BRPI0715367A2 - materiais de controle de poluentes derivados de xisto oleaginoso e mÉtodos e aparelhos para produzir e utilizar os mesmos - Google Patents
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MATERIAIS DE CONTROLE DE POLUENTES DERIVADOS DE XISTO OLEAGINOSO E MÉTODOS E APARELHOS PARA PRODUZIR E UTILIZAR OS MESMOS. Substâncias de controle de poluição podem ser formadas a partir da combustão de xisto oleaginoso, a qual pode produzir um gás de pirólise à base de querogênio e sorvente de xisto, cada um dos quais podendo ser usado para reduzir, absorver ou adsorver poluentes em processos de combustão, processos de pirôlise ou outros processos de reação produtores de poluição. Os gases de pirólise produzidos durante a combustão ou gaseificação de xisto oleaginoso podem também ser usados como um gás de combustão ou podem ser processados ou de outro modo refinados para produzir gases e combustíveis sintéticos.
Description
MATERIAIS DE CONTROLE DE POLUENTES DERIVADOS DE XISTO OLEAGINOSO E MÉTODOS E APARELHOS PARA PRODUZIR E UTILIZAR
OS MESMOS DIREITOS GOVERNAMENTAIS
O Governo dos Estados Unidos da América possui
direitos na invenção que se segue referente ao Contrato No. DE-AC07- 05 -ID14 515, entre o Departamento de Energia dos Estados Unidos e a Battelle Energy Alliance, LLC.
PEDIDOS CORRELATOS Este pedido de patente reivindica benefício do Pedido
de Patente Não Provisório U.S. No. 11/460.547 depositado em 27 de junho de 2006, intitulado MATERIAIS DE CONTROLE DE POLUENTES DERIVADOS DE XISTO OLEAGINOSO E MÉTODOS E APARELHOS PARA PRODUZIR E UTILIZAR OS MESMOS, que é incorporado aqui mediante referência em sua totalidade.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO Campo da invenção: a invenção refere-se à produção de sorventes poluentes, à redução de poluentes e a combustíveis que fornecem energia. Genericamente, a 2 0 invenção refere-se ao uso de xisto oleaginoso e de produtos de xisto oleaginoso como sorventes ou redutores para reduzir poluentes e, especificamente, ao processamento térmico de xisto oleaginoso para produzir sólidos absorventes e adsorventes de poluentes e gases combustíveis
2 5 ou de redução.
Estado da técnica: carvão, óleo, gás natural, xisto oleaginoso, areias oleaginosas e outros materiais de matéria-prima de combustível que contêm carbono (por exemplo: produtos, subprodutos e resíduos da indústria
3 0 florestal; colheitas, subprodutos e resíduos agrícolas; fezes e carcaças de animais; restos sólidos municipais; sólidos de lama de esgoto, escombros de construção e demolição, restos de pneus, e outras formas de combustível derivadas de resíduos) podem ser convertidos de energia potencial química em calor e produtos gasosos que podem ser utilizados para gerar energia elétrica, ou produzir componentes e químicos de valor mais elevado.
No contexto deste documento, o termo "conversão térmica" geralmente implica qualquer processo gasoso ou
sólido que libera ou transforma a energia potencial química em calor, gases quentes, gases combustíveis, líquidos combustíveis, sólidos combustíveis tal como carvão, e/ou sólidos não-combustíveis tais como minerais calcinados ou cinzas, ou qualquer subconjunto destes.
Conversão térmica de tais materiais gasosos e sólidos
produz diversos poluentes, tais como compostos de nitrogênio ou compostos de enxofre, os quais se acredita estejam envolvidos na formação de poluição atmosférica e chuva ácida. Se o combustível incluir mercúrio, a combustão
2 0 também produz compostos de mercúrio, que foram
identificados pela Agencia de Proteção Ambiental ("EPA") como um significativo poluente tóxico. A legislação de controle de poluentes do ar, tal como o Ato Ar Limpo ("CAA"), o Regulamento Interestadual de Ar Limpo ("CAIR"),
e o Regulamento de Ar Limpo de Mercúrio ("CAMR"), regulam emissões de muitos dos poluentes liberados a partir de processos de conversão térmica.
A composição das espécies de poluentes produzida por processos de conversão térmica é uma função forte da
3 0 disponibilidade de oxigênio no processo. Sob as condições de redução de pirólise e gaseificação, o enxofre preso no combustível é normalmente convertido para reduzir formas de enxofre, tais como sulfeto de hidrogênio, sulfeto de carbonila e dissulfeto de carbono. Nitrogênio contido no combustível é convertido para reduzir compostos de nitrogênio, incluindo amônia, cianeto de hidrogênio e nitrogênio molecular. A maior parte do mercúrio em um combustível é convertida em mercúrio básico volátil ("Hg°") e mercúrio especificado, tal como cloreto de mercúrio ("HgCl2"). Sob condições reduzidas, o fósforo ("P") reage com metais para formar compostos de fosfato, e também pode ser convertido em fosfina ("PH3"), compostos de fosfônio e outras formas reduzidas de fósforo. Cloro ("Cl") pode reagir com metais alcalinos (tais como sódio e potássio), metais alcalino-terrosos (tais como cálcio e magnésio), e outros materiais (tais como mercúrio, zinco e ferro), mas também é convertido para gás de cloro diatômico ("Cl2") e gás de ácido clorídrico ("HC1"). Flúor, bromo e iodo se comportam similarmente a cloro. 2 0 Sob as condições oxidantes de combustão, aglutinação
de enxofre no combustível é convertida em dióxido de enxofre ou trióxido de enxofre gasosos. Estes compostos de enxofre rapidamente equilibram-se com umidade ("H2O") para formar ácido sulfúrico ("H2SO4"). Aglutinação de nitrogênio no combustível é convertida em óxido nítrico e dióxido de nitrogênio ou outros óxidos de nitrogênio. A combustão com ar também resulta em óxidos de nitrogênio como um resultado de reações de temperatura elevada de oxigênio atômico ("O") e radicais de hidróxido com nitrogênio molecular. Fósforo, cloro, flúor, bromo e iodo são rapidamente convertidos em ácido fosfórico ("H3PO4"), ácido clorídrico ("HCl"), e ácido hidrofluórico ("HF"), ácido bromoso ("HBrO") e ácido iódico ("HIO3"), assim como outros compostos voláteis reativos. Estes gases ácidos são corrosivos a equipamento utilizado em processos de combustão, tais como em um dispositivo de combustão ou em tubos de caldeira em um combustor. Por conseguinte, é desejável limitar a formação de gases ácidos ou remover os gases ácidos perto de seu ponto de geração em um dispositivo de combustão ou processo
de conversão térmica.
Diversas tecnologias têm sido desenvolvidas para diminuir emissões de usinas de energia movidas a carvão. Pedra calcária tem sido utilizada como sorvente para poluentes de SOx, como descrito nas Patentes U.S. Nos.
3.995.006 para Downs e outros, 5.176.088 para Amrhein e outros ("Amrhein") , e Patente U.S. No. 6.143.263 para Johnson e outros. Esta tecnologia é conhecida como tecnologia de queimador múltiplo por injeção de pedra calcária ("LIMB") ou tecnologia de esfoliação a seco por
2 0 injeção de pedra calcária ("LIDS"). A pedra calcária é
injetada em uma região de uma fornalha que possui uma temperatura entre 1.0 93°C e 1.316°C.
Pedra calcária (principalmente CaCO3) e dolomita ("CaCO3-MgCO3") e seus derivados também apresentaram reação
com H2S. Tanto pedra calcária como dolomita não-calcinadas, dolomita meio-calcinada, pedra calcária ou dolomita totalmente calcinadas, calcário, ou calcário hidratado ("CaOH") reagirão para formar sulfeto de cálcio ("CaS") ou sulfeto de magnésio ("MgS").
3 0 Agentes redutores de amina e orgânicos, tais como amônia ou uréia, são utilizados para reduzir seletivamente poluentes de NOx, conforme mostrado na Patente U.S. 3.900.664 para Lyon. Esta técnica é conhecida como redução não-catalítica seletiva ("SNCR"). O agente redutor é injetado em uma fornalha a uma temperatura entre aproximadamente 702°C e aproximadamente 1.102°C de modo que uma reação não-catalítica reduza seletivamente o NOx para nitrogênio molecular ("N2"). A amônia é injetada em uma região da fornalha que possui uma temperatura de 871°C- 1.093°C.
As tecnologias LIMB e SCNR foram combinadas para remover simultaneamente os poluentes de NOx e os poluentes de SOx. A pedra calcária é utilizada para absorver os poluentes de SOx enquanto a amônia é utilizada para reduzir os poluentes de NOx. No entanto, esta tecnologia de combinação é dispendiosa para implementar e acrescenta complexidade aumentada ao processo.
Re-queimação de NOx também foi utilizada para remover os poluentes de N0x, conforme descrito na Patente U.S. 5.139.755 por Seeker e outros. Em re-queimação de N0X, o carvão é queimado em dois estágios. No primeiro estágio, uma porção do carvão é queimada com uma quantidade normal de ar (aproximadamente 10% em excesso), produzindo os poluentes de N0X. No segundo estágio, a porção restante do carvão é queimada em um ambiente rico em combustível. Radicais de hidrocarbonetos formados por combustão do carvão reagem com os poluentes de NOx para formar N2. Preparação ar/combustível também foi utilizada para reduzir os poluentes de N0X. Combustível e ar são alternativamente 3 0 injetados em um combustor para propiciar uma zona de redução onde o nitrogênio no combustível é desenvolvido, o que promove a conversão do nitrogênio para N2. 0 ar é injetado em um local separado para queimar os voláteis de combustível e partículas de carvão. Ao preparar ou alternar o combustível e o ar, a temperatura local e a mistura de ar e combustível são controladas para suprimir a formação dos poluentes de NOx. A preparação de combustível/ar tenta impedir a formação de NOx enquanto a requeimação de NOx promove redução e destruição de NOx. Para absorver mercúrio ou poluentes que contêm
mercúrio, carbono ativado é utilizado como um sorvente, conforme descrito nas Patentes U.S. 5.827.352 para Altman e outros e 6.712.878 para Chang e outros. 0 carbono ativado é apresentado como uma base fixa ou líquida ou é injetado no gás de chaminé.
Xisto oleaginoso é uma rocha sedimentária que inclui uma matriz inorgânica de compostos de carbonato, óxido e silicato impregnados com um material polimérico chamado querogênio. Querogênio é uma substância orgânica que é 2 0 insolúvel em solventes de petróleo. Quando aquecido, o querogênio piroliza para produzir gás, óleo, betume e um resíduo orgânico. A pirolização do querogênio também é conhecida como destilação em retorta. Xisto oleaginoso também inclui minerais de carbonato, tais como carbonato de cálcio, e outros materiais de hidrocarbonetos, tais como parafinas, cicloparafinas, olefinas alifáticas e aromáticas, aromáticos de anel único, furanos aromáticos, tiofenos aromáticos, aromáticos de hidroxila, diidróxi- aromáticos, pirróis aromáticos e piridinas aromáticas, e outros hidrocarbonetos aromáticos polinucleares. Xisto oleaginoso está normalmente co-localizado com carvão e óleo e é encontrado em diversas regiões do oeste dos Estados Unidos, tais como em Utah, Colorado e Wyoming, e no leste dos Estados Unidos, tais como em Virgínia e Pensilvânia.
Grandes depósitos de xisto oleaginoso também são encontrados no Canadá, Austrália, Europa, Rússia, China, Venezuela e Marrocos. Dada a abundancia de xisto oleaginoso ao redor do mundo, seu valor seria significativo se usos benéficos fossem identificados e empregados. A utilização de xisto oleaginoso não foi apreciada atualmente devido ao elevado custo de recuperação do querogênio proveniente do xisto.
Quando xisto oleaginoso que contém quantidades consideráveis de carboneto de cálcio é aquecido, o carboneto de cálcio experimenta calcinação, que é uma reação endotérmica na qual o carboneto de cálcio ("CaCO3") é convertido em calcário ("CaO"). Para cada quilograma de carboneto de cálcio que é calcinado tanto quanto entre 1,4 MJ e 1,6 MJ (ou aproximadamente 1.325 Unidades Térmicas Britânicas ("BTU") a 1.545 BTU por kg de massa) da energia de calor disponível são consumidos. Esta perda de energia traduz-se em uma penalidade de eficiência de processo quando pedra calcária ou dolomita é utilizada como um sorvente injetado. No caso de xisto oleaginoso, o 2 5 querogênio pode ser oxidado para compensar o dissipador de calor associado à calcinação de carbono.
Para extrair energia do xisto oleaginoso, o xisto oleaginoso pode ser aquecido em uma zona de destilação em retorta de um recipiente de reator de base líquida fluidificada a uma temperatura suficiente para liberar, mas não queimar, hidrocarbonetos voláteis provenientes do xisto oleaginoso, como descrito na Patente U.S. No. 4.373.454 para Pitrolo e outros. A temperatura utilizada na zona de destilação em retorta propicia calcinação mínima do carboneto de cálcio. Os hidrocarbonetos voláteis fluem para uma zona de combustão do combustor de base fluidifiçada, onde os hidrocarbonetos voláteis são combinados com excesso de ar e são queimados. A calcinação do carboneto de cálcio ocorre na zona de combustão. Durante destilação em retorta, compostos de nitrogênio no xisto oleaginoso são convertidos em compostos de NOx e são reduzidos para nitrogênio e água ou oxigênio pelos hidrocarbonetos voláteis.
Xisto oleaginoso foi utilizado para absorver SO2 e HCl em uma base fluidifiçada de circulação, como descrito em "Combustão de Restos Sólidos Municipais com Xisto Oleaginoso em uma Base Fluidificada de Circulação", Subvenção do Departamento de Energia No. DE-FG01-94CE15612, 6 de Junho de 1996, Programa de Recomendação a Invenções Correlatas a Energia Número 612, Inventor R. L. Clayson, Avaliador NIST H. Robb, Consultor J.E. Sinor e em "Avaliação de Mercado de Nicho para um Projeto de Xisto Oleaginoso do Oeste em Pequena Escala", J.E. Sinor, Relatório No. DOE/MC/11076-2759.
Muitos dos combustores de carvão pulverizados em 2 5 operação não se enquadram nos novos padrões promulgados pela Agencia de Proteção ao Meio Ambiente dos Estados Unidos sob CAIR e CAMR. Acima de aproximadamente 75% de todos os combustores de carvão pulverizadores existentes podem ter que ser reformulados ou melhorados para satisfazer os novos padrões de poluentes. BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um método para diminuir poluentes produzidos em uma pirólise, combustão, gaseificação, reforma de corrente, destilação em retorta, calcinação, refinação de metal, refinamento de minério, produção de cimento, ou qualquer outro processo de conversão térmica, cujos processos são coletivamente referidos aqui como processos de "conversão térmica". 0 termo "conversão térmica" abrange substantivos, adjetivos e conjugações verbais derivados equivalentes deste termo, tais como "queima" ou "queimado"; "gaseificação" ou "gaseifiçado"; "reformação" ou "reformado"; "destilação em retorta" ou "destilado em retorta"; "calcinação" ou "calcinado"; "pirolização" ou "pirolizado". 0 método compreende converter termicamente carvão ou qualquer outro combustível que contenha carbono em uma câmara de conversão térmica para produzir pelo menos um poluente selecionado a partir do grupo que consiste em um poluente que contém nitrogênio, ácido sulfúrico, trióxido de enxofre, sulfeto de carbonila, dissulfeto de carbono, cloro, ácido hidroiódico, iodeto de ácido iódico, ácido hidrofluórico, flúor, ácido hidrobrômico, ácido bromoso, bromo, ácido fosfórico, pentaóxido de fósforo, fosfina, compostos de fosfônio, mercúrio elementar e cloreto de mercúrio. De acordo com algumas modalidades, partículas de
xisto oleaginoso são introduzidas na câmara de conversão térmica e são convertidas termicamente para produzir partículas sorventes e um redutor ou gás reativo. As partículas sorventes de xisto e o redutor podem 3 0 genericamente ser produzidos ao converter termicamente as partículas de xisto oleaginoso a uma temperatura necessária para pirolizar, destilar em retorta, ou desvolatilizar querogênio, por exemplo, em uma temperatura maior ou igual a aproximadamente 200°C.
Em algumas modalidades, as partículas de xisto
oleaginoso podem ser introduzidas em um processo de conversão térmica utilizado para reagir com qualquer combustível carbonáceo, incluindo o próprio xisto oleaginoso. Tais processos devem ser mencionados como processos de conversão de xisto oleaginoso nin-situ".
Em outras modalidades, as partículas de xisto oleaginoso podem ser introduzidas em um processo de conversão térmico separado, independente ou auxiliar utilizado para converter as partículas de xisto oleaginoso em partículas de xisto sorvente ou gás reativo. Estas partículas sorventes e gases reativos podem ser encaminhados, conduzidos ou transportados separadamente ou em combinação para um processo de conversão térmica de combustível que contém carbono acoplado. Tais processos 2 0 podem em geral ser referidos como processos de conversão de xisto oleaginoso "ex-situ" . As partículas sorventes de xisto podem agir como um sorvente de poluente ou como um redutor de poluente.
As partículas de xisto oleaginoso podem ser convertidas termicamente em partículas sorventes de xisto e gás de redução ou reativo em um reator proximamente acoplado usando o calor ou os gases quentes produzidos por um processo de conversão térmica de combustível carbonáceo primário. Tais processos podem geralmente ser referidos como processos de conversão de xisto oleaginoso "proximamente acoplado".
As partículas de xisto oleaginoso podem ser introduzidas em pelo menos um dentre um queimador ou zona de combustão, uma zona de gaseificação, uma zona de superaquecedor, uma zona de reaquecimento, ou uma zona economizadora de qualquer câmara de combustão de carvão pulverizado ciclônico, tangencialmente queimado, queimado pela parede. 0 pelo menos um poluente é contatado com pelo menos uma das partículas sorventes e o redutor para diminuir uma quantidade do pelo menos um dos poluentes na câmara de combustão. 0 redutor pode quimicamente reduzir o pelo menos um poluente, tal como pela redução do poluente que contém nitrogênio em nitrogênio molecular, água e dióxido de carbono. As partículas sorventes podem ser utilizadas para adsorver ou absorver o pelo menos um poluente, tal como adsorver ou absorver pelo menos um dentre ácido sulfúrico, trióxido de enxofre, sulfeto de carbonila, dissulfeto de carbono, cloro, ácido hidroiódico, ácido iódico, iodo, ácido hidrofluórico, flúor, ácido hidrobrômico, ácido bromoso, bromo, ácido fosfórico, pentaóxido de fósforo, fosfina, compostos de fosfônio, mercúrio elementar e cloreto de mercúrio.
A presente invenção também se refere a uma câmara de combustão para produzir poluentes reduzidos em um processo de combustão. A câmara de combustão pode também compreender uma zona de queimador que é configurada para queimar carvão e para produzir pelo menos um poluente selecionado a partir do grupo que consiste em um poluente que contém nitrogênio, ácido sulfúrico, trióxido de enxofre, sulfeto de carbonila, 3 0 dissulfeto de carbono, cloro, ácido hidroiódico, ácido iódico, iodo, ácido hidrofluórico, flúor, ácido hidrobrômico, ácido bromoso, bromo, ácido fosfórico, pentaóxido de fósforo, fosfina, compostos de fosfônio, mercúrio elementar e cloreto de mercúrio. A zona de queimador também é configurada para converter termicamente partículas de xisto oleaginoso para produzir partículas sorventes e um redutor, os quais são contatados com pelo menos um poluente. A zona de queimador pode ser configurada para contatar o poluente que contém nitrogênio com o redutor para reduzir o poluente que contém nitrogênio a nitrogênio molecular, dióxido de carbono e água.
A câmara de combustão também compreende pelo menos um dentre uma zona de combustão, zona de gaseificação, uma zona de superaquecedor e uma zona de reaquecimento que são individualmente configuradas para converter termicamente as partículas de xisto oleaginoso para produzir partículas sorventes e o redutor. A zona de superaquecedor e a zona de reaquecimento são também individualmente configuradas para contatar as partículas sorventes e o redutor com o pelo 2 0 menos um poluente. A câmara de combustão também compreende pelo menos um dentre uma zona economizadora, uma zona de pré-aquecimento de ar e uma unidade de limpeza de gás, que são individualmente configuradas para contatar as partículas sorventes e o redutor com o pelo menos um poluente. Cada uma das zona de superaquecedor, zona de reaquecimento, zona economizadora, zona de pré-aquecimento de ar e zona de limpeza de gás é configurada para contatar pelo menos um dentre ácido sulfúrico, trióxido de enxofre, sulfeto de carbonila, dissulfeto de carbono, cloro, ácido hidroiódico, ácido iódico, iodo, ácido hidrofluórico, flúor, ácido hidrobrômico, ácido bromoso, bromo, ácido fosfórico, pentaóxido de fósforo, fosfina, compostos de fosfônio, mercúrio elementar e cloreto de mercúrio com as partículas sorventes para adsorver ou absorver pelo menos um destes poluentes.
Em uma modalidade, a câmara de combustão é configurada como um combustor de carvão pulverizado.
Em outras modalidades da invenção, xisto oleaginoso pode ser introduzido em um pirolizador, um gaseificador, um reator de combustão, um reator de destilação em retorta, um processo de refinamento de metais, processo de fundição de minério, forno de cimento, ou qualquer outro conversor térmico para liberar querogênio do xisto oleaginoso, o qual produz uma pirólise à base de querogênio e partículas sorventes de xisto.
Em outras modalidades da invenção, xisto oleaginoso pode ser introduzido em uma base comprimida que é contatada direta ou indiretamente com os gases quentes produzidos por um pirolizador, um gaseificador, um combustor, um 2 0 destilador em retorta, ou qualquer outro conversor térmico para liberar querogênio do xisto oleaginoso, o qual produz um gás de pirólise à base de querogênio e partículas sorventes de xisto.
O gás de pirólise produzido de acordo com as modalidades da invenção pode ser utilizado como um gás de redução para reduzir poluentes tais como poluentes que contêm nitrogênio em diversos processos. O gás de pirólise pode também ser utilizado como um gás de combustão ou gás de aquecimento que pode ser fornecido a um processo de combustão ou a diversas zonas de combustão de um combustor. Em outras modalidades, o gás de pirólise pode ser processado, refinado, ou alterado de outra forma para produzir gás sintético e produtos de combustíveis tais como gás de síntese e combustíveis sintéticos.
Os sorventes de xisto produzidos de acordo as
modalidades podem ser utilizados para reduzir poluentes produzidos em um processo tal como um processo de combustão de carvão, um processo de gaseificação, um processo de pirólise, um processo de refinamento ou refinação de metal, um processo de produção de cimento, ou outros processos de conversão térmica, onde poluentes que contêm nitrogênio, poluentes que contêm enxofre, poluentes que contêm mercúrio, ou outros poluentes são produzidos. A introdução do sorvente de xisto produzido de acordo as modalidades da invenção em um processo pode resultar no contato do sorvente de xisto com um poluente de modo que o sorvente de xisto absorva ou adsorva o poluente, deste modo reduzindo a quantidade de poluentes no processo.
De acordo ainda com outras modalidades da invenção, o
2 0 sorvente de xisto pode ser utilizado para formar escórias
de cimento ou outros aditivos utilizados para aprimorar a produção de cimento.
BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS Embora a especificação conclua com reivindicações que apontam especificamente e reivindicam distintamente o que é relacionado à presente invenção, as vantagens desta invenção podem ser verificadas mais prontamente a partir da descrição que se segue da invenção quando lida em conjunto com o desenho em anexo nas quais:
3 0 a Fig. 1 é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um combustor de carvão pulverizado no qual conversão ίη-situ de xisto oleaginoso é utilizada para diminuir os níveis de poluentes;
a Fig. 2 ilustra um diagrama de fluxo simplificado de um conversor térmico para produzir gases de pirólise e sorventes de xisto de acordo com modalidades da invenção;
a Fig. 3 é uma ilustração esquemática de um sistema de caldeira de carvão e de um conversor térmico utilizados para produzir gás de redução ex-situ e sorventes sólidos de xisto oleaginoso de acordo com modalidades da invenção;
a Fig.4 é uma ilustração esquemática de um forno de cimento e um gaseificador de acordo com modalidades da invenção e
a Fig. 5 é uma ilustração esquemática de um gaseificador e um processo de produção de gás de síntese e/ou combustível sintéticos de acordo com modalidades da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Xisto oleaginoso tem sido utilizado para diminuir ou eliminar um ou mais poluentes produzidos durante combustão de um combustível primário, tal como carvão, biomassa, resíduo sólido municipal ("MSW"), combustível derivado de lixo ("RDF"), misturas dos mesmos, ou outras matérias- primas de alimentação de combustível. Por exemplo, o Pedido de Patente U.S. 11/004.698, que é incorporado aqui em sua totalidade mediante referência, descreve processos onde xisto oleaginoso pode ser adicionado a uma câmara de combustão que queima um combustível primário para reduzir a quantidade de poluentes dentro da câmara de combustão e o 3 0 processo de combustão. Durante a combustão de um combustível primário, o xisto oleaginoso pode funcionar como um sorvente para diminuir uma quantidade do(s) poluente(s) liberado(s) da câmara de combustão. Alternativamente, combustão do xisto oleaginoso pode produzir um redutor, que reduz o(s) poluente(s) para uma espécie química mais benigna, diminuindo a quantidade do(s) poluente(s) liberado(s). Ao ajustar ou controlar uma temperatura ou a composição gasosa na câmara de combustão, o(s) poluente(s) pode(m) ser adsorvido(s) ou absorvido(s)
no xisto oleaginoso ou pode(m) ser reduzido(s) pelo redutor propiciado pelo xisto oleaginoso. 0(s) poluente(s) pode(m) ser removido(s) da câmara de combustão ao contatar o poluente com o xisto oleaginoso por uma quantidade de tempo suficiente para o xisto oleaginoso funcionar como um
sorvente ou para o redutor reduzir quimicamente o(s) poluente(s). A quantidade de tempo suficiente para remover o(s) poluente(s) é denominada aqui como um tempo de permanência ou tempo de contato. Poluentes que podem ser diminuídos ou eliminados pela adição de xisto oleaginoso a
2 0 uma câmara de processo de conversão térmica podem incluir
poluentes que contêm nitrogênio, poluentes que contêm enxofre, gases ácidos e metais, mas não estão limitados a estes. Poluentes que contêm nitrogênio podem incluir, por exemplo, NO, NO2, N2O, N2O5, ou misturas dos mesmos.
Poluentes que contêm mercúrio podem incluir, por exemplo, SO2, SO3, HS2O4, H2S, N2O5, COS, CS2, ou misturas do mesmo. Em alguns casos, SO2 pode ser um poluente principal que contém enxofre e SO3 um poluente secundário que contém enxofre produzido durante a combustão de combustíveis
3 0 primários que contêm enxofre. Em outros casos, H2S e COS podem ser poluentes que contêm enxofre principais produzidos durante pirólise, gaseificação, ou conversão térmica de combustíveis primários que contêm enxofre. Gases ácidos podem incluir gases voláteis que contêm haleto, tais como HCl, cloro ("Cl2"), ácido hidroiódico ("HI"), ácido iódico ("HIO3"), iodo ("I2"), ácido hidrofluórico ("HF"), flúor ("F"), ácido hidrobrômico (wHBr"), ácido bromoso ("HBrO") , bromo ("Br"), ou misturas destes, mas não se limitam a estes.
Gases ácidos podem também incluir gases que contêm
fosfato, tais como ácido fosfórico ("H3PO4"), pentóxido de fósforo ("P2O5"), fosfina ("PH3"), quaisquer compostos de fosfônio, ou qualquer mistura dos mesmos. Metais poluentes podem incluir um ou mais metais elementares ou um ou mais
compostos de metais incluindo mercúrio elementar ("Hg°"), cloreto de mercúrio ("HgCl2"), mercúrio adsorvido em matéria particulada, chumbo ("Pb") ou compostos do mesmo, arsênio (As) ou compostos do mesmo, cromo ("Cr") ou compostos do mesmo, ou mistura destes, mas não se limitam a
estes. 0 xisto oleaginoso pode ser utilizado para remover um único poluente ou múltiplos poluentes da câmara de combustão. Em uma modalidade, o xisto oleaginoso é utilizado para remover poluentes que contêm nitrogênio, H2SO4, SO3, SO2, H2S, COS, CS2, mercúrio elementar e cloreto
2 5 de mercúrio da câmara de combustão.
Processos de controle de poluição utilizados com câmaras de combustão incluíram processos onde xisto oleaginoso é alimentado diretamente a uma câmara de combustão e, mais especificamente, diretamente a uma porção
3 0 de queimador de uma câmara de combustão. Em tais processos, quando o xisto oleaginoso é aquecido na câmara de combustão, são produzidos minerais de xisto, partículas de carvão, e querogênio, como mostrado na Reação 1:
xisto oleaginoso + calor minerais de xisto +
partículas de carvão + querogênio + derivados de hidrocarbonetos (1)■
Uma temperatura superior ou igual a aproximadamente 20O0C pode ser utilizada para pirolizar ou destilar o xisto oleaginoso. À medida que o xisto oleaginoso é aquecido, o calor pode fazer com que o querogênio despolimerize e desvolatilize enquanto os minerais de xisto podem ser calcinados. A extensão de despolimerização,
desvolatilização, pirólise e formação de carvão do xisto oleaginoso podem variar dependendo de taxas de aquecimento de partícula, temperatura de partícula, temperatura de gás circundante, temperatura de gás circundante e a quantidade de tempo que o xisto oleaginoso é aquecido. Quando o querogênio é desvolatililizado ou liberado do xisto oleaginoso, uma matriz porosa de óxidos, carbonatos, ou 2 0 silicatos pode permanecer incluindo óxidos, carbonatos, ou silicatos de cálcio ("Ca"), magnésio ("Mg"), sódio ("Na"), potássio ("K"), ferro ("Fe"), ou zinco ("Zn"), mas sem se limitar a estes. Estes óxidos, carbonatos, e silicatos são coletivamente denominados aqui como minerais de xisto. Apenas a título de exemplo, os minerais de xisto podem incluir óxido de cálcio, oxido de magnésio, óxido de ferro, carbonato de cálcio, ou misturas dos mesmos, mas sem se limitar a estes. As partículas de carvão ou partículas de carbono residual podem também permanecer após o querogênio ser desvolatilizado do xisto oleaginoso. Os minerais de xisto e partículas de carvão são coletivamente denominados aqui como partículas sorventes ou partículas sorventes de xisto. As partículas sorventes são partículas porosas que possuem uma área de superfície aumentada. Como tal, as partículas sorventes possuem uma capacidade de adsorção ou absorção aumentada relativa àquela do xisto oleaginoso e podem ser utilizadas para adsorver ou absorver mercúrio e outros poluentes, conforme explicado em detalhe abaixo. Uma vez que as partículas sorventes são porosas, os poluentes podem prontamente difundir-se nas partículas sorventes e reagir com os óxidos, carbonatos e silicatos nestes.
Quando xisto oleaginoso é introduzido em uma câmara de conversão térmica, querogênio no xisto oleaginoso é liberado. O querogênio liberado do xisto oleaginoso pode propiciar uma fonte do redutor utilizado para reduzir os poluentes que contêm nitrogênio na câmara de conversão térmica. Conforme mostrado na Reação 2, o querogênio pode ser exposto a calor adicional para quebrar ou separar o querogênio, formando hidrocarbonetos leves ou pesados:
2 0 querogênio + calor + radicais hidrocarbonetos
leves ou pesados (CxHy) + CO + H2 + CO2 (2) ,
onde χ e y dependem da taxa de carbono e hidrogênio no querogênio e condições temporais. Por exemplo, χ pode variar entre 1 e 7 para um hidrocarboneto leve, de aproximadamente 8 a 13 para um hidrocarboneto intermediário, ou entre aproximadamente 14 e 42 para um hidrocarboneto pesado. Em correlação, y pode variar entre 1 e 90 e é tipicamente igual a nominalmente duas vezes "x" para um hidrocarboneto determinado. Uma temperatura
3 0 superior ou igual a aproximadamente 350°C pode ser utilizada para quebrar e separar o querogênio polimérico. Os hidrocarbonetos pesados são, portanto progressivamente convertidos em hidrocarbonetos mais leves. A presença de vapor ajuda a quebrar e reformar os hidrocarbonetos pesados. Os hidrocarbonetos pesados e leves podem ser utilizados para reduzir os poluentes que contêm nitrogênio a N2, dióxido de carbono ("CO2") e água ("H2O") ao aquecer os hidrocarbonetos pesados e leves a uma temperatura maior ou igual a aproximadamente 4OO0C de acordo com as químicas mostradas nas Reações 3 e 4:
CxHy + (2x + y/2)N0 (x + yA) N2 + XCO2 + V2H2O (3), CxHy + (x + y/4) NO2 (x/4 + y/e) N2 + XCO2 + V2H2O (4), onde χ é tipicamente 1 ou 2 e y é tipicamente 1, 2, 3 ou 4. Geralmente, as Reações 3 e 4 mostram as reduções de compostos de nitrogênio oxidados em um composto de nitrogênio reduzido, tal como N2. Carvão de xisto oleaginoso também reduzirá poluentes que contêm nitrogênio a N2, CO2 e H2O por reações heterogêneas de acordo ou similares às químicas mostradas nas Reações 5 e 6: Carvão+ (2+x)NO -> 1/2(2+x)N2 + yC02 + ZH2O (5),
Carvão+ (2+x)N02 1/2(2+x)N2 + yC02 + ZH2O (6),
onde x, y, e ζ são dependentes da razão de carbono para hidrogênio no carvão.
Os minerais de xisto ou partículas de carvão que resultam da combustão do xisto oleaginoso podem também possuir uma afinidade para ligação química com mercúrio ou compostos de mercúrio (adsorção) e para ligação física com mercúrio e compostos de mercúrio (absorção). Por conseguinte, os minerais de xisto ou partículas de carvão 3 0 produzidos pela pirólise do xisto oleaginoso (vide Reação 1) podem adsorver ou absorver mercúrio ou cloreto de mercúrio de acordo com as químicas mostradas nas Reações 7, 8, 9 e 10:
partículas de carvão+ Hg0 partículas de carvão - Hg0 (7) , partículas de carvão+HgCl2->partículas de carvão- HgCl2 (8), minerais de xisto + Hg0 M - Hg0 (9) ,
minerais de xisto + HgCl2 M - HgCl2 (10) ,
onde M é um metal ou composto de metal presente no xisto oleaginoso que possui afinidade por mercúrio ou cloreto de mercúrio. M pode incluir qualquer um dentre Fe, Zn, chumbo ("Pb"), prata ("Ag"), alumínio ("Al"), cádmio ("Cd"), cromo ("Cr"), níquel ("Ni"), titânio ("Ti"), selênio ("Se"), arsênio ("As"), ou enxofre, incluindo enxofre que foi capturado pela partícula, mas não está limitado a estes. Quando os minerais de xisto ou partículas de carvão entram em contato com estes poluentes por um tempo de permanência suficiente, as partículas sorventes podem capturar o mercúrio elementar ou cloreto de mercúrio. A adsorção ou absorção do mercúrio elementar ou cloreto de mercúrio pelos minerais de xisto ou partículas de carvão pode também depender da temperatura à qual os minerais de xisto ou partículas de carvão entram em contato com o mercúrio elementar ou cloreto de mercúrio. A temperatura pode ser mantida de modo que seja favorável para adsorção física ou química, de modo que não dissocie. Por exemplo, em uma temperatura inferior ou igual a aproximadamente 200°C em algumas modalidades. Esta temperatura pode ser alcançada em diversas localizações na câmara de combustão, tal como em um duto de processo, em um 3 0 bolo de partículas recolhido por uma unidade de limpeza de gás, tal como uma sacola ou precipitador eletrostático ("ESP"), ou em um reator de gás/base comprimida.
Outros metais voláteis e semivoláteis que podem ser removidos pelo carvão sorvente de xisto e cinzas inorgânicas produzidas pelo processo de conversão térmica, incluem chumbo, arsênio, berílio, e outros metais liberados dos materiais de combustíveis que contêm carbono pelo processo de conversão térmica.
Compostos de carbonato e óxidos produzidos pela combustão do xisto oleaginoso podem ser utilizados para remover poluentes que contêm enxofre, tais como H2O4, SO3, SO2, H2S, COS, CS2, ou misturas dos mesmos, de acordo com as
químicas mostradas nas Reações 11-19:
Mx -(CO3)y + calor -> Mx - Oy + yC02 (11) ,
CaCO3 + SO2 + V2O2 CaSO4 + CO2 (12) ,
CaCO3 + SO3 -> CaSO4 + CO2 (13) ,
CaCO3 + H2SO2 CaSO4 + CO2 + H2O (14) ,
CaCO3 + H2S ~> CaS + H2O + CO2 (15) ,
CaO + SO2 + V2O2 -> CaSO4 (16) ,
CaO + SO3 -> CaSO4 (17) ,
CaO + H2SO4 "> CaSO4 + H2O (18) ,
CaO + H2S CaS + H2O (19) ,
onde M é um metal, tal como Ca, Mg, Na, K, Fe ou Zn, e onde χ e y variam dependendo dos carbonatos de metal presentes no xisto oleaginoso. Por exemplo, χ pode ser 1 ou 2 e y pode ser 1, 2 ou 3. Embora as reações mostradas acima estejam entre SO2, SO3, H2SO4, ou H2S e carbonato de cálcio ou óxido de cálcio, reações similares podem ocorrer entre SO2, SO3, ou H2S e carbonatos ou óxidos de Mg, Na, K, Fe, ou Zn. Quando COS, CS2, ou uma combinação de COS e CS2 estão presentes no gás produzido por um processo de conversão térmica tal como um - processo de pirólise ou um gaseif icador, COS e CS2 podem ser transferidos para H2S utilizando um reator de transferência de acordo as Reações 20-21:
COS + H2O H2O + CO2 (20) ,
CS2 + 2H2S -> 2H2S +" CO2 (21) ,
que podem ser seguidas pelas Reações 15 e 19. As reações de transferência ilustradas pelas Reações
2 0 e 21 podem ser promovidas por Ca, Mg, NA, K, Cu, Fe, Al, e outros elementos ou compostos minerais contidos no xisto oleaginoso ou sorventes de xisto oleaginoso.
Os minerais de xisto, tais como compostos de carbonato, podem ser calcinados ao aquecer o xisto a uma temperatura superior ou igual a aproximadamente 450°C. A adsorção do poluente que contém enxofre pode ocorrer em uma localização da câmara de combustão onde a temperatura é relativamente quente. A temperatura pode ser suficientemente elevada para alcançar reação favorável do poluente que contém enxofre com compostos alcalinos, compostos alcalino-terrosos, ou outros óxidos de metais presentes no xisto oleaginoso para produzir sulfeto ou compostos sulfídricos. No entanto, a temperatura pode ser inferior às temperaturas de dissociação dos compostos. Para alcançar reação entre os minerais de xisto e os H2O4, SO3, SO2, H2S, COS, ou CS2, uma temperatura que varia de maior ou igual a aproximadamente 45O0C a menos que aproximadamente 1.150°C pode ser utilizada. Os minerais de xisto, tais como os compostos de carbonatos e óxidos, podem também ser utilizados para remover HCl e Cl2 de acordo com os exemplos de químicas mostrados nas Reações 22 e 23:
CaO + 2HC1 -> CaCl2 + H2O (22),
CaO + Cl2 CaCl2 + VaO2 (23) .
Embora as reações mostradas acima sejam entre óxido de cálcio e compostos que contêm cloro, reações similares podem ocorrer entre HCL ou Cl2, e Mg, Na, K, Fe, ou Zn. Reações similares podem também ocorrer com flúor, compostos que contêm flúor, iodo, compostos que contêm iodo, bromo, compostos que contêm bromo, fosfato, e compostos que contêm fosfato. A adsorção de flúor, compostos que contêm flúor, iodo, compostos que contêm iodo, bromo, compostos que contêm bromo, fosfato, e compostos que contêm fosfato pode ocorrer em um local da câmara de processo de conversão térmica onde a temperatura é relativamente quente. A temperatura pode ser suficientemente elevada para alcançar reação favorável do flúor, compostos que contêm flúor, iodo, compostos que contêm iodo, bromo, compostos que contêm bromo, fosfato, e compostos que contêm fósforo com compostos álcalis, compostos alcalino-terrosos, ou outros óxidos de metal presentes no xisto oleaginoso para produzir halogênio ou compostos de fósforo. No entanto, a temperatura pode ser inferior às temperaturas de dissociação dos compostos. Por exemplo, para a reação de HCl com os minerais de xisto, a temperatura da reação pode ser mantida superior ou igual a aproximadamente 450°C ou inferior a aproximadamente 1.150°C.
Em processos tais como aqueles descritos no Pedido de Patente U.S. 11/004.698, o xisto oleaginoso utilizado em e fornecido à câmara de combustão pode incluir minério que é obtido de uma mina de xisto oleaginoso convencional e pulverizado em partículas. 0 xisto oleaginoso pode ser obtido a partir de uma fonte tal, como minas em Utah, Colorado, ou Wyoming que produzem aproximadamente 37,8 litros de óleo por tonelada de minério até aproximadamente 3 03 litros de óleo por tonelada de minério. Outras fontes de xisto oleaginoso ao .redor do mundo podem também ser utilizadas, cada uma das quais contendo concentrações variadas de querogênio e outros minerais. 0 xisto oleaginoso pode inicialmente ser triturado ou moído em um tamanho de partícula rudimentar desejado inferior a aproximadamente 5 cm. 0 xisto oleaginoso pode ser triturado utilizando técnicas convencionais, similares às técnicas de esmagamento e trituração utilizadas em mineração de carvão. As partículas de xisto oleaginoso podem, além disso, ser pulverizadas em partículas de micro-tamanho que possuem um tamanho de partícula que varia entre aproximadamente 2 μηη e aproximadamente 150 pm, que são introduzidas na câmara de 2 0 combustão. As partículas de micro-tamanho podem ser pulverizadas, classificadas, e arrastadas em uma corrente de ar utilizando técnicas convencionais, similares a técnicas para pulverizar, classificar e arrastar carvão em uma corrente de ar. Como tal, pulverizadores, classificadores e injetores de carvão existentes podem ser utilizados para produzir e injetar partículas de xisto oleaginoso na câmara de combustão. As partículas de xisto oleaginoso podem ser não-reagidas, pelo fato de que as partículas de xisto oleaginoso não foram pirolizadas ou desvolatilizadas. No entanto, destilação em retorta de xisto oleaginoso (partículas de xisto oleaginoso desvolatilizadas) pode também ser utilizada na câmara de conversão.
Para diminuir a quantidade dos poluentes produzidos pela combustão de um combustível primário, partículas de xisto oleaginoso podem ser introduzidas em uma câmara de combustão, por exemplo, um combustor de carvão pulverizado ("PCC"), uma fornalha, uma caldeira, combustor de base fluidificada ou gaseificador, combustor de base de circulação ou gaseificador, combustor de reator em estágios ou gaseificador, um combustor de fluxo arrastado ou gaseif icador, um duto de descarga de gás, um reator de transporte de purificação de descarga de gás, um combustor de base comprimida ou gaseificador, um combustor de base rotativa ou gaseificador, ou dispositivos de calcinação tais como forno de cimento. Partículas de xisto oleaginoso podem também ser utilizadas em um processo metalúrgico, tal como durante a produção de minério de ferro ou a fundição ou refinação de metais. Uma câmara de combustão pode ser
2 0 configurada para queimar carvão ou outros combustíveis
fósseis, biomassa, MSW, RDF, ou outras matérias-primas que contêm carbono. Embora algumas modalidades aqui descrevam a utilização das partículas de xisto oleaginoso em um PCC, partículas de xisto oleaginoso podem ser utilizadas em outros tipos de câmaras de conversões térmicas desde que a câmara de conversão térmica seja capaz de produzir as temperaturas nas quais as reações com as partículas de xisto oleaginoso ocorrem. Além disso, embora as modalidades aqui descrevam a utilização de carvão como combustível
3 0 primário, outros combustíveis, tais como petróleo, gás natural, xisto oleaginoso, areias oleaginosas, e outros materiais de matérias-primas de combustíveis que contêm carbono (por exemplo: produtos, subprodutos e resíduos da indústria florestal; colheitas de agricultura; fezes de animais e carcaças; restos sólidos municipais; sólidos de lama de esgoto, escombros de demolição e construção, resto de pneus, e outras formas de combustível derivadas de refugo) podem ser utilizados.
PCCs são projetados para queimar carvão como um combustível primário e para converter a energia química (entalpia) do carvão queimando em calor, que é transferido para tubulações de vapor para produzir vapor de pressão elevada, superaquecido. PCCs normalmente produzem entre aproximadamente 5 0 MWe e aproximadamente 100 MWe de energia. PCCs normalmente compreendem uma longa e vertical caixa queimadora que é alinhada com as tubulações de vapor ou possui arranjos pendentes das tubulações de vapor. PCCs são conhecidos na técnica e, por conseguinte, não são discutidos em detalhes aqui. Uma ilustração esquemática de um PCC 100 no qual partículas de xisto oleaginoso 120 podem ser introduzidas é mostrada na Fig. 1. 0 PCC 100 inclui uma zona de queimador 106, uma zona de superaquecedor 108, uma zona de reaquecimento 110, uma zona economizadora 112, uma zona de pré-aquecimento de ar 114 e uma unidade de limpeza de gás 116. Para diminuir os poluentes produzidos por combustão do carvão no PCC 100, a temperatura em cada uma destas zonas pode ser controlada para alcançar as reações desejadas entre os poluentes e o querogênio e entre os poluentes e as partículas sorventes.
Carvão pulverizado 128 pode ser introduzido na zona de queimador 106 do PCC 100 e queimado com ar 130. Uma quantidade de carvão pulverizado 128 adicionada ao PCC 100 pode depender da eficiência do PCC 100 e sua saída de poder desejada. Uma taxa de alimentação na qual o carvão pulverizado 128 é introduzido no PCC 100 pode ser calculada baseada na eficiência do PCC 100 e na saída de energia desejada, conforme conhecido na técnica. O carvão pulverizado 12 8 pode ser arrastado com o ar 13 0 e injetado no PCC 100 através de queimadores múltiplos (não mostrados), os quais são também denominados na técnica como registradores de queimador ou caixas queimadoras. Alternativamente, o carvão pulverizado 128 pode ser injetado na zona de queimador 106 através de portas primarias (não mostradas). O ar 13 0 pode ser injetado com o carvão pulverizado 128 ou pode ser injetado através de portas secundárias ou terciárias (não mostradas). Para queimar o carvão pulverizado 128, a zona de queimador 106 pode ser mantida a uma temperatura que varia de aproximadamente 1.085°C a aproximadamente 1.625°C. Após
2 0 combustão, o nitrogênio presente no carvão pulverizado 12 8
e no ar 13 0 pode ser convertido em poluentes que contêm nitrogênio. Enxofre no carvão pulverizado 128, tal como enxofre organicamente aglutinado ou enxofre de fase de pirita ou inorgânico, pode ser liberado e oxidado ou convertido em poluentes que contêm enxofre, tais como H2SO4, SO2, SO3, H2S, COS, CS2, ou misturas destes. Cloro no carvão pulverizado 12 8 pode ser convertido em HCl, Cl2, ou outros compostos voláteis de cloro. Iodo no carvão pulverizado 128 pode ser convertido em HI, I2, ou outros
3 0 compostos voláteis de iodo, enquanto flúor no carvão pulverizado 128 pode ser convertido em HF, F, ou outra forma de compostos voláteis de fluoreto. Bromo no carvão pulverizado 128 pode ser convertido em HBr, Br, ou outros compostos voláteis de brometo. Fósforo no carvão pulverizado 128 pode ser convertido em compostos contendo fósforo. Mercúrio presente no carvão pulverizado 128 pode ser liberado como Hg0 ou HgCL2. Arsênio, chumbo, berílio, e outros metais tóxicos podem ser liberados como compostos voláteis e semivoláteis. As partículas de xisto oleaginoso 120 podem ser
arrastadas e injetadas no PCC 100 em pelo menos uma das zona de queimador 106, zona de superaquecedor 108 e zona de reaquecimento 110, dependendo do perfil de temperatura do PCC 100 e das propriedades do xisto oleaginoso. Para fins de clareza e simplicidade, as partículas de xisto oleaginoso 12 0 são mostradas na Fig. 1 como sendo injetadas na zona de superaquecedor 108. As partículas de xisto oleaginoso 120 podem ser injetadas no PCC 100 através de múltiplos queimadores (não mostrados), portas primárias (não mostradas), ou portas secundárias ou terciárias (não mostradas). As partículas de xisto oleaginoso 120 não são injetadas em uma zona do PCC 100 onde as partículas de xisto oleaginoso 120 fundir-se-iam e escoriar-se-iam uma vez que isso pode afetar a capacidade das partículas de xisto oleaginoso 120 em capturar o poluente em estágios posteriores à trajetória de saída de gás. Uma taxa de alimentação à qual as partículas de xisto oleaginoso 120 são introduzidas no PCC 100 pode depender da eficiência das reações de sorventes. Esta taxa de alimentação pode ser 3 0 determinada conforme conhecido na técnica. Em outra modalidade, as partículas de xisto oleaginoso 120 são injetadas em uma região superior da zona de queimador 106 ou em uma região inferior da zona de superaquecedor 108. A destilação em retorta de xisto oleaginoso (partículas desvolatilizadas de xisto oleaginoso) pode também ser injetada na zona de reaquecimento 110. Após serem injetadas no PCC 100, as partículas de xisto oleaginoso 120 podem começar a desvolatilizar e liberar o querogênio, que reage com os poluentes que contêm nitrogênio como descrito nas Reações 1-4. A temperatura em pelo menos uma das zona de queimador 106, zona de superaquecedor 108 e zona de reaquecimento 110 pode ser mantida de modo que seja favorável para redução química dos poluentes que contêm nitrogênio para N2, CO2, e H2O, diminuindo significantemente a quantidade dos poluentes que contêm nitrogênio que saem do PCC 100.
Os minerais de xisto produzidos após o querogênio ser liberado podem reagir com H2SO4, SO2, SO3, HCl, H2S, COS, CS2 gasosos, ou misturas destes conforme descrito nas Reações 9-17. Óxido de cálcio, óxido de magnésio, óxido de ferro e outros óxidos de metais provenientes do xisto oleaginoso podem reagir e capturar o H2SO4, SO2, SO3, HCl, H2S, COS, CS2, ou misturas dos mesmos quando as reações cinéticas e termodinâmicas são favoráveis para a formação de CaSO4 ou CaS. Geralmente, reações favoráveis podem ocorrer a uma temperatura que varia entre aproximadamente 450°C e aproximadamente 1.125°C. Temperaturas dentro desta faixa podem ocorrer em pelo menos uma das zona de superaquecedor 108, zona de reaquecimento 110 e a zona economizadora 112. 3 0 Por conseguinte, a captura de HCl, H2SO4, SO2, SO3, H2S, COS, CS2, ou misturas dos mesmos pode ocorrer à medida que as partículas de xisto oleaginoso 120 saem da zona de superaquecedor 108 e entram na zona de reaquecimento 110 e na zona economizadora 112. A captura de HCl, H2SO4, SO2, SO3, H2S, COS, CS2, ou mistura dos mesmos pode também continuar para dentro de uma porção inferior da zona de pré-aquecimento de ar 114. Um tempo de permanência ou tempo de contato entre os minerais de xisto e os poluentes pode ser maior ou igual a 5 segundos para capturar estes poluentes.
Mercúrio ou cloreto de mercúrio podem reagir com os minerais de xisto ou partículas de carvão por dois mecanismos: absorção física ou adsorção química. À medida que os minerais de xisto ou partículas de carvão passam para dentro de porções do PCC 100 com temperaturas mais frias, mercúrio ou cloreto de mercúrio podem ser adsorvidos ou absorvidos, conforme descrito nas Reações 5-8. Por exemplo, mercúrio ou cloreto de mercúrio podem ser absorvidos ou adsorvidos pelos particulados de sorvente na zona de pré-aquecimento de ar 114 ou na unidade de limpeza de gás 116. Estas reações podem ocorrer quando a temperatura cai abaixo de aproximadamente 20 0°C. Uma vez que temperaturas dentro desta faixa podem ocorrer na zona de pré-aquecimento de ar 114 ou na unidade de limpeza de gás 116, estas porções do PCC 100 podem ser mais efetivas em remover mercúrio ou cloreto de mercúrio. Para capturar efetivamente estes poluentes, o tempo de contato entre os particulados de sorvente e o mercúrio ou cloreto de mercúrio pode ser maior do que aproximadamente 3 0 segundos. 3 0 Tais tempos de contato longos podem ser alcançados na unidade de limpeza de gás 116.
Os gases quentes e partículas em suspensão arrastadas produzidas ao queimar o carvão pulverizado 128 podem sair da zona de queimador 106 e entrar na zona de superaquecedor 108, onde os gases contatam as tubulações de vapor 140. As tubulações de vapor 14 0 extraem calor dos gases quentes e aumentam a temperatura de vapor. Na zona de superaquecedor 108, a temperatura dos gases quentes varia entre aproximadamente 975°C e aproximadamente 1.320°C. Os gases quentes e partículas em suspensão arrastadas podem passar para dentro da zona de reaquecimento 110, a qual é uma zona de transição entre a zona de superaquecedor 108 e a zona de economizadora 112. Tubulações de vapor 140 podem também estar presentes na zona de reaquecimento 110. A temperatura na zona de reaquecimento 110 pode variar entre aproximadamente 650°C e aproximadamente 980°C. Os gases quentes podem ser esfriados na zona economizadora 112 por tubulações de vapor 140 adicionais. A temperatura dos gases quentes na zona economizadora 112 pode variar entre 2 0 aproximadamente 53 5°C e aproximadamente 65 0°C.
Os gases que saem da zona de economizadora 112 são chamados na técnica de gás de chaminé. Neste ponto, o gás de chaminé pode incluir ar, produtos de combustão, vapor de água, dióxido de carbono, mercúrio, e matéria particulada. 0 gás de chaminé pode ser substancialmente livre dos poluentes que contêm nitrogênio, os poluentes que contêm enxofre e HCl, porque estes poluentes são removidos na zona de queimador 106, na zona de superaquecedor 108, ou na zona de reaquecimento 110. O gás de chaminé pode ainda ser resfriado por permutadores de calor gás-a-gás (não mostrados) na zona de pré-aquecimento de ar 114 para pré- aquecer o ar de combustão vindouro. A temperatura do gás de chaminé na zona de pré-aquecimento de ar 114 pode variar entre aproximadamente 12O0C e aproximadamente 230°C. O gás de chaminé 150 pode fluir para dentro da unidade de limpeza de gás 116, tal como a sacola ou precipitador eletrostático (ESP) , para remover a matéria particulada, tal como a suspensão 152. A suspensão 152 pode ser recolhida em um filtro na unidade de limpeza de gás 116. Uma vez que a introdução das partículas de xisto
oleaginoso 120 no PCC 100 utiliza muitas tecnologias de processamento e manuseio de carvão existentes, este método de níveis decrescentes de poluentes no gás de chaminé 150 pode ser prontamente implementado nos PCCs existentes porque não requer a instalação de equipamento novo. O uso das partículas de xisto oleaginoso 120 pode ser incorporado aos projetos futuros de PCC sem custos significativos.
Como descrito acima, as partículas de xisto oleaginoso 120 podem ser utilizadas para diminuir a 2 0 quantidade de um tipo único de poluente, tal como poluentes que contêm nitrogênio, H2SO4, SO2, SO3, H2S, COS, CS2, mercúrio, ou cloreto de mercúrio, no gás de chaminé 150. As partículas de xisto oleaginoso 12 0 podem também ser utilizadas para diminuir a quantidade de tipos diferentes de poluentes no gás de chaminé 150. As partículas de xisto oleaginoso 120 podem também ser utilizadas para diminuir a quantidade de tipos diferentes de poluentes no gás de chaminé 150. Por conseguinte, as partículas de xisto oleaginoso podem propiciar controle de múltiplos poluentes. Além disso, posto que a pirolização das partículas de xisto oleaginoso 120 produz particulados sorventes porosos, cargas de poluentes mais elevadas podem ser alcançadas. Como tal, menores taxas de injeção das partículas de xisto oleaginoso 12 0 podem ser utilizadas, o que diminui a quantidade de material sólido para descartar. Enquanto as partículas de xisto oleaginoso 120 diminuem efetivamente os níveis de poluentes no gás de chaminé 150, as partículas de xisto oleaginoso 120 podem também ser utilizadas em combinação com outras tecnologias para diminuir ainda as quantidades dos poluentes, tais como LIMB, LIDS, SNCR e tecnologias de requeimação de NOx.
Além de remover os poluentes, as partículas de xisto oleaginoso 120 podem adicionar entalpia (isto é, valor de aquecimento) uma vez que as partículas de xisto oleaginoso 120 são queimadas junto com o combustível primário. As partículas de carvão e os hidrocarbonetos pesados e leves, os quais são produzidos durante a combustão do xisto oleaginoso, podem ser queimados total ou parcialmente para propiciar calor adicional, como mostrado pelas Reações 24- 31 :
CxHy + (X + y/4)02 XCO2 + V2H2O (24),
CO + V2O2 CO2 (25),
CxHy + x/202 XCO2 + V2H2 (26) ,
CxHy + XH2O -> xCO + (X + Y/2)H2 (27),
Carvão carbono + O2 CO2 (28) ,
Carbono de Carvão + V2O2 ~> CO (29) ,
Carbono de Carvão + CO2 "> 2CO (30) ,
Carbono de Carvão + H2O -> CO + H2 (31) .
Ainda que nem todas as Reações 24-31 sejam 3 0 exotérmicas, as reações ou produzem calor ou produzem gases reativos que podem ser utilizados para produzir calor. 0 xisto oleaginoso pode propiciar uma rede positiva de calor de combustão que varia entre aproximadamente 4,7 MJ/KG (ou aproximadamente 4.415 BTU/kg) e aproximadamente 9,3 MJ/kg (ou aproximadamente 8.830 BTU/kg). A energia propiciada pela combustão do xisto oleaginoso pode contrabalancear a perda de calor em razão das reações de absorção de poluente.
Os hidrocarbonetos não-reagidos pesados e leves podem ser completamente reagidos na zona de superaquecedor 108 ou na zona de reaquecimento 110 com excesso de oxigênio ou ar (não mostrado) que é introduzido. Além disso, oxigênio suplementar (não mostrado) pode ser adicionado à zona de superaquecedor 108 ou à zona de reaquecimento 110 conforme necessário para queimar os hidrocarbonetos pesados e leves. A maior parte das câmaras de combustão é equipada com injetores a ar de sopro de fuligem ou lances de ar, que podem ser utilizados para ajustar a concentração de oxigênio para alcançar combustão completa dos 2 0 hidrocarbonetos pesados e leves.
Usar as partículas de xisto oleaginoso 120 no processo de combustão pode melhorar a disposição da suspensão produzida durante a combustão do combustível primário. A combustão do xisto oleaginoso pode também produzir suspensão 152 e escória 154 (matéria mineral de subproduto de carvão e xisto oleaginoso). As partículas de xisto oleaginoso 120 podem ser utilizadas para fazer a suspensão 152 ou a escória 154 adequadas para descarte em um depósito de lixo. Durante combustão, as partículas de xisto oleaginoso 120 são calcinadas e convertidas em um material pozolânico que inclui compostos óxidos. 0 material pozolânico pode encapsular e imobilizar os metais, escória 154 e suspensão 152 produzidos durante a combustão. A suspensão 152 pode também ser utilizada como um material de base de estrada ou material de construção.
Xisto oleaginoso pode não apenas ser utilizado como um agente para reduzir poluição em um processo de combustão, processo de pirólise de metal, processo de calcinação, ou outros processos, como também pode xisto oleaginoso desvolatilizado ser utilizado como um material de controle de poluente. Querogênio no xisto oleaginoso pode ser reagido e desvolatilizado em uma conversão térmica ex-situ para produzir minerais de xisto e partículas de carvão em um combustível à base de querogênio. Os minerais de xisto e partículas de carvão podem ser fornecidos a um processo de conversão térmica, separado, tal como um processo de combustão, um forno de cimento, ou fundição de minérios ou processos de refinação de metais, mas não limitado a estes, para absorver ou adsorver poluentes quase da mesma maneira que os minerais de xisto produzidos pela adição de xisto oleaginoso a poluentes de absorção e adsorção de processo de combustão. Além disso, o combustível à base de querogênio pode também ser fornecido ao processo para agir como um agente de redução para remover poluentes. Alternativamente, o combustível à base de querogênio pode também ser utilizado como um combustível de aquecimento ou pode ser processado em produtos de combus t íve i s úteis.
Modalidades da invenção envolvem a desvolatilização de querogênio proveniente de xisto oleaginoso para produzir um sorvente de xisto e um combustível à base de querogênio. A desvolatilização do querogênio do xisto oleaginoso pode ser controlada de modo que características desejadas do sorvente de xisto e querogênio liberados do xisto oleaginoso possam ser produzidas.
De acordo com certas modalidades da invenção, a gaseificação, pirólise, desvolatilização, ou destilação em retorta do xisto oleaginoso podem ser executadas para produzir uma cinza sólida, ou sorvente de xisto, que possua qualidades de sorventes de poluente. Xisto oleaginoso pode ser introduzido em um processo de gaseificação para liberar de forma controlada querogênio do xisto oleaginoso. A liberação controlada de querogênio do xisto oleaginoso pode resultar na formação de uma cinza sólida que possui características de controle de poluentes. Por exemplo, o sorvente de xisto pode agir como um sorvente para poluentes ou como um redutor para poluentes.
Por exemplo, o xisto oleaginoso pode ser introduzido em um processo de gaseificação onde o xisto oleaginoso se 2 0 submete a gaseificação para liberar querogênio do xisto oleaginoso. A gaseificação pode ser controlada para liberar grandes quantidades de querogênio armazenadas no xisto oleaginoso. Xisto oleaginoso desvolatilizado sai do processo de gaseificação como um sorvente de xisto. O sorvente de xisto pode ser triturado ou processado de outra forma para produzir um sorvente de xisto que possua o tamanho desejado para utilização com operações de processamento para adsorver ou absorver poluentes ou ser utilizado de outra maneira como um sorvente de poluente. Em algumas modalidades, o sorvente de xisto pode ser fornecido a um processo para controlar poluentes no processo ou contatado com produtos de processo para reduzir poluentes nos mesmos.
De acordo com outras modalidades da invenção, a gaseificação de xisto oleaginoso pode ser controlada para produzir partículas sólidas de sorvente de poluente, onde as partículas incluem carbono adsorvido que pode auxiliar na absorção ou adsorção de poluentes. A gaseificação de xisto oleaginoso pode ser controlada para assegurar que porções do xisto oleaginoso sejam carbonizadas para produzir um sorvente de xisto que possua uma quantidade de carbono contida dentro do mesmo ou nas partículas de sorvente de xisto. 0 sorvente de xisto carbonizado pode ser recolhido e utilizado como um sorvente de controle de poluente.
De acordo com outras modalidades da invenção, a gaseificação de xisto oleaginoso pode produzir um gás de redução que pode ser utilizado para controle de poluente. Por exemplo, um gás que pode ser utilizado na redução de
2 0 emissões de NOx pode ser produzido de acordo com
modalidades da invenção. A desvolatilização do querogênio proveniente de xisto oleaginoso introduzido em um processo de gaseificação para produzir um gás de redução pode incluir controle e otimização do processo de desvolatilização para produzir um gás que possua elevadas quantidades de formas de carbono reduzido, tais como CH4, C2H4, C2H6, C3H8, e baixas quantidades de hidrocarbonetos pesados. O gás de redução pode ser fornecido diretamente a um processo ou correntes de produtos de processos onde pode
3 0 ser utilizado como um gás de redução ou pode ser armazenado de acordo com métodos convencionais e utilizados com outros processos.
Em outras modalidades da invenção, um gás de hidrocarbonetos pode ser produzido pela gaseificação do xisto oleaginoso. A desvolatilização do querogênio do xisto oleaginoso pode ser controlada para produzir gases de hidrocarbonetos. As condições de desvolatilização podem ser controladas de modo que quantidades específicas de hidrocarbonetos desejados sejam produzidas a partir do processo de gaseificação. Deste modo, gases de hidrocarbonetos podem ser formados de modo que possam ser separados e comercializados como gases sintéticos naturais ou que possam ser alterados para produzir gases sintéticos naturais e produtos de gases. Correntes de gás de hidrocarbonetos podem também ser produzidas as quais podem ser resfriadas, condensadas e então destiladas, quebradas, ou hidrogenadas para produzir produtos de petróleo sintético bruto de valores mais altos.
A Fig. 2 ilustra um diagrama de fluxo de material de uma pirólise ou sistema gaseificador que pode ser utilizado para executar modalidades da invenção. Conforme ilustrado na Fig. 2, xisto oleaginoso triturado 210 pode ser introduzido ao gaseificador 200 com vapor 212 e um ou mais gases oxidantes 214. A gaseificação do xisto oleaginoso 210 introduzido no gaseificador 200 pode causar a desvolatilização de querogênio do xisto oleaginoso 210, que pode resultar na produção de um gás de pirólise 220 e de um sorvente de xisto 230. 0 gás de pirólise 220 pode ser removido do gaseificador 200 e armazenado, queimado, 3 0 utilizado ou de outra forma processado conforme desejado. Similarmente, o sorvente de xisto 230 pode ser utilizado como um sorvente de poluente de acordo com modalidades da invenção ou pode ser utilizado com outros processos.
O gaseificador 200 representado pelo diagrama de bloco ilustrado na Fig. 2 pode incluir qualquer tipo de gaseificador 200 ou unidade de conversão térmica capaz de desvolatilizar o querogênio do xisto oleaginoso e capaz de calcinar o xisto para produzir um sorvente de xisto. Por exemplo, gaseificadores de base fixa convencional, gaseificadores de base fluidifiçada, ou gaseificadores de fluxo arrastado podem ser utilizados com modalidades da invenção. Outros gaseificadores convencionais ou operações de pirólise acionadas por rotação podem também ser utilizados com modalidades da invenção. De acordo com aquelas modalidades da invenção onde o
xisto oleaginoso 210 está sendo desvolatilizado de querogênio para produzir um sorvente de xisto 23 0 para capturar poluentes de outros processos, um gaseificador de base fixa ou de base fluidificada borbulhante pode ser utilizado para gaseificar o xisto oleaginoso 210. O uso de tal gaseificador 200 pode até ser preferido se as partículas de xisto oleaginoso 210 sendo desvolatilizadas de querogênio incluírem partículas trituradas de xisto oleaginoso não-refinado 210 com tamanhos, por exemplo, entre aproximadamente 0,5 e 10 mm em diâmetro. O uso de um gaseificador de base fixa ou base fluidificada borbulhante pode ajudar a produzir sorvente de xisto 230 de qualidade elevada onde a maior parte do querogênio contido no xisto oleaginoso 210 é removida do xisto oleaginoso 210 dentro do gaseificador 200. O sorvente de xisto 230 produzido de tal maneira pode possuir um alto valor de "perda na ignição". Outros tipos de gaseificãdores podem também ser utilizados para produzir tais sorvente de xisto 230.
Naquelas modalidades da invenção onde o xisto oleaginoso 210 inclui um xisto oleaginoso 210 moído finamente, tal como xisto oleaginoso que possui tamanhos de partículas entre aproximadamente de 0,001 e aproximadamente de 0,01mm em diâmetro, um gaseificador arrastado pode ser utilizado como gaseificador 200 para desvolatilizar querogênio do xisto oleaginoso 210. Por exemplo, partículas de xisto oleaginoso 210 que possuem diâmetro entre aproximadamente 0,001 e aproximadamente de 0,01 milímetros podem ser introduzidas em um gaseificador arrastado 200 para desvolatilizar querogênio a partir do mesmo. Os gases de pirólise 220 produzidos a partir do processo de desvolatilização podem ser queimados dentro do gaseificador 200 para ajudar no processo de desvolatilização.
A escolha de gaseificãdores 200 para utilização com modalidades da invenção também pode depender dos gases de pirólise 220 desejados a partir do processo. Por exemplo, quando os gases de pirólise 220 devem ser queimados ou utilizados de outra forma como gases de redução para reduzir a presença de poluentes NIx ou outros poluentes em correntes de gases, o gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser selecionado para otimizar a produção de formas de carbono reduzidas, tal como CH4 e
C2H4 .
A produção de hidrocarbonetos pesados em um gás de
pirólise pode não ser desejada; por conseguinte, um
gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser selecionado para limitar a produção de tais hidrocarbonetos pesados. Por exemplo, a presença de hidrocarbonetos pesados em um corrente de alimentação de um gaseificador 200 para um processo secundário pode causar condensação indesejada da corrente de alimentação. Em algumas modalidades, o gás de pirólise 22 0 que sai do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica poder ser encaminhado para um quebrador de breu (não mostrado) ou um reformador de gás (não mostrado) para decompor ainda mais ou de outra forma remover os hidrocarbonetos pesados do gás de pirólise 220. Processos convencionais podem ser utilizados para alterar ou modificar os hidrocarbonetos pesados em um corrente de gás de pirólise 220 antes da corrente de gás de pirólise 220 ser encaminhada para outro processo.
Em outras modalidades da invenção, a produção de formas reduzidas de hidrocarbonetos no gás de pirólise 220 pode não ser desejada. Por exemplo, em processos produção de gases de síntese e combustíveis sintéticos, a quantidade de hidrocarbonetos no gás de pirólise 220 é preferivelmente minimizada. Ao invés, a produção de monóxido de carbono ("CO") e hidrogênio ("H2") é preferivelmente maximizada. Por conseguinte, um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser selecionado para maximizar a 2 5 produção de monóxido de carbono e hidrogênio durante a pirólise do xisto oleaginoso 210 no gaseificador 200. Em algumas modalidades, o gaseificador 200 pode ainda ser selecionado ou operar para produzir uma razão otimizada de monóxido de carbono e hidrogênio para processos de produção de combustível sintético Fischer-Tropsch. A introdução de xisto oleaginoso 210, vapor 212, e gás oxidante 214 em um gaseificador 200 como ilustrado na Fig. 2 pode resultar em diversas reações diferentes dentro do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica.
Por exemplo, quando o xisto oleaginoso é aquecido no gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica, minerais de xisto, partículas de carvão, e querogênio são produzidos. Os minerais de xisto e partículas de carvão formam o sorvente de xisto 230. A produção dos minerais de xisto, partículas de carvão e querogênio é similar à reação que ocorre quando xisto oleaginoso 210 é introduzido diretamente em uma câmara de combustão ou outro processo de conversão térmica, tal como câmara de combustão de uma caldeira de carvão pulverizado. A formação do sorvente de xisto 23 0 e querogênio pode ser representada pela Reação 32 :
xisto oleaginoso + calor -> sorvente de xisto + querogênio (32) .
A temperatura superior ou igual a aproximadamente 200°C pode ser utilizada para pirolizar o xisto oleaginoso 210 em um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica. À medida que o xisto oleaginoso 210 é aquecido, o calor pode fazer com que o querogênio despolimerize e desvolatilize enquanto os minerais de xisto podem ser calcinados. A extensão da depolimeração, desvolatilização, pirólise, e formação de carvão do xisto oleaginoso 210 podem variar dependendo das taxas de aquecimento de partícula, temperatura de partícula, temperatura de gás circundante, e a quantidade de tempo em que o xisto oleaginoso 210 é aquecido no gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica. Quando o querogênio é desvolatilizado ou liberado do xisto oleaginoso, uma matriz porosa de óxidos, carbonatos, ou silicatos pode permanecer incluindo dióxido de silício ("SiO2"), e óxidos, e carbonatos de cálcio ("Ca"), magnésio ("Mg"), sódio ("Na"), potássio ("K"), ferro ("Fe"), ou zinco ("Zn"), mas não limitados a estes. Apenas como exemplo, os minerais de xisto podem incluir óxido de cálcio, óxido de magnésio, óxido de ferro, carbonato de cálcio, ou misturas dos mesmos, mas não limitados a estes. As partículas de carvão ou partículas de carbono residual podem também permanecer após o querogênio ser desvolatilizado do xisto oleaginoso 210. O sorvente de xisto 230 compreende os minerais de xisto e partículas de carvão. 0 sorvente de xisto 230 pode incluir partículas porosas que possuem uma área de superfície aumentada. Como tal, o sorvente de xisto 23 0 pode possuir uma capacidade de adsorção ou absorção aumentada relativa àquela do xisto oleaginoso 210 e pode ser utilizado para adsorver ou absorver mercúrio e outros poluentes. Além disso, os sorventes de xisto 230 podem ser porosos, permitindo poluentes a se difundir no sorvente de xisto 230 e reagir com os óxidos, carbonatos, e silicatos no mesmo.
A introdução do vapor 212 no gaseificador 200 ou
2 5 outro processo de conversão térmica pode reagir com as
partículas de carvão do sorvente de xisto 230, formando carbono ativado dentro, ou sobre, o sorvente de xisto 23 0 conforme representado pela Reação 33:
xisto oleaginoso + calor -> minerais de xisto +
3 0 partículas de carvão + querogênio + derivados de hidrocarbonetos (33).
Querogênio no xisto oleaginoso 210 pode ser liberado dentro do gaseificador 200. Querogênio liberado do xisto oleaginoso 210 pode propiciar uma fonte de um redutor utilizado para reduzir poluentes em outros processos. Como mostrado em Reação 34, o querogênio pode ser exposto a calor adicional para quebrar ou separar o querogênio, formando hidrocarbonetos leves ou pesados:
querogênio + calor + radicais hidrocarbonetos
leves e pesados (CxHy) + CO + H2 + (34) ,
onde χ e y dependem da razão de carbono para hidrogênio no querogênio e condições temporais. Por exemplo, χ pode variar entre 1 e 7 para um hidrocarboneto leve, entre 8 e 12 para um hidrocarboneto intermediário, ou entre 12 e 42 para um hidrocarboneto pesado. Em correlação, y pode variar entre 1 e 90 e é tipicamente igual a duas vezes χ para um hidrocarboneto determinado. Uma temperatura superior ou igual a 350°C pode ser utilizada para quebrar e separar o querogênio polimérico. Os hidrocarbonetos pesados 2 0 são, portanto progressivamente convertidos em
hidrocarbonetos mais leves. A presença de vapor ajuda a quebrar e reformar os hidrocarbonetos pesados.
Modalidades da invenção podem ser incorporadas com quaisquer processos que produzam poluição para reduzir a
2 5 quantidade de poluição produzida em um processo. Por
exemplo, um gaseificador 200 para converter xisto oleaginoso 210 em gás de pirólise 220 e sorvente de xisto 23 0 pode ser incorporado com uma caldeira de carvão pulverizado, um processo de produção de cimento, um
3 0 processo de produção de combustível sintético ou gás de síntese, um processo de pirólise metalúrgica, uma fornalha, uma caldeira, combustor ou gaseificador de base fluidifiçada, um combustor ou gaseificador de base de circulação, um combustor ou gaseificador de reator em estágios, um combustor ou gaseificador de fluxo arrastado, um duto de descarga de gás, ou um reator de transporte de purificação de descarga de gás. As modalidades da invenção podem ser utilizadas para produzir o sorvente de xisto 23 0 para absorver ou adsorver poluentes produzidos nos respectivos processos ou para produzir um combustível à base de querogênio que possa ser utilizado com os processos. Modalidades da invenção não são limitadas a estes usos referidos e entende-se que um gaseificador para produzir sorventes de xisto 230, gás de pirólise 220, ou gases de redução de poluente pode ser incorporado com muitos processos convencionais e especialmente processos que produzem poluentes os quais se deseja sejam controlados.
A incorporação de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção com um processo de formação de poluente é ilustrada na Fig. 3. Conforme ilustrado, o gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser incorporado como um sistema de caldeira de carvão pulverizado 300. A incorporação de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção com um sistema de caldeira de carvão pulverizado 3 00 pode ser utilizada para propiciar sorvente de xisto 23 0, gás de pirólise 220, ou redução de gases para o sistema de caldeira de carvão pulverizado 300. Embora o sistema ilustrado na Fig. 3 inclua um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica incorporado com um sistema de caldeira de carvão pulverizado 300, entende-se que modalidades da invenção podem ser incorporadas com muitos sistemas diferentes onde poluentes são gerados e onde redução de tais poluentes é desejada.
Como ilustrado na Fig. 3, um sistema de caldeira de carvão pulverizado convencional 300 pode incluir uma zona de queimador 306, uma zona de superaquecedor 308, uma zona de reaquecimento 310, uma zona economizadora 312, uma zona de pré-aquecimento de ar 314, e uma unidade de limpeza de gás 316. Carvão 328, tal como carvão pulverizado, pode ser introduzido na zona de queimador 3 06 onde pode passar por combustão, formando gases e escória 354. Ar 330 pode também ser introduzido na zona de queimador 3 06 para facilitar a combustão do carvão 328 no sistema de caldeira de carvão pulverizado 300. A introdução de ar 330 pode incluir a introdução de ar de combustão, ar primário, e ar de infiltração como conhecido com sistemas de caldeira de carvão 300 convencional. Escória 354 produzida na zona de queimador 3 06 pode ser removida do sistema de caldeira de carvão pulverizado 300, como conhecido convencionalmente.
O carvão 328 pode ser queimado na zona de queimador 3 06, que pode ser mantida em uma temperatura entre 2 5 aproximadamente 80 0°C e aproximadamente 1.650°C. Reações dentro da zona de queimador 3 06 incluem reações relacionadas à combustão de carvão 328, tais como Reações 35-44 :
C+02 CO2 (35) ,
2 H + V202 "> H2O (36) , N + V2O2 ~> NO (37) ,
2 N N2 (38),
2 CL + H2O HCl + V2O2 (39) ,
S + O2 SO2 (40) ,
2 0 O2 (41) ,
2 FeS2 + 11/2 O2 Fe2O3 + 4 SO2 (42) ,
HgS Hg0 + SO2 (43),
Carbonatos Oxido + CO2 (44) .
Conforme indicado pelas reações que ocorrem durante a combustão de carvão 328, poluentes tais como SO2, NO, e HCl podem ser produzidos. Outros poluentes também podem ser formados. Os poluentes são indesejáveis e podem ser removidos pela queimação de gases de pirólise 220 do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção ou pela introdução de sorvente de xisto 230 no sistema de caldeira de carvão 300.
Gases e partículas formadas durante a combustão do carvão 328 saem da zona de queimador 3 06 e entram na zona de superaquecedor 308. Os gases e particulados da zona provenientes da zona de superaquecedor 308 passam para a zona de reaquecimento 310 e em seguida para a zona economizadora 312 antes de entrar na zona de pré- aquecimento de ar 314. Temperaturas em cada uma das zonas podem ser controladas pela presença de tubos de vapor 34 0 em cada uma das zonas. Gases de chaminé 350 que saem da zona de pré-aquecimento de ar 314 podem ser fornecidos a uma unidade de limpeza de gás 316 tal como uma sacola ou precipitador eletrostático (ESP). Matéria particulada, tal como cinzas em suspensão 352, pode ser recolhida da unidade de limpeza de gás 316 e os gases de refugo do sistema de caldeira de carvão 300 podem ser liberados ou alimentados a outros processos de limpeza de gases.
De acordo com modalidades da invenção, poluentes produzidos na zona de queimador 3 06 e por todo o resto do sistema de caldeira de carvão 3 00 podem ser reduzidos pela introdução de sorvente de xisto 230 ou gases de pirólise 220 no sistema de caldeira de carvão 300 ou nas correntes de produto produzidas pelo sistema de caldeira de carvão 300. Por exemplo, poluentes de NOx formados na zona de queimador 3 06 do sistema de caldeira de carvão 3 00 podem ser reduzidos pela queimação simultânea dos gases de pirólise 220 formados a partir da gaseificação de xisto oleaginoso 210 na zona de queimação 306. Os gases de pirólise 220 provenientes de um gaseificador 200 podem ser alimentados a partir do gaseificador 200 para uma entrada na zona de queimador 3 06 do sistema de caldeira de carvão 300. Quando alimentado ou injetado de outra forma na zona de queimador 3 06, os gases de pirólise 220 podem ser oxidados pela presença de NOx, reduzindo deste modo os
2 0 poluentes que contêm nitrogênio a N2 ou outros compostos
que contêm nitrogênio, dióxido de carbono ("CO2") , e água ("H2O") de acordo com Reações 3 e 4 previamente descritas.
Reações adicionais de oxidação podem também ocorrer com a introdução de gás de pirólise 220 à zona de queimador 306. Por exemplo, Reações 45 e 46 podem ocorrer dentro da zona de queimador 3 06 em adição à redução de NOx mostrada em Reações 3 e 4:
CxHy + (x + y/4) O2 -» x CO2 + y/2 H2O (45),
CO + M O2 ^ CO2 (46),
3 0 onde χ pode variar entre 1 e 7 para um hidrocarboneto leve, entre aproximadamente 8 e 12 para um hidrocarboneto intermediário, ou entre aproximadamente 13 e 42 para um hidrocarboneto pesado. Em correlação, y pode variar entre 1 e 90 e é tipicamente igual a nominalmente duas vezes χ para um hidrocarboneto determinado. Em alguns casos, os gases de pirólise 220 podem ser introduzidos na zona de queimador 306 em dois ou mais locais. A introdução de gases de pirólise 220 em mais de um local pode facilitar tanto as reações de redução dos poluentes de NOx como mostrado pelas
Reações 3 e 4 quanto as reações de oxidação das Reações 45 e 46. Um exemplo ilustrativo de múltiplas entradas de alimentação de gás de pirólise 220 em uma zona de queimador 3 06 é representado pelas duas entradas de alimentação 220 (a) e 220 (b) de gás de pirólise 220 ilustradas na Fig.
3. Conforme ilustrado, uma ou mais das entradas de alimentação 220 (b) de gás de pirólise 220 pode estar localizada em uma zona de divisão entre a zona de queimador 3 06 e a zona de superaquecedor 3 08 ou pode estar localizada na entrada da zona de superaquecedor 3 08 a partir da zona
2 0 de queimador 3 06.
Gases e matéria particulada provenientes da zona de queimador 3 06 podem passar para dentro da zona de superaquecedor 3 08 onde reações adicionais ocorrem. A zona de superaquecedor 308 pode ser mantida entre
aproximadamente de 67 5°C e aproximadamente de 1.3 2 0°C. Tubulações de vapor 34 0 podem estar posicionadas na zona de superaquecedor 308 para propiciar calor conforme conhecido com sistemas de caldeira de carvão convencionais 300.
Poluentes nos gases e matéria particulada produzidos
3 0 na zona de queimador 3 06 podem ser pelo menos parcialmente removidos por adsorção ou absorção dos poluentes por sorvente de xisto 23 0 introduzido na zona de superaquecedor 308. Sorvente de xisto 230 do gaseificador 200 pode ser introduzido na zona de superaquecedor 3 08 em um ou mais locais. Por exemplo, sorvente de xisto 230 do gaseificador 2 00 pode ser introduzido em uma zona de superaquecedor 3 08 do sistema de caldeira de carvão 300 para absorver e adsorver poluentes transferidos da zona de queimador 306 para a zona de superaquecedor 308. O sorvente de xisto 230 pode ser moido a um tamanho desejado e arrastado em ar de modo que possa ser injetado no sistema de caldeira de carvão 300. Um exemplo da introdução de sorvente de xisto 23 0 é ilustrado na Fig. 3, onde o sorvente de xisto 23 0 do gaseificador 200 é injetado na zona de superaquecedor 308 em uma entrada 230(a). Embora apenas uma entrada 230 (a) de sorvente de xisto 230 na zona de superaquecedor 308 seja ilustrada, entende-se que uma ou mais entradas possam ser utilizadas e que o posicionamento das entradas para alimentar sorvente de xisto 230 na zona de superaquecedor 308 possa ser customizado para maximizar ou customizar a remoção de poluentes dos gases e matéria particulada na zona de superaquecedor 3 08.
Poluentes passados da zona de superaquecedor 3 08 para a zona de reaquecimento 310 do sistema de caldeira de carvão 3 00 podem também ser pelo menos parcialmente removidos pela introdução de sorvente de xisto 230 na zona de reaquecimento 310. Sorvente de xisto 230 proveniente de um gaseificador 200 pode ser introduzido na zona de reaquecimento 310 através de uma ou mais entradas 230(b) 3 0 quase da mesma maneira que pode ser introduzido na zona de superaquecedor 308. Sorvente de xisto 230 pode também ser introduzido na zona de economizadora 112 ou zona de pré- aquecimento de ar 314 para ajudar a remover poluentes dos gases e particulados no sistema de caldeira de carvão 300.
Sorvente de xisto 230 na zona de pré-aquecimento de
ar 314 pode ajudar a capturar mercúrio ou poluentes ã base de mercúrio em matéria particulada passada para a zona de pré-aquecimento de ar 314. Sorvente de xisto 230 pode ser introduzido na zona de pré-aquecimento de ar 314 a partir de um gaseificador 200 ou outra fonte. Além disso, sorvente de xisto 23 0 introduzido em etapas prévias de processos do sistema de caldeira de carvão 300 pode ser passado para dentro da zona de pré-aquecimento de ar 314 onde o sorvente de xisto 230 pode reagir com os poluentes que contêm mercúrio na matéria particulada encontrada no mesmo. As reações do sorvente de xisto 23 0 com mercúrio podem incluir reações tais como aquelas mostradas por Reações 5 até 8 no mesmo.
Em outras modalidades da invenção, o sorvente de xisto 230 não precisa ser alimentado ao sistema de caldeira de carvão 3 00 diretamente do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica. Ao invés, sorvente de xisto 23 0 produzido em um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção pode ser armazenado para uso futuro e o sorvente de xisto 23 0 armazenado pode ser introduzido ao sistema de caldeira de carvão 3 00 em um momento desejado e de uma maneira desejada. Por exemplo, o sorvente de xisto 230 armazenado proveniente de uma instalação de armazenamento pode ser introduzido em uma ou mais entradas 230 (a) de sorvente de xisto em uma zona de superaquecedor 308 de um sistema de caldeira de carvão 300 e em uma ou mais entradas 230(b) de sorvente de xisto em uma zona de reaquecimento 310 de um sistema de caldeira de carvão 300.
A introdução de sorvente de xisto 23 0 em um sistema
de caldeira de carvão 300 pode reduzir poluentes presentes nos produtos do sistema de caldeira de carvão 3 00, tais como matéria particulada e gases. O sorvente de xisto 230 pode adsorver ou absorver alguns dos poluentes e pode
reagir com outros. Por exemplo, sorvente de xisto 230 que compreende cálcio e magnésio pode diminuir poluentes de acordo com Reações 4 7 e 48:
Ca/Mg O + SO2 + ^O2 ~> Ca/Mg - Sulfatos (47) ,
Ca/Mg 0 + 2 HclSO2 Ca/Mg Cl2 + H2O (48) .
O sorvente de xisto 23 0 pode ser introduzido em um
sistema de caldeira de carvão 300 ao arrastar o sorvente de xisto 23 0 com ar e injetar o sorvente de xisto 230 para dentro do sistema de caldeira de carvão 300 em um corrente de ar. O tamanho do sorvente de xisto 23 0 utilizado pode
2 0 ser dependente das reações desejadas e do controle de
poluente desejado para o tipo de carvão 328 sendo queimado no sistema de caldeira de carvão 300. Por exemplo, em muitos sistemas de caldeira de carvão 300, o sorvente de xisto 230 introduzido no sistema de caldeira de carvão 300
pode possuir um diâmetro entre aproximadamente 0,002mm e aproximadamente 0,015mm. Sorvente de xisto 230 que possui um tamanho desejado pode ser produzido no gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica ao introduzir xisto oleaginoso 210 que possui tamanhos que resultam na produção
3 0 dos tamanhos de sorvente de xisto 23 0 desejados no gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica. Em outras modalidades, sorvente de xisto 23 0 produzido pelo gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser moído a um tamanho desejado antes da introdução do sorvente de xisto 230 no sistema de caldeira de carvão 300. Por exemplo, conforme ilustrado na Fig. 3, um moedor/classificador 290 pode ser incorporado com modalidades da invenção para moer o sorvente de xisto 23 0 produzido pelo gaseificador 200 em partículas de tamanho desejado. Arrastamento de ar 291 pode ser também introduzido ao moedor/classificador 290 para arrastar o sorvente de xisto 230 para entregar ao sistema de caldeira de carvão 300. Em outras modalidades da invenção, gases de pirólise 220 podem ser utilizados para auxiliar os queimadores na zona de queimador 3 06 ou podem ser queimados para aquecer água e formar vapor que é alimentado às tubulações de vapor 340. Por exemplo, alguns ou todos os gases de pirólise 220 produzidos pelo gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica durante a gaseificação de xisto oleaginoso 210 podem ser alimentados diretamente ao sistema de caldeira "de carvão 300 como uma fonte de combustível para queimadores ou para processos de geração de vapor. Os gases de pirólise 220 do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica podem também ser 2 5 tratados ou processados de outra maneira para produzir uma composição de combustível desejada nos gases de pirólise 220 antes de tais gases serem utilizados como combustível para o sistema de caldeira de carvão 300.
De acordo com ainda outras modalidades da invenção, sorvente de xisto 230 e gases de pirólise 220 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica podem ser introduzidos em um forno de cimento ou outros processos de calcinação para ajudar a controlar poluentes formados em fornos de cimento e processos de produção de cimento. Por exemplo, muitos processos de forno de cimento não se encaixam nos novos requisitos de controle de poluição sendo promulgados pela Agencia de Proteção Ambiental. A incorporação de modalidades da invenção dentro de tais processos de forno de cimento pode efetivamente aperfeiçoar os processos de forno de cimento de modo que os gases de pirólise 220 e sorvente de xisto 230 possam ser utilizados para reduzir poluentes dos processos de forno de cimento.
Um gaseificador 2 00 ou outro processo de conversão térmica incorporado com um forno de cimento 4 00 de acordo com modalidades específicas da invenção é ilustrado em Fig. 4. O forno de cimento 400 pode incluir qualquer tipo de forno de cimento convencional ou forno projetado para produção de cimento ou escória de cimento. Como ilustrado 2 0 na Fig. 4, o forno de cimento 400 pode incluir uma zona de desidratação 410, uma zona de calcinação 420, e uma zona de clinquerização 430. Argila 402 para produzir escória de cimento pode ser introduzida na zona de desidratação 410 em uma entrada de sólidos 4 04 de acordo com métodos convencionais. Umidade na argila 402 é removida da argila 402 na zona de desidratação 410 do forno de cimento 400. A temperatura na zona de desidratação 410 pode ser controlada a fim de alcançar uma quantidade de desidratação desejada baseada no teor de umidade da argila 4 02 sendo alimentada ao forno de cimento 400. Por exemplo, a temperatura na zona de desidratação 410 pode ser ajustada entre aproximadamente 40 0°C e aproximadamente de 500°C.
Argila desidratada 4 02 é transportada da zona de desidratação 410 para a zona de calcinação 420 onde a temperatura também pode ser controlada. A temperatura na zona de calcinação 420 pode estar entre, por exemplo, aproximadamente 500°C e .aproximadamente 1.250°C. A argila 402 é calcinada na zona de calcinação 420 de acordo com técnicas de calcinação convencionais. Argila 4 02 calcinada pode avançar para a zona de
clinquerização 430 onde o aquecimento final da argila 402 calcinada forma escória 450 que pode ser utilizado com cimento. A temperatura na zona de clinquerização 430 pode ser controlada entre aproximadamente 1.250°C e aproximadamente 1.550°C. A escória 450 pode sair do forno de cimento 400 e pode ser utilizado de acordo com processos convencionais.
Calor pode ser propiciado ao forno de cimento 400 de acordo com processos convencionais, tais como pela utilização de queimadores de gás/óleo 440 localizados dentro ou em volta da zona de clinquerização 430 no forno de cimento 400. A combustão do gás ou óleo nos queimadores de gás/óleo 44 0 pode ser controlada de modo que as temperaturas desejadas sejam alcançadas na zona de clinquerização 430, na zona de calcinação 420, e na zona de desidratação 410.
Gases efluentes 460 gerados no forno de cimento 400 podem sair do forno de cimento e ser alimentados a um processo para limpeza dos gases efluentes 460 de poluentes 3 0 antes de serem liberados no meio-ambiente ou biosfera. Por exemplo, como ilustrado na Fig. 4, os gases efluentes 460 podem sair do forno de cimento 4 00 e ser alimentados a um reator 470 capaz de friccionar os gases efluentes 460 ou reduzir de outra forma a quantidade de poluentes, se houver, nos gases efluentes.
De acordo com modalidades da invenção, gases de pirólise 220 do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica podem ser queimados nos queimadores de gás/óleo 44 0 para propiciar calor para o forno de cimento 4 00. Como ilustrado na Fig. 4, uma porção dos gases de pirólise 220 do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser operada de modo que gases de pirólise 220 produzidos dentro do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica possam ser facilmente queimados no queimadores de gás/óleo 44 0 do forno de cimento 400. Desta maneira, fontes adicionais de aquecimento de gás para os queimadores de gás/óleo 44 0 podem ser propiciadas pela pirólise ou gaseificação de xisto oleaginoso 210 em um gaseificador 200 ou outro 2 0 processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção.
Em outras modalidades específicas da invenção, pelo menos uma porção do gás de pirólise 220 produzido pelo gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser alimentada a uma ou mais zonas do forno de cimento 4 00 para ajudar a reduzir poluentes nas varias zonas do forno de cimento 400. A introdução dos gases de pirólise 220 nas diversas zonas do forno de cimento 400 pode oxidar os gases de pirólise 220 e reduzir poluentes contidos nos gases e sólidos dentro do forno de cimento 400. Por exemplo, gases de pirólise 220 introduzidos em diversas zonas do forno de cimento 4 00 podem ser oxidados na presença de NOx no forno de cimento 400, deste modo reduzindo os poluentes que contêm nitrogênio a N2 ou outros compostos que contêm nitrogênio, dióxido de carbono ("CO2"), e água ("H2O") de acordo com Reações 3 e 4 previamente descritas. Reações de oxidação adicionais, tais como aquelas de Reações 4 5 e 46, podem também ocorrer como resultado da introdução de gás de pirólise 22 0 ou produtos de gás de pirólise 220 nas diversas zonas de um forno de cimento 400. Tais reações podem ser utilizadas para reduzir a quantidade de poluentes no forno de cimento 400.
De acordo com ainda outras modalidades da invenção, gases de pirólise 220 podem ser alimentados a um forno de cimento 4 00 de uma instalação de armazenamento ou outro processo de entrega. Por exemplo, gases de pirólise 220 produzidos por um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção podem ser armazenados por métodos convencionais antes de
2 0 serem utilizados com um forno de cimento 4 00 como
alimentação de gás ou combustível para um queimador de gás/óleo 44 0 ou como um gás de controle de poluente nas diversas zonas do forno de cimento 400. Gases de pirólise 220 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção podem também passar por processamento adicional antes de serem alimentados a um forno de cimento 4 00 de acordo com modalidades da invenção. Por exemplo, gases de pirólise 220 podem ser processados para formar gás de síntese ou
3 0 combustível sintético que pode ser usado como um combustível para os queimadores de gás/óleo 44 0 de um forno de cimento 400.
A queima de gás de pirólise 220 em um forno de cimento 4 00 pode também reduzir a queima de resto de pneus em um forno de cimento 400 que é feito convencionalmente para aumentar o calor dentro de um forno de cimento 400 e reduzir poluentes de NOx. 0 calor que pode ser propiciado por gás de pirólise 220 pode substituir o calor gerado pela queima de resto de pneus enquanto ainda reduz poluentes de NOx. Além disso, a remoção da queima de restos de pneus no forno de cimento 4 00 pode reduzir as quantidades de poluentes que contêm enxofre e poluentes que contêm mercúrio no forno de cimento 4 00 que são produzidos pela combustão de resto de pneus. Em outras modalidades específicas da invenção,
poluentes formados ou liberados em um forno de cimento 4 00 podem ser reduzidos pela introdução de sorvente de xisto 230 no forno de cimento 400. Sorvente de xisto 230 pode ser introduzido em um forno de cimento 4 00 com a introdução de argila 402 ou em outros locais do forno de cimento 400. Como ilustrado na Fig. 4, sorvente de xisto 23 0 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser combinado com argila 4 02 e introduzido em um forno de cimento 4 00 ou introduzido com a argila 4 02 no forno de cimento 400. Antes da introdução do sorvente de xisto 230 no forno de cimento 4 00, o sorvente de xisto 23 0 pode ser moído ou processado de outra forma para alcançar um tamanho desejado para o sorvente de xisto 230 que entra o forno de cimento 400. Sorvente de xisto 230 introduzido em um forno 3 0 de cimento 4 00 pode agir como um agente redutor para poluentes NOx encontrados no forno de cimento 4 00 e especificamente na extremidade superior do forno de cimento 400 em volta da zona de desidratação 410 e zona de calcinação 420.
De acordo com outras modalidades, o sorvente de xisto
23 0 introduzido em um processo de clinquerização de forno de cimento 4 00 pode arrastar poluentes produzidos no processo. Por exemplo, poluentes que contêm mercúrio formados durante o processo de clinquerização podem ser adsorvidos ou absorvidos pelo sorvente de xisto 23 0 adicionado ao processo de clinquerização. Mercúrio ou cloreto de mercúrio formado no forno de cimento 400 e arrastado na retorta de cimento sendo formada na escória 450 de cimento pode entrar em contato com o sorvente de xisto 23 0 adicionado ao processo de clinquerização. 0 contato entre o sorvente de xisto 230 e os compostos que contêm mercúrio pode resultar na captura do mercúrio no sorvente de xisto 230 em uma maneira similar a Reações 7- 10. Nestes casos onde remoção de poluente de cloreto de mercúrio ou mercúrio é desejada, o sorvente de xisto 230 pode ser formado em um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de modo que a quantidade de carvão ou carbono ativado no sorvente de xisto 230 seja maximizada para a redução ou captura de compostos que contêm mercúrio. A introdução de sorvente de xisto 230 em um forno de
cimento 400 durante o processo de clinquerização pode também reduzir a quantidade de outros poluentes encontrados na retorta de cimento ou escória de cimento 450 do forno do cimento 4 00 de acordo com modalidades da invenção. Os sorventes de xisto 230 produzidos por um gaseificador 200 podem ser ajustados de modo que a quantidade de carvão ou carbono ativado no sorvente de xisto 230 esteja a um nível desejado para o processo de clinquerização específico para o qual o sorvente de xisto 230 está sendo adicionado. Além disso, o tamanho das partículas de sorvente de xisto 230 adicionadas a um forno de cimento 400 pode ser ajustado para a reação desejada no forno de cimento 400. Por exemplo, o sorvente de xisto 230 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica ou proveniente de uma instalação de armazenamento pode ser moído ou processado de outra maneira para produzir sorvente de xisto 23 0 que possua um tamanho de partícula desejado para um processo de clinquerização específico.
A introdução de sorvente de xisto 23 0 em um forno de cimento 4 00 pode também propiciar uma fonte adicional de material para formar escória de cimento 450. O uso de xisto oleaginoso como um componente de produção de escória de cimento 450 tem sido utilizado convenientemente. Como com o clinquerização de xisto oleaginoso, o clinquerização de
2 0 sorvente de xisto 23 0 pode propiciar uma escória de cimento
450 que é desejável. 0 tamanho do sorvente de xisto 23 0 utilizado para produzir escória de cimento 450 pode ser controlado, tal como ao alimentar o sorvente de xisto 23 0 formado em um gaseificador 200 a um moedor/classificador 290 antes da introdução do sorvente de xisto 230 em um forno de cimento 400 conforme ilustrado na Fig. 4
Em ainda outras modalidades específicas da invenção, o sorvente de xisto 230 produzido em um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser utilizado para
3 0 friccionar ou remover de outro modo poluentes provenientes de gases efluentes 460 de um forno de cimento 400. Por exemplo, como ilustrado na Fig. 4, sorvente de xisto 23 0 produzido por gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser alimentado a um reator 4 70 onde gases efluentes 460 de um forno de cimento 400 podem ser limpos de poluentes. O reator 470 pode incluir um reator de transporte de sorvente de base fixa em que sorvente de xisto 23 0 é utilizado para remover poluentes tais como poluentes que contêm mercúrio, poluentes que contêm enxofre, poluentes que contêm nitrogênio, e ácido clorídrico.
Conforme ilustrado na Fig. 4, gases efluentes 460 provenientes de um forno de cimento 4 00 podem ser alimentados ao reator 470 junto com sorvente de xisto 230 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica ou outra fonte. Poluentes nos gases efluentes 460 podem reagir com o sorvente de xisto 23 0 de acordo com Reações descritas aqui. Por exemplo, poluentes que contêm enxofre podem reagir com sorvente de xisto 23 0 de acordo 2 0 com Reações 9-15; poluentes que contêm mercúrio podem reagir com sorvente de xisto 230 de acordo com Reações 7- 10,- e ácido clorídrico ("HC1") pode reagir com sorvente de xisto 230 de acordo com Reações 22-23.
Sorvente de xisto 230 gasto que pode ter adsorvido ou 2 5 absorvido seus limites de poluentes podem ser removidos do reator 470 e armazenados ou descartados de outras maneiras de acordo com métodos convencionais.
Embora as modalidades da invenção tenham sido descritas com respeito ao uso de um sorvente de xisto 23 0 e gás de pirólise 220 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica como ilustrado na Fig. 4, também é entendido que o sorvente de xisto 23 0 ou gás de pirólise utilizado com o forno de cimento 400 pode ser obtido a partir de outras formas. Por exemplo, gás de pirólise 220 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser armazenado ou processado de outra maneira externa e entregue a um forno de cimento 4 00 tal como por oleoduto quanto caminhão-tanque. Similarmente, sorvente de xisto 230 produzido por gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica pode ser armazenado e mais tarde transportado para um forno de cimento 400 para utilização com um processo de clinquerização ou como um controle de poluente para friccionar gases efluentes 460.
Sorvente de xisto 230 adicionado a um forno de cimento 4 00 pode também contribuir energia para produzir calor (ou entalpia) para o sistema de forno de cimento 400. Por exemplo, a adição de sorvente de xisto 23 0 a um forno de cimento 4 00 pode contribuir com alguma entalpia para o forno de cimento 400 em uma maneira semelhante à adição de 2 0 xisto oleaginoso para aumentar entalpia de um sistema de acordo com Reações 24-31.
De acordo ainda com outras modalidades da invenção, os produtos de sorvente de xisto 230 e gás de pirólise 220 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica podem ser usados na produção de síntese de gás, ou gás de síntese, e síntese de combustíveis, ou combustível sintético. Conforme ilustrado na Fig. 5, um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção pode ser combinado com um processo de produção de gás de síntese ou combustível sintético 500. Em um processo de produção de gás de síntese, uma matéria prima 560 tal como carvão, refugos municipais, restos de pneus, biomassa, ou outra matéria prima de síntese de gás, pode ser alimentada ao gaseificador 550 onde a matéria prima 560 é queimada para formar monóxido de carbono ("CO") e hidrogênio ("H2"), ou um gás de síntese 565. 0 monóxido de carbono e hidrogênio podem então ser usados em um processo de produção de gás de síntese ou de combustível sintético. Vapor 512 e oxidante de ar 514 podem ser alimentados ao gaseificador 550 de gás de síntese para promover a combustão da matéria prima 560 no gaseificador 550 de gás de síntese. Produtos de refugos 568 provenientes do gaseificador 550 de gás de síntese 565 podem incluir poluentes tais como poluentes que contêm mercúrio e outros poluentes de metal.
De acordo com modalidades específicas da invenção, os gases de pirólise 220 do gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica podem ser combinados com o gás de síntese 565 em um reator 570, tal como um reator de base fixa ou fluidifiçada. A combinação dos gases de pirólise 22 0 com o gás de síntese 565 pode formar um produto de gás 572 que pode ser usado no processamento adicional de gás de síntese e combustível sintético. Por exemplo, o produto de gás 5 72 pode incluir componentes tais como monóxido de
2 5 carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, hidrocarbonetos
leves, e hidrocarbonetos pesados. O produto de gás 572 pode ser processado de acordo com métodos convencionais para formar gás de síntese 565 e combustíveis sintéticos.
Sorvente de xisto 230 do gaseificador 200 ou outro
3 0 processo de conversão térmica pode ser também alimentado ao es/61 reator 570. 0 sorvente de xisto 230 no reator 570 pode ser utilizado para absorver ou adsorver poluentes do gás de pirólise 220 e gás de síntese 565 que é combinado no reator 570 .
Sorvente de xisto 230 do gaseificador 200 ou outro
processo de conversão térmica pode ser também alimentado a um reator de transporte 580, tal como um reator de base fixa ou fluidifiçada. Produtos de refugos 568 do gaseificador 550 de gás de síntese podem também ser alimentados ao reator de transporte 580. A combinação de produtos de refugos 568 com o sorvente de xisto 230 no reator de transporte 580 pode permitir ao sorvente de xisto 23 0 absorver ou adsorver poluentes de produtos de refugos 568. Por exemplo, o sorvente de xisto 230 alimentado ao reator de transporte 580 pode adsorver ou absorver poluentes tais como poluentes que contêm enxofre, compostos de halogênio, poluentes que contêm mercúrio, ou outros poluentes de produtos de refugos 568. O sorvente de xisto 231 gasto pode ser recuperado para material de construção 2 0 ou pode ser descartado em depósitos de lixo de acordo com processos convencionais. Em alguns casos, a natureza pozolânica do xisto gasto 231 auxiliará a imobilizar os poluentes e contaminadores absorvidos ou adsorvidos pelo sorvente de xisto 23 0 quando armazenado em um depósito de lixo.
Embora o reator de transporte 580 ilustrado na Fig. 5 seja um reator único, uma série de reatores de transporte pode ser utilizada. Em alguns casos, as temperaturas de uma série de reatores de transporte podem ser controladas de modo que diferentes poluentes sejam adsorvidos ou absorvidos pelo sorvente de xisto 23 0 alimentado para cada um dos reatores de transporte.
De acordo com ainda outra modalidade da invenção, sorvente de xisto 230 e gases de pirólise 220 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica podem ser usados em processos metalúrgicos. Por exemplo, em um processo metalúrgico tal como um processo de fundição ou refinamento de minério, grandes quantidade de energia são usadas para propiciar calor ao processo. O processo também cria poluentes que devem ser capturados ou reduzidos de outra forma dos produtos de refugos antes de serem descartados. A combinação de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica de acordo com modalidades da invenção com um processo metalúrgico pode propiciar um gás de aquecimento, um gás de redução de poluente, e um sorvente para adsorção e absorção de poluentes dos produtos de refugos produzidos pelo processo.
Em um processo metalúrgico, gases de pirólise 220 de um gaseificador 200 ou outro processo de conversão térmica
2 0 podem ser usados como gases de aquecimento ou combustível
para ajudar a propiciar o calor que é necessário para o processo metalúrgico. Os gases de pirólise 220 podem ser também queimados ou submetidos à oxidação para reduzir poluentes tais como poluentes de NOx no processo. 0 sorvente de xisto 230 criado pelo gaseificador 200 pode ser combinado com o processo ou com os produtos de refugos do processo para remover poluentes dos produtos de refugos. Por exemplo, o sorvente de xisto 230 pode ser usado para remover poluentes que contêm enxofre, poluentes que contêm
3 0 mercúrio, compostos de halogênio, poluentes de metal, ou outros poluentes de produtos de refugos.
Modalidades da invenção, por conseguinte, |>odem ser usadas ou combinadas com muitos processos diferentes para propiciar gases de aquecimento adicionais, gases de redução de poluentes, ou sorventes de poluição para os processos. Embora as modalidades da invenção tenham sido descritas com respeito a processos específicos, entende-se que as modalidades da invenção, e os gases de pirólise 220 e sorvente de xisto 230 da invenção, possam ser combinados com outros processos e especificamente outros processos onde provisões de aquecimento adicionais são desejadas ou onde mecanismos de controle de poluentes adicionais são desejados.
Embora a invenção possa ser suscetível a diversas modificações e formas alternativas, modalidades específicas foram mostradas por meio de exemplo nos desenhos e foram descritas em detalhes aqui. No entanto, deveria ser entendido que a invenção não é se destina a ser limitada às formas específicas descritas. Ao invés, a invenção pretende cobrir todas as modificações, equivalentes e alternativas que se enquadrem dentro do espírito e âmbito da invenção conforme definido pelas reivindicações em anexo que se seguem.
Claims (27)
1. Método para diminuir os poluentes produzidos em um processo de conversão térmica, caracterizado por compreender: produzir pelo menos um poluente em um processo de conversão térmica; introduzir diversas partículas sorventes de xisto no processo de conversão térmica; e contatar o pelo menos um poluente com pelo menos uma das diversas partículas sorventes de xisto.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que produzir pelo menos um poluente compreende produzir pelo menos um poluente selecionado a partir do grupo que consiste em poluentes que contêm nitrogênio, ácido sulfúrico, trióxido de enxofre, sulfeto de carbonila, dissulfeto de carbono, cloro, ácido hidroiódico, iodo, ácido hidrofluórico, flúor, ácido hidrobrômíco, ácido bromoso, ácido fosfórico, pentaóxido de fósforo, fosfina, compostos de fosfônio, mercúrio elementar e cloreto de mercúrio.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do processo de conversão térmica compreender um processo de conversão térmica selecionado a partir do grupo que consiste em um processo em caldeira de carvão, um processo de combustão de carvão pulverizado, um processo em forno de cimento, um processo de refinação de minério, um processo de refinação de metais, um processo de calcinação e um processo de pirólise de metal.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do processo de conversão térmica compreender um processo de conversão térmica que produz calor a partir e um dispositivo selecionado a partir do grupo que consiste em um forno, uma câmara de combustão, uma câmara de combustão de carvão pulverizado, uma câmara 5 de combustão de base fluidifiçada, uma câmara de combustão de base de circulação, uma câmara de combustão de reator em estágios, uma câmara de combustão de fluxo arrastado, uma caldeira, um reator, uma retorta, um pirolizador, um gaseificador, um dispositivo de calcinação, um processo de refinação de minério, um processo de refinação de metais, um duto de descarga de gás, um reator de transporte de purificação de descarga de gás e um forno de cimento.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das diversas partículas sorventes de xisto compreenderem pelo menos uma partícula sorvente de xisto produzida pela combustão de xisto oleaginoso.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que introduzir diversas partículas sorventes de xisto no processo de conversão térmica compreende ainda introduzir pelo menos uma porção das diversas partículas sorventes de xisto no processo de conversão térmica com um material selecionado a partir do grupo que consiste em um material produtor de escórias de cimento, carvão, carvão pulverizado, um combustível, um produto de combustão, um material combustível e um gás.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que introduzir diversas partículas sorventes de xisto no processo de conversão térmica compreende introduzir diversas partículas sorventes de xisto em uma corrente de produto do processo de conversão térmica
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que contatar o pelo menos um poluente com pelo menos uma das diversas partículas sorventes de xisto compreende ainda a adsorção do pelo menos um poluente pela pelo menos uma das diversas partículas sorventes de xisto.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que contatar o pelo menos um poluente com pelo menos uma das diversas partículas sorventes de xisto compreende ainda a adsorção do pelo menos um poluente pela pelo menos uma das diversas partículas sorventes de xisto.
10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda: introduzir um gás de pirólise no processo de conversão térmica e contatar o pelo menos um poluente com o gás de pirólise.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que introduzir um gás de pirólise no processo de conversão térmica compreende introduzir um gás de pirólise pela combustão de xisto oleaginoso no processo de conversão térmica.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda: introduzir xisto oleaginoso no processo de conversão térmica e converter termicamente o xisto oleaginoso no processo de conversão térmica para produzir um gás de pirólise e partículas sorventes de xisto.
13. Método de produção de uma substância de controle de poluentes, caracterizado por compreender: expor xisto oleaginoso a uma fonte térmica e produzir um sorvente de xisto a partir do xisto oleaginoso exposto à fonte térmica.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que expor xisto oleaginoso a uma fonte térmica compreende expor o xisto oleaginoso a pelo menos um processo selecionado a partir do grupo que consiste em aquecer o xisto oleaginoso, pirolizar o xisto oleaginoso, desvolatilizar o xisto oleaginoso, calcinar o xisto oleaginoso, reformar o xisto oleaginoso, gaseificar o xisto oleaginoso, destilar o xisto oleaginoso, coqueificar o xisto oleaginoso e queimar o xisto oleaginoso.
15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que expor xisto oleaginoso a uma fonte térmica compreende expor o xisto oleaginoso a uma fonte térmica em um aparelho selecionado a partir do grupo que consiste em uma câmara de combustão em forno de cimento, um reator de calcinação, uma câmara de combustão de carvão, uma câmara de combustão de carvão pulverizado, uma câmara de combustão de gás, um forno, uma caldeira, uma câmara de combustão de base fluidifiçada, uma câmara de combustão de base de circulação, uma câmara de combustão de reator em estágios, uma câmara de combustão de fluxo arrastado, um duto de descarga de gás e um reator de transporte de purificação de descarga de gás.
16. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender ainda desviar pelo menos uma porção do sorvente de xisto para pelo menos um processo selecionado a partir do grupo que consiste em um processo de armazenamento, um processo de combustão de gás/óleo, um processo de combustão em forno de cimento, um processo de calcinação, um processo de refinação de minério, um processo de refinação de metais, um processo de combustão de carvão, um processo de Fischer-Tropsch e um processo de refinamento de combustível.
17. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender ainda contatar pelo menos uma porção do sorvente de xisto com um poluente.
18. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender ainda produzir um gás de pirólise a partir do xisto oleaginoso exposto à fonte térmica.
19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por compreender ainda desviar pelo menos uma porção do gás de pirólise para pelo menos um processo selecionado a partir do grupo que consiste em um processo de armazenamento, um processo de combustão de gás/óleo, um processo de combustão em forno de cimento, um processo de combustão de carvão, um processo de calcinação, um processo de refinação de minério, um processo de refinação de metais, um processo de Fischer-Tropsch e um processo de refinamento de combustível.
20. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por compreender ainda contatar pelo menos uma porção do gás de pirólise com um poluente.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que contatar pelo menos uma porção do gás de pirólise com um poluente compreende contatar pelo menos uma porção do gás de pirólise com um poluente a uma temperatura entre aproximadamente 45O0C e aproximadamente 1.150°C.
22. Aparelho de combustão, caracterizado por compreender: uma zona de conversão térmica configurada para queimar um material combustível e produzir pelo menos um poluente selecionado a partir do grupo que consiste em poluentes que contêm nitrogênio, ácido sulfúrico, trióxido de enxofre, sulfeto de carbonila, dissulfeto de carbono, cloro, ácido hidroiódico, iodo, ácido hidrofluórico, flúor, ácido hidrobrômico, ácido bromoso, ácido fosfórico, pentaóxido de fósforo, fosfina, compostos de fosfônio, mercúrio elementar e cloreto de mercúrio; pelo menos uma zona de alimentação de material de controle de poluição configurada para aceitar um material de controle de poluentes e uma zona de contato de poluentes configurada para facilitar o contato entre um material de controle de poluentes introduzido na pelo menos uma zona de alimentação de material de controle de poluição produzida na zona de conversão térmica.
23. Aparelho de combustão, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato da pelo menos uma zona de alimentação de material de controle de poluição ser configurada para introduzir o material de controle de poluição na zona de conversão térmica.
24. Aparelho de combustão, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato do material de controle de poluentes compreender um material de controle de poluentes selecionado a partir do grupo que consiste em um sorvente de xisto produzido pela combustão de xisto oleaginoso, e um gás de pirólise produzido pela combustão de xisto oleaginoso.
25. Aparelho de combustão, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato do material de controle de poluentes compreender um material de controle de poluentes produzido pela combustão de xisto oleaginoso em um aparelho selecionado a partir do grupo que consiste em uma câmara de combustão em forno de cimento, um reator de calcinação, uma câmara de combustão de carvão, uma câmara de combustão de carvão pulverizado, uma câmara de combustão de gás, um forno, uma caldeira, uma câmara de combustão de base fluidifiçada, uma câmara de combustão de base de circulação, uma câmara de combustão de reator em estágios, uma câmara de combustão de fluxo arrastado, um duto de descarga de gás e um reator de transporte de purificação de descarga de gás.
26. Aparelho de combustão, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato da zona de conversão térmica ser operada a uma temperatura entre aproximadamente 45O0C e aproximadamente 1.150°C.
27. Aparelho de combustão, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato do aparelho de combustão compreender pelo menos um componente selecionado a partir do grupo que consiste em uma câmara de combustão em forno de cimento, um reator de calcinação, uma câmara de combustão de carvão, uma câmara de combustão de carvão pulverizado, uma câmara de combustão de gás, um forno, uma caldeira, um gaseificador, uma câmara de combustão de base fluidifiçada, uma câmara de combustão de base de circulação, uma câmara de combustão de reator em estágios, uma câmara de combustão de fluxo arrastado, um reator de base fixa, um reator de base fluidifiçada, um reator de base de transporte, um reator reformador de vapor, um reator de base rotativa, um duto de descarga de gás e um reator de transporte de purificação de descarga de gás.
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