dos orifícios 503 é permitir tanto o Biocarvão quanto o Gás Produtor passarem para baixo através da grelha na calha de coleta de Biocarvão 60. Segmentos de Fatia de Torta na Grelha
[0103] Em uma forma de realização, os segmentos em "fatia de torta" 502, 504, assentados em um quadro 505 da grelha 50. A grelha é formada quando cada um dos segmentos 504 é inserido dentro do quadro 505. Esta forma de realização permite a substituição de um segmento 504, em vez de toda a grelha 50, no caso de que parte da grelha 50 fique danificada, e também permite que o gaseificador seja equipado com segmentos personalizados 504 projetados para tipos particulares de matéria-prima.
[0104] A Figura 15 mostra uma vista em perspectiva do segmento removível da grelha. Em uma forma de realização, a grelha 50 também tem uma ranhura em espiral 501 cortada como um "V" 502 e elíptica, orifícios em forma de rim ou ovais 503 cortados através da ranhura em espiral 501. A Figura 16 mostra uma vista de topo de um segmento removível da grelha.
[0105] O eixo que suporta e roda a grelha 50pode ser formado por uma ou mais peças, dependendo do tamanho da grelha 50. A velocidade de rotação da grelha 50 pode ser calibrada por um Sistema de Controle, mas geralmente varia de 0,0001 RPM a 1 RPM, dependendo dos componentes não-voláteis da matéria-prima e da taxa de produção de Gás Produtor. Uma vez que a Banda de Oxidação 350 efetivamente corre no topo do leito de Biocarvão na Zona de Redução 40, se o leito de Biocarvão na Zona de Redução 40 fica muito espesso, a Banda de Oxidação 350 irá subir para a Zona de Pirólise 20. Usando termopares ou outros sensores para monitorar a localização da Banda de Oxidação 350, o Sistema de Controle do Gaseificador, discutido a seguir, pode ser programado para acelerar a rotação da grelha 50 e remover Biocarvão a uma taxa mais elevada, o que reduz a altura do leito de Biocarvão e abaixa a Banda de Oxidação 350 de volta para locais apropriados. Por outro lado, o Sistema de Controle do gaseificador pode desacelerar a grelha 50, se o leito do Biocarvão se tornar muito raso e, consequentemente, a Banda de Oxidação 350 move-se para muito perto da grelha. Calha de Coleta de Carvão
[0106] Como mostrado nas Figuras 1, 2, 5 e 6, abaixo do gaseificador está uma calha de coleta de Biocarvão 60, que pode ser feita de aço, de aço inoxidável ou outro material forte, termicamente estável, não-poroso. Quando o Biocarvão sai pelo fundo ou pelos lados da grelha 50, cai para baixo na calha de coleta de Biocarvão 60 abaixo do gaseificador. A calha de coleta de Biocarvão 60 é disposta em um ângulo a partir da direção do fluxo de Biocarvão na Faixa de Fluxo do Gaseificador 203. Em uma forma de realização, o ângulo é inferior a 90°, medido a partir da direção de fluxo de Biocarvão na Faixa de Fluxo do Gaseificador 203. Em uma forma de realização, o ângulo é de 45° a 80°, medidos a partir da direção de fluxo Biocarvão na Faixa de Fluxo do Gaseificador 203. Em uma forma de realização, pelo menos duas calhas de coleta de Biocarvão 60 estão dispostas simetricamente em relação ao eixo central do gaseificador.
[0107] Como mostrado nas Figuras 1, 2, 5 e 6, dois ou mais respiros de coleta 70 de Gás Produtor estão posicionados dentro da calha de coleta Biocarvão 60 simetricamente em torno do eixo da grelha 50. A abertura para o respiro 70 de coleta de Gás Produtor fica voltada para baixo para o Biocarvão não cair diretamente dentro delas quando o Biocarvão cai da Grelha 50. Quando o Gás Produtor e Biocarvão caem na calha de coleta 60 de Biocarvão, o Biocarvão se separa do Gás Produtor pela gravidade, e o Gás Produtor sai através do respiro de coleta 70 de Gás Produtor.
[0108] Como mostrado na Figura 6, as caixas de resíduos 90 de Biocarvão estão na parte inferior das calhas de coleta 60 de Biocarvão. O Biocarvão cai para baixo de uma calha de coleta Biocarvão 60 dentro de uma caixa de resíduo 90 de Biocarvão.
[0109] A caixa de resíduo Biocarvão tem um eixo helicoidal 91 em estilo tubular, chamado de "Eixo Helicoidal de Resíduo. O Eixo Helicoidal de Resíduo 91 move o Biocarvão numa válvula compacta 92 que é aparafusada à extremidade transversal de um trecho de tubo, que está aparafusado ao Eixo Helicoidal de Resíduo 91. Em uma forma de realização, a válvula compacta 92 é uma válvula de esfera padrão, de 8" ou 10”, atuada por ar em que a esfera é selada em uma extremidade. Quando está na posição "para cima", a esfera forma uma “caçamba”. O Eixo Helicoidal de Resíduo 91 é controlado pelo Sistema de Controle do gaseificador de modo que, enquanto a válvula compacta 92 está na posição para cima, o Eixo Helicoidal de Resíduo 91 deposita Biocarvão na válvula compacta 92. Quando o Sistema de Controle para este processo, o Eixo Helicoidal de Resíduo 91 para e a válvula compacta 92 gira para a posição "para baixo", despejando seu conteúdo em uma caixa de coleta externa ou algum outro sistema de remoção secundário. Devido a esfera na válvula compacta 92 estar fechada em uma extremidade, a válvula compacta 92 permanece selada o tempo todo e impede que o Gás Produtor vaze para fora da Caixa de Resíduo Biocarvão 90. Uma pequena quantidade de Gás Produtor escapa, mas pode ser ventilado com segurança por um tubo de respiro de ponto alto ou retirado por bomba de vácuo.
[0110] O gaseificador pode gaseificar uma variedade muito ampla de matéria-prima. Para determinar se uma determinada matéria-prima ou mistura de materiais irão gaseificar eficazmente, a matéria-prima deve ser suficientemente porosa para permitir o fluxo oxidante fluir através dela, ter uma densidade calórica adequada (btu/pé3), ter uma densidade aparente adequada e uma composição química adequada. Um homem da técnica poderá reconhecer uma matéria-prima adequada. Em uma forma de realização do gaseificador, uma matéria-prima adequada pode ser: (1) 25% ou mais de teor de oxigênio quimicamente ligado (base molecular), (2) 10% ou menos de teor de cinzas, (3) 30% ou menos de teor de humidade, e (4) densidade aparente superior a 15 lb/pé3. Existe alguma interação entre essas variáveis.
[0111] Todas as formas de biomassa contêm a estrutura química básica de CxHyOz. Esta estrutura molecular é inerentemente instável a temperaturas elevadas e irá desagregar facilmente quando aquecida. Este é o condutor fundamental de todos os tipos de gaseificadores de biomassa. Esta desagregação molecular é altamente exotérmica e produz o calor necessário para sustentar a separação da biomassa. Portanto, praticamente todas as formas de biomassa são matérias-primas adequadas para o gaseificador, desde que atendam aos requisitos de densidade e porosidade.
[0112] Na partida, o gaseificador é preenchido com matéria-prima até o meio da Zona de Oxidação 30. Uma camada de carvão quente (em uma forma de realização de uma camada de apenas algumas polegadas de altura) é adicionado na parte superior da matéria-prima através da parte superior da zona de pirólise 20 ou Zona de Secagem 10 (se aplicável). O gaseificador é então preenchido com matéria- prima até o Indicador de Nível de Enchimento do gaseificador e o Sistema de Controle do gaseificador é iniciado.
[0113] Durante as próximas horas, o gaseificador começará a aquecer, e um gradiente térmico vai começar a se formar. Algum gás de baixa qualidade será produzido quase imediatamente e produção de Gás Produtor irá gradualmente aumentar e melhorar à medida que o gaseificador esquenta.
[0114] Se o gaseificador é operado por um período de tempo adequado, o revestimento interior do gaseificador ficará saturado com calor e o gaseificador pode ser reiniciado sem carvão quente adicional, mesmo após várias horas de tempo de inatividade. Isto é referido como uma "partida a quente". Em muitos casos, o gaseificador pode ser desligado por mais de 2 a 3 dias e ainda reter calor interno suficiente para uma partida a quente simplesmente reiniciando as Correntes Oxidantes. O fluxo de Gás Produtor do gaseificador para quando as Correntes Oxidantes param.
[0115] Otimizar a operação do gaseificador requer ajustes precisos em tempo real para controlar a localização da Banda de Oxidação 350. Por exemplo, se um dispositivo mecânico for inserido na Banda de Oxidação 350 para ajustar a velocidade dos materiais que saem ou entram, a temperatura de 3000° F (aproximadamente) na Banda de Oxidação 350 destruiria o dispositivo mecânico. Portanto, uma grelha 50 é usada para controlar a remoção de Biocarvão do gaseificador que pode ser colocado adjacente à Zona de Redução 40 muito mais fria. As alterações na altura do leito de Biocarvão causada pelo aumento da taxa de remoção de Biocarvão da Zona de Redução 40 induzem algumas alterações necessárias para ajustar a posição vertical da Banda de Oxidação 350. As variáveis mencionadas abaixo podem ser ajustadas para induzir alterações na Banda de Oxidação 350.
[0116] Vários métodos e sistemas podem ser utilizados como parte do sistema de controle global para induzir mudanças e para controlar a Banda de Oxidação 350. O Sistema de Controle utiliza vários algoritmos para monitorar e ajustar o gaseificador. O Sistema de Controle pode incluir subsistemas capazes de ajustes em tempo real e responsáveis por outros métodos que só podem ser ajustados enquanto o gaseificador estiver desligado. Ajustes enquanto o gaseificador está desligado podem incluir: (1) ajustar o tamanho físico e altura da Zona de Secagem 10 (ou removê- la); (2) ajustar o tamanho dos orifícios 503 na grelha 50 (em uma forma de realização, através da substituição de seus segmentos intercambiáveis 504). O sistema de controle pode incluir subsistemas para implementar ajustes em tempo real durante a operação do gaseificador relacionados com: (a) o tipo de matéria-prima que entra no gaseificador; (b) a taxa de matéria-prima que entra no gaseificador; (c) o nível de enchimento de matéria-prima na Zona de Secagem 10, se aplicável; (d) a temperatura da Zona de Secagem 10, se aplicável; (e) o volume, velocidade e pressão da Corrente Oxidante fornecidos através das entradas na parte superior da Zona de Pirólise 20 (ou Zona de Secagem 10, se aplicável); (f) o volume, velocidade e pressão da Corrente Oxidante fornecidos através dos anéis das Entradas de Ar Plano 31, 32; (g) a pressão global do gaseificador; (h) a pressão diferencial entre as várias zonas do gaseificador;(i) a localização da Banda de Oxidação 350 no gaseificador; (j) ajuste da velocidade de rotação da grelha 50; (k) a posição vertical da grelha 50 (isto é, ajuste da altura do Desvio); (l) a espessura do leito de Biocarvão na Zona de Redução 40; (m) testes e amostragem dos componentes constituintes do Gás Produtor saindo do gaseificador; (n) a temperatura do Gás Produtor saindo do gaseificador; e (o) a pressão no respiro de coleta de Gás Produtor e a pressão do Gás Produtor deixando o gaseificador (os exemplos acima, sendo "variáveis").
[0117] Em uma forma de realização do gaseificador, o Sistema de Controle pode gradualmente aumentar ou diminuir uma Variável ou iniciar ou parar totalmente quaisquer alterações da Variável. Por exemplo, o Sistema de Controle pode precisar diminuir um pouco a velocidade de rotação da grelha 50 em um tempo e, em seguida, pará-la completamente em outro ponto. Tal como um homem da técnica reconhecerá, motores elétricos e acionadores operam em dois modos gerais alguns são acionadores de velocidade fixa e outros são acionadores de variadores de frequência (velocidade) ("VFDs"). Em uma forma de realização do gaseificador, um VFD é, por conseguinte, ligado a um temporizador liga/desliga e usado para controlar a velocidade de rotação da grelha 50. Ao iniciar e parar o VFD, o Sistema de Controle pode simular uma rotação lenta da grelha 50, enquanto mantem torque suficiente a partir do VFD para rodar a grelha 50.
[0118] Em outras aplicações, tais como o sistema de controle de Corrente Oxidante, em que um torque mais elevado não é requerido, o VFD pode ser utilizado sem um temporizador de liga/desliga.
[0119] O sistema de controle ajusta a velocidade de rotação da grelha 50 para ajustar muitas das Variáveis, incluindo a pressão diferencial entre a Zona de Oxidação 30 e a Zona de Redução 40. Um exemplo desta última é que a diferença de pressão da zona de redução pode ser mantida simplesmente ao controlar o ajuste da RPM da grelha 50.
[0120] A taxa na qual o Biocarvão sai do gaseificador também controla a pressão diferencial vertical através do gaseificador, (a espessura do leito de Biocarvão em parte determina a pressão do gaseificador porque o Biocarvão forma um pseudo-selo no fundo do gaseificador). A pressão diferencial vertical atravessa o gaseificador, a partir da parte superior da Zona de Secagem 10 até o fundo da grelha 50 é, portanto, controlada, em parte, simplesmente aumentando ou diminuindo a velocidade de rotação da grelha 50, que ejeta Biocarvão da Zona de Redução 40. Descrito de outro modo, se o Biocarvão não é ejetado rápido suficiente para fora do gaseificador este acumula na Zona de Redução 40 e o volume restante diminuído aumenta a pressão do Gás Produtor na Zona de Redução 40 e na Zona de Oxidação 30. Em uma forma de realização, a pressão diferencial vertical do gaseificador é controlada pela altura do Desvio; tanto é o aumento da altura do Desvio (isto é, através do abaixamento da grelha 50) quanto maior o fluxo de Gás Produtor e Biocarvão no gaseificador.
[0121] A taxa de geração de Gás Produtor é proporcional à concentração de Oxigênio nas Correntes Oxidantes e à taxa de fluxo das Correntes Oxidantes sendo introduzidas no gaseificador. O Sistema de Controle mede e regula as Correntes Oxidantes utilizando métodos padrão conhecidos na arte.
[0122] A Figura 17 mostra uma vista lateral em corte de um gaseificador com setas que descrevem o processo de gaseificação. Três tipos de Correntes Oxidantes entram no gaseificador através de três pontos de entrada, correspondentes separados: Correntes Oxidante de Purga, Correntes Oxidante de Leito e Correntes Oxidante de Plano. A Corrente Oxidante de Purga é a Corrente Oxidante que é introduzida na matéria-prima e entra no gaseificador com a matéria-prima através do Bloqueio de Pressão. A Corrente Oxidante de Purga também impede que os gases de alcatrão fluam de volta para o Bloqueio de Pressão. O Leito de Corrente Oxidante entra no gaseificador através de entradas 11 situadas na parte superior do gaseificador. As Correntes Oxidante de Plano entram no gaseificador através das Entradas de Ar Plano 31, 32 localizadas em anéis em torno do perímetro da Zona de Oxidação 30. O Sistema de Controle monitora e ajusta cada uma dessas Correntes Oxidantes para controlar a quantidade total de Oxigênio em cada zona do gaseificador e a taxa de Gás Produtor que está sendo gerado. O Sistema de Controle pode ajustar o volume e velocidade desta Corrente de Oxidante para ajustar às matérias-primas que tenham diferentes teores de umidade, densidades de massa, ou até mesmo devido a mudanças no valor BTU de uma matéria-prima. O sistema de controle permite que as alterações sejam feitas enquanto o gaseificador está em operação, de modo que ele não necessita ser desligado ou ser reconfigurado.
[0123] Quanto mais oxigênio é alimentado no gaseificador mais rapidamente a matéria-prima é gaseificada na Zona de Oxidação. Quanto mais rápida for a reação, mais Biocarvão é produzido e acumulado na Zona de Redução 40.
[0124] A implementação de um Sistema deControle para o controle variável da grelha 50 e da Corrente Oxidante no gaseificador também garante a consistência e a qualidade do Gás Produtor.
[0125] Existem vários métodos diferentes redundantes de controle utilizados no gaseificador, e mais funções como um meio pelo qual um controle mais preciso pode ser conseguido ao longo do processo. Em uma forma de realização, um método de controle eficaz é para controlar o gradiente térmico, ou perfil, como indicado pelas temperaturas de cada zona. Estas temperaturas são obtidas por meio de termopares incorporados no interior da parede revestida do gaseificador. Este gradiente de temperatura, ou perfil, é um muito bom indicador de onde cada zona está e em que direção está se movendo dentro do gaseificador. Em uma forma de realização, o Sistema de Controle utiliza esta informação para mudar o balanço da Corrente Oxidante em qualquer zona determinada ou para mudar fisicamente a altura do leito de Biocarvão na Zona de Redução 40 por meio da rotação da grelha 50 e do desvio para ajudar a manter e/ou sustentar cada zona acima dela.
[0126] Uma forma de realização melhora a consistência do Gás Produtor pelo revestimento de todo o gaseificador com carboneto de sílica, óxido de sílica, óxido de alumínio, liga de refratário, outras cerâmicas ou outro material que seja estável a temperaturas elevadas. Este revestimento ajuda a distribuir e conduzir de forma uniforme o calor para fora da Banda de Oxidação 350 e permite o uso de termopares, enquanto os protege das reações que ocorrem no interior do gaseificador.
[0127] O Sistema de Controle pode usar todos os métodos diferentes e combinar ditos métodos em um controlador algorítmico. Este último não só permite redundância em todo o Sistema de Controle, mas também garante maior confiabilidade e eficiência. Ele, além disso, assegura que o Gás Produtor seja de qualidade elevada e constante.
[0128] A aplicação e método de gaseificação acima descritos também proporcionam um meio eficaz de controlar a altura da Zona de Redução 40. Um problema em outros gaseificadores é que a Banda de Oxidação 350 é limitada a uma localização dentro do gaseificador, e movê- lo perturba substancialmente a função do processo ou destrói o gaseificador. Em uma forma de realização do presente gaseificador, a Banda de Oxidação 350 pode mover- se para cima na Zona de Pirólise 20 ou para baixo na Zona de Redução 40 e ainda ser controlada e/ou mantida por meio de onde o Sistema de Controle permite a Corrente Oxidante ser posicionada e a quantidade de Biocarvão ser removida. A quebra da altura da matéria-prima, ou a pressão diferencial através do gaseificador pode, por conseguinte, ser controlada por meio da rotação da grelha 50 sem o risco de colapso da Banda de Oxidação 350.
[0129] Durante a operação, o gaseificador criará Gás Produtor tendo uma densidade calorífica de 125 a 145 btu/pé3. Esta qualidade de Gás Produtor continuará a ser produzido por tanto tempo quanto suficiente Corrente Oxidante e matéria-prima adequadas sejam disponibilizadas para o gaseificador. Em uma forma de realização, o gaseificador converte entre 12 e 120 toneladas de matéria- prima por dia.
[0130] É claro que, enquanto este gaseificador é bem diferente no projeto de outros gaseificadores, também melhora substancialmente a produção e qualidade do Gás Produtor, bem como a eficiência global do processo em relação a outros gaseificadores de corrente descendente no mercado atual.
[0131] Todas as referências, incluindo as publicações, pedidos de patentes e patentes aqui citadas, são por este meio incorporadas por referência na mesma extensão como se cada referência fosse indicada individualmente e especificamente para ser incorporada por referência e foram apresentados na sua totalidade neste documento.
[0132] O uso dos termos "um" e "uma" e "o" e referências similares no contexto da descrição da presente invenção (especialmente no contexto das seguintes reivindicações) devem ser interpretados para cobrir tanto o singular como o plural, exceto quando indicado em contrário ou claramente contradito pelo contexto. Os termos "compreendendo", "tendo", "incluindo", e "contendo" devem ser interpretados como termos abertos (isto é, "incluindo, mas não limitado a,") salvo indicação em contrário. Recitação de faixas de valores aqui se destinam apenas a servir como um método de abreviação referindo individualmente para cada valor separado que cai dentro da faixa, a menos que de outro modo aqui indicado, e cada valor separado incorporado na especificação como se fosse aqui descrito individualmente. Todos os métodos aqui descritos podem ser realizados em qualquer ordem adequada, a menos que indicado aqui de outro modo ou claramente contradito de outro modo pelo contexto. O uso de qualquer e todos os exemplos, ou linguagem exemplar (por exemplo, "tal como") aqui proporcionados, pretende apenas esclarecer melhor a invenção e não constitui uma limitação do âmbito da invenção (isto é, "tais como, mas não se limitando a, "), a menos que reivindicado de outro modo. Nenhuma linguagem na especificação deve ser interpretada como indicando qualquer elemento não reivindicado como essencial para a prática da presente invenção.
[0133] As formas de realização preferidas da presente invenção são aqui descritas. Variações destas formas de realização preferidas podem tornar-se evidentes para os homens da técnica após a leitura da descrição anterior. Os inventores esperam que os homens da técnica irão empregar tais variações, como apropriado, e os inventores pretendem que a presente invenção seja praticada diferente da que especificamente aqui descrita. Assim, a presente invenção inclui todas as modificações e equivalentes do assunto citado nas reivindicações anexas, conforme permitido pela lei aplicável. Além disso, qualquer combinação dos elementos acima descritos em todas as variações possíveis deste documento é englobada pela presente invenção a menos que indicado aqui de outro modo ou claramente contradito de outro modo pelo contexto.
[0134] Embora a descrição acima estabeleça os princípios da presente invenção, com os exemplos fornecidos apenas para ilustração, deve-se perceber que o uso da presente invenção inclui todas as variações usuais, adaptações e/ou modificações, dentro do escopo das reivindicações em anexo, assim como os seus equivalentes. Os homens da técnica irão apreciar que a partir do exposto várias adaptações e modificações das formas de realização descritas podem ser configuradas sem se afastar do escopo e espírito da presente invenção. Por conseguinte, é para ser entendido que, dentro do escopo das reivindicações anexas, a presente invenção pode ser praticada de outra forma daquela especificamente descrita aqui.
Claims (14)
1. GASEIFICADOR caracterizado pelo fato de compreender: uma pluralidade de tubos unidos e posicionados verticalmente tendo uma parede interior, uma parede exterior, uma extremidade próxima e uma extremidade afastada, caracterizado pelo fato de que a extremidade próxima fornece uma entrada e a extremidade afastada fornece uma saída; pelo menos três zonas de reação contíguas compreendendo uma zona de pirólise (20) inclinada em direção a uma convergência central, seguida por uma zona de oxidação (30) em que o tubo correspondente à zona de oxidação (30) é dilatado no meio, seguido por uma zona de redução (40) em que a parede interior do tubo correspondente à zona de redução (40) tem um diâmetro maior do que o tubo correspondente à zona de oxidação (30), formando um degrau entre a zona de oxidação (30) e a zona de redução (40); pelo menos dois anéis de entrada de ar pressurizado (31, 32) situados dentro da zona de oxidação (30) para injetar uma corrente oxidante, em que pelo menos um dos pelo menos dois anéis de entradas de ar pressurizado (31, 32) está localizado em torno da parte dilatada média do tubo correspondente à zona de oxidação (30), em que o gaseificador é configurado para ser controlado por um sistema de controle, o sistema de controle configurado para ajustar o volume, velocidade e pressão da corrente oxidante injetada através dos pelo menos dois anéis das entradas de ar pressurizado (31, 32); e uma grelha (50) rotativa e verticalmente ajustável posicionada abaixo, mas não ligada a zona de redução (40); em que o gaseificador é um gaseificador de núcleo parcialmente aberto de corrente descendente utilizado para a gaseificação de matérias-primas.
2. GASEIFICADOR de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda entradas de ar, em que uma corrente de leito oxidante entra no gaseificador através das entradas de ar e uma corrente oxidante de purga entra no gaseificador com a matéria-prima.
3. GASEIFICADOR de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parte dilatada do tubo na zona de oxidação (30) é um degrau Kline-Fogleman.
4. GASEIFICADOR de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a grelha (50) é durável, resistente ao calor e não reativa, e a grelha (50) tem uma face superior e uma face inferior, e a face superior da grelha (50) não tem ângulos retos em relação aos tubos do gaseificador posicionados verticalmente, e a face superior da grelha (50) compreende ainda um padrão que é uma ranhura em espiral (501) que começa no centro da grelha (50) e se estende por toda a face superior da grelha.
5. GASEIFICADOR de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a grelha (50) tem ainda uma face superior e uma face inferior, a face inferior da grelha (50) é um quadro (505) e a face superior da grelha (50) compreende uma pluralidade de segmentos (502) substituíveis assentados no quadro (505).
6. GASEIFICADOR de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda: um desvio (49) entre a zona de redução (40) e a grelha (50); e orifícios (503) distribuídos simetricamente através da grelha (50), em que o biocarvão cai a partir da extremidade afastada do gaseificador através da grelha (50).
7. GASEIFICADOR de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda: um leito de biocarvão na zona de redução (40) logo acima da grelha (50) durante o uso do gaseificador, em que a matéria-prima e o leito de biocarvão são mantidos no interior do gaseificador pela grelha (50).
8. MÉTODO DE GASEIFICAÇÃO DE MATÉRIAS-PRIMAS caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: encher um gaseificador com matéria-prima; dito gaseificador compreendendo uma pluralidade de tubos unidos e posicionados verticalmente tendo uma parede interior, uma parede exterior, uma extremidade próxima e uma extremidade afastada, em que a extremidade próxima proporciona uma entrada e a extremidade afastada proporciona uma saída, uma zona de pirólise (20), uma zona de oxidação (30) e uma zona de redução (40); onde o tubo correspondente à zona de oxidação (30) é dilatado no meio, seguido por uma zona de redução (40) em que a parede interior do tubo correspondente à zona de redução (40) tem um diâmetro maior do que o tubo correspondente à da zona de oxidação (30), formando um degrau entre a zona de oxidação (30) e a zona de redução (40); acender a matéria-prima para criar uma banda de oxidação; injetar correntes oxidantes na zona de oxidação (30) usando pelo menos dois anéis de entradas de ar pressurizado (31, 32); em que pelo menos um dos pelo menos dois anéis de entradas de ar pressurizado (31, 32) está localizado em torno da parte dilatada média do tubo correspondente à zona de oxidação (30), e em que o gaseificador é controlado por um sistema de controle configurado para ajustar o volume, velocidade e pressão da corrente oxidante injetada através dos pelo menos dois anéis das entradas de ar pressurizado (31, 32); mover matéria-prima sequencialmente através da zona de pirólise (20), onde a matéria-prima começa a fluidizar e decompor, seguida de uma zona de oxidação (30) onde a matéria-prima muda para gás produtor e, em seguida, uma zona de redução (40), onde o gás produtor mistura com biocarvão para esfriar e formar gás produtor adicional; reter matéria-prima e um leito de biocarvão no interior do gaseificador usando uma grelha (50) ajustável rotativa e verticalmente posicionada abaixo da zona de redução (40); remover biocarvão e gás produtor através de um desvio (49) e orifícios (503) na grelha (50); e reabastecer o gaseificador com matéria-prima.
9. MÉTODO de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender ainda injetar ar para dentro do gaseificador por entradas de ar, em que uma corrente de leito oxidante entra no gaseificador através de entradas de ar e uma corrente oxidante de purga entra no gaseificador com a matéria-prima.
10. MÉTODO de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender ainda simular um gaseificador de garganta e forno formado através da utilização do gaseificador, um gradiente de matéria-prima induzida acima da banda de oxidação e um gradiente de biocarvão arrastado abaixo da banda de oxidação.
11. MÉTODO de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos pelo menos dois anéis de entradas de ar pressurizado (31, 32) está posicionado acima das entradas de ar pressurizado localizado em torno da parte dilatada do tubo correspondente à zona de oxidação (30), para permitir correntes oxidantes adicionais serem injetadas na matéria-prima.
12. MÉTODO de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender ainda misturar gás produtor e biocarvão na zona de redução (40) em que a mistura é conseguida por formação de turbilhonamento na zona de redução (40), e remover materiais que não tenham gaseificado durante a operação do gaseificador por meio de um desvio (49).
13. MÉTODO de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a grelha (50) tem uma face superior e uma face inferior, a face superior tendo um centro e não há ângulos retos em relação aos tubos do gaseificador posicionados verticalmente, e ainda em que a grelha (50) tem um padrão de uma ranhura em espiral (501) que começa no centro da face superior da grelha (50) e se estende por toda a face superior da grelha (50), e em que o método compreende rodar a grelha (50) no sentido oposto ao da ranhura em espiral (501).
14. MÉTODO de reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender ainda monitorar e ajustar variáveis do gaseificador utilizando um sistema de controle e sensores, e por compreender ainda: reter a banda de oxidação em qualquer localização desejada dentro do gaseificador por meio do sistema de controle para ajustar a taxa de remoção de biocarvão da grelha (50), a taxa e a relação de uma corrente de leito oxidante, uma corrente oxidante de purga e as correntes oxidantes pressurizadas; e ajustar uma pressão diferencial vertical através do gaseificador pela velocidade de rotação da grelha (50), para controlar a taxa de biocarvão que é expelido a partir da zona de redução (40).
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