BRPI1001589B1 - Equipamento e processo de gaseificação de leito fluidizado circulante - Google Patents

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Abstract

equipamento e processo de gaseificação de leito fluidizado circulante. a presente invenção refere-se a um equipamento e um processo de gaseificação de leito fluidizado circulante que pertence ao campo da engenharia quimica e mecânica, sendo referido equipamentõ constituido por um reator (2), de éstrutura cilíndrica vertical cuja e*tremidade inferior é dotada de um "plenum" (3) sobreposto por uma grelha (18), sendo que no interior do dito reator (2) é instalado um ciclone interno (4) capaz de aumentar os níveis de processamento dentro do reator, e principalmente reduzir a emissão de compostos que afetam o meio ambiente.

Description

Campo da Invenção [001] A presente invenção pertence ao campo de engenharia química e mecânica e tem por objetivo um equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, bem como a um processo de gaseificação por leito fluidizado circulante, pressurizado ou não, cujo combustível utilizado para este fim apresenta elementos “carbonosos” em sua composição, como carvão mineral e biomassa.
[002] Mais preferencialmente, a presente invenção refere-se a um equipamento de gaseificação que compreende um reator dentro do qual se cria um ambiente pressurizado com elevada temperatura, onde materiais carbonosos são gaseificados a fim de formar fluxos de gases propícios ao uso industrial, por exemplo, para geração de energia, ou em processos de obtenção de produtos químicos.
[003] A principal importância do gaseificador, segundo a presente invenção, é o fato de possibilitar o processamento de uma variedade muito grande de materiais, de modo a prover a redução da geração de resíduos prejudiciais ao meio ambiente e ao homem.
[004] Ainda, é o objetivo da presente invenção, prover um processo associado ao equipamento gaseificador que oferece baixo custo para sua exeqüibilidade industrial, aliado aos requisitos de robustez, economia, confiabilidade e praticidade utilitária, oferecendo uma opção em relação às plantas de gaseificação convencionais.
Antecedentes da invenção [005] Como deve ser apreciado pelos técnicos no assunto, o processo de gaseificação é realizado pela oxidação parcial de um combustível que gera como produto uma mistura de gases combustíveis como H2, CO, CH4,
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2/19 gases mais pesados CnHm em menores quantidades e gases inertes como CO2 e N2 e impurezas.
[006] Pelo uso direto da mistura ar/vapor, no gaseificador, tem-se um gás de baixo poder calorífico de 1,100 a 1.500 kcal/Nm3. Esse gás pode ser empregado em processos industriais que demandam energia térmica e, se convenientemente limpo, pode ser usado em uma unidade de geração de energia elétrica, tais como em moto geradores elétricos ou turbinas acopladas a geradores elétricos ou, ainda, em aplicações industriais para a produção de produtos químicos.
[007] Os combustíveis fósseis passíveis de serem gaseificados são: o carvão mineral, antracitosos ou betuminosos, alcatrões, xisto, óleos pesados derivados de petróleo etc., normalmente ricos em C e H2, O2, S, com ou sem presença significativa de cinzas.
[008] As biomassas também são passíveis de serem gaseificadas, tais como a madeira e derivados, turfa, óleos vegetais ou animais, lodo, parte de lixo urbano, etc., e que apresentam alta concentração de C, H2, O2, pouco ou nenhum S, porém com maior tendência à formação de alcatrões, geralmente com umidade elevada (52% b.u. para bagaço) e heterogeneidade.
[009] Os agentes gaseificantes podem ser o ar, naturalmente composto por oxigênio (20-21%), nitrogênio (78-80%) e outros gases como vapor de água.
[0010] As principais reações de gaseificação que ocorrem em um reator de leito fluidizado circulante são:
1) Reação Exotérmica (reação de combustão, formação de dióxido de carbono):
C (sólido) + O2(gás) <=> CO (gás)
2) Reação exotérmica (combustão parcial, formação de monóxido
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3/19 de carbono):
C(sólido) + 1Z. O2(gás) <=> CO2(gás)
3) Reação endotérmica (reação gás-água “fasel”):
C(sólido) + H2O(gás) <=> CO (gás)+ H2(gás)
4) Reação exotérmica (reação gás-água “fase 2”):
CO(gás)+ H2O(gás) <=> CO2(gás)+ H2(gás)
5) Reação exotérmica (reação de formação de vapor de água):
H2(gás)+ 1Z. O2(gás) <=> H2O(gás)
6) Reação endotérmica (reação de Boudouard):
C (sólido)+ CO2(gás) <=> 2 CO(gás)
7) Reação exotérmica (reação de metanização 1):
C(sólido)+ 2 H2(gás) <=> CH4(gás)
8) Reação exotérmica (reação de metanização 2):
CO(gás)+3 H2(gás) <=> CH4(gás)+ H2O(gás) [0011] Um dos inconvenientes encontrados nos equipamentos de gaseificação conhecidos no estado da técnica e disponíveis no mercado é com relação ao fato de que apresentam limitações quanto ao processo de gaseificação, uma vez que não são capazes de gaseificar uma vasta gama de combustíveis carbonosos, ou seja, utilizam apenas alguns materiais, tais como madeira ou óleos.
[0012] Outro inconveniente muito relevante é que os gaseificadores convencionais conhecidos no estado da técnica, produzem um nível de gaseificação do combustível muito baixo, ou seja, há sobra de resíduos não totalmente envolvidos na gaseificação, de forma que nem todas as reações químicas são efetivadas.
[0013] Tal condição de gaseificação parcial, acarreta na formação de gases com elevados níveis de compostos como alcatrões, ácidos e aldeídos, muitas vezes tóxicos e nocivos ao meio ambiente.
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4/19
Descrição da invenção [0014] No intuito de solucionar e/ou reduzir os inconvenientes acima mencionados com relação ao estado da técnica, é objetivo da presente invenção prover um equipamento gaseificador que melhore a conversão do combustível a ser gaseificado, reduzindo consideravelmente os níveis de resíduos nocivos ao meio ambiente.
[0015] Mais particularmente, é objetivo da presente invenção um equipamento gaseificador de estrutura cilíndrica em aço inoxidável revestido internamente com material de baixa condutividade térmica, onde diversos materiais carbonosos são gaseificados.
[0016] De forma vantajosa, o equipamento gaseificador, segundo a presente invenção, compreende internamente uma série de sistemas para ativar o fluxo ascendente e descendente de gases e material particulado em elevada temperatura, de modo a garantir que todas as reações químicas de uma extensa cadeia se realizem.
[0017] Ainda, no interior do referido equipamento gaseificador, é instalado um ciclone especialmente projetado que tem por objetivo reciclar os carbonos não convertidos e auxiliar o craqueamento de alcatrões carreados pelo gás no processo de pirólise do combustível.
[0018] O equipamento gaseificador, objeto da presente invenção, atua em conjunto com vários outros dispositivos automáticos para o fornecimento de matéria prima, tais como válvulas, sistemas de filtragens, multiciclones, entre outros itens de suporte.
[0019] Ainda, é objetivo da presente invenção um processo de gaseificação cujas etapas são conduzidas por meio do equipamento conforme acima mencionado, sendo capaz de reduzir o número de componentes necessários para o adequado processamento do combustível, os quais são convenientemente configurados e arranjados para desempenhar suas funções
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5/19 com eficiência e versatilidade.
Breve Descrição dos Desenhos [0020] Esses e outros objetivos, efeitos técnicos e vantagens do equipamento gaseificador, assim como do processo de gaseificação, segundo a presente invenção, serão aparentes aos técnicos no assunto a partir das figuras esquemáticas anexas, as quais ilustram realizações exemplificativas, e não limitadoras, da presente invenção, as quais:
[0021] A Figura 1 - Vista em perspectiva superior do equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0022] A Figura 2 - Vista em perspectiva do equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante ilustrado na Figura 1, com o trocador de ar secundário ilustrado nas Figuras 10 e 11.
[0023] A Figura 3 - Vista em perspectiva superior explodida do equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0024] A Figura 4 - Vista em perspectiva superior explodida do equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, onde se pode observar o ciclone interno.
[0025] A Figura 5 - Vista em perspectiva superior da moega utilizada no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0026] A Figura 6 - Vista em perspectiva superior do transportador extrator utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0027] A Figura 7 - Vista em perspectiva superior da válvula alimentadora utilizada no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
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6/19 [0028] A Figura 8 - Vista em perspectiva superior da rosca alimentadora de calcário utilizada no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0029] A Figura 9 - Vista em perspectiva superior do extrator de cinzas utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0030] A Figura 10 - Vista em perspectiva superior do trocador pré aquecedor secundário do ar/vapor de processo utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0031] A Figura 11 - Vista em perspectiva superior do trocador pré aquecedor secundário do ar/vapor de processo ilustrado na Figura 10 em outro ângulo.
[0032] A Figura 12 - Vista em perspectiva superior do multiciclone utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0033] A Figura 13 - Vista em perspectiva inferior do multiciclone ilustrado na Figura 12.
[0034] A Figura 14 - Vista em perspectiva superior do trocador primário de ar/vapor de processo utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0035] A Figura 15 - Vista em perspectiva superior do trocador primário de ar/vapor de processo ilustrado na Figura 14.
[0036] A Figura 16 - Vista em perspectiva do trocador gerador de vapor.
[0037] A Figura 17 - Vista em perspectiva superior do “boiler” utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0038] A Figura 18 - Vista em perspectiva superior do “boiler”
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7/19 utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0039] A Figura 19 - Vista em perspectiva frontal da válvula reguladora de pressão de linha utilizada no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0040] A Figura 20 - Vista em perspectiva posterior da válvula reguladora de pressão de linha ilustrada na Figura 19.
[0041] A Figura 21 - Vista em perspectiva do “flare” utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, segundo a presente invenção.
[0042] A Figura 22 - Vista em perspectiva superior do “flare” utilizado no equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante, ilustrado na Figura 21 em outro ângulo.
Descrição de Realizações da Invenção [0043] De acordo com as figuras acima indicadas, particularmente com relação às Figuras 1, 2, 3 e 4, o equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante 1, objeto da presente invenção, é constituído por um reator 2 de configuração cilíndrica vertical, construída em aço carbono e revestida internamente com material refratário. As dimensões da referida estrutura cilíndrica, como altura e diâmetro, são determinadas em função da capacidade e tipo de combustível a ser gaseificado.
[0044] Em uma realização preferencial, toda a estrutura do reator 2 é revestida com refratários, o que permite manter a temperatura interna entre 750 e 1050 °C, reduzindo a perda de calor para o meio ambiente.
[0045] A base da estrutura cilíndrica é dotada de um Plenum” 3, cuja finalidade é estabilizar as pressões de ar, durante os processos de gaseificação, através da alimentação de uma grelha 18, sobre a qual ocorrem as reações químicas mencionadas anteriormente.
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8/19 [0046] De forma preferencial, a referida grelha 18 tem por finalidade servir de suporte para o leito, distribuir uniformemente todo o ar por toda a área do reator, eliminar cinzas e pedras de sinterização que são formadas durante o processo, bem como eliminar eventuais pedras e rejeitos que acompanhem o combustível. A grelha é dotada de orifícios de bicos injetores para prover a distribuição uniforme do ar no leito, sendo que a configuração desses bicos injetores é calculada de acordo com a condição de operação projetada pelos técnicos no assunto.
[0047] Em uma realização preferencial da presente invenção, o ar pré-aquecido, em uma temperatura de 100 a 600°C, é insuflado através da grelha com uma pressão constante entre 0,15bar e 2,00bar, permitindo que haja uma distribuição homogênea através de cada bico injetor.
[0048] O diâmetro dos orifícios dos bicos injetores deve ser ajustada de modo que se obtenha uma velocidade de ar dentro do bico situando-se entre 100 a 150 m/s, o que provoca a turbulência no interior do reator 2.
[0049] Em uma realização preferencial, a referida grelha 18 possui um perfil cônico e apresenta uma perda de carga entre 300 a 600mmCA.
[0050] Conforme é possível constatar nas figuras 1-4, o ar préaquecido com temperatura entre 100 a 600°C é fornecido através de uma tubulação de ar 5, a qual é responsável por transferir o ar pré-aquecido da cabeça do reator (trocador de calor) para o dito Plenum” 3.
[0051] Internamente, o reator 2 compreende um ciclone interno 4 cuja finalidade é separar os materiais particulados sólidos presentes no gás, devolvendo-os ao leito do reator. Além disso, referido ciclone interno constitui uma superfície aquecida de modo a provocar o craqueamento dos alcatrões.
[0052] O ciclone interno é projetado para reter materiais
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9/19 particulados acima de 80pm, os quais são reconduzidos ao leito, de modo a propiciar a recirculação dos materiais carbonosos não convertidos. Em uma realização preferencial, a estrutura do referido ciclone interno 4 é fabricada em aço inoxidável refratário para suportar temperaturas internas na faixa de 850 a 1050°C.
[0053] Assim, verifica-se que através do mencionado ciclone interno 4, o equipamento gaseificador, segundo a presente invenção, propicia a reciclagem dos produtos arrastados pelo gás fazendo com que ocorra uma circulação ou recondução dos materiais carbonosos não convertidos para dentro do leito, com isso, é possível aumentar a eficiência do processo de gaseificação.
[0054] Em uma realização particularmente vantajosa, a temperatura interna do corpo do reator 2 permanece entre 750 a 1050°C, e os gases formados percorrem todo o corpo até a entrada do ciclone interno 4 a uma velocidade de 1 a 2 m/s e pressão entre 0,15 a 2,00 bar.
[0055] Os gases de formação devem permanecer dentro do reator por aproximadamente 5-7 segundos, isso para que as reações químicas gás- gás/sólido-gás, ocorram com elevado grau de conversão, bem como obtenha-se o craqueamento dos alcatrões.
[0056] Devido às elevadas temperaturas, baixas velocidades e um tempo de permanência relativamente longo, os alcatrões gerados no leito, durante a fase de pirólise, são quebrados ou craqueados em cadeias mais curtas, em razão do corpo do reator e do ciclone interno, resultando em gases considerados mais pesados, tal como CnHm.
[0057] O equipamento gaseificador, objeto da presente invenção compreende um sistema de alimentação, cuja finalidade é prover combustivel ao reator, particularmente dentro do leito. A título de exemplo, em reatores de pequeno porte o combustível é inserido dentro do reator por uma rosca sem
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10/19 fim, a qual situa-se a uma altura pouco acima do leito. Como deve ser apreciado pelos técnicos no assunto, outras formas de condução do combustível poderão ser adotadas sem com isso fugir do escopo da presente invenção.
[0058] Em uma realização preferencial, o sistema de alimentação é constituído, em sua maior parte, de aço inox refratário, de modo a suportar temperaturas internas na faixa de 850 a 1050°C. Além disso, ter a capacidade de permitir a entrada do combustível dentro do reator, sem que ocorra escape de gases combustíveis para a atmosfera.
[0059] Em uma forma de realização preferencial, o leio fluidizado, segundo a presente invenção, é constituído por uma mistura de sólidos e gases a uma temperatura de 850 a 1050°C.Referida mistura é mantida em estado de fluidização, pelo fluxo de ar aquecido proveniente do “Plenum” 3, através da grelha 18. Por um lado, a porção sólida é composta por quartzo, cinzas do combustível, carbono não convertido e o próprio combustível. Por outro lado, a porção gasosa é composta majoritariamente por CO, CO2, CH4, H2O e N2.
[0060] No referido leito é onde ocorrem as principais reações químicas e transferências de massa entre a fase sólida e gasosa. Isso porque, o movimento no leito é desordenado e turbulento, características essas que promovem o contato intenso do carbono sólido do combustível com os gases, propiciando a transferência de massa e trocas de calor. Este movimento desordenado e turbulento faz com que as partículas do leito fiquem com características de um fluido ou de um leito fluidizado.
[0061] O ar atmosférico insuflado possui temperaturas entre 100 a 600°C dependendo do combustível a ser empregado. Nesta faixa de temperatura, o ar aumenta seu volume, melhorando a fluidização, e a concentração de oxigênio permanece abaixo da estequiométrica, pois como
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11/19 citado, o processo de gaseificação caracteriza-se pela oxidação parcial do carbono.
[0062] O carbono presente no combustível deve permanecer no leito entre 30-90 minutos para que ocorram todas as reações químicas, conforme indicadas anteriormente.
[0063] Adicionalmente, conforme ilustram as demais Figuras 522, o equipamento gaseificador de leito fluidizado circulante 1, de acordo com a presente invenção, é interligado a uma planta de gaseificação que compreende equipamentos complementares cujas finalidades são de propiciar um processo automatizado, de baixa complexidade e, também com rendimento elevado.
[0064] Em realizações preferenciais, referida planta de gaseificação é composta, dentre outros acessórios dos seguintes componentes:
Moega [0065] Conforme ilustrado na Figura 5, a moega 6 compreende uma estrutura que possibilita receber automaticamente todo o combustível a ser gaseificado, ou seja, toda a matéria prima que será fornecida ao equipamento gaseificador da presente invenção.
[0066] O referido material é despejado através de carretas de transportes sem a intervenção de um operário. Além disso, em uma realização preferencial, o dimensionamento da referida moega 6 é determinado de modo a prover uma capacidade de armazenamento de material suficiente para atender pelo menos 10 horas de funcionamento da planta de gaseificação.
Transportador Extrator [0067] A Figura 6 ilustra um transportador extrator 7 da matéria prima acondicionada na dita moega 6. Mais particularmente, referido transportador extrator 7 é instalado sob a moega 6, de modo a permitir a extração, condução e alimentação da matéria prima no equipamento
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12/19 gaseificador.
[0068] O referido transportador extrator compreende uma esteira, apoiada em roletes, os quais são devidamente dimensionados, e posicionados no fundo da moega 6, sendo que inversores de frequência são instalados para permitir a determinação da quantidade de matéria prima a ser extraída e que será conduzida para alimentação do equipamento gaseificador 1.
Transportador alimentador do britador [0069] Acoplado ao referido transportador extrator 7, existe um transportador em esteira que alimenta um britador. Em outras palavras, essa esteira recebe a matéria prima que é conduzida pelo transportador extrator 7 e a descarrega em um britador.
Britador [0070] O referido britador recebe a matéria prima fornecida pelo transportador alimentador e processa o material, o qual é moído até atingir uma granulometria uniforme e inferior a 5mm.
Transportador carregador do silo alimentador [0071] Após o processamento no referido britador, os grãos resultantes são carregados por um transportador que os transfere do britador até um silo alimentador.
SILO alimentador [0072] Um silo alimentador é instalado na parte superior do reator 2, e permite armazenar a matéria prima já com a devida granulometria ajustada. Em uma realização preferencialmente vantajosa, a capacidade de armazenamento desse referido silo deve ser suficiente para atender pelo menos 8 horas de consumo nominal da planta.
Transportador dosador [0073] Na saída do referido silo alimentador, é disposto um transportador dosador instalado, particularmente, sob o referido silo, de modo a
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13/19 extrair o material armazenado e, automaticamente, determinar a dosagem adequada para a alimentação do dito reator 2.
Válvulas alimentadoras [0074] A Figura 7 ilustra uma válvula alimentadora 8. De acordo com uma realização preferencial, ao equipamento gaseificador 1 é acoplado um conjunto de 4 válvulas 8, as quais recebem a matéria prima do transportador dosador e a introduz no reator 2.
[0075] De modo particularmente vantajoso, as ditas válvulas alimentadoras 8 são dotadas de acionamento hidráulico e funcionam de maneira que 2 válvulas sempre estão no estado fechado. Isso porque, tal disposição impede que os gases combustíveis do interior do reator 2 vazem para a atmosfera.
Rosca alimentadora [0076] Em uma realização alternativa, em especial quando se refere a plantas de gaseificação de menor porte, é possível adotar uma rosca helicoidal 9, a qual recebe a matéria prima das válvulas alimentadoras 8 e a introduz no interior do reator 2.
[0077] Em realizações em que as plantas de gaseificação são maiores e de grande porte, é comum que a alimentação da matéria prima seja feita no topo do reator, por gravidade.
Trocador de ar secundário [0078] As Figuras 10 e 11 ilustram um trocador de ar secundário 12 cuja finalidade é conduzir os gases gerados no reator 2, de modo a recuperar parte do calor sensível desses gases e aquecer o ar de processo, o qual é conduzido na forma pré-aquecida ao Plenum” 3. Assim, os gases gerados saem do reator a uma temperatura próxima de 700°C a 850°C, dependendo da temperatura escolhida para operação do reator, e na sequencia aquecem o ar que alimentará o processo.
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Multiciclones [0079] As Figuras 12 e 13 ilustram o conjunto de multiciclones 10, o qual recebe o gás do trocador secundário, realiza a separação dos finos carreados pelos gases e os remete de volta ao reator através de duas válvulas comandadas hidraulicamente. Essas válvulas impedem a saída dos gases do interior do reator para a linha de gases.
TROCADOR DE AR PRIMÁRIO [0080] As Figuras 14 e 15 ilustram um trocador de ar primário 11, cuja finalidade é semelhante ao trocador de ar secundário 12, porém em um momento posterior. Mais particularmente, referido trocador de ar secundário 12 capta os gases que são expelidos pelo multiciclones 10 de modo a recuperar parte do calor sensível dos gases e aquecer o ar de processo.
TROCADOR GERADOR DE VAPOR [0081] Adicionalmente, conforme ilustra a Figura 16, é possível dispor um trocador gerador de vapor 17 na saída do referido trocador de ar primário 11.
[0082] Esse referido trocador gerador de vapor é, basicamente, um trocador de calor gás/água que recupera ainda mais o calor sensível dos gases e, ainda, é capaz de gerar vapor para o processo, uma vez que o vapor pode ser um dos elementos gaseificantes. Este trocador gerador de vapor 17 trabalha com pressão de 3 a 5 bar, e tem a capacidade de gerar 30% em peso da massa de produto introduzido no sistema quando em regime normal de trabalho.
Boiler [0083] As Figuras 17 e 18 ilustram um boiler 13, o qual compreende um reservatório que é construído de aço carbono. A função do referido boiler 13 é coletar o vapor produzido no trocador gerador de vapor 17, de modo a armazená-lo para promover a separação entre o vapor saturado e o
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15/19 vapor condensado. Isso para que, em momento posterior, o vapor condensado retorne às válvulas do trocador de ar primário, e o vapor saturado seja utilizado para alimentação de outros equipamentos, por exemplo, geradores de energia.
Extrator de cinzas [0084] A Figura 9 ilustra um extrator de cinzas 14 compreendido por uma estrutura que é instalada na região inferior do reator 2, de modo a recolher as cinzas descarregadas pelo leito, e transportá-las para fora do reator.
[0085] De forma preferencial, existe um recipiente denominado “resfriador de cinzas” que também recebe vapor, de modo a provocar o resfriamento dessas cinza. Em seguida uma rosca helicoidal pode transportar as cinzas para fora do reator.
[0086] Em uma realização, são dispostas uma válvula antes e outra depois do mencionado resfriador de cinzas, ambas comandadas hidraulicamente, e possibilitam que as cinzas saiam do reator sem que haja escape de gases para a atmosfera.
Válvula reguladora de pressão da linha de gás [0087] De acordo com a Figuras 19 e 20, verifica-se que a planta de gaseificação compreende, em uma realização, uma válvula reguladora de pressão 15 cuja finalidade é garantir a pressão da linha de gás mesmo com a alteração da demanda pelo usuário.
[0088] Mais particularmente, a referida válvula 15 é automática e comandada pneumaticamente ou hidropneumaticamente, de modo que, além de assegurar a estabilidade da pressão da linha, propicia que, caso a demanda venha a cair abaixo do limite mínimo da planta, parte do gás seja desviado para um “flare” 16.
Flare [0089] As Figuras 21 e 22 ilustram o referido flare 16, o qual é compreendido por um queimador instalado na saída dos gases, de maneira a
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16/19 queimá-los quando o consumo de gás é baixo, permitindo, assim, que a baixa vazão não prejudique a fluidização do leito.
[0090] Adicionalmente, o flare 16 tem por função queimar os gases formados no início do processo que não se encontram ainda em condições de uso no processamento. Dessa forma, referido flare 16 possui um queimador de GLP auxiliar que acende no inicio da operação e depois se apaga quando o flare se encontra em regime, ou desativado.
Sistema de dessulfurização [0091] Em uma realização preferencial, o equipamento gaseificador 1 pode, ainda, ser acoplado em uma planta dotada de um sistema de dessulfurização, o qual é essencial nos casos em que a matéria prima possua enxofre e exige-se a retirada do H2S produzido no leito.
[0092] Referido sistema é compreendido por um silo armazenador e dosador de calcário capaz de propiciar a dosagem de calcário ao produto de maneira controlada, via inversor de freqüência.
[0093] A quantidade de calcário é dosada em função da quantidade de enxofre no produto. Dentro do leito do reator ocorre uma reação química, que produz sulfeto de cálcio (CaS), que é precipitado e depois descartado com as cinzas, a saber:
CaCOa + H2S CaS + H2O + CO2.
Agente de gaseificação [0094] De acordo com a presente invenção, o agente de gaseificação, entra no dito trocador de ar primário 11, e inicia um processo de aquecimento em caminho inverso ao do gás, até atingir a cabeça do reator 2. Na cabeça do reator 2 a mistura é aquecida até uma temperatura acima de 500°C, e através do duto ou tubulação de ar 5 alimenta o Plenum” 3.
Ar de processo [0095] O ar de processo, de acordo com a presente invenção, é
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17/19 comprimido em compressores de ar (tipo sopradores para pressões de até 0,25 bar; e do tipo turbo compressores para pressões acima, e até 1,3 bar). O mesmo passa por um reservatório “pulmão”, para equalização e regularização das pressões, e depois segue para uma válvula reguladora de pressão que alimenta o processo de gaseificação.
Sistema de limpeza dos gases [0096] Ainda, em uma realização da presente invenção, também é possível dispor um sistema de limpeza de gases, no qual o gás combustível, após passar pelo trocador gerador de vapor, sofre um processamento para retirada dos particulados, por meio de 2 lavadores, um lavador tipo “Scrubber” e outro do tipo “Ventury”, garantindo 99% de limpeza.
[0097] A água de lavagem com os particulados cai em um tanque metálico, e posteriormente, por decantação, os finos são retirados por um transportador de arraste.
[0098] As águas são levadas através de bombas para uma torre de resfriamento, e completam o ciclo, voltando aos lavadores devidamente resfriadas a 35°C.
[0099] Conforme previamente mencionado, a presente invenção também se refere a um processo de gaseificação, o qual é conduzido preferencialmente através do equipamento gaseificador descrito acima.
[00100] O processo de gaseificação, segundo a presente invenção, inicia-se com o aquecimento do reator 2 operando em regime de combustão. O referido reator 2 é alimentado com material inerte, tal como areia, para formação do leito primário. Esse material inerte é acomodado no mencionado leito até atingir uma altura de até 300mm acima da última linha dos bicos injetores.
[00101] A partir deste momento, um queimador auxiliar operando com GLP/oxigênio é introduzido no Plenum” 3, juntamente com a injeção de ar
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18/19 atmosférico. Essa etapa promove a elevação da temperatura do leito primário, até aproximadamente 300°C, quando se inicia a dosagem de combustível em pequenas proporções, e até que seja atingida a temperatura desejada.
[00102] Em realizações preferenciais, a temperatura desejada nesta etapa varia entre 750 a 1050°C, e dependerá diretamente do tipo e natureza de combustível que será gaseificado.
[00103] Quando a temperatura atinge um valor de aproximadamente 200°C abaixo da temperatura desejada para a gaseificação, inicia-se a dosagem automática de combustível (carvão, resíduos ou biomassa), a qual é fornecida em quantidades controladas até que o leito permaneça em uma temperatura de trabalho constante, preferencialmente, entre 750 a 1050°C.
[00104] A dosagem de combustível é feita de modo automatizado, e o reator 2 permanecerá nesse regime até que todo o sistema (equipamentos e tubulações) esteja na temperatura entre 150-180°C.
[00105] O processo de gaseificação consiste em se obter, no interior do reator, condições de pressão, temperatura e fluidização acima mencionadas, de modo a permitir que as reações químicas associadas ao processo sejam realizadas adequadamente.
[00106] De forma preferencial, todo o controle de dosagem e alimentação de matéria prima/combustível é monitorado e controlado por meio de um software específico capaz de ajustar a quantidade exata e necessária para o processamento e gaseificação da matéria prima/combustível.
[00107] Neste sentido, em uma realização preferencialmente vantajosa da presente invenção, o processo de gaseificação é compreendido basicamente pelas seguintes etapas:
a) aquecimento do reator 2 em processo de combustão;
b) alimentação do reator 2 com material inerte para formar um
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19/19 leito primário, preferencialmente até uma altura, próxima de 300mm acima da última linha dos bicos injetores;
c) acionamento do queimador auxiliar, introduzido no Plenum” 3, juntamente com a injeção de ar atmosférico, elevando a temperatura do leito primário, até cerca de 300°C,
d) dosagem e alimentação de pequenas porções de combustível, até atingir a temperatura desejada,
e) dosagem e alimentação automática de combustível, até que o leito permaneça em uma temperatura de trabalho constante.
[00108] A presente invenção foi descrita de modo a definir possíveis realizações de um equipamento e um processo de gaseificação de materiais carbonosos, sendo tal descrição de cunho exemplificativo, não limitativo, e, portanto, um técnico no assunto saberá explorar as possíveis variações que também devem ser incorporados como variantes equivalentes da invenção, que são incorporadas ao escopo de proteção definido pelas reivindicações anexas.

Claims (8)

  1. Reivindicações
    1. EQUIPAMENTO GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE, que compreende um reator (2) de configuração cilíndrica vertical, uma estrutura cilíndrica vertical, em que a extremidade inferior do reator conecta-se com um “plenum” (3) de estabilização de pressão do ar, sendo que entre o referido reator (2) e o “plenum” (3) é disposta uma grelha (18) provida de orifícios de bicos injetores de ar, dentro do referido reator (2) é instalado um ciclone interno (4), em que o reator (2) e o ciclone interno são fabricados em aço inoxidável revestido com material refratário , caracterizado pelo fato de uma base da estrutura cilíndrica vertical é dotada do plenum (3), sendo que a grelha é disposta separando o plenum (3) do reator (2); o equipamento compreende ainda uma tubulação de ar (5) que transfere ar préaquecido do reator (2) para o plenum (3); e o material refratário do ciclone interno compreende uma superfície aquecida, em que a superfície aquecida é adaptada para o craqueamento.
  2. 2. EQUIPAMENTO GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO
    CIRCULANTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a grelha possui um perfil cônico com perda de carga entre 300 e 600mmCA, e o diâmetro dos orifícios dos bicos injetores são projetados de modo a obter uma velocidade de saída do ar entre 100 e 150m/s.
  3. 3. EQUIPAMENTO GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO
    CIRCULANTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um sistema de alimentação de combustível automatizado, o sistema de alimentação de combustível sendo uma rosca (9) sem fim e sendo disposto a uma altura pouco acima do leito.
  4. 4. EQUIPAMENTO GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO
    CIRCULANTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que
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    2/3 compreende ainda válvulas alimentadoras (8) dotadas de acionamento hidráulico.
  5. 5. EQUIPAMENTO GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser instalado em uma planta de gaseificação automatizada constituída por uma moega (6), transportadores de matéria prima/combustíveis, um britador, silo alimentador, roscas alimentadoras (9), trocadores de calor primário (11) e secundário (12), multiciclones (10), trocador gerador de vapor (17), boiler de armazenamento de vapor (13), extrator de cinza (14) com resfriador de cinzas, um flare (16) de queima de gases.
  6. 6. EQUIPAMENTO GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um sistema de limpeza de gases disposto após o trocador gerador de vapor (17), assim como um sistema de dessulfurização.
  7. 7. PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO DE LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE, caracterizado pelo fato de ser realizado através de um equipamento gaseificador conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, por meio das seguintes etapas:
    a) aquecimento do reator (2) em processo de combustão,
    b) alimentação do reator (2) com material inerte para formar um leito primário, preferencialmente até uma altura, próxima de 300mm acima da última linha dos bicos injetores,
    c) introdução de um queimador auxiliar no plenum, juntamente com injeção de ar atmosférico, e elevação da temperatura do leito primário até uma temperatura de 300°C;
    d) dosagem e alimentação de pequenas porções de combustível, até atingir a temperatura entre 750 e 1050°C,
    e) dosagem e alimentação automática de combustível, até que o
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    3/3 leito permaneça em uma temperatura de trabalho constante.
  8. 8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a etapa (e) inicia-se a partir do momento em que uma temperatura de 200°C abaixo da temperatura desejada de trabalho é atingida, sendo que a referida temperatura desejada de trabalho é entre 750 e 1050°C.
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