BRPI0700517B1 - processo degradador molecular de gases indutores do efeito estufa e equipamento de degradação molecular de gases indutores do efeito estufa com retenção do material particulado degradado - Google Patents
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Abstract
processo degradador molecular de gases indutores do efeito estufa e equiipamento de degradaçâo molecular de gases indutores do efeito estufa com retenção do material particulado degradado. é um processo industrial capaz de mudar a composição química dos gases causadores do efeito estufa, emitidos por fontes de qualquer natureza, tais como veiculos com motor a combustão interna, chaminés de industrias, e outros, através da degradação ou decomposição das moléculas do gás para formar novas substâncias não causadoras do efeito estufa, com auxilio de um equipamento de degradação molecular de gases indutores do efeito estufa, com retenção do material particulado degradado, e o equipamento consiste de uma câmara de degradação plasmática que produz um jato de plasma e de um filtro de precipitação eletrostática para a coleta de material particulado.
Description
PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO
Trata-se de processo de decomposição ou degradação de moléculas do gás por plasma térmico, processo industrial capaz de mudar a composição química dos gases causadores do efeito estufa, emitidos por fontes de qualquer natureza, tais como veículos de motor a combustão interna, chaminés de indústrias, e outros. O processo degrada ou decompõe as moléculas do gás para formar novas substâncias não causadoras do efeito estufa. Como exemplo, cita-se o dióxido de carbono (CO2), um dos principais responsáveis pelo efeito estufa, cujos produtos de sua degradação, por este processo, são o carbono sólido (C) e oxigênio gasoso (02). O equipamento de degradação molecular de gases indutores do efeito estufa, com retenção do material particulado degradado, consiste de uma câmara de combustão plasmática e de um filtro de precipitação eletrostática para a coleta de material particulado. A câmara de combustão plasmática é dotada de uma tocha de plasma que produz um jato de plasma ou gás ionizado formado a partir de um curto circuito momentâneo entre um catodo e um anodo.
ESTADO DA TÉCNICA
Um dos mais sérios problemas enfrentados pela humanidade atualmente é a poluição do meio ambiente gerada principalmente pela atividade humana e industrial. A queima de combustíveis fósseis (petróleo, carvão, gás natural), por exemplo, é uma das principais causas do aumento do dióxido de carbono (C02) na atmosfera terrestre. Anualmente são liberadas em tomo de 24.000 milhões de toneladas de CO2, equivalentes a 6.500 milhões de toneladas de carbono/ano. Em janeiro de 2007, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera terrestre, medida pelo Mauna Loa Observatory - Hawaii, foi de 0,03830¾ em volume (383 ppm v). 105 ppm.v ou 38% acima da média dos valores observados ate 1950 A temperatura do globo terrestre é mantida constante devido a propriedades físico-quimicas de determinadas moléculas gasosas, como o CO;. que compõe a atmosfera; se houver mudanças na concentração destes gases também haverá mudanças na temperatura do planeta. Os principais gases do efeito estufa são: Vapor de água responsável por 36-70%, dióxido de carbono (CO;) responsável por 9-26%; metano (CH4) responsável por 4-9%; e o ozônio (O3), responsável por 3-7%. Outros gases causadores do efeito estufa de menor concentração na atmosfera são: óxido nitroso (N;0) e CFC’s compostos de clorofluorcarbono (CFXC1X). Diante da gravidade do problema, pesquisadores de todo o mundo buscam tecnologias de retenção e controle de emissão dos gases causadores do efeito estufa. Os documentos de patente PI8100960-7, PI9500855-1, PI0205677-1, PI0301592-0, PI0305789-5, PI0317946-0, JP2003326155 e PI 0604646-0, descrevem aparelhos e processos de absorção de gás carbônico presente na atmosfera. A tecnologia atualmente dominante busca solução através do aperfeiçoamento de processos com reações químicas. Observou-se que no atual estado da técnica, não há instalação industrial que utilize a tecnologia do plasma térmico, visando a degradação ou decomposição das moléculas dos gases responsáveis pelo efeito estufa, produzindo novas substâncias não causadoras do referido efeito. Informações relativas ao objeto da invenção também foram acessadas, em 18/01/2007, no site http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/trends/ e na publicação "Shukman, David (14 March 2006). Sharp rise in CC6 leveis recorded. BBC News.
Quanto à tecnologia do plasma térmico há que considerar que entre as várias formas de se produzir o plasma, a escolha depende da aplicação desejada. As mais utilizadas são o plasma de acoplamento indutivo e 0 plasma arco DC (corrente contínua). O Plasma De Acoplamento Indutivo também chamado de ICP (Inductively Coupled Plasma) é produzido por corrente de radiofrequência e utilizado pnncipalmente com finalidades analíticas Sua formação ocorre em função de um fluxo de gás. normalmentc argônio. que atravessa uma região onde se encontra uma bobina de indução alimentada por um sistema gerador de radiofrequência. A bobina de indução e constituída de 2 a 4 espiras refrigeradas mtemamente por um fluxo de água. Este tipo de plasma também é utilizado para eliminação de resíduos líquidos. O resíduo é injetado no centro da tocha onde as temperaturas são mais elevadas o que colabora para sua completa destruição. Quanto ao Plasma a Arco Dc: Quando um gás flui entre dois eletrodos submetidos a uma diferença de potencial e alta corrente, na presença de alguns portadores positivos ou negativos, se estabelece um arco entre os eletrodos formando o plasma que tanto pode ser de corrente contínua (DC) como corrente alternada (AC). O arco elétrico pode ser livre (arco na solda ou num forno a arco) ou confinado (numa tocha de plasma). No arco livre, o processo de troca de calor entre o arco e o gás ambiente se dá por convecção natural. No arco confinado, a troca é por convecção forçada, muito mais eficiente que a natural. Essa maior eficiência resulta que a temperatura no arco confinado é muito mais alta (20.000 K) que no arco livre (3.000 K). Apesar da possibilidade da aplicação de qualquer um dos tipos de geração de plasma no presente processo, para a descrição do mesmo será utilizado o sistema de plasma por arco DC. O atual estado da técnica contém, entre outros, documentos relevantes como: i. CUBAS, A. L. V.; CARASEC, E. R.; DEBACHER, N. A., SOUZA, I. G., Development of a DC-Plasma Torch for Decomposition of Organochlorine Compounds. Journal of the Brazilian Chemical Society, Br., v. 16, η. 3B, p. 531-534, 2005. 2. CUBAS, A. L V : CARASEC. E. R.; DEBACHHR, N A.: SOUZA, I. G. Use of Solsd Phase Microextraclion lo Monitor Gases Resulting from Thermai Piasma Pvrolysis Chromatographia, Germany, v. 60, n. 1/2, p 85-88, 2004. 3. STALEY, L. Site Demonstration of Retech Plasma Centrifugai Fumace: The Use of Plasma to Vitrífv Contaminated Soil Air & Management Association. v. 42. n. 10. p. 1372-1376. 1992. 4. BONIZZONI, G., VASSALLO, E. Plasma Physics and Technology: Industrial Applications. Vaccum, v, 64. p. 327-336. Jan. 2002. 5. BOULOS, M.; FAUCHAÍS, P.; PFENDER, E. Fundamentais and Applications. Thermai plasma, v. 1, 1995. 6. IWAO, T,; INABA T. Treatment of Waste by dc Arc Discharge Plasma. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, v. 7, n°5, p.684-692. October 2000.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO O Processo Degradador Molecular de Gases se fundamenta na degradação ou decomposição de substâncias (moléculas) causadoras do efeito estufa através de plasma térmico. A degradação destas moléculas produz substâncias de características físico-químicas completamente diferentes das originais tais como carbono sólido e gases não causadores do Efeito Estufa. O processo de degradação e retenção é realizado através de uma tocha de plasma, uma câmara de degradação plasmática e de um filtro de precipitação eletrostática. Para melhor descrição da idéia inventiva, cita-se o dióxido de carbono (C02), um dos principais responsáveis pelo efeito estufa, cujos produtos de sua degradação, por este processo, são o carbono sólido (C) e oxigênio gasoso (O?), O equipamento de degradação molecular de gases indutores do efeito estufa, com retenção do material particulado degradado, consiste de uma câmara de degradação plasmática e de um filtro de precipitação eletrostática para a coleta de material particulado. A câmara de degradação plasmática é dotada de uma locha de plasma que produz um jato de plasma ou gás ionizado formado a partir de um curto circuito momentâneo entre o catodo e o anodo. À operacionalização do ''Processo de Degradação Térmica de Gases do Efeito Estufa", será implementado da seguinte forma. Uma Câmara de degradação dotada de uma tocha de arco de plasma que produz um jato de plasma ou gás ionizado, com temperaturas da ordem de 10.000 K, formado a partir de um curto circuito momentâneo entre o catodo e o anodo. A tocha de plasma é alimentada por uma fonte de energia de capacidade variada dependendo do tipo de gás ou mistura de gases a ser ionizado. O equipamento possui um filtro coletor de material particulado. O processo de degradação de moléculas por plasma térmico segue duas etapas: Na primeira etapa a alta temperatura gerada pelo gás ionizado (plasma) quebra as ligações químicas das moléculas formando radicais livres extremamente reativos e instáveis que, numa segunda etapa, no esfriamento da mistura gasosa, se recombinam espontaneamente formando novas substâncias de menor peso molecular em um processo entropicamente favorável.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Para complementar a descrição do invento e com o objetivo de facilitar a compreensão de suas características é apresentada à figura 1, com caráter ilustrativo e não limitativo, que mostra o diagrama expandido do “Equipamento De Degradação Molecular De Gases Indutores Do Efeito Estufa Com Retenção Do Material Particulado Degradado” composto pelos módulos: Tocha de plasma (1); Câmara de Degradação Plasmática (II); Filtro de Precipitação Eletrostática (III); e Fonte Eletrônica de Alta Corrente (IV). DESCRIÇÃO DETALHADA DO PROCESSO E EQUIPAMENTO O equipamento necessário para a implementação do "Processo de Degradação i érmica de Gases do Efeito Estufa" possui uma Fonte eletrônica de alta corrente (IV). para fornecimento de energia ao processo; Tocha de Plasma (I) e Câmara de Degradação Plasmática (II) para mistura e degradação pirolítica dos gases efluentes ao sistema; e um Filtro (III) de Precipitação Eletrostática para separação da mistura gasosa e matena! particulado. A fonte eletrônica de alta corrente (IV) apresenta as seguintes características: Oferece potências da ordem 10 e 20 kW e possui um ignitor eletrônico de alta freqilência para o estabelecimento do arco elétrico para a formação do plasma. A degradação plasmática pode ser realizada de forma direta e indireta. Na forma direta os gases a serem degradados são introduzidos através dos eletrodos juntamente com o gás de manutenção da tocha. Na forma indireta os gases a serem degradados são intimamente misturados com o jato de plasma não passando por entre os eletrodos. Na presente Patente, como exemplo, será descrito o processo indireto. Neste, a Câmara de degradação plasmática (II) é constituída por uma tocha (I) de plasma do tipo arco não transferido e uma câmara de degradação tubular(7) do tipo fluxo direto. A Câmara de degradação plasmática (II) constitui a peça fundamental do degradador molecular. Nela se processa o mecanismo de pirólise ou degradação molecular, e para que este atinja a máxima eficiência deve ocorrer uma mistura intima entre os gases que entram na câmara(l) e o jato de plasma. Na figura 1 está apresentado, para melhor visualização dos módulos(I, II, III e IV), uma vista explodida do equipamento Degradador Molecular de Gases Indutores do Efeito Estufa. A tocha (I) de plasma de corrente contínua de arco não transferido, consiste de um eletrodo(4) central de tungstênio que atua como cátodo (emissor de elétrons) e um corpo(5) de latão, o ânodo que atua como coletor de elétrons. A tocha (I) deve ser refrigerada a água. O plasma se forma quando gases tais como argônio, nitrogênio, ar, entre outros, fluem entre os dois eletrodos submetidos a uma certa diferença de potencial e alta corrente. Ü arco elétrico é inicialmente produzido pelo ignitor de alta frequência da fonte (IV) que gera os primeiros portadores de carga. O Vórtice de REED ou jato de plasma é mantido pela alta potência fornecida pela fonte (IV) de alta tensão, estabilizada por um fluxo de gás injetado entre os eletrodos que, se ioniza formando o referido jato de plasma na saída da tocha (1). As temperaturas alcançadas com estas tochas (I) atingem cifras da ordem de 10.000 K em ambiente ideal para degradar molecularmente qualquer substância presente. A Câmara de Degradação Tubular (ΪΙ) de Fluxo Direto é constituída por um tubo envo!vente(3) com uma entrada(l) de gases na lateral e um tubo de chama(7) na parte central. O tubo envolvente(3) é um tubo cilíndrico construído em aço inox e constitui o verdadeiro corpo da câmara de degradação (II) do tipo tubular. O tubo de chama(7) é um tubo cilíndrico, com uma abertura livre(8) na sua face posterior e com um ligeiro ressalto(9) para sua sustentação no interior do tubo envolvente(3). A tocha (1) deve ser rosqueada na face frontal do tubo de chama(7). Esse tubo(7) é construído em aço especial muito resistente ao calor sendo completamente envolvido pelo tubo envolvente(3). No interior do recinto limitado pelo tubo envolvente(3), esse tubo de chama(7) ocupará uma posição rigorosamente centralizada. O tubo de chama(7) possui uma série de orifícios(lO) abertos ao longo de seu corpo, que são invariáveis e distintos entre si, principalmente quanto suas funções. Os gases ao penetrarem na câmara apresentam um fluxo laminar, porém ao penetrarem nos diferentes orifícios(lO) adquirem movimento turbulento logo após entrarem na câmara de chama(7). A turbulência é proposital mente provocada para garantir uma perfeita mistura dos gases com “Vórtice de REED” ou jato de plasma. A Câmara de degradação plasmática (11) é acoplada a um Filtro (III) de Precipitação Eletrostática. Da degradação molecular resultarão gases tais como oxigênio e nitrogênio e materiais particulados sólidos tais como carbono e enxofre. Deste modo, todo o material particulado - carbono e enxofre provenientes da decomposição do CO; e SON -serão removidos do fluxo gasoso na unidade de precipitação eletrostática (111) similar àquelas comercialmente disponíveis. Meios filtrantes eletrostáticos são os mais indicados para saida de gases por oferecerem resistência mínima ao fluxo gasoso e possuírem eficiência de reterem material micro pulverizado. O material particulado retido no filtro(III) precipitador será removido para um reservatório( 11) posicionado na parte inferior do dito filtro (III) precipitador. Os gases efluentes na saida(2) deverão estar suficientemente isentos de gases do efeito estufa e material particulado. O aparelho possui forma construtiva que possibilita sua instalação junto à fonte geradora e possuí simplicidade na fabricação dos elementos componentes do mesmo. Essas características o viabilizam para aplicações industriais em larga escala possibilitando a redução de poluentes, tipo dióxido de carbono, responsáveis pelo “efeito estufa”.
Claims (8)
1. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO caracterizado por realizar processo de degradação das moléculas dos gases causadores do efeito estufa por plasma térmico, através da degradação plasmática da mistura gasosa e realizar a retenção do material particulado resultante por precipitação eletrostática.
2. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo equipamento de degradação molecular de gases indutores do efeito estufa, com retenção do material particulado degradado, ser constituído por uma câmara (I e II) de degradação plasmática e ter acoplado um filtro (ΠΙ) de precipitação eletrostática coletor de material particulado.
3. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela câmara (II) de degradação plasmática ser constituída por uma tocha (I) de plasma do tipo arco não transferido contida no interior de uma câmara de degradação tubular (7) do tipo fluxo direto.
4. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pela tocha (I) de plasma do tipo arco ser alimentada por uma fonte (IV) eletrônica de alta corrente com potências da ordem 10 e 20 kW e possuir um ignitor eletrônico de alta frequência.
5. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pela Câmara de Degradação Tubular(7) de Fluxo Direto ser constituída por um tubo envolvente(3) com uma entrada(l) de gases na superfície cilíndrica lateral e um tubo de chama(7) na parte central, concêntrico com o dito tubo envolvente(3).
6. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo tubo de chama(7) ser um tubo cilíndrico, com uma abertura livre(8) na sua base posterior e com um ligeiro ressalto(9), em forma de anel, de diâmetro superior ao diâmetro do tubo que se fixa no tubo envolvente(3) e a parede cilíndrica do dito tubo de chama(7) possuir uma pluralidade de furos(lO) de diâmetros diversos.
7. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela fíltração por precipitação eletrostática ser realizada por um Filtro (III) de Precipitação Eletrostática dotado de um reservatório( 11) posicionado na parte inferior do dito filtro (111) precipitador.
8. PROCESSO DEGRADADOR MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA E EQUIPAMENTO DE DEGRADAÇÃO MOLECULAR DE GASES INDUTORES DO EFEITO ESTUFA COM RETENÇÃO DO MATERIAL PARTICULADO DEGRADADO de acordo com a reivindicação I, caracterizada pelo gás degradado, causador do efeito estufa, ser o C02 gás carbônico coletado junto aos gases resultantes da combustão em chaminés de fabricas, descarga de motores de combustão interna de veículos e de outras fontes dos gases do efeito estufa.
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