BR112020011060A2

BR112020011060A2 - método para a produção de gás de síntese

Info

Publication number: BR112020011060A2
Application number: BR112020011060-4A
Authority: BR
Inventors: Christian Dreiser; Olaf Wachsen; Oliver Lade; Stefan Brand; Georgios Stefanidis
Original assignee: Clariant International Ltd.
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-11-17
Also published as: EP3498665B1; JP2021507032A; PL3498665T3; ES2824506T3; US20210087481A1; CN111491889A; EP3498665A1; WO2019121312A1

Abstract

A presente invenção refere-se à descrição de um processo para a produção de gás de síntese, através da gaseificação de plasma do material que contém carbono sólido e/ou líquido, ou contendo hidrocarboneto, compreendendo as etapas de: (i) fornecer uma matéria prima alimentícia sólida e/ou líquida, compreendendo um material que contém carbono ou hidrocarboneto particulados, ou uma mistura de ambos, (ii) fornecer um gás de transportador e combinar este com a matéria prima alimentícia sólida e/ou líquida, (iii) alimentar a dita matéria prima alimentícia sólida e/ou líquida e o dito gás de transportador, como um fluxo de alimentação, em um reator compreendendo uma câmara de reação, ou em um vaporizador que é disposto à montante para o dito reator, (iv) introduzir um gás em redemoinho no reator, que gira em torno do fluxo de alimentação, e cobre as paredes do interior do reator, (v) tratar o dito fluxo de alimentação à jusante da introdução do gás em redemoinho no reator com um plasma quente, a fim de gerar um fluxo do produto, compreendendo gás de síntese do dito material contendo carbono ou hidrocarboneto, na câmara de reação, (vi) remover o fluxo do produto da câmara de reação, e (vii) separar os ingredientes sólidos dos ingredientes gasosos do fluxo do produto.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTO- DO PARA A PRODUÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE".

[0001] A presente invenção refere-se à um método para a produ- ção de gás de síntese. Em particular, a presente invenção é dirigida para um método de produção de gás de síntese, usando um plasma aquecido, tal como um plasma de micro-ondas, gaseificação de sólido ou resíduo líquido, incluindo biomassa.

[0002] A gaseificação é comumente definida como a conversão termoquímica de materiais baseados em carbono sólido ou líquido, em um produto de combustível gasoso. As tecnologias de gaseificação estabelecidas, tais como leito fixo soprado por ar ou oxigênio, leito flui- dizado, ou gaseificadores de fluxo retido, são operadas em uma varia- ção de 800ºC a 1400ºC, e usam um agente de gaseificação para a conversão. O produto, comumente conhecido como gás de síntese, contem monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2), como também impurezas, tais como breu, compostos orgânicos voláteis ou semi- voláteis, enxofre, amônia, óxidos de nitrogênio, óxidos de enxofre, clo- reto de hidrogênio e cinzas. Níveis altos de impurezas exigem limpeza a gás sintético de custo intenso, para o processamento adicional. Tec- nologias de gaseificação comuns, são dedicadas à distribuição de es- pécies de material e tamanho de partícula estreito, como também bai- xo teor de umidade, aumentando os custos de pré-tratamento e a complexidade. Além disso, a operação em temperaturas altas requer um combustor (queimador), combustível, tubos, e outras instalações. O pré-aquecimento requerido de gaseificadores comuns, resulta em tempos de dar partida significativos, e para esse fim são eficientes somente quando operados constantemente, durante um período a lon- go prazo.

[0003] Uma alternativa é a gaseificação por meio de plasma, que é gerado por uma fonte de energia externa. Plasma, como gás altamen-

te ionizado, contém um número significativo de partículas eletricamen- te carregadas, e é classificado como o quarto estado da matéria. Co- mo o plasma contém um número igual de cargas positiva e negativa livres, ele é eletricamente neutro.

[0004] Os processos de plasma podem ser largamente classifica- dos em processos de plasma térmico e quente. O plasma térmico e os plasmas de tocha de arco, são operados em temperatura muito alta, ou requerem o uso de eletrodos com um prazo de validade limitado, aumentando os requisitos de material e de intervalos de manutenção (WO 2012/39751 A2, US 2010/0199557 A1).

[0005] Sistemas de plasma aquecido, tais como plasma de micro- ondas, podem estar longe do equilíbrio termodinâmico, por fornecerem concentrações extremamente altas de espécies quimicamente ativas, em temperaturas simultâneas de volume baixo. Outras vantagens do plasma de micro-ondas, são a operação sem eletrodos ou combustí- veis adicionais, e uma conversão em uma atmosfera de baixo teor de oxigênio (EP 2 163 597 A1).

[0006] Tecnologias de gaseificação comuns convertem matérias primas de fóssil, tal como carvão, para gás de síntese. A incineração de resíduo perigoso, para a redução de massa ou destruição de pató- genos, e toxinas antes do aterro, é comumente conhecida incluindo a aplicação de plasma (CN 204824145 U, WO 2011/14118 A2). O resí- duo para os conceitos de energia, usa a energia térmica do processo de conversão, como aquecer ou converter os combustíveis para eletri- cidade, em uma usina elétrica. Entretanto, em relação à situação glo- bal de troca de matéria prima, o interesse no uso de novas fontes de material e energia, como alternativa para materiais fósseis, está au- mentando. O uso principal de biomassa, como a energia neutra de CO;>, através da combustão para energia e aquecimento, como tam- bém a conversão para combustíveis bio-baseados, tais como biodi-

esel, são ativamente conduzidos. Um método para usar biomassa ou resíduo, a fim de produzir produtos de conversão, tais como gás de síntese para produtos de valor adicionado, é ainda desafiador por cau- sa dos inconvenientes mencionados acima, das tecnologias de gasei- ficação e as variações na qualidade da matéria prima bio-baseada, como a necessidade de uma fonte adicional de hidrogênio, requerida para os processos de conversão a seguir.

[0007] Em processos de biocombustível existentes, uma grande quantidade de biomassa, que consiste principalmente de lignina, é di- fícil de se tornar convertida em combustível, e é usada, por exemplo, termicamente por secagem intensiva, antes da combustão. Uma con- versão de valor adicionado, através da gaseificação para gás de sínte- se, e potencialmente, conversão adicional para combustível ou eletri- cidade, seria benéfica para o desempenho total de tais usinas de bio- combustível.

[0008] Diversos métodos e dispositivos, para a conversão catalíti- ca de materiais de plasma, já são conhecidos.

[0009] WO 2015/051893 A1 descreve tal método e dispositivo para conversão de extratos contendo hidrocarboneto, tais como hidrocarbo- netos gasosos ou líquidos, por meio de um plasma em materiais de base química.

[0010] WO 2016/040969 A1 descreve um método e um dispositivo para a produção de gás de síntese, a partir de material de resíduo con- tendo carbono, por exemplo, do dito material de resíduo orgânico sóli- do. Neste método, o dito material de resíduo é introduzido em uma câmara de reação, e é submetido à pirólise térmica. O gás de síntese e os materiais residuais sólidos, são descarregados da câmara de rea- ção, e ainda processados submetendo estes ao tratamento de plasma.

[0011] EP 2 915 869A1 descreve um gaseificador de fluxo retido, usando temperaturas de um plasma integrado abaixo de 3500ºC, no compartimento de gaseificação. Este sistema pode ser usado para ma- teriais de processo sólido ou líquido, tais como serragem, e para con- verter este material em gás de síntese.

[0012] DE 10 2011 051 906 A1 descreve um método e um disposi- tivo, para a gaseificação de carvão ou de materiais sólidos contendo carbono, junto com vapor de água e dióxido de carbono. Este método compreende a introdução de vapor de água e dióxido de carbono, em um reator de gaseificação, a introdução do material particulado sólido no dito reator, e a formação de um leito fluidizado desses materiais, e tratando os ditos materiais no dito reator com um plasma rotativo.

[0013] EP 1419 220 B1 descreve uma pirólise de plasma e vitrifi- cação de material orgânico, tal como material de resíduo sólido de fon- tes diferentes. O reator compreende um leito de catalisador de carbo- no, que é aquecido por meio de um plasma, que é gerado por diversos geradores de arco de plasma, os quais são dispostos em um círculo, em tono do tal leito de catalisador de carbono.

[0014] Embora esses métodos e dispositivos conhecidos possibili- tem a geração do gás de síntese do material de resíduo, existe ainda a necessidade de uma tecnologia de gaseificação altamente eficiente, que seja flexível para a qualidade e quantidade, tamanho de partícula e teor de umidificação da matéria prima alimentícia.

[0015] Por conseguinte, um método para a conversão flexível do material de resíduo em gás de síntese, preferivelmente de biomassa em gás de síntese, através de gaseificação de plasma, é desejado.

[0016] Além disso, um método de conversão de material de resí- duo em gás de síntese, que é fácil de implementar e usa reatores prontamente disponíveis, é desejado.

[0017] A presente invenção refere-se a um processo para a produ- ção de gás de síntese, através da gaseificação de plasma de material, contendo carbono líquido ou contendo hidrocarbono, que compreende as etapas de: fornecer uma matéria prima alimentícia sólida e/ou liquida, compreendendo material particulado ou contendo hidrocarboneto, ou uma mistura de ambos, fornecer um gás de transportador e combinando este com a matéria prima alimentícia sólida ou líquida, alimentar a dita matéria prima alimentícia sólida ou líquida, e o dito gás de transportador, como um fluxo de alimentação em um reator, compreendendo uma câmara de reação, ou em um vaporiza- dor, que é disposto a montante do dito reator, introduzir um gás em redemoinho no reator, que gira em torno do fluxo de alimentação, e cobre as paredes do interior do reator, tratar o dito fluxo de alimentação à jusante da introdução do gás em redemoinho no reator, com um plasma aquecido para gerar um fluxo do produto, compreendendo gás de síntese do dito material contendo carbono ou hidrocarboneto, na câmara de reação, remover o fluxo do produto da câmara de reação, e separar os ingredientes sólidos dos ingredientes gasosos do fluxo do produto.

[0018] No processo desta invenção, vários materiais contendo carbono sólido e/ou líquido ou contendo hidrocarboneto, podem ser usados. Exemplos de matéria prima alimentícia possível são biomas- sa, carvão, hidrocarbonetos, matéria orgânica, resíduo municipal, po- límeros, materiais contendo celulose, materiais contendo lignina, tal como lignina crua (bruta) sunliquidº, e misturas dos mesmos.

[0019] Exemplos de matérias primas alimentícias preferidas são

[0020] Lignina pura: - "Composição elementar em %: 61,68 C, 5,58 H, 26,93 O, 1,29 N, 2.06 S, 2,19 Cinza - —“Umidade 3,03 % em peso

- —“Tamanho médio de partícula 75 um Lignina bruta sunliquidº Clariant - "Composição elementar em %: 47,5 C, 6 H, 31,3 O, 1,2 N, 0,1 S, 13,9 Cinza - “Umidade 3% em peso - “Tamanhos médios de partícula 400 um (< 1000 um de fração de peneira) e 100 um (< 200 um de fração de peneira)

[0021] Celulose (Sigma Aldrich) - "Composição elementar em %: 44,7 C, 6,31 H, 48,75 O, 0,19 N, 0,01 S, 0,04 Cinza - "Umidade 0,94 % em peso - —“Tamanho médio de partícula 50 um

[0022] A matéria prima alimentícia usada no método desta inven- ção é particulada. Tipicamente, o tamanho médio de partícula da ma- téria prima alimentícia sólida ou líquida, é entre 0,01 mm e 10 mm, preferivelmente entre 0,01 mm e 2 mm, ainda mais preferido entre 0,02 mm e 2 mm e mais preferivelmente entre 0,05 mm a 1 mm.

[0023] A matéria prima alimentícia, usada no método desta inven- ção, pode ser seca ou úmida. Preferivelmente, uma matéria prima ali- mentícia úmida, especialmente uma matéria prima alimentícia conten- do água é usada. Tipicamente, a matéria prima alimentícia contendo água, ou contendo outro líquido, é entre 0,05 % em peso e 95 % em peso, preferivelmente entre 0,05 % em peso e 80 % em peso, ainda mais preferida entre 0,05 % em peso e 50 % em peso, e mais preferi- velmente entre 0,1 % em peso e 30 % em peso, com referência à quantidade total de matéria prima alimentícia.

[0024] Em uma modalidade preferida do processo da invenção, a matéria prima alimentícia, contendo carbono sólido e/ou líquido ou hi- drocarboneto, é combinada com um líquido, que é selecionado do gru- po consistindo em água, solventes orgânicos ou combinações dos mesmos. Preferivelmente, a água é adicionada para a matéria prima alimentícia, que contem carbono sólido e/ou líquido ou hidrocarboneto.

[0025] Em outra modalidade preferida do processo da invenção, a matéria prima alimentícia sólida ou líquida é guiada por um vaporiza- dor, que é disposto a montante para a câmara de reação. Nesta moda- lidade, preferivelmente, a matéria prima alimentícia líquida é usada, que é vaporizada antes para o tratamento do plasma na câmara de reação.

[0026] A matéria prima alimentícia particulada, contendo carbono sólido e/ou líquido ou hidrocarboneto, é combinada com um gás de transportador. Este gás tem a função de carregar a matéria prima ali- mentícia particulada para dentro do reator. Vários tipos de gás de transportador podem ser usados. Exemplos de transportadores de gás são os gases inertes, gases contendo oxigênio ou gás de síntese. Pre- ferivelmente, gases contendo oxigênio são usados. Estes são tipica- mente minério de oxigênio preferivelmente ar. Outros gases preferidos são gases compreendendo oxigênio e outros gases, tais como nitro- gênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarbonetos, gás de síntese, preferivelmente gás derivado do fluxo de produto do pro- cesso inventivo, ou vapor de água contendo ar.

[0027] O gás de transportador pode ser combinado com a matéria prima alimentícia, antes da introdução do mesmo no reator, ou na en- trada do reator. O gás de transportador pode ser adicionado à matéria prima alimentícia, através de um ou mais tubos, que descarregam o gás do transportador no fluxo da matéria prima alimentícia. O(s) tu- bo(s) pode(m) ser equipado(s) com bicos, no local de descarga.

[0028] No processo desta invenção, um gás em redemoinho é usa- do, que protege as paredes do dispositivo de gaseificação das espé- cies reativas, geradas pelo tratamento de plasma no material da maté- ria prima alimentícia. A composição do gás de redemoinho, pode ser a mesma que a composição do gás do transportador. Preferivelmente, o gás em redemoinho deverá ser inerte, quando ele não participa na re- ação. Isto deverá diminuir o teor de NOx e o teor de CO» do fluxo do produto, e deverá também reduzir as perdas térmicas, porque CO, e vapor de água absorvem/emitem radiação. Gases inertes preferidos são nitrogênio, ou gases nobres, por exemplo argônio. Mas também ar ou uma combinação de água-vapor, e o ar pode ser usado como um gás em redemoinho.

[0029] — No processo desta invenção, o gás em redemoinho pode ser introduzido no reator no orifício de entrada do reator, ou em uma posi- ção à jusante do mesmo, mas acima do local, no qual a matéria prima alimentícia é tratada com plasma quente. O gás em redemoinho pode ser adicionado ao reator, através de um ou mais tubos, que descarre- gam o gás em redemoinho dentro do reator, de uma maneira que o fluxo de gás do transportador da matéria prima alimentícia é envolvido pelo gás em redemoinho. Preferivelmente, diversos tubos são disponí- veis, que introduzem o gás em redemoinho no reator de uma maneira circular, de tal maneira que o gás em redemoinho desenvolve um re- vestimento de fluxo de gás do transportador de matéria prima alimentí- cia, e se movimenta de uma maneira helicoidal, entre a parede do rea- tor interno e o fluxo de gás do transportador de matéria prima alimentí- cia. Preferivelmente, os tubos que introduzem o gás em redemoinho no reator, são equipados com bicos no local de descarga.

[0030] Condições típicas para o gás de transportador e o gás em redemoinho, usadas nas modalidades preferidas do processo desta invenção, são como a seguir: - —fluxodo gás de transportador: 5 - 10 Ni/min - —fluxode gás em redemoinho: 20 - 30 NI/min - “composição de gás em redemoinho e do gás de trans- portador: coeficiente de ar/N2 = 0,4 volumétrico

- "fluxo de gás total (transportador + redemoinho): 25 - 35 Ni/min

[0031] O plasma usado no processo desta invenção é um plasma quente, que está longe do equilíbrio termodinâmico, porque a tempera- tura de (on é diferente da temperatura de elétron, ou porque a distri- buição de velocidade de uma das espécies não segue uma distribui- ção de Maxwell-Boltzmann.

[0032] Um plasma quente pode ser gerado usando vários méto- dos, tais como usando uma descarga de arco deslizante, um feixe lu- minoso (lápis) de plasma, uma agulha de plasma, um jato de plasma, uma descarga de barreira dielétrica, uma descarga de barreira resisti- va, uma descarga piezoelétrica direta, uma descarga brilhante, ou pre- ferivelmente usando uma geração de plasma de microondas.

[0033] Um plasma de microondas pode ser um plasma quente, em cerca da pressão atmosférica, ou acima, mas não em pressão baixa.

[0034] Preferivelmente, o plasma quente é um plasma gerado em microondas, dentro de uma variação de pressão entre 1 e 5 bar, prefe- rivelmente entre 1,1 e 2 bar.

[0035] Em uma modalidade preferida do processo inventivo, o plasma é energizado com um campo de micro-ondas, contido em um guia de ondas.

[0036] Condições típicas para as condições de gaseificação, em modalidades preferidas do processo desta invenção, usando plasma gerado por microondas, são como a seguir: - —alimentação sólida = menos do que 1,5 g/s, preferivel- mente 0,09 — 0,13 g/s - —O>parao coeficiente de alimentação sólida = menos do que 1,0 molar, preferivelmente 0,1 — 0,5 molar, e mais preferivelmente cerca de 0,3 molar - o coeficiente de equivalência ER é entre 0,2 e 0,5, pre-

ferivelmente em torno de 0,4 (coeficiente de ar / combustível real, divi- dida pelo coeficiente teórico (estoiquiometria)) - — potência líquida de microondas = menos do que 6000 W, preferivelmente 1000 - 3000 W, e mais preferivelmente 1860 - 2500 W, controlada, por exemplo, através da temperatura média da parede de menos do que 1000ºC, preferivelmente 300 - 800ºC, e mais preferi- velmente cerca de 500ºC - “pressão média na câmara de reação 1-5 bar, preferi- velmente cerca de 1,2 bar - "temperatura de gás na saída da câmara de reação = 600 - 1500ºC, preferivelmente 1100 - 1150ºC

[0037] Depois do tratamento do fluxo de alimentação com o plasma quente, o gás de síntese produzido, o gás de transportador, o gás em redemoinho e o material não reagido, são removidos da câmara de reação, seguidos pela remoção do material não reagido dos ingredien- tes gasosos do meio fluindo através do reator.

[0038] Isto pode ser realizado guiando o meio de fluição, através de um meio de filtragem, separando os ingredientes sólidos dos ingredi- entes gasosos, ou por inversão da direção de fluxo dos ingredientes gasosos, e coletando os ingredientes sólidos.

[0039] Preferivelmente, o reator é um reator de tubo, com um tubo interno envelopado por um tubo de saída. O tubo interno é preferivel- mente disposto verticalmente, que significa na direção do fio de prumo. Deste modo, um reator preferido tem um tubo interno vertical, através do qual o fluxo de gás do transportador de matéria prima alimentícia, envolvido pelo gás em redemoinho, está fluindo do topo para o fundo, e é tratado com o plasma quente durante essa passagem. No fundo desse tubo interno, a direção de fluxo dos ingredientes gasosos desse fluxo é invertida, e os ingredientes gasosos são introduzidos no tubo de saída, que envolve o tubo do reator interno. Os ingredientes gaso-

sos deixam o reator pela fluição da porção inferior do tubo de saída, para a porção superior do tubo de saída, e são descarregados a partir daí. Os ingredientes sólidos do fluxo, por exemplo cinza e sólidos não convertidos, deixando o tubo do reator interno, entretanto, são coleta- dos abaixo da saída do dito tubo do reator interno. Estes ingredientes sólidos são movidos do topo para o fundo, controlados pela gravidade, e são descarregados no fundo da montagem do reator.

[0040] Em uma modalidade preferida do processo desta invenção, o fluxo de gás da matéria prima alimentícia, e o fluxo de gás do gás de transportador, são introduzidos em um reator tubular, através de um meio de alimentação de matéria prima alimentícia, e através de um meio de alimentação de gás do transportador, que são instalados no topo do reator tubular, à jusante dos meios de alimentação da matéria prima alimentícia, e dos meios de alimentação de gás do transporta- dor, o gás em redemoinho é introduzido no reator tubular através de um meio de alimentação de gás em redemoinho, e à jusante para a alimentação do gás em redemoinho, os fluxo de gás sendo tratados por um plasma quente. O reator tubular é preferivelmente disposto ver- ticalmente.

[0041] Meios “verticais” ou “verticalmente” na direção da linha do fio de prumo. Desta maneira, o eixo do tubo longitudinal de um reator de tubo vertical, é disposto na direção do fio de prumo. Os ingredientes sólidos podem se mover facilmente, a partir do topo do tubo para o fundo, controlados pela gravidade de um reator de tubo vertical, ou um tubo de reator vertical. Preferidos são os reatores de tubo em que o eixo de tubo longitudinal difere da direção vertical (direção do fio de prumo) por até 10º, mais preferido por menos do que 5º, e o máximo preferido por menos do que 1º.

[0042] Os ingredientes gasosos descarregados do reator compre- endem gás de síntese, gás do transportador, gás em redemoinho, e opcionalmente outros ingredientes gasosos do fluxo, por exemplo va- por de água. Depois do fluxo gasoso ter sido descarregado a partir do reator, este fluxo é trabalhado. Por exemplo, o fluxo gasoso descarre- gado pode ser tratado em uma operação de limpeza a gás, removendo partículas de poeira residual, e/ou podem ser tratados para remover oxigênio residual, usando uma parte do hidrogênio presente no gás de síntese.

[0043] O processo da presente invenção fornece diversos benefí- cios. Surpreendemente, foi agora descoberto que - este processo fornece uma alternativa de gás de sínte- se sustentável e “verde”, através da produção de vários materiais de matéria prima alimentícia particulada, incluindo biomassa renovável como também energia renovável - o processo é tolerante à vários materiais de matéria prima alimentícia, incluindo tamanho de partícula e umidade; alimento “molhado” pode ser processado, para esse fim o coeficiente de H/CO pode ser ajustado, possibilitando as tecnologias de Energia-para-X (X sendo gás de síntese, calor, eletricidade ou outros produtos valiosos), porque nenhuma fonte adicional de H2 é requerida para o processa- mento à jusante adicional - —processo de dar partida muito rápida, para esse fim o tratamento de pico dos materiais de matéria prima alimentícia, e tam- bém de geração de eletricidade é ativado, o gerenciamento da carga de pico é possibilitado através desta tecnologia, como também o ar- mazenamento químico da eletricidade de pico; dar partida rápida é be- néfico, em comparação à gaseificação convencional, uma vez que o pré-aquecimento do gaseificador não é necessário - a energiado microondas pode ser diretamente usada em temperaturas relativamente baixas, e sem necessidade de tochas é benéfica para os requisitos de materiais, além disso, dependendo dos materiais de matéria prima alimentícia, nenhum agente oxidante adicional ou combustível, é requerido

- limpeza in-situ com oxigênio/plasma de ar é possível e rápida

- —processo autárquico para aplicação descentralizada é possível, em combinação com, por exemplo, célula de combustível de óxido sólido

- —o processo não usa eletrodos para a geração de plasma

- o processo não fornece tochas, quando o mesmo é a “tocha”

- O processo usa temperaturas mais baixas, em compa- ração ao plasma de arco convencional.

Isto envolve maior eficiência de exergia, menos formação de carbono, menos emissão de NO, e operação mais segura

- o processo é flexível em relação ao gás de transporta- dor (por exemplo ar, N2, CO;>, fluxo, reciclagem de parte do produto). Isto possibilita uma composição de produto regulável, por exemplo, coeficiente de H2/CO)

- o processo possibilita escala para cima / escala para baixo flexíveis, baseadas em ajustar a frequência do microondas.

Es- sencialmente, o sistema pode ser feito modular

- o processo possibilita alta eficiência de conversão de energia elétrica para calor (por exemplo, cerca de 90 %), se o reator está apropriadamente isolado

- ao contrário de outros processos da técnica anterior, o processo da invenção não requer nenhum carregador/gás em redemo- inho ou sólidos pré-aquecidos, antes do processamento principal no reator de plasma

- o alimento de sólidos é acionado através do reator de plasma, à montante do ponto de ignição, e é para esse fim tratando o tempo todo o comprimento da zona de plasma, que intensifica a con- versão da matéria prima alimentícia no regime de operação das das taxas de fluxo, em que o plasma é estável. Nos processos da técnica anterior, os sólidos entram no reator através de uma porta lateral, à jusante do ponto de ignição. Como um resultado, o tempo de contato dos sólidos com o plasma é muito menor, e o tratamento é menos in- tenso, pois a região em torno do ponto de ignição é a mais quente e a mais reativa.

[0044] Em uma modalidade preferida do processo da invenção, uma matéria prima alimentícia sólida, compreendendo material con- tendo hidrocarboneto particulado é usada, preferivelmente lignina ou um material contendo lignina, mais preferivelmente madeira.

[0045] Em outra modalidade preferida do processo da invenção, um material contendo carbono particulado, ou um material contendo hidrocarboneto particulado, é alimentado a partir de um vaso de arma- zenamento, através de um meio de transporte, preferivelmente através de um condutor de parafuso, é combinado com o ar, como um gás de transportador, e é introduzido no topo de um tubo de reator vertical.

[0046] Em outra modalidade preferida do processo da invenção, um material contendo carbono, ou um material contendo hidrocarbone- to, é cominutado antes da introdução deste no reator, e/ou o dito mate- rial é umidificado pela adição de água, ou o teor de água do dito mate- rial é reduzido pela secagem do dito material.

[0047] Em outra modalidade preferida do processo da invenção, o fluxo do produto, depois do tratamento com o plasma quente, é sub- metido à rápida refrigeração, por exemplo, através da introdução do dito fluxo do produto em um tubo de refrigeração. Tal tubo pode ser equipado, por exemplo, com meio de refrigeração no lado de fora do dito tubo, por exemplo, usando um tubo com nervuras, ou usando um tubo equipado com meios de troca de calor.

[0048] Em outra modalidade preferida do processo inventivo, o gás de síntese é produzido a partir do material de resíduo sólido ou líquido, incluindo biomassa, através do plasma gaseificação de microondas, usando um reator de tubo vertical. O material de resíduo usado é ali- mentado a partir de um vaso de armazenamento, com um condutor de parafuso, e introduz a configuração de plasma de microondas, através do topo, com um gás de transportador. O material de resíduo potenci- almente requer moagem, secagem ou umedecimento, para a compo- sição aspirada antes do processamento. Um gás em redemoinho é soprado dentro do reator, através de um conjunto de bicos, a fim de centrifugamente conter o plasma. O plasma é energizado com um campo de microondas, contido em um guia de ondas. O material de resíduo é convertido em gás de síntese contatando o plasma. Sólidos não convertidos e cinza, são coletados abaixo do reator, enquanto os produtos gasosos saem do reator e são submetidos à limpeza por gás.

[0049] O processo da presente invenção pode ser realizado em um reator, que é em geral conhecido a partir da técnica anterior. Um exemplo de um reator é descrito em www.tudelft.nl/reinventthetoilet (folheto: gás de síntese/limpeza a gás).

[0050] O fluxo do gás de síntese, produzido no processo da pre- sente invenção, pode ser usado em uma célula de combustível de óxi- do sólido, em outros processos de conversão térmica, química ou ca- talítica, ou em combinações dos mesmos.

EXEMPLOS

[0051] Os exemplos que estão a seguir são destinados a ilustrar a matéria da invenção, sem restringi-la para esse fim.

[0052] Exemplos de composições da matéria prima alimentícia são apresentados na tabela 1 a seguir.

Tabela 1: Exemplo de composições da matéria prima alimentícia e ez Tea TEexs Composição Molar (%) Lignina Pura | Lignina bruta | | Lignina bruta Il | Celulose Clariant Clariant

RL pos e es as Tamanho médio de partí- | 75 400 100 50 cula (um)

[0053] Exemplos de métodos de uso

[0054] As composições da matéria prima alimentícia dos Exem- plos, Ex. 1 a 4, podem ser gaseificadas, usando as condições de ga- seificação exemplares a seguir. Tabela 2: Exemplo de condições de gaseificação e 62 Tas Te TES | coeficiente de ar/N2 (vo- | 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 lumétrico) comentário caso variação de fluxo total | variação do coefi- base ciente de fluxo

[0055] A gaseificação descrita na tabela 2, foi realizada em um re- ator de gaseificação com a configuração a seguir:

[0056] A biomassa entra no reator através do topo, com um gás do transportador. O reator é um tubo interno disposto verticalmente. Den- tro do reator um gás em redemoinho é soprado, através de um conjun-

to de bicos, para centrifugamente conter o plasma. O plasma é ener- gizado com um campo de micro-ondas contido em um guia de ondas. Contactar o plasma com a biomassa, converte a matéria prima alimen- tícia da biomassa em gás de síntese. Cinza e sólidos não convertidos são coletados embaixo do reator, enquanto os produtos gasosos saem do reator através de um tubo externo, que envolve o tubo interno. Os produtos gasosos são processados, através de simples limpeza de gás, depois o gás é condicionado para análise GC fora de linha.

[0057] A tabela a seguir mostra os resultados transitórios de N>- livre, para configuração rápida e condições de estado firmes. Tempo H2 co CO? Oz CH. [ao oz oz om os om [eo os o or os om [6 os jo jo or om [mes om for os om [o oa oo om Tons Tomo [8 os Jose Jows —Joos Jos

[0058] Na tabela a seguir as composições de N>2-, O2- e CHa-livre, o produto de fluxo de gás sintético, depois da gaseificação, usando o material de matéria prima alimentícia do Ex. 2 da tabela 1, e usando condições de gaseificação da tabela 2, é mostrado.

[0059] Tabela 2: condições de gaseificação H2 co CO>z H2/CO>2 Trem frcraa fra et fo se se or sr fe ss so las sf sro re loss

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para a produção de gás de síntese por gaseifi- cação de material de plasma, contendo carbono sólido e/o líquido, ou contendo hidrocarboneto, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (1) fornecer uma matéria prima alimentícia sólida e/ou líquida, que compreende um material contendo carbono ou hidrocar- boneto particulados, ou uma mistura de ambos, (ii) fornecer um gás do transportador, e combinar este com a matéria prima alimentícia sólida ou líquida, (iii) alimentar a dita matéria prima alimentícia sólida ou líquida e o dito gás do transportador, como um fluxo de alimentação dentro de um reator, compreendendo uma câmara de reação, ou den- tro de um vaporizador, que é disposto à montante do dito reator, (iv) introduzir um gás em redemoinho no reator, que gira em torno do fluxo de alimentação, e cobre as paredes interiores do re- ator, (v) tratar o dito fluxo de alimentação à jusante da intro- dução do gás em redemoinho no reator, com um plasma quente, a fim de gerar um fluxo do produto, compreendendo gás de síntese do dito material, que contem carbono ou hidrocarboneto na câmara de reação, (vi) remover o fluxo do produto da câmara de reação, e (vii) — separar os ingredientes sólidos dos ingredientes ga- sosos do fluxo do produto.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matéria prima alimentícia é selecionada de biomas- sa, carvão, hidrocarbonetos, matéria orgânica, resíduo municipal, po- límeros, materiais contendo celulose, materiais contendo lignina e mis- turas dos mesmos.

3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a matéria prima alimentícia compreende lignina ou um material contendo lignina, preferivelmente madeira.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a matéria prima alimentícia usada, tem um diâmetro médio de partícula entre 0,01 mm e 10 mm, preferivelmente entre 0,01 mm e 2 mm, ainda mais preferido entre 0,02 mm e 2 mm e preferivelmente no máximo entre 0,05 mm a 1 mm.

5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a matéria prima alimentícia usada é uma água seca ou preferivelmente húmida.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a matéria prima alimentícia usada, é uma matéria prima alimentícia contendo água.

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o gás de transportador é um ar, ou vapor de água contendo ar.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o gás em redemoinho é um gás inerte, preferivelmente nitrogênio ou um gás nobre.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o gás em redemoinho é ar, ou vapor de água contendo ar.

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a dita matéria prima alimen- tícia sólida ou líquida é guiada através de um vaporizador, que é dis- posto a montante para a câmara de reação.

11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o plasma é um plasma ge- rado no micro-ondas.

12. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracteri-

zado pelo fato de que o plasma gerado no micro-ondas, está dentro de uma variação de pressão entre 1 e 5 bar, preferivelmente entre 1,1 e 2 bar.

13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 12, caracterizado pelo fato de que um material contendo car- bono particulado, ou um material contendo hidrocarboneto particulado, é alimentado a partir de um vaso de armazenamento, através de um meio de transporte, é combinado com ar como um gás de transporta- dor, e é introduzido no topo de um tubo de reator vertical.

14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 13, caracterizado pelo fato de que um material contendo car- bono, ou um material contendo hidrocarboneto, é cominutado antes da introdução deste no reator, e/ou em que o dito material é umidificado pela adição de água, ou em que o teor de água do dito material é re- duzido por secagem do dito material.

15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 14, caracterizado pelo fato de que o fluxo de gás da matéria prima alimentícia, e o fluxo do gás do transportador, são introduzidos em um reator vertical tubular, através de meios de alimentação da matéria prima alimentícia, e através de meios de alimentação de um gás de transportador, os quais são instalados no topo do reator tubular, à jusante dos meios de alimentação da matéria prima alimentícia, e dos meios de alimentação do gás de transportador, e o gás em redemoinho é introdu- zido no reator tubular, através de um meio de alimentação de gás em redemoinho, e à jusante para os meios de alimentação de gás em rede- moinho, os fluxos de gás sendo tratados por um plasma quente.

16. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 15, caracterizado pelo fato de que o fluxo do produto, depois do tratamento com o plasma quente, é submetido à refrigeração rápi- da.