BRPI0708375A2 - equipamento e métodos de formação de gás de sìntese e de carregamento de material carbonáceo em reator de desvolatilização - Google Patents

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Abstract

Equipamento e Métodos de Formação de Gás de Síntese e de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator de Desvolatilização. Um equipamento (10) projetado para formar gás de síntese a partir de materiais carbonados tais como carvão inclui um reator de desvolatilização (14) em combinação com um reator de reforming (16) que subseqúentemente forma gás de síntese, O reator de refonning, por sua vez, está em comunicação com um separador de particulado (18). O reator de desvolatilização é carregado com material usando um carregador de compressão (12) que dirige ar a partir do material de carga, comprime-o numa zona de carga formando uma vedação entre a tremonha de carga e o reator de desvolatilização. O reator de reforming (16), assim como também os separadores de particulado (18, 20), são mantidos num forno aquecido (77) de forma que a temperatura do gás de sintese formado não diminui abaixo da temperatura de reação até que o material particulado tenha sido separado.

Description

"Equipamento e Métodos de Formação de Gás de Síntesee de Carregamento de Material Carbonáceoem Reator de Desvolatilizagao"Relatório Descritivo
Antecedentes da Invenção
O material carbonáceo pode ser feito reagir com vapor atemperaturas elevadas para formar gás de síntese, que é uma combina-ção de monóxido de carbono e hidrogênio. Conforme descrito naPatente US 6.863.878, se a reação inicial alcançar uma temperaturamaior do que cerca de 232°C antes que o oxigênio disponível seja feitoreagir, ocorre a combustão. Isto produz dióxido de carbono indesejável,cinza e escória. Para evitar isto, como descrito na Patente US6.863.878, a temperatura deve ser mantida em 232°C até depois que ooxigênio disponível esteja reagido.
Sumário da Invenção
A presente invenção é baseada no fato de que o gás desíntese pode ser produzido mais eficazmente modificando o processodescrito na Patente US 6.863.878, cuja revelação fica por este meioincorporada por referência. Em particular, o material carbonáceo nazona de desvolatilização é mantido a uma temperatura menor do que232°C até que todo o oxigênio disponível esteja reagido. Na presenteinvenção, este material é então elevado para uma temperatura de cercade 538°C na zona de desvolatilização antes de ser combinado com vaporpara formar o gás de síntese no reator de reforming.
A partir do reator de reforming, o gás de síntese formadopassa por uma série de separadores de particulado para removerqualquer cinza formada. Estes separadores são mantidos a uma tempe-ratura maior do que 816°C, através da localização deles no mesmoforno que o reator de reforming. Isto impede reações não desejadas quepodem ocorrer, quando o gás de síntese arrefecer, e evita acúmulo decarbono no equipamento. O gás de síntese do separador está rapida-mente arrefecido a uma temperatura bem abaixo de 538°C, de preferên-cia a uma temperatura de cerca de 49°C. A esta temperatura, o gás desíntese é estável e não forma depósitos de carbono nem permite reaçõesindesejáveis. Ao mesmo tempo, o material é arrefecido, de preferêncianum arrefecedor, qualquer alcatrão ou óleo residual é separado eretrocarregado para a zona de desvolatilização para reação ou coletadapara uso adicional. Numa característica adicional da presente inven-ção, o calor da zona de desvolatilização é dirigido para uma seção depré-aquecedor onde a água e o ar de combustão são circulados pararecuperar calor residual.
Os objetivos e vantagens da presente invenção serão aindaobservados levando em conta a descrição e os desenhos detalhadosseguintes, em que:
Breve Descrição dos Desenhos
as Figuras IA e IB são descrições diagramáticas do equi-pamento usado na presente invenção;
a Figura 2 é uma vista em seção reta de uma modalidadeda seção de carga;
a Figura 3 é uma vista esquemática em projeção de umaseção de carga alternada; e
a Figura 4 é uma vista plana de um trado usado na moda-lidade mostrada na Figura 3.
Descrição Detalhada da InvençãoConforme diagramaticamente mostrado nas Figuras IA e1B, a instalação de gás de síntese 10 inclui uma seção de carga 12 quecomunica com uma seção de desvolatilização 14, por sua vez conectadaa um reator de reforming 16. O reator 16 é projetado para produzir gásde síntese que passa por separadores de particulado 18 e 20. O gás éarrefecido, filtrado e coletado para uso.
Como mostrado mais particularmente nas Figuras 1 e 2, aseção de carga 12 inclui uma tremonha 38 tendo um trado 40, quedirige material carbonáceo de carga para a câmara de carga 42. Acâmara de carga 42 é conectada a um tubo de carga 44 que leva paraaseção de desvolatilização 14. Acima da seção de carga está um supor-te cilíndrico 48 que suporta um cilindro de compactação 46 projetadopara forçar o material de carga a partir da câmara de carga 42 paradentro do tubo de carga 44. O tubo de carga 44 leva para um descarre-gador 50, que comunica via passagem 52 para a seção de volatilização14. Uma válvula de descarga 53 impede o retrofluxo através da linha 55a partir do descarregador 50.
A seção de desvolatilização 14 inclui quatro câmaras dereação cilíndricas 56, 58, 60 e 62. Cada câmara de reação está emcomunicação com a câmara de reação seguinte. Cada câmara dereação inclui um trado 64 que é adaptado para forçar o material decarga através das câmaras respectivas 56-62 para carregar o trado 70.Os trados 64, por sua vez, são operados pelos motores 68. O trado decarga 70 comunica com o edutor de carga 72. O vapor a partir de umaquecedor a vapor 76 localizado no forno 77 é introduzido num edutor72 através da entrada de vapor 74. Isto força ciclonicamente o materialatravés da linha 75 para o reator 16, também localizado no forno 77.
O forno 77 inclui um queimador 78 e uma saída de com-bustão ou plenum 80. Além do reator 16, o forno inclui o aquecedor devapor 76 e os separadores 18 e 20. A saída de combustão 80 dirige araquecido para a zona de desvolatilização 14, que, por sua vez, comunicacom um pré-aquecedor 81 que, em última instância, comunica com umempilhamento 82.
Conforme mostrado, o reator de reforming 16 é um reatortubular que comunica com o edutor 72 via a linha 83. Uma linha desaída 84 a partir do reator 16 leva para o primeiro separador de particu-Iado 18. O separador 18 inclui uma linha de saída de gás 85, que, porsua vez, conduz para o segundo separador de particulado 20. A linha91 dirige o gás a partir do separador 20 para um edutor de arrefecimen-to 86 que dirige gás e água através da linha 87 para um tanque dearrefecimento 88 (Figura 1B). O edutor de arrefecimento 86 inclui umalinha de entrada de água 89.
O tanque de arrefecimento 88 é um separador degás/água/óleo e inclui uma saída de gás 94, uma saída de água 96 euma saída de alcatrão/óleo 98. A saída de alcatrão 98, conformemostrado, leva para uma bomba 100 que dirige o alcatrão e/ou o óleovia linha 102 para a linha 55 logo a montante do descarregador 50. Asaída de água 96 é dirigida através da linha 106 por um tanque desobretensão 108.
A saída de gás 94 leva, por sua vez, para um segundoedutor de arrefecedor 114, que inclui uma entrada de água 116 dirigidaa partir do tanque 117. A saída do edutor de arrefecimento 118, porsua vez, conduz para um arrefecedor secundário 120. O arrefecedor120 inclui uma saída de água 122 e uma saída de gás 124, que levapara o scrubber (lavador) de arrefecimento 126.
A saída de água 122 conduz para a linha de água 106,levando, por sua vez, para o tanque de sobretensão 108. O scrubber dearrefecimento 126 inclui uma saída de água 128 que vai para um dreno130. A saída de gás 132 do scrubber de arrefecimento 126 conduz paraum T 134 em que uma primeira linha 136 é dirigida para um filtro deágua 137, que remove água. Uma saída de gás 140 a partir do filtro137 passa para a seção de gás de produto 142 e uma saída de água 138conduz via linha 128 para o dreno 130. A segunda linha 146 a partirdo T 134 é dirigida para um segundo filtro de água 148 que tambéminclui uma saída de água 150 que leva de volta para o dreno 130 vialinha 128. A saída de gás 152 é dirigida para um compressor 154 e, porsua vez, para um scrubber 156, para remover a água residual. Oscrubber 156 inclui uma saída de água 158 dirigida para o dreno ou alinha de água de acúmulo 244 e uma saída de gás 160, que, por suavez, é dirigida para o queimador 78, onde é usado para aquecer o forno77.
A entrada da água de acúmulo 200 leva para o tanque desobretensão 108. A água no tanque 108 pode circular através de umempilhamento de tratamento de água opcional 204, dependendo dascondições particulares da água, tais como dureza e semelhantes. Otanque 108 inclui uma saída 206 que é dirigida para filtros em tandem208a e 208b. Os filtros têm uma saída comum 210 que é dirigida paraT 212. Uma linha a partir de T 212 é dirigida para uma primeirabomba 214. A bomba 214 dirige a água através da linha 213, um filtro216 e, subseqüentemente, para um arrefecedor 218 que dirige a águagelada de volta para o tanque 108. A segunda linha 220 a partir de T212 é dirigida para um segundo T 226 que dirige uma parte da águapara uma segunda bomba 228 que a dirige para um tanque 117, que,por sua vez, comunica com um chiller (arrefecedor) 234. A terceirabomba 230 dirige a água a partir de T 212 pela linha 89 para dentro doedutor de arrefecimento 86, como previamente descrito.
O equipamento 10 também inclui uma seção de pré-aquecedor 81 que utiliza gás de exaustão que passou a partir do forno77 pela seção de desvolatilização 14 para pré-aquecer a água para oreator a vapor 16, assim como ar de combustão para o queimador 78.A exaustão a partir do forno 77 passa através do plenum de exaustão 80para a seção de desvolatilização 14 e, então, através da exaustão 240para a seção do pré-aquecedor 81. A linha de entrada da água 244dirige água deionizada através da seção do pré-aquecedor pela linha246 para o aquecedor a vapor 76. Um soprador 250 é usado paraintroduzir ar pelo pré-aquecedor 81. Este é exaurido via linha 254 parao queimador 78.
Em operação, a carga, tal como carvão pulverizado, éintroduzida através da tremonha 38 e da seção de carga 12 onde écomprimida pelo cilindro 46 e forçada através da válvula 53 e da linha55 para o descarregador 50. A carga é forçada para dentro da seção dedesvolatilização 14. O cilindro 46 se aplica pressão suficiente paracomprimir o material de carga e expulsar a maior parte de ar associadocom o material de carga, geralmente 0,7-1,4 kgcrrr2 ou maior. Estaforça, supera qualquer pressão da seção de desvolatilização e ocasionaque a carga material atue como uma vedação entre a seção de carga 12e a seção de desvolatilização 14. Isto remove ar a partir da carga eimpede a introdução de oxigênio não desejado na zona de desvolatiliza-ção.
O trado 64 força a carga através das câmaras 56-62. Aseção de desvolatilização começa com uma primeira câmara de tempe-ratura mais baixa 56, seguida de uma segunda câmara de temperaturamais alta 58 e, por sua vez, uma terceira 60 e quarta 64 câmaras detemperaturas mais altas. As temperaturas das câmaras são projetadasde forma que a temperatura do material de carga não alcance 232°C atéque todo o oxigênio no material de carga reaja, a fim de impedir apirólise. Em geral, a primeira câmara de reação terá uma temperaturainicial de cerca de 38°C, com a seção final de desvolatilização a 538°C.A maior parte do oxigênio livre reagirá bem antes que a carga alcanceuma parte da seção de desvolatilização que está Ill0C. A temperaturade cada seção é controlada pela sua proximidade do plenum de exaus-tão 80, assim como também área de superfície e o tempo de residência.A pressão a partir do tubo de carga 44 através da seção de desvolatili-zação 14 é de cerca de 8,8 kgcrir2.
O produto terminal que sai da seção de desvolatilização 14é principalmente carvão animal e gases liberados durante a desvolatili-zação. Este produto terminal é dirigido para o trado de carga 70levando ao edutor de vapor 72. O vapor a partir do aquecedor de vapor76 é dirigido para dentro do edutor 72. A temperatura do vapor deveser de cerca de 816°C e a pressão é de aproximadamente 8,8 kgcnr2. Oedutor, então, leva para o reator de reforming 16 em que é criado o gásde síntese. No reator 16, a temperatura do reator é aumentada paramais de 816°C, de preferência cerca de 843°C a uma pressão de cercade 8,8 kgcnr2. Uma parte do fluxo de reagente no reator 16 pode serdirecionada através da linha 253 para uma entrada imediatamente amontante do trado de carga 70 para levar sólidos a baixo fluxo ouvelocidades de carga.
O produto de reação a partir do reator 16, cinza e gás desíntese, é dirigido para separadores de ciclone 18 e 20, que ficamlocalizados dentro do forno 77 e mantidos à mesma temperatura doreator 16 de cerca de 843°C a 8,8 kgcnr2. Os separadores 18 e 20removem a cinza a partir do produto de reação. A cinza é dirigida paraos trados 241 e 243 que deslocam a cinza para dentro de depósitos decinza seca 245 e 247 sem permitir que o gás de síntese escape dosistema.
Depois de passar pelos separadores 18 e 20, o gás desíntese flui via linha 91 do forno para o edutor de arrefecimento 86 etanque de arrefecimento 88 e onde é arrefecido a mais ou menos 49°Cpela água a partir do tanque 108 a aproximadamente 9,8 kgcnr2. Atemperatura da água no tanque 108 é controlada por recirculaçãoatravés da torre de arrefecimento 218 e está de preferência a cerca de32°C. O tanque de arrefecimento 88 separa o gás, a água e o óleo. Aágua é dirigida de volta para o tanque 108 e é reusada.
O gás propriamente é então dirigido a partir do tanque dearrefecimento 88 para um segundo edutor de arrefecimento súbito(quench) 114. A água a 14 kgcnr2 a partir do tanque 117 é usada paraarrefecer mais o gás de síntese para mais ou menos 21°C a 8,8 kgcnr2.
O arrefecedor (chiller) 234 é usado para estabelecer a temperatura daágua em aproximadamente 316°C. O gás arrefecido flui para o arrefe-cedor secundário 120 que separa a água, dirigindo-a de volta para otanque 108, e permite que o gás flua para o scrubber de arrefecimento126, separando novamente água que é enviada pela linha 128 para odreno do gás que é dirigido através dos filtros 137 e 148. O gás a partirdo filtro 137 é coletado para uso. O gás de filtro 148 é carregado devolta para o queimador 78 que alimenta o forno. Para a partida inicial,pode ser usada uma fonte de combustível separada.
Um carregador alternado 250 é mostrado nas Figuras 3 e 4.O carregador 250 inclui uma tremonha de material 252 tendo um tradode carga 254 que leva ao depósito de carga 256. A caixa de carga 256inclui um parafuso 258 girado pelo motor 260. O parafuso leva para otubo de carga 44 que conecta através da saída 262 para a seção dedesvolatilização 14.
Como mostrado na Figura. 4, o parafuso 258 tem um eixoprincipal 266 e uma lâmina helicoidal 268. O diâmetro exterior dalâmina 268 permanece constante, ao passo que o diâmetro do eixo 266aumenta a partir da entrada 220 até à parte de saída 272. Isto diminuia área entre o eixo 266 e o tubo de entrada 44, comprimindo, assim, omaterial de carga, à medida que é forçado para dentro do equipamento10. Em uso, é preferido 20-50% de preferência 40% de compressão.
Deste modo, a presente invenção tem muitos aperfeiçoa-mentos diferentes que melhoram a eficiência do processo descrito naPatente US 6.863.878 de Klepper. Comprimir a carga expulsa o arindesejável e forma uma vedação de entrada. Além disso, aquecer omaterial numa zona de desvolatilização a 538°C antes da adição devapor melhora a eficiência da reação global e aumenta a velocidade dareação. Mantendo os separadores no forno e mantendo a sua tempera-tura, são evitadas reações indesejáveis e, em particular, é minimizada adeposição de carbono no equipamento. O arrefecimento súbito doproduto de reação do gás de síntese evita ainda qualquer deposição decarbono ou produtos de reação indesejáveis.
Isto foi uma descrição da presente invenção em conjuntocom o método preferido de praticar a presente invenção. Todavia, ainvenção em si deve ser apenas definida pelas reivindicações anexadas.

Claims (18)

aBquipamento e Métodos de Formação de Gás de Síntesee de Carregamento de Material Carbonáceoem Reator de Desvolatilização"Reivindicações
1. - Método de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator deDesvolatilização, caracterizado por que compreendeintroduzir o referido material carbonáceo numa zona decarga;comprimir o citado material para dirigir ar a partir de ditomaterial;forçar o referido material para dentro do citado reator dedesvolatilização.
2. - Método de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator deDesvolatilização, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porque, comprimindo o referido material, forma-se uma vedação substan-cialmente estanque ao gás entre a citada zona de carga e dito reator dedesvolatilização.
3. - Método de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator deDesvolatilização, de acordo com a Reivindicação 2, caracterizado porque compreende ainda quebrar o referido material comprimido entre acitada vedação estanque ao gás e dito reator de desvolatilização.
4. - Método de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator deDesvolatilização, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porque o referido material carbonáceo é comprimido com um trado.
5. - Método de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator deDesvolatilização, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porque o referido material carbonáceo é comprimido com um embolo.
6. - Método de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator deDesvolatilização, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porque o referido material carbonáceo é comprimido a pelo menos 0,7kgcm"2.
7. - Método de Carregamento de Material Carbonáceo em Reator deDesvolatilização, de acordo com a Reivindicação 6, caracterizado porque o referido material carbonáceo é carvão.
8. - Método de Formação de Gás de Síntese, caracterizado por quecompreendeintroduzir um material de carga carbonáceo num reator dedesvolatilização;aquecer o referido material de carga carbonáceo na ausên-cia de oxigênio adicionado a uma primeira temperatura abaixo de 232°Caté que substancialmente todo oxigênio no citado material de cargatenha reagido;aquecer subseqüentemente dito material de carga carboná-ceo na ausência de oxigênio e sem a adição da vapor a uma temperatu-ra de pelo menos cerca de 538°C;adicionar subseqüentemente vapor ao produto de reação doreferido reator de desvolatilização e forçar o citado produto de reaçãopara um reator de reforming, sendo dito reator de reforming aquecido auma temperatura de reator para formar gás de síntese.
9. - Método de Formação de Gás de Síntese, de acordo com a Reivin-dicação 8, caracterizado por que é fornecido calor ao referido reator dedesvolatilização a partir de uma exaustão a partir de um forno que alojao citado reator de reforming.
10. - Método de Formação de Gás de Síntese, de acordo com a Reivin-dicação 9, caracterizado por que compreende ainda dirigir o gás desíntese para um primeiro separador de particulado, mantendo o citadogás de síntese em dito separador à referida temperatura de reator.
11. - Método de Formação de Gás de Síntese, de acordo com a Reivin-dicação 10, caracterizado por que compreende ainda dirigir o gás desíntese a partir do referido separador para um arrefecedor de água emque o citado gás de síntese é introduzido em dito arrefecedor de água àreferida temperatura de reator.
12. - Método de Formação de Gás de Síntese, de acordo com a Reivin-dicação 11, caracterizado por que compreende ainda dirigir o líquido apartir do referido arrefecedor para um separador e separar água e gás elíquido carbonáceo e alcatrão um do outro;dirigir o citado líquido carbonáceo e alcatrão para umaseção de carga de dito reator de desvolatilização.
13. - Método de Formação de Gás de Síntese, de acordo com a Reivin-dicação 11, caracterizado por que o referido gás de síntese é arrefecidoa uma temperatura menor do que 427°C no citado arrefecedor.
14. - Método de Formação de Gás de Síntese, de acordo com a Reivin-dicação 11, caracterizado por que o referido gás de síntese é dirigido apartir do referido primeiro separador de particulado para um segundoseparador de particulado que também é mantido à temperatura docitado reator e em que o gás é dirigido a partir de dito segundo separa-dor para o referido arrefecedor.
15. - Método de Formação de Gás de Síntese, caracterizado por quecompreendeintroduzir um material de carga carbonáceo num reator dedesvolatilização;aquecer o referido material de carga carbonáceo na ausên-cia de oxigênio no citado reator de desvolatilização;dirigir o produto reagente a partir de dito reator de desvola-tilização para um reator de reforming e misturar vapor com dito produtoreagente e aquecer o referido produto a uma temperatura de reator paraformar o gás de síntese;dirigir o citado gás de síntese para um separador de parti-culado em que dito separador de particulado é mantido na referidatemperatura de reator;dirigir o gás de síntese a partir do citado separador para umarrefecedor em que a temperatura de dito gás de síntese é reduzida amenos do que 427°C.
16. - Método de Formação de Gás de Síntese, de acordo com a Reivin-dicação 15, caracterizado por que compreende aindadirigir o líquido a partir do referido arrefecedor para umseparador e separar água, gás de síntese e material líquido carbonáceo;edirigir o citado material líquido carbonáceo para uma seçãode carga de dito reator de desvolatilização.
17. - Equipamento de Formação de Gás de Síntese, caracterizadopor que compreende um reator de desvolatilização em comunicação comum reator de reforming, por sua vez em comunicação com um primeiroseparador de particulado em que o referido reator de reforming e ocitado separador são mantidos num forno.
18. - Equipamento de Formação de Gás de Síntese, de acordo com aReivindicação 17, caracterizado por que compreende ainda um segun-do separador de particulado em comunicação com o referido primeiroseparador de particulado em que o citado segundo separador de parti-culado também fica localizado em dito forno.
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