PT2435533E - Novo processo para a pirogasificação de detritos orgânicos - Google Patents

Description

ΡΕ2435533 1

DESCRIÇÃO

"NOVO PROCESSO PARA A PIROGASIFICAÇÃO DE DETRITOS ORGÂNICOS" 0 invento diz respeito a um novo processo para a pirogasificação de detritos orgânicos. A pirogasificação é um processo de tratamento e valorização energética de matérias orgânicas.

Na presente descrição, entende-se por «matérias orgânicas» ou por «detritos orgânicos» as matérias compreendidas nos detritos, assim como os produtos e coprodutos provenientes da agricultura ou da biomassa. A valorização energética de detritos ou de biomassa constitui hoje uma questão maior, na medida em que ela contribui para lutar eficazmente contra o efeito das emissões e contra a futura escassez dos combustíveis fósseis. 0 processo de acordo com o invento utiliza a pirogasificação de matérias orgânicas.

Para valorizar energeticamente as matérias orgânicas, existem várias vias: 2 ΡΕ2435533 a incineração, processo bem conhecido, largamente utilizado, criticado hoje pelos seus custos de instalação e sobretudo pelo seu tratamento pesado dos fumos (dioxinas, furanos, metais pesados, etc.); a metanação que não se trata propriamente de um processo concorrente da pirogasificação porque ele se refere a produtos exclusivamente húmidos. A pirólise consiste numa decomposição da matéria orgânica pelo calor (de 500 a 1100°C) ao abrigo do oxigénio, portanto do ar. Os produtos desta decomposição são gases não condensáveis (CO,H2, CO2) , hidrocarbonetos não condensáveis (CH4, C2H6, C3H8, C4H10) , hidrocarbonetos pesados, alcatrões condensáveis em óleos, a água (H2 0) e o coque (carbono). As proporções destes componentes dependem das condições da reacção de pirólise.

Se a reacção é conduzida a baixa temperatura (400 a 500°C) e com um tempo de permanência longo (dezenas de minutos) o coque será o produto maioritário desta decomposição da matéria orgânica.

Se a reacção é conduzida a alta temperatura (700 a 1000°C) com aumento rápido da temperatura e um tempo de permanência rápido (alguns segundos ou alguns minutos) o produto maioritário será um gás combustível.

Nestas duas reacções, o gás produzido é composto, 3 ΡΕ2435533 tal como indicado precedentemente, por gases não condensáveis (CO, H2, CO2) , por hidrocarbonetos não condensáveis (CH4, C2H6, C3H8, C4Hi0) , sendo os outros compostos produzidos quando destas reacções hidrocarbonetos pesados, alcatrões condensáveis em óleos, e água (H2 0) sob a forma de vapor condensável. A eliminação destes alcatrões para formar um gás de síntese (CO+H2) tendo um teor em alcatrão inferior a 0,1 mg/m3 (a fim de que este gás possa ser valorizado num grupo gerador funcionando com um motor a gás pobre) é a questão essencial porque a produção de electricidade é uma das principais vias de valorização da biomassa e dos detritos orgânicos. A valorização por grupo gerador com motor térmico vai dobrar, no mínimo, a produção de electricidade em relação aos geradores accionados por turbinas a vapor ou também utilizando o ciclo orgânico de Rankine (CRC).

Os processos actuais fornecem um gás que não pode ser valorizado senão por queimadores portanto utilizando os processos a vapor ou CRC.

Os processos actualmente utilizados para realizar uma pirólise são principalmente os seguintes: de acordo com um primeiro processo, o aquecimento da matéria é realizado no seio de um invólucro estanque (forno) por intermédio de um duplo invólucro no qual 4 ΡΕ2435533 circulam os gases de combustão de um queimador. Este processo necessita, devido à sua má troca de calor (unicamente pelas paredes), superfícies e um volume muito importantes. Ele é interessante para as reacções conduzidas a baixa temperatura (400 a 500°C) e lentas. O inconveniente deste processo reside no facto de que a temperatura e a mistura das matérias são mal dominadas e que a produção não pode ser orientada senão para a produção de gás ou de óleo de acordo com as escolhas ou imperativos do utilizador. Só uma valorização dos gases por queimador pode ser contemplada. A quantidade importante de coque, que é para certas matérias pirolisadas um detrito, é também um elemento negativo para o processo; de acordo com um outro processo, utiliza-se o aquecimento directo das matérias a pirolisar pelos gases quentes libertados por uma chama. Neste processo, a transferência térmica é melhor mas a combustão no mesmo recinto que a reacção de pirólise induz uma contribuição de oxigénio importante (excesso de ar de combustão) que prejudica a qualidade dos gases dos resíduos (possibilidade de produtos clorados) e que por outro lado prejudica a produção de energia.

Existem outros processos para transferir energia para a matéria a pirolisar, utilizando tubos de aquecimento, leitos fluidizados, projecções ou pulverizações de matérias sobre os reactores a alta temperatura. Estes princípios são quer frágeis quer 5 ΡΕ2435533 tecnicamente difíceis de industrializar.

Citar-se-á mais particularmente nesta categoria um processo utilizando esferas de aço aquecidas no exterior do forno para em seguida, por um sistema de crivo, serem introduzidas no forno a fim de serem misturadas com a matéria a pirolisar num forno horizontal ou ligeiramente inclinado. Um tal processo está descrito nos requerimentos de patente internacionais WO 2005/018841 e WO 2006087310; este processo é eficaz porque ele permite um perfeito domínio do tempo de permanência através do controlo da velocidade de rotação do forno e um domínio da temperatura pelo controlo da temperatura das esferas. No entanto, o facto de que o sistema utiliza um forno horizontal e que a mistura de esferas/matérias seja impulsionada por um parafuso de Arquimedes ou por um forno rotativo obriga a não encher com a referida mistura senão cerca de 1/3 do forno no sentido do seu comprimento. Este processo, na medida em que o gás de pirólise é produzido desde a colocação em contacto das esferas e das matérias, quando da sua introdução, não permite realizar um cracking suficiente dos gases condensáveis e dos alcatrões porque, após a sua produção e até à sua extracção, estes gases não estão mais em contacto senão com o leito de esferas quentes e de matérias residuais. Esta superfície de contacto reduzida torna o cracking fraco e incompleto. Um outro cracking inconveniente deste processo consiste no facto de que as esferas, quando elas se apresentam sob a forma de embalagens, têm tendência a aglomerar-se, sobretudo a alta 6 ΡΕ2435533 temperatura, e tornam-se então de manipulação de transporte difícil. Esta observação é particularmente aplicável à segunda patente (WO 2006087310) onde as esferas referenciadas por 40 nos cones ou nos funis não circulam ou só circulam muito dificilmente. O documento 1.712.082 descreve um processo para a pirogasificação de materiais orgânicos, compreendendo um forno apropriado para a pirólise dos referidos detritos misturados com as esferas levadas a alta temperatura e um forno que permite o aquecimento das referidas esferas metálicas tendo em vista um novo ciclo de pirogasificação. O presente invento, tendo em conta todas estas dificuldades, remedeia estes inconvenientes utilizando como massas metálicas, toros em aço inoxidável a alta temperatura. A título preferencial, estes toros serão realizados num liga contendo níquel e cobalto a fim de favorecer a catálise no momento do cracking. O presente invento será melhor compreendido com a leitura da descrição feita a respeito das figuras entre as quais: a figura 1 representa esquematicamente o dispositivo de implementação do processo de piro gasificação de acordo com o invento, e 7 ΡΕ2435533 a figura 2 representa um detalhe de uma variante de execução do referido dispositivo.

Estes toros caminham no mesmo sentido que as matérias a pirolisar num forno vertical estático. A escolha de toros em vez de esferas é essencial no presente invento; com efeito, os toros vão apresentar uma maior relação superfície de permuta/peso, o que é importante porque isto permite ter o melhor rendimento possível tanto no aquecimento dos toros no forno de aquecimento como na restituição e transferência desta energia da matéria a pirolisar. A título de exemplo, se tomarmos uma esfera clássica em aço refractário, quer dizer uma forma esférica de um diâmetro de 40 mm, o seu peso é de 261,4 gramas e a sua superfície de permuta de 5026,55 mm2. Para um peso sensivelmente equivalente de 262 gramas, será possível utilizar um toro de 60 mm de diâmetro exterior e de 24 mm de diâmetro interior, o que lhe proporciona uma secção de 18 mm. A superfície de permuta deste toro será de 7461,42 mm2. A relação superfície de permuta toro/esfera para um peso de aço equivalente será portanto da ordem de 1,5. A rapidez de aquecimento e de transferência térmica será portanto melhorada em relação aos processos existentes. São possíveis outras dimensões ao nível dos toros (2), mas parece que os melhores resultados foram obtidos para um diâmetro interior compreendido entre 15 e 100 mm e ΡΕ2435533 um diâmetro exterior compreendido entre 50 e 150 mm.

Por outro lado, o facto de utilizar toros em vez de esferas vai apresentar uma vantagem importante no que diz respeito à circulação do portador de calor (a saber, as massas metálicas fornecendo calor às matérias a pirolisar). Com efeito, contrariamente às esferas que têm a tendência de se aglomerar o que já foi mencionado, tornando a sua circulação difícil, os toros não se auto bloqueiam e a sua circulação é grandemente facilitada, melhorando ainda o rendimento do processo de acordo com o invento. O presente invento permite tratar todos os produtos que compreendem matéria orgânica quer eles sejam provenientes da biomassa e portanto considerados como energia renovável, quer não provenientes da biomassa. A título de exemplos não limitativos de produtos provenientes da biomassa, poder-se-ão citar os seguintes: madeira, detritos de madeira e serradura, palha, detritos vinícolas, coprodutos de detritos da agricultura (excrementos, lamas, melaços, farinhas animais), bagaço, - culturas energéticas (miscanto, etc.), lodos de tratamento de água, - licores de fábricas de papel, 9 ΡΕ2435533 papéis, cartões, celulose, - lixo, - detritos industriais sólidos.

Tratando-se de produtos não provenientes da biomassa, poder-se-ão citar, a titulo de exemplos não limitativos, os produtos seguintes: resíduos de óleo e de carvão, resíduos de petróleo, resíduos de madeira poluídos, resíduos da química orgânica, resíduos de pintura, resíduos de plásticos (polietileno, poliestireno, poliuretano, PVC), pneus usados.

Esta lista não é limitativa, toda a matéria que contenha matéria orgânica pode ser tratada pelo processo de acordo com o invento, quer seja para uma valorização térmica, para uma destruição ou para uma despoluição.

As matérias tratadas pelo processo de acordo com o invento podem estar sob a forma sólida, pastosa ou líquida. Os produtos sólidos devem ser previamente triturados para obter elementos de uma dimensão vizinha de 50 mm.

Os produtos tratados pelo processo de acordo com 10 ΡΕ2435533 o invento podem conter uma quantidade importante (de 30 a 100%) de matéria orgânica e, neste caso, a reacção ou é autónoma em energia para a destruição dos detritos, ou é excedentária em energia e produz electricidade e energia sob a forma de vapor ou de água quente. Os produtos tratados podem também ser matérias poluidas compreendendo pouca matéria orgânica. Neste caso, o processo pode ser utilizado para despoluir, por exemplo terras poluidas utilizando uma outra energia para activar a reacção de pirólise (biogás de aterros sanitários ou de estações de tratamento de água ou de metanação eventualmente de energia fóssil. 0 processo de acordo com o invento permite realizar a pirólise e a gasificação de matérias orgânicas para quantidades compreendidas entre 50 e 10000 toneladas por ano. Para quantidades superiores, é desejável colocar várias unidades em paralelo. É agora feita referência à figura 1 onde está representado um forno (1) que é um invólucro vertical com um volume reduzido (1,5 m3 para um tratamento de uma tonelada/hora, ou uma altura de cerca de 2,5 m), a pirólise desenrolando-se no interior deste último. Contrariamente aos dispositivos existentes, este forno onde tem lugar a pirogasificação é cheio com uma mistura constituída por toros (2) a alta temperatura (500 a 1100°C de acordo com as necessidades) e por matérias orgânicas (3) a pirolisar, a proporção entre os toros (2) e as matérias orgânicas (3) a 11 ΡΕ2435533 pirolisar será determinada de maneira a ter a melhor reacção de pirogasificação. As matérias orgânicas (3) são introduzidas quer seja graças ao crivo (4) quando elas são sólidas, seja através de um filtro (5) quando elas são liquidas. Um dispositivo de agitação dos toros (2) e das matérias orgânicas (3), aqui não representado, está previsto no interior do forno (1) permitindo uma mistura intima entre os referidos toros (2) e as referidas matérias orgânicas (3), melhorando assim a pirólise destas últimas. A reacção é muito rápida e o gás de pirólise compreendendo não condensáveis e hidrocarbonetos condensáveis assim como o coque são produzidos na introdução das matérias (3) no forno (1) . 0 interesse da trajectória da mistura toros (2)/matérias orgânicas (3) em altura do forno (1) a alta temperatura consiste no facto de que o cracking dos hidrocarbonetos a alta temperatura e a gasificação do coque residual se realizam durante este percurso graças ao contacto íntimo com a superfície de permuta muito grande dos toros (2) sobreaquecidos e das matérias orgânicas (3). A título preferencial, a fim de melhorar ainda esta reacção, escolher-se-ão toros em aço inoxidável a alta temperatura numa liga comportando níquel e cobalto, o quer tem por efeito melhorar a gasificação por efeito catalítico, uma tal composição ao nível dos toros facilitando o cracking dos alcatrões. Esta reacção pode também ser melhorada por fornecimento de CO2 ou de vapor de água no decurso do trajecto da mistura o que tem por função gasificar em CO e H2 as partículas carbonadas residuais. 12 ΡΕ2435533 0 percurso da mistura anteriormente citada conclui-se na base do forno (1) onde os gases são extraídos ao nível de uma saída (6) dotada com um sistema de aspiração regulável, aqui não representado, o que tem por efeito colocar o forno (1) numa depressão muito ligeira. 0 facto de a saída (6) estar situada na parte baixa do forno (1) é preferido porque ela permite às matérias (3) serem pirolisadas durante um máximo de tempo, visto que ao longo de um trajecto máximo, melhorando assim os resultados da referida pirólise Estes gases são em seguida conduzidos ou directamente para uma valorização térmica (queimador e caldeira, aqui não representados), ou arrefecidos e lavados a fim de serem valorizados de maneira óptima no grupo gerador (7) .

Está previsto um queimador (8) para aquecer os toros (2) do interior do forno de aquecimento (9) tal como será explicado mais adiante na descrição, sendo entendido que uma parte destes gases de combustão, variando de 10% até 100% (no caso de destruição de uma matéria a pirolisar tendo uma baixa percentagem de produtos orgânicos) é orientada para o forno (9) de aquecimento dos toros (2), a temperatura mais elevada situando-se na parte superior deste forno (9), permitindo assim a introdução dos toros (2) no forno (1) a uma temperatura máxima.

Os toros (2) assim como as partículas pirolisadas sólidas são recuperados sob o forno por um sistema de regulação de débito (10) que permite regular a velocidade 13 ΡΕ2435533 de circulação da mistura toros (2)/ matérias orgânicas (3) no forno (1). Em seguida esta mistura é introduzida num separador (11) que vai permitir separar os toros (2) e os resíduos pirolisados, quer dizer as matérias minerais (12) formadas das referidas partículas pirolisadas sólidas; este separador (11) é constituído por um cilindro (13) com um crivo inferior (14) e, na medida em que ele recebe produtos a alta temperatura (entre 400 e 700°C), é realizado em aço refractário. Neste cilindro (13), a mistura toros (2)/ matérias minerais (12), estas últimas comportando eventualmente metais, é impelida por um parafuso de Arquimedes (15) accionado por um moto-redutor (16); à medida que a referida mistura avança, as partículas minerais (12) cujo tamanho é muito inferior ao dos toros (2) são extraídas graças a um crivo (14), disposto preferencialmente na parte maior do parafuso (15), e recuperadas num receptáculo (17) concebido de maneira a evacuar as referidas partículas e munido de um filtro a fim de não deixar entrar o ar no dispositivo de acordo com o invento quando desta evacuação. As partículas serão então evacuadas a fim de serem ou valorizadas ou tratadas segundo a classificação «detrito» ou não do produto pirogasifiçado.

No fim do percurso neste separador (11), a separação entre os toros (2) e as matérias minerais (12) é total e só os toros (2) são encaminhados para o forno de aquecimento (9) . Este forno (9) tem por função aquecer os toros (2) à temperatura necessária determinada para realizar a reacção de pirólise no forno de pirogasificação 14 ΡΕ2435533 (1), eventualmente no quadro de um ciclo contínuo. Ele tem também outra função de elevar os toros (2) a fim de os conduzir do separador (11) a um nível superior ao topo do forno de pirogasificação (1). 0 deslocamento dos toros (2) no forno (9) de aquecimento é assegurado por um parafuso de Arquimedes (18) como no separador (11). A rotação do parafuso (18) é obtida com a ajuda de um moto redutor (19) que acciona um veio, o conjunto estando inclinado conforme o valor da elevação a efectuar entre o separador (11) e o forno (1). 0 aquecimento dos toros (2) faz-se directamente por contacto com o gás de combustão do queimador (8), o que necessita, a fim de não introduzir oxigénio, que está ligeiramente presente nos gases de combustão, regular os extractores e débitos de fumos, aqui não representados, a fim de criar um ponto de pressão neutro entre o forno de aquecimento (9) e o forno de pirogasif icação (1). Este forno de aquecimento (9) que deve suportar temperaturas que podem atingir 1100°C é realizado em aço refractário alta temperatura. Por outro lado, a estas temperaturas, a dilatação dos metais é muito importante e o layout deste forno é objecto de uma variante preferencial de execução que se apresenta melhor na figura 2.

Nesta variante ilustrada na figura 2, as volutas do parafuso (18) não estão directamente fixadas ao veio (20) que garante a rotação, mas a um casquilho (21) que rodeia o veio (20); de acordo com a variante ilustrada na figura 2, este casquilho é oco e cheio com uma matéria isolante (22), mas, segundo uma outra variante, o casquilho 15 ΡΕ2435533 é ele próprio realizado num material termicamente isolante. Qualquer que seja a variante, a presença do casquilho (21) limita de maneira considerável a transmissão de calor ao veio (20) e permite assim conservar no referido veio as caracteristicas mecânicas iniciais. O veio (20) assim protegido pode ser sem risco arrefecido ao nível dos mancais, aqui não representados.

Os gases de combustão a alta temperatura (1000°C) são evacuados após controlo da conformidade com as normas de rejeição e arrefecimento num permutador clássico a fim de valorizar a energia que eles contêm (por exemplo para secar os produtos a pirolisar).

Numa variante de execução aqui não ilustrada, é igualmente possível prever uma recuperação dos gases de combustão a alta temperatura (1000°C), os referidos gases sendo encaminhados no interior do duplo invólucro com que é dotado o forno de pirogasificação (1) a fim de recuperar o máximo de energia para o cracking dos hidrocarbonetos e dos alcatrões no caso de uma valorização térmica ou eléctrica após o que estes gases são, como indicado precedentemente, evacuados após controlo da conformidade com as normas de rejeição e arrefecimento num permutador clássico.

Os toros (2) aquecidos à temperatura requerida são introduzidos ao débito necessário em função da quantidade e da qualidade da matéria a pirogasificar no forno (1). As matérias orgânicas a tratar são introduzidas 16 ΡΕ2435533 a um débito regulado por intermédio de um sistema de filtros a fim de não introduzir oxigénio.

Em relação à arquitectura geral do dispositivo de acordo com o invento, a figura 1 ilustra um modo preferencial, reduzindo o atravancamento e permitindo uma implementação óptima do processo de acordo com o invento; é assim que os três elementos essenciais do dispositivo, a saber o forno de pirogasificação (1), o sistema de separação (11), e o forno de aquecimento (9) são repartidos segundo um triângulo rectângulo cujos dois lados do ângulo recto correspondem respectivamente ao forno (1), preferencialmente vertical, e ao sistema (11) sensivelmente horizontal, o forno (9) ocupando então o lugar da hipotenusa. De acordo com uma variante, o sistema (11) pode ser ligeiramente inclinado, o ângulo recto do triângulo precedentemente descrito sendo então ligeiramente obtuso.

Lisboa, 10 de Maio de 2013

Claims (10)

1. ΡΕ2435533 1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para a pirogasificação de detritos orgânicos do tipo que utiliza a) um forno onde se efectua a pirólise dos referidos detritos misturados com massas metálicas levadas a alta temperatura, a saber, entre 500 e 1100°C, o referido forno comportando uma entrada para os referidos detritos e para as referidas massas metálicas assim como uma saída para os gases de pirólise; b) um sistema que separa os resíduos pirolizados das referidas massas metálicas; c) um forno que permite o aquecimento das referidas massas metálicas tendo em vista um novo ciclo de piro gasificação, caracterizado pelo facto de que as referidas massas metálicas são compostas por toros (2) realizados em aço inoxidável.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que os referidos toros (2) contêm níquel e cobalto.
3. 3. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo facto de que os referidos toros (2) têm um diâmetro interior compreendido entre 15 e 100 mm, e um diâmetro exterior compreendido entre 50 e 150 mm.
4. 4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo facto de que a 2 ΡΕ2435533 saída (6) dos gases de pirólise está prevista na parte inferior do forno (1) em que efectua a referida pirólise.
5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de que a referida saída (6) é dotada com um sistema que coloca o referido forno (D em ligeira depressão.
6. 6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo facto de que na base do forno (1) onde se efectua a referida pirólise está previsto um dispositivo (10) regulador do débito de saída dos toros (2) e dos resíduos de pirólise.
7. 7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo facto de que o sistema (11) que separa os resíduos pirolizados e os referidos toros (2) compreende um parafuso de Arquimedes (15) que transporta os referidos resíduos e os referidos toros (2) desde a base do forno (1) até à base do forno (9) permitindo o aquecimento dos referidos toros (2), os referidos resíduos pirolizados sendo entretanto recuperados num receptáculo (17) passando através de um crivo (14) situado no referido parafuso (15) e ao longo de um comprimento substancial deste último.
8. 8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo facto de que o forno (9) que permite o aquecimento dos referidos toros (2) 3 ΡΕ2435533 está munido com um queimador (8) e com um parafuso de Arquimedes (18) que permite reconduzir os referidos toros (2) aquecidos com a ajuda do referido queimador (8) a um nivel superior no topo do forno (1).
9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de que as volutas do referido parafuso (18) estão separadas do veio (20) que acciona o referido parafuso (18) por um casquilho (21) isolando termicamente o referido veio (20) das volutas do referido parafuso (18).
10. 10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo facto de que o forno (1), o referido sistema de separação (11) e o referido forno (9) constituem respectivamente os lados de um ângulo recto de um triângulo rectângulo e a sua hipotenusa, sendo o referido forno (1) vertical. Lisboa, 10 de Maio de 2013