BRPI0619787A2 - método e aparelho para secar material orgánico - Google Patents
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Abstract
MéTODO E APARELHO PARA SECAR MATERIAL ORGáNICO. A presente invenção refere-se a restos orgânicos tendo um conteúdo de umidade de cerca de 65% são secos a um nível de secura aplicando calor gerado pela ação microbiana no material orgânico de restos para secar este material em níveis usáveis de cerca de 20% de umidade. O método da presente invenção é mais eficiente e económico para a secagem de material de restos em combustível inflamável que os métodos de secagem convencionais e aparelho. Partes pré-misturadas do material orgânico são depositadas seqúencialmente em uma zona de fermentação de uma câmara e gases de exaustão quentes gerados pelo processo de fermentação são passados através de um permutador de calor de ar com ar com o ar de entrada ambiente resfriador que é, por sua vez, aquecido e retornado ao material de restos no segundo estágio de secagem.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E APARELHO PARA SECAR MATERIAL ORGÂNICO".
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um método e aparelho para se- car biológica e mecanicamente material orgânico tal como lixo, restos, des- pejos, lama de polpa, alimento, esterco, emboços, madeira, restos agrícolas, bagaço, turfa, mingau, forragem, biomassa, matéria de alimentação, etc., particularmente para a preparação de combustível útil, mas também para produtos tais como DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles) ou outros
Nutraceuticals ou alimento de valor.
Várias tentativas foram feitas para secar materiais orgânicos ú- midos e biomassa úmida em um estado suficientemente seco para ser útil como combustível sólido inflamável. Várias destas envolvem a aplicação direta de calor gerado externamente para a matéria-prima, por exemplo pelo uso de secadores rotativos e outros. No método e aparelho para preparar combustível de restos orgânicos que é o assunto da Patente US n- 4.254.716 (Graham), um secador, de passagem única ou múltiplas, ou de- senho de leito de fluido faz uso de gases de combustão quentes de uma cal- deira de recuperação de energia.
No entanto, métodos conhecidos para secar materiais orgânicos não são práticos para preparar combustíveis úteis devido a sua inabilidade inerente em reduzir o conteúdo de água dos restos orgânicos a um nível su- ficientemente baixo em uma maneira energeticamente econômica. O conte- údo de água dos restos orgânicos secos deve ser reduzido em cerca de 20%, e para fazer isso o processo convencional consome quantidades inde- vidas de energia (combustível fóssil, eletricidade). Conseqüentemente, o produto final não é útil comercialmente como um combustível em competição com substâncias tais como carvão, etc.
Métodos para fazer briquetes combustíveis ou péletes a partir de produtos de restos usando meios mecânicos (prensas de correia, prensas de parafuso, prensas rotativas e centrífugas) têm sido conhecidos na técnica. A Patente US N°. 3.910.775 (Jackman) descreve um método e aparelho para processar material de restos em que o refugo é desidratado em um Iamina- dor e formado em briquetes. A Patente US N9. 4.496.365 (Lindemann) des- creve um método de produzir briquetes de produtos de restos orgânicos, mas exige o enriquecimento destes produtos de restos com materiais orgâ- nicos de alto valor de aquecimento, tal como carvão, antes de comprimir a mistura sob altas pressões e aquecimento exotérmico devido à reação quí- mica de cal (CaO) para produzir um produto tendo o alto valor de aqueci- mento desejado. Meios mecânicos como tal podem ser eficientes para re- mover água livre (intersticial) dos materiais orgânicos, mas são muito inca- pazes de remover água de dentro das células constituintes dos restos orgâ- nicos naturais, e assim são incapazes de atingir os níveis mais baixos de conteúdo de água necessários para criar um combustível prático.
É um objetivo principal da invenção fornecer um método para a secagem altamente eficiente de material orgânico e biomassa em um estado em que o uso do produto final como um combustível sólido é comercialmen- te prático e econômico, e projetar aparelho para realizar o método.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
De acordo com o método da invenção, o material orgânico é se- co pela aplicação controlada de calor que foi gerado pela ação microbiana (decomposição aeróbica parcial ou fermentação) atuando neste mesmo ma- terial orgânico.
Descobriu-se que o material orgânico de restos tendo um conte- údo de umidade tão alto quanto cerca de 65% em peso, pode ser seco em 20% de umidade e menor pela aplicação controlada de calor que foi gerado pela ação microbiana (fermentação ou decomposição aeróbica parcial) deste mesmo material orgânico.
O método da invenção para secar restos orgânicos para com- bustível compreende as etapas de:
(i) em um primeiro estágio do processo, realizar a fermentação de partes pré-misturadas do material orgânico depositado seqüencialmente em uma zona de fermentação (também referida aqui como a "zona de aque- cimento") de uma câmara; (ii) retirar gases de exaustão quentes gerados pela fermentação dos restos orgânicos e efetuar uma troca de calor de ar para ar, com ar de entrada ambiente limpo para produzir uma corrente de ar aquecido para se- cagem; e
(iii) em um segundo estágio do método, mover seqüencialmente partes do material de restos da zona de fermentação para pelo menos uma zona de secagem da câmara e, distribuir ar quente da dita corrente através do material para colocá-lo em um estado desejado de secura para uso como um combustível.
De acordo com uma modalidade preferida do método, o segundo estágio de secagem compreende uma seqüência de etapas (zonas) em cada das quais uma parte selecionada do ar de entrada ambiente aquecido é pas- sada através do material de restos, com o fluxo de ar aumentado com as etapas subseqüentes quando o conteúdo de umidade do material de restos diminui.
No aparelho, de acordo com a invenção, é fornecido um secador compreendendo: um túnel alongado fechado tendo uma extremidade de en- trada e uma extremidade de descarga; uma pluralidade de receptáculos de transporte de restos permeável ao ar; meios para transportar seqüencial- mente os receptáculos horizontalmente ao longo do interior da câma- ra;vedações de plenum para separar a parte interior do túnel imediatamente abaixo do fundo dos recipientes móveis em uma primeira zona de fermenta- ção e à jusante das zonas de secagem; um ventilador extrator e conduto de exaustão para retirar gases de exaustão quentes da primeira zona de fer- mentação do aparelho; um ventilador de suprimento e conduto de entrada para introduzir o ar ambiente dentro da secadora; um permutador de calor de ar com ar para transferir calor dos gases de exaustão quentes para o ar conduzido pelo ventilador de suprimento; um tubo alimentador para ar de entrada aquecido do permutador de calor; amortecedores de controle de ar entre o tubo alimentador e tubos de aeração que se comunicam com as ditas zonas de secagem, para a alimentação controlada de ar em um espaço en- tre o piso do túnel e os receptáculos do transportador, de modo que o ar a- quecido sobe através das bases dos receptáculos e através do material con- tido nos mesmos em cada zona do túnel; e meios de exaustão para ventilar gases de exaustão e ar de aquecimento gasto do túnel.
Os receptáculos de transportador de restos são de preferência em geral retangulares em formato e têm paredes de fundo congruentes com a seção transversal horizontal de cada zona, de modo que quando o recep- táculo contendo restos entra completamente em uma zona, a superfície de fundo do recipiente, o piso do túnel e as partes de parede lateral formam um espaço fechado.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS DO DESENHO
Uma modalidade da invenção será agora descrita por meio de exemplo com referência aos desenhos, em que:
as figuras 1A e 1B são ilustrações esquemáticas de um aparelho correntemente preferido para realizar o método da invenção, a partir de cima e para cada lado do aparelho, respectivamente;
a figura 2A é uma vista em elevação lateral do aparelho biosse- cador de acordo com a invenção, mostrado com as paredes laterais do túnel removidas para mostrar os meios de transporte e misturação internos, o ple- num sobre o piso do túnel na Zona 1 no primeiro estágio do aparelho e a série de plenuns dividindo o segundo estágio do aparelho em Zonas 2 a 8;
a figura 2B é uma vista aumentada da parte de troca de calor de ar com ar do aparelho biossecador;
a figura 2C é uma vista aumentada da seção de descarga do aparelho biossecador da figura 2A;
a figura 2D é uma ilustração gráfica de temperatura da biomassa
quando passa através das zonas do biossecador, e o suprimento de ar de aquecimento correspondente (metros cúbicos por minuto) ao longo do túnel de secagem; e
a figura 3 é um desenho simplificado do aparelho de acordo com a invenção em seção transversal vertical, realçando o fluxo de gás através da câmara de secagem e o material de restos biológicos quando o processo de secagem prossegue. DESCRIÇÃO DA MODALIDADE PREFERIDA
No aparelho de acordo com a invenção, partes de material orgâ- nico são seqüencialmente transportadas ao longo do interior de uma câmara na forma de um túnel alongado 10 tendo uma primeira zona de fermentação e zonas de secagem seqüenciais para a aplicação controlada de ar que foi aquecido por gases de exaustão quentes gerados na reação de fermenta- ção. Na discussão seguinte, a Zona 1 se referirá à zona de fermentação qui- escente do aparelho para realizar a invenção, e a Zona 2, Zona 3, etc., a zonas a jusante subseqüentes em que a secagem do material orgânico fer- mentado da Zona 1 prossegue para atingir o estado desejado de secura pa- ra uso do material como um combustível.
Na Zona 1 a montante do túnel, o material orgânico natural, tipi- camente tendo um conteúdo de umidade de cerca de 65%, é depositado através de uma porta de carga de túnel 12 e pré-misturado. Por respiração microbiana natural, gases de exaustão quente são produzidos. Nesta primei- ra zona a montante, o calor máximo gerado biologicamente é criado para expelir a umidade e gases indesejados como VOC e nitrogênio, enquanto limita a extensão possível da quantidade de CO2 produzido. É essencial para maximizar o conteúdo de energia do biocombustível produzido pelo proces- so. Quanto maior a quantidade de carbono no material final, maior o valor de energia.
Como visto melhor nas figuras 1A e 2, gases quentes da Zona 1 no túnel são extraídos pelo ventilador extrator 15 e forçados através de um permutador de calor de ar para ar 16. Dali eles são exauridos através do conduto de exaustão 17A. A jusante no túnel, os gases gastos são exauridos por um segundo ventilador extrator 19 através do conduto de exaustão 17B. Os condutos de exaustão 17A e 17B ventilam para um filtro evaporador 25. Um ventilador de suprimento de entrada 18 distribui ar externo para o lado quente do permutador de calor de ar para ar 16 e transporta este ar quente através de um tubo alimentador 20 para as várias zonas por meio de tubos de derivação (tubos de aeração) 22.
Por ajuste seletivo de amortecedores de controle 14, que pode ser efetuado por meios de controle computadorizados, o ar quente é condu- zido para as várias zonas do secador naquelas percentagens que otimizarão a remoção de umidade.
A figura 2D é um gráfico semiquantitativo de suprimento de ar controlado distribuído nas zonas através dos tubos 22 para otimizar a seca- gem. Quando um recipiente de restos orgânicos quentes deixa a Zona 1 de fermentação e entra na Zona 2, a água já está sendo volatilizada em uma alta taxa devido à temperatura do material , mas como uma parte particular dos restos orgânicos se move ao longo das zonas, sua temperatura de mas- sa, isto é, a temperatura interna da biomassa cai naturalmente, exigindo que o suprimento de ar quente direcionado para as zonas seja aumentado pro- gressivamente para manter a secagem da massa. O melhor programa de alimentar ar quente nas zonas pode ser empiricamente estabelecido por medição de temperatura da biomassa na medida em que prossegue através do túnel e controle apropriado de amortecedores (válvulas) 14, para aumen- tar o fluxo de ar de secagem e manter uma temperatura suficientemente alta para secar os restos de acordo.
A figura 3 ilustra, pelas setas, o fluxo de ar através do sistema em operação. O ar do ventilador de entrada (de suprimento) 18 é direciona- do por amortecedores de controle 14 dentro dos tubos 22 que alimentam os plenuns P. Opcionalmente, mas vantajosamente, uma parte do ar aquecido pode ser direcionada de volta para a Zona 1, como ilustrado na figura 1A por tubo alimentador auxiliar 20A que supre os tubos de derivação (tubos de ae- ração) 22A que se estendem dentro da Zona 1 do aparelho. O objetivo em circular algum do ar bioaquecido de volta para a Zona 1, é a temperatura na zona de fermentação atingir um nível tão alto quanto possível, tão rapida- mente quanto possível. Circular algum do ar fresco aquecido de volta à Zona 1, por meio de tubos de derivação, como para zonas subseqüentes do seca- dor, serve como um "reforçador".
As vedações de plenum 26, particularmente indicadas na figura 2, que separam as zonas, podem ter membranas de Teflon® UHMW presas perpendicularmente no fundo 11 do túnel 10 e nas partes de parede lateral se estendendo para baixo a partir do nível de fundo 11 os recipientes de res- tos (não mostrados).
Vantajosamente, um par de barras aeradoras de misturação contra-rotativa 28 é fornecida entre a Zona 1 e a Zona 2 para maximizar a porosidade do material de alimentação e encorajar a distribuição máxima de ar aquecido, ajudando assim na remoção de umidade. Quando a biomassa avança da Zona 1 para a Zona 2, estes aeradores de misturação agitam e deslocam o material. Dentro da extremidade de descarga 13 do túnel, como ilustrado nas figuras 2C e 3, as barras de fragmentar 30 e um escavador 31 servem para remover o biocombustível seco do túnel.
Opcionalmente, como indicado na figura 2C, um aquecedor auxi- liar 32 e ventilador associado 33 podem ser usados para efetuar qualquer secagem adicional que possa ser necessária antes de descarregar o materi- al seco para atingir um conteúdo de umidade-alvo significantemente abaixo de 20%.
Voltando aos meios para transportar material de restos secando através das zonas do secador, qualquer um de um número de métodos po- deria ser usado para transportar partes de restos ao longo das zonas dos aparelhos (caixas de mina de carvão com transmissões por cadeia, etc.). Verificou-se que os meios para transportar restos descritos na Patente US Ns. 5.409.831 é útil no aparelho da presente invenção. A descrição da Pa- tente US NQ. 5.409.831 é incorporado aqui por referência para esta descri- ção de meios para transferir materiais de restos através de um desvio de túnel em um trilho de transportador em bandejas separadas, bem como mei- os de misturação fornecidos no túnel para misturar o lixo posicionado nas bandejas. Na realização do método da presente invenção, é desejável mistu- rar o material de secagem quando é transportado ao longo do túnel 10 a fim de afrouxar e tornar poroso e em geral aperfeiçoar as condições para seu aquecimento e secagem.
Como notado anteriormente, os receptáculos de resto o trans- portador de resto usados (não mostrados) são de preferência de formato retangular e têm paredes de fundo congruentes com a seção transversal horizontal de cada zona, de modo que quando o receptáculo contendo res- tos entra completamente em uma zona, a superfície de fundo do recipiente dentro do plano 10A, o piso 10B do túnel e as partes de parede lateral do plenum P formam um espaço fechado alimentado por um tubo associado 22, como visto na figura 2.
Baseado em cálculos em um protótipo do aparelho feito e usado de acordo com a invenção, e usando lixo transportado em bandejas forami- nosas ao longo de um trilho longitudinal dentro do túnel, foi calculado que para cada kW usado no processo de secagem, biocombustível tendo um conteúdo de energia na faixa de 40 kW a 50 kW pode ser produzido.
Foram também desenvolvidos meios para sobrecarregar este processo de secagem, onde é possível levar vantagem de abastecer em ter- ra os depósitos de gás localizados próximos, para produzir calor de baixo custo que seria distribuído mecanicamente por todo o túnel, reduzindo o tempo, de outro modo necessário, para secar a massa orgânica e assim aumentar a produção de biocombustível produzido em um dado tempo.
Certos aspectos da invenção não são limitados aos detalhes particulares da construção e disposição como limitada e é considerado que outras modificações, variações e alterações ocorrerão para aqueles versa- dos na técnica. Por exemplo, de acordo com o método da invenção, um bio- combustível de baixo custo prático poderia ser preparado substituindo as Zonas 2, 3, 4 e 5 etc. por uma única zona de secagem que consiste em, por exemplo, um tambor rotativo no qual o ar aquecido da Zona 1 é transportado e distribuído através do biomaterial para facilitar a secagem. É, portanto, pre- tendido que as reivindicações anexas devem cobrir tais mudanças e desvios que não se afastam do verdadeiro espírito e escopo desta invenção.
Claims (14)
1. Método da invenção para a secagem contínua de material or- gânico de restos para produzir um produto de combustível inflamável com- preendendo as etapas de: (i) em um primeiro estágio do processo, realizar a fermentação de partes pré-misturadas do material orgânico depositado seqüencialmente em uma zona de fermentação de uma câmara; (ii) retirar gases de exaustão quentes gerados pela fermentação dos restos orgânicos e efetuar uma troca de calor de ar para ar, com ar de entrada ambiente limpo para produzir uma corrente de ar aquecido para se- cagem; e (iii) em um segundo estágio do método, mover seqüencialmente partes do material de restos da zona de fermentação para pelo menos uma zona de secagem da câmara e, distribuir ar quente da dita corrente através do material para colocá-lo em um estado desejado de secura para uso como um combustível.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as ditas par- tes fermentadas de material orgânico de restos estão seguindo a fermenta- ção, seqüencialmente movido através de uma pluralidade de zonas de seca- gem e ar quente da dita corrente é distribuído em proporções crescentes de uma zona de secagem para a zona de secagem seguinte na seqüência.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que cada dita parte do material orgânico é agitado para aumentar sua porosidade en- quanto é movido da zona de fermentação para a primeira zona de secagem da câmara.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que uma parte do ar aquecido é passada através do material de restos na zona de fermentação para acelerar o alcance de temperaturas mais altas na zona de fermentação.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que o dito material orgânico de restos tem um conteúdo de umidade inicial de cerca de 65%.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, em que o dito mate- rial orgânico de restos é seco para um conteúdo de umidade de cerca de 20%.
7. Método de acordo com a reivindicação 5 ou 6, em que as eta- pas seguintes (i) a (iii), uma fonte de calor externa é aplicada nos restos or- gânicos secos para colocar o conteúdo de umidade abaixo de 20%.
8. Aparelho para secagem de restos orgânicos, compreendendo: um túnel alongado fechado tendo uma extremidade de entrada e uma extremidade de descarga; uma pluralidade de receptáculos de transporte de restos perme- ável ao ar; meios para transportar seqüencialmente os receptáculos hori- zontalmente ao longo do interior da câmara; divisórias de vedação para separar a parte interior do túnel entre os recipientes móveis em um plenum compreendendo uma primeira zona de fermentação e pelo menos uma zona de secagem a jusante; um permutador de calor de ar com ar externo ao túnel; meios para retirar os gases de exaustão quentes da primeira zona de fermentação do aparelho e o ar ambiente fresco dentro do permuta- dor de calor para transferir calor dos gases de exaustão quentes para o ar ambiente resfriador; primeiro meio de exaustão para ventilar gases de exaustão da zona de fermentação para o exterior; um tubo alimentador para transportar ar de entrada aquecido do permutador de calor; tubos de aeração que se comunicam com o tubo alimentador e com a dita pelo menos uma zona de secagem; amortecedores de controle de ar entre o tubo alimentador e os tubos de aeração para a alimentação controlada de ar na secagem; e segundo meio de exaustão para ventilar ar de aquecimento gas- to do túnel.
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, em que o dito meio para retirar gases de exaustão quentes da primeira zona de fermentação do aparelho e ar ambiente fresco dentro do permutador de calor compreende (i) um ventilador extrator e conduto de exaustão para retirar gases de exaustão quentes da primeira zona de fermentação e (ii) um ventilador de suprimento e conduto de entrada para introduzir o ar ambiente dentro do permutador de calor.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 8 ou 9, ainda com- preendendo meio de conduto de válvula para transportar uma parte do dito ar de entrada aquecido dentro da dita zona de fermentação.
11. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, ainda compre- endendo meio para monitorar a temperatura de massa de partes dos restos no dito receptáculo de transportador e ajustar os ditos amortecedores de controle de ar conseqüentemente, para otimizar o progresso de secagem dos restos orgânicos.
12. Aparelho de acordo com a reivindicação 10 ou 11, ainda compreendendo barras de fragmentar e um escavador em uma extremidade de descarga a jusante do túnel para transportar material seco do mesmo.
13. Método para a secagem contínua de material orgânico de restos para produzir um produto de combustível inflamável, substancialmen- te como descrito e ilustrado aqui.
14. Aparelho para a secagem de restos orgânicos, substancial- mente como descrito e ilustrado aqui.
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