BRPI0721461A2 - Método para a conversão de biomassa em sólidos de densidade-energia mais elevada, e, uso dos sólidos de densidade-energia mais elevada. - Google Patents

Description

“MÉTODO PARA A CONVERSÃO DE BIOMASSA EM SÓLIDOS DE DENSIDADE-ENERGIA MAIS ELEVADA, E, USO DOS SÓLIDOS DE DENSIDADE-ENERGIA MAIS ELEVADA”

CAMPO TÉCNICO DE APLICAÇÃO

A presente invenção refere-se a um método para a conversão da biomassa em sólidos de energia-densidade mais elevada, em particular, carvão, húmus ou turfa, em que as substâncias orgânicas da biomassa são colocadas em suspensão em água para formar uma suspensão e em que pelo menos uma parte da suspensão a ser convertida é aquecida para uma temperatura de reação e é convertida em sólidos de energia-densidade mais elevada pela carbonização hidrotérmica em alta pressão. As substâncias orgânicas podem ser partes de vegetais, outra biomassa ou resíduos orgânicos. TÉCNICA ANTERIOR

A conversão da biomassa em produtos tendo um teor de energia específico da massa mais elevado comparado com a biomassa usada tal como, por exemplo, óleo, gás ou carvão, está se tomando cada vez mais importante.

Conhecidos, inter alia, são os métodos para se obter gás e/ou óleo e carbono em temperaturas elevadas, por exemplo, por pirólise, gaseificação ou sulfurização. Nesta conexão os catalisadores são freqüentemente usados para acelerar a reação e positivamente influenciar a composição do produto.

Recentemente, os métodos de química úmida tais como carbonização hidrotérmica, também foram debatidos com relação a obtenção de produtos tendo um teor de energia específica da massa mais elevado comparado com a biomassa usada. Neste caso, partes de vegetais ou outras substâncias orgânicas são fragmentadas, colocadas em suspensão em água e geralmente reagidas com pelo menos uma substância promotora da conversão, por exemplo, com ácido e/ou um catalisador orgânico e/ou inorgânico adicional. A suspensão é despejada em um reator e o reator é fechado. A suspensão é depois aquecida para a temperatura entre 170 0 e 250 °. Assim que o reator é fechado, como um resultado da pressão parcial de vapor de água, a pressão aumenta com o aumento da temperatura. Dependendo da 5 temperatura, a pressão aumenta para valores de IOx IO5 a 20 x IO5 (10 a 20 bar) ou mais elevada. No curso da reação de carbonização hidrotérmica, o hidrogênio e o oxigênio são separados na forma de água dos carboidratos contidos na biomassa, por meio do qual a energia é liberada. Quanto mais tempo a reação dura, mais água é separada e a densidade de energia dos 10 produtos aumenta ainda mais. Os sólidos tais como, inter alia, turfa, húmus, lignita, antracita de qualidade baixa ou outras substâncias tendo um teor de energia específica da massa significativamente mais levado comparado com a biomassa usada, são produzidos

A reação prossegue mais rápida ou mais lenta dependendo da 15 concentração e estrutura dos conteúdos, principalmente os carboidratos (por exemplo, açúcar, amido, celulose, hemicelulose ou outros), em várias matérias primas, vários vegetais e partes de vegetais, resíduos da produção de alimentos, lodo de esgoto ou outros materiais biogênicos e resíduos. Dependendo das propriedades e da concentração das matérias primas 20 biogênicas usadas, mais ou menos calor é liberado per unidade de tempo, a temperatura e a pressão no reator aumentam mais rapidamente ou mais lentamente e diferentes valores absolutos são obtidos para a pressão e temperatura. No decurso da reação quando cada vez menos material biogênico está disponível para a reação, a reação é retardada 25 consideravelmente. A temperatura cai novamente até que a reação esteja terminada após um certo tempo porque a temperatura é baixa. Isto possivelmente leva à conversão incompleta do material usado, para o qual um tempo de reação de várias horas até vários dias ou mais longo pode ser necessário. No entanto, o pós-aquecimento externo do reator para alongar os tempos de reação, requer uma entrada de energia adicional que pode tomar a carbonização antieconômica.

O acoplamento da temperatura e pressão nesta reação e as taxas de reação diferentes de matérias primas diferentes usadas têm o 5 resultado de que os perfis de temperatura e pressão durante a reação são muito diferentes dependendo da composição e concentração da biomassa na corrente de entrada da carbonização hidrotérmica. Os produtos obtidos podem assim diferir muito substancialmente em sua composição. Isto pode ter o resultado de que os produtos não possuem nenhuma qualidade constante e não 10 fornecem rendimentos elevados, o que pode tomar a carbonização hidrotérmica antieconômica.

O objetivo da presente invenção é fornecer um método para a conversão de biomassa em sólidos de energia-densidade mais elevada pela carbonização hidrotérmica, por meio do qual uma qualidade de produto mais uniforme seja alcançada e a eficiência econômica do processo seja aumentada.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

O objetivo é alcançado por um método de acordo com a reivindicação I. As formas de realização vantajosas do método são a matéria objeto das reivindicações dependentes ou podem ser deduzidas da descrição que segue ou da forma de realização exemplar.

No método para a conversão da biomassa em sólidos de energia-densidade mais elevada, em particular carbono, húmus ou trufa, as substâncias orgânicas da biomassa são colocadas em suspensão em água para 25 formar uma suspensão. Em uma forma de realização preferida uma substância promotora da suspensão está presente na água ou é adicionada na água ou na suspensão. A substância promotora da conversão pode, por exemplo, ser um ácido e/ou uma substância orgânica ou inorgânica que acelera a reação. A biomassa pode compreender, por exemplo, resíduos orgânicos, partes de vegetais, madeira, algas ou outros produtos orgânicos contendo carbono. Pelo menos uma parte da suspensão a ser convertida é aquecida para uma temperatura de reação e é convertida em sólidos de energia-densidade mais elevada por meio da carbonização hidrotérmica em pressão elevada. O 5 método é caracterizado pelo fato de que a conversão é realizada em um volume de reação que está localizado debaixo da superfície da Terra.

O volume de reação para tamponar o calor liberado da reação em uma área circundante que corresponde a pelo menos quatro vezes o diâmetro médio do volume de reação, é preferivelmente circundado por uma 10 massa de material líquido e/ou sólido compacto que é maior do que oito vezes a massa contida no volume de reação. A boa homogeneização das propriedades do produto já é observada acima desta massa.

No método proposto a reação, portanto, ocorre debaixo da superfície da Terra. A superfície da Terra é compreendida neste contexto 15 como a camada limite entre a crosta da Terra sólida ou os oceanos por um lado e a atmosfera por outro lado. Mediante a realização do processo debaixo da superfície da Terra com uma quantidade suficiente de material líquido e/ou sólido compacto ao redor do volume de reação, mesmo com a concentração e composição de biomassa flutuantes, é possível produzir ricos em energia e 20 carbono que possuem uma composição significativamente mais uniforme do que os produtos produzidos da maneira conhecida em um reator acima da superfície da Terra.

Mediante a movimentação da câmara de reação abaixo da superfície da Terra com o material circundante tal como, por exemplo, rocha, 25 areia, água ou solo, este material pode absorver uma grande parte da energia liberada na forma de calor no estágio inicial da reação. Como um resultado da mudança de calor que ocorre com a massa circundante, a temperatura no volume de reação ou mistura de reação aumenta mais lentamente e não tanto quanto em um reator acima da superfície da terra, e a pressão da mesma maneira não flutua tão fortemente. Em conseqüência, no início, a reação não prossegue tão rapidamente e é mais uniforme. Entretanto, como a concentração dos teores de biomassa convertíveis diminui com o tempo, a temperatura não reação não cai tão rapidamente como no processo conhecido 5 até agora. De preferência, o material circundante então lentamente libera o calor armazenado de volta ao volume de reação. O volume de reação desta maneira permanece quente por muito mais tempo e a reação pode continuar sem aquecimento adicional da suspensão durante muitas horas ou ainda dias até que as matérias primas diferentes tenham sido convertidas em produtos 10 comparáveis tendo uma densidade de energia mais elevada. O volume de reação está preferivelmente em contato direto com o material compacto circundante, pelo menos em alguns lugares.

Uma outra vantagem do método proposto é que pelo retomo de calor do material circundante no volume de reação mesmo após a remoção 15 dos produtos, nova biomassa pode ser fornecida novamente e levada à reação sem aquecimento externo ou pelo menos sem aquecimento adicional forte. Em muitos casos, isto permite várias bateladas serem carbonizadas de modo bem sucedido sem qualquer fornecimento extemo de calor. Em princípio, o método, portanto, permite tanto um fornecimento contínuo de biomassa 20 quanto também a operação por batelada. Como um resultado, a produção no método de acordo com a invenção pode ser variada muito substancialmente como um resultado do tamponamento térmico do solo ou resíduo circundante sem qualquer perda de uniformidade na qualidade do produto.

Ao mesmo tempo, o método deve ser realizado em uma região 25 debaixo da superfície da Terra, em que uma massa suficiente de material circundante é disponível para o tamponamento térmico. O material deve preferivelmente ter uma tal estrutura compacta que na área circundante de quatro vezes o diâmetro método do volume de reação, deve ter uma massa total que corresponde a oito vezes a massa contida no volume de reação. Em relação a um volume de reação cilíndrica de diâmetro D e altura H, isto significa que um volume cilíndrico tendo a mesma altura e quatro vezes o diâmetro menos o volume de reação cilíndrica deve conter pelo menos oito vezes a massa contida pelo volume de reação enchida com a suspensão de modo a alcançar particularmente bom tamponamento para o método proposto.

Como um resultado da pressão que prevalece debaixo da superfície da Terra, o material circundante tal como, por exemplo, solo, barro, areia e água, é capaz de pelo menos parcialmente compensar e absorver a pressão proveniente da reação. Um reator usado para a carbonização hidrotérmica debaixo da superfície da Terra pode, portanto, ser designado como paredes consideravelmente mais finas comparadas com aquele para uso acima da superfície da Terra. Isto adicionalmente economiza os custos. Em um projeto de reator particularmente simples, este reator pode, por exemplo, consistir de aço que é embutido no concreto ou concreto reforçado em uma cavidade sob a superfície da Terra. A transferência térmica muito boa para o material circundante ocorre através do revestimento de concreto. A parede deste reator pode ser de parede muito fina.

Além disso, a parede da cavidade pode ser usada como a parede do reator. Se necessário, esta parede pode ser adicionalmente alinhada com os materiais à prova d’água. Um tal alinhamento também pode ser alcançado por aditivos sintéticos na água. O fecho automático pelos produtos de reação do processo tal como, por exemplo, partículas de carvão, pode possivelmente ocorrer em relação à rocha circundante.

A composição do produto pode adicionalmente ser homogeneizada se a pressão for aumentada acima da pressão correspondente à temperatura de reação. Como um resultado da aplicação adicional de pressão no volume de reação, a pressão certamente aumenta durante a reação inteira e depois cai novamente, mas a porcentagem em relação às flutuações

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de pressão é menor. E particularmente vantajoso se a pressão no volume de reação for mantida constante ou pelo menos largamente constante por meio de medições técnicas. Por meio destas medições, a temperatura e a pressão são dissociadas uma da outra. O operador da carbonização hidrotérmica está, portanto, em uma posição para selecionar a pressão de acordo com a 5 composição da entrada de modo que a homogeneização da qualidade do produto seja melhorada. A aplicação de uma pressão adicional não pode isoladamente homogeneizar a composição do produto final. Sem dúvida, dependendo do material de entrada, o rendimento dos produtos sólidos tendo alta densidade de energia pode ser aumentado pela pressão elevada de modo 10 que o processo possa ser operado ainda mais economicamente. Com o acúmulo de pressão adicional, o operador tem um instrumento valioso à sua disposição que pode especificamente variar e, desse modo, otimizar a qualidade do produto ou o rendimento dependendo da necessidade e composição.

Além de vários outros métodos mecânicos, por exemplo, o

acúmulo de pressão pode ser obtido movendo o volume de reação suficientemente profundo dentro do solo. O local do volume de reação é selecionado para ser suficientemente profundo para que uma coluna de água localizada acima do volume de reação que é requerida para fornecer e 20 remover a suspensão, produza uma pressão hidrostática no volume de reação que é mais elevada do que a pressão de equilíbrio que deve ser estabelecida na temperatura de reação em um reator hermético enchido com a suspensão. Durante o acúmulo de uma tal pressão hidrostática é adicionalmente muito simples manter uma pressão constante. Neste caso, é simplesmente necessário 25 garantir que o líquido possa entrar ou sair na superfície da coluna de água. Isso pode ser possível, por exemplo, mediante as aberturas ou mediante o uso de bombas não fechadas tas como, por exemplo, bombas rotativas. Durante uma elevação de temperatura no volume de reação, o líquido pode então sair na superfície e a pressão no volume de reação permanece largamente constante. A coluna de água é, desse modo, usada como um tamponante de pressão. As condições de reação são assim homogeneizadas e o rendimento do material sólido pode ser adicionalmente aumentado.

Vantagens particulares são obtidas se o volume de reação for 5 configurado para ter uma maior largura do que altura. Durante a geração de pressão hidrostática uma pressão aproximadamente igual é dessa maneira gerada em todos os pontos no volume de reação, desse modo adicionalmente promovendo a homogeneização das condições de reação. O volume de reação pode ser formado pela inserção de eixos horizontais, por exemplo, eixos de 10 carvão.

Em uma forma de realização particularmente vantajosa para a geração da pressão hidrostática, uma diferença de altura de pelo menos 100 m é selecionada entre o nível de enchimento superior e o volume de reação. Uma pressão mais elevada do que 10 x IO5 Pa (10 bar) é assim formada no 15 volume de reação como um resultado da coluna de água localizada mais acima. As grandes diferenças de altura de 200 m ou mais permitem pressões mais elevadas serem estabelecidas, as quais podem ser muito vantajosas dependendo da necessidade.

Em uma forma de realização muito vantajosa, o reator é 20 designado de modo que uma abertura de entrada e saída é localizada na mesma altura ou pelo menos em uma altura similar comparada com a altura total do reator de modo que a diferença de pressão hidrostática entre as aberturas não exceda a 10 % da pressão. As bombas usadas então não necessitam superar quaisquer diferenças de pressão elevada e podem assim 25 ser concebidas de maneira muito simples e com baixo custo.

Além de utilizar um reator rígido, também é possível configurar a parede externa do reator como flexível de modo que esta se acomode contra a parede interna da cavidade ou pelo menos sirva como uma barreira para a rocha ou água circundante. Lâminas de metal finas ou películas de metal podem ser usadas aqui particularmente de modo vantajoso, estas tendo uma resistência de temperatura elevada comparadas com os outros materiais.

Uma vantagem do acúmulo de pressão pela pressão hidrostática no reator é que a pressão aumenta uniformemente com o aumento da profundidade. A reação, portanto, não começa repentina e espontaneamente, mas lenta e uniformemente com o aumento da pressão e o aumento da temperatura. Mediante a variação da taxa de liberação e o diâmetro relativo do poço no caso de um poço como a cavidade, o tempo de permanência pode ser especificamente ajustado e, desse modo comparado

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com a respectiva matéria prima. E apropriado unir as conexões de água de esfriamento em intervalos regulares sobre a altura e volume do reator de modo que a água fria possa ser introduzida, se querido, para retardar a reação. Isto pode evitar o superaquecimento da reação e a água aquecida pode, desse modo, ser usada para energia. Este processo também pode ocorrer através de trocadores térmicos a serem instalados no reator.

Quando se ajusta os longos tempos de permanência no reator, pode ocorrer que a taxa de fluxo necessite ser controlada em uma tal extensão que as partículas na suspensão se estabeleçam mais rapidamente do que o fluxo de suspensão. Estratégias diferentes são possíveis para evitar bloqueios no reator.

Assim, os elementos de mistura, defletores de fluxo, misturadores estáticos, agitadores e outros dispositivos que influenciam o fluxo podem ser instalados no reator para limitar a sedimentação dos sólidos. Gases tais como, por exemplo, ar comprimido, podem ser particularmente de modo vantajoso introduzidos no reator para efeito de mistura completa. Também é possível obter a formação de gás fazendo a água na suspensão parcialmente se evaporar. A turbulência desse modo produzida leva a mistura completa e evita bloqueios. A evaporação específica de parte da água também pode ser usada para esvaziar o reator após o final da reação. Para isto, uma redução de pressão no volume de reação pode ser obtida mediante o bombeamento para longe da água localizada na entrada ou saída e evaporação espontânea é 5 alcançada no volume de reação. Como um resultado deste processo de evaporação que procede muito similarmente como a ebulição retardada, muita massa é transportada a partir da câmara de reação em uma tempo muito curto como um resultado das taxas de fluxo muito elevadas que desse modo ocorrem, os sólidos e fuligem sedimentados ou depositados são transportados 10 para a superfície.

De modo a aumentar a taxa de fluxo no reator, a seção transversal de fluxo pode ser reduzida a tal ponto que uma taxa de fluxo crítica é ultrapassada. Também é possível erguer uma cascata de reatores agitadores em túneis subterrâneos e circundá-los com solo, rocha ou água, 15 através da qual o fluxo ocorre em série. Desta forma, eles podem ser fabricados com custo muito baixo e permitir o fluxo rápido.

O bloqueio do reator também pode ser evitado se a direção do fluxo for invertida em intervalos regulares e assim um tipo de pulsação é obtido sobre o qual uma taxa de fluxo constante é sobreposta. Esta pulsação leva a turbulência no reator e desse modo muito eficazmente impede os depósitos.

De modo a grandemente evitar os componentes perturbadores na câmara de reação, é vantajoso remover os componentes perturbadores tais como pedras, metal, vidro ou materiais inorgânicos similares da suspensão 25 antes da reação. Isto pode compreender a separação gravitacional tal como um tanque de sedimentação primária em obras de tratamento de esgoto ou um hidrociclone ou um outro método conhecido da técnica anterior para a separação de sólidos da suspensão.

Além disso, as partículas que tendem a sedimentar podem ser especificamente removidas do reator. Para este propósito, o mecanismo pode ser incorporado no reator que descontínua ou continuamente transporta os sólidos sedimentados do reator usando sistemas de acordo com a técnica anterior (por exemplo, esteiras transportadoras, raspadores, correntes, hélices, 5 bombas). Estes sólidos podem ser fracionados fora do reator de modo que os materiais orgânicos não refinados possam retomar para a câmara de reação seguinte a fragmentação apropriada.

Pode ser desejável remover do reator os gases ou vapores formados como um resultado da queda de pressão na parte do reator através 10 do qual o fluxo ascendente ocorre. Isto pode ser obtido, por exemplo, pela perfuração da parede do reator, por exemplo, na parte do reator através da qual o fluxo ascendente ocorre. Estes orifícios podem ser podem ser fornecidos nas adjacências ou na parte do reator através do qual o fluxo descendente ocorre. A compensação de pressão é assim garantida. As 15 formações rochosas fissuradas ou região cárstica também podem ser usadas para remover o gás.

Se um escape rápido dos gases ou volumes de líquido devido às diferenças de temperatura-densidade (efeito gêiser) for para ser evitado, válvulas de pressão apropriadas ou válvulas de retenção devem ser 20 incorporadas as quais se fecham quando uma pressão definida ou uma taxa de fluxo definida for excedida, desse modo brevemente afetando uma elevação de pressão e terminando o processo de escape de gás. Os fluxos de convecção podem ser especificamente prevenidos por este meio.

Em um projeto particularmente simples do reator 25 simplesmente consiste de uma cavidade presente nas camadas mais profundas da rocha onde o fornecimento da mistura de reação é transportado através de uma linha de fornecimento até uma profundidade suficiente para a reação. E particularmente vantajoso, por exemplo, utilizar antigos eixos de transporte da mineração, túneis em desuso ou outras estruturas subterrâneas. Neste caso, o revestimento existente dos eixos ou túneis pode ser usado como a “parede de reação” e o volume inteiro do eixo pode ser usado como o reator. Além do revestimento do eixo com materiais à prova d’água, o sistema pode ser selado por aditivos nas águas ou o sistema pode selar a si mesmo em relação à rocha 5 circundante por produtos de reação tais como partículas de carvão.

Quando se usa perfurações no solo, uma entrada ou saída deve ser fornecida na região mais baixa do reator. Por fornecer um canal de entrada ou saída na região mais baixa do eixo ou da perfuração cuja área transversal e a capacidade de bomba podem ser variavelmente ajustadas, um fluxo 10 ascendente é estabelecido sobre o eixo transversal remanescente. Dependendo da necessidade, a relação de área do espaço do reator através do qual o fluxo ascendente ocorre e do espaço do reator através do qual o fluxo descendente ocorre pode ser de 0,01 % a 99,99 %. Os trocadores térmicos para o esfriamento ou aquecimento, que podem ser dispostos no eixo, são usados 15 para controlar a temperatura e a reação e desse modo garantir a qualidade do produto e a remoção de energia e consequentemente a utilização de energia fora do reator.

Pode ser desejável transportar o fluxo ascendente do produto a partir do fundo em um outro local daquele em que a matéria prima foi 20 introduzida, similar ao uso de energia geotérmica. Por exemplo, os veios de carvão horizontalmente fluindo que foram anteriormente usados como áreas de mineração subterrâneas e são agora debatidos, podem ser usados como volumes de reação. Assim, a suspensão de matéria prima pode ser introduzida no eixo através das regiões externamente localizadas e todos os fluxos de 25 entrada do eixo de transporte podem ser transportados centralmente para fora das profundidades ou vice-versa. Assim, as instalações de eixo existentes podem ser quase completamente utilizadas como “reatores” para a produção de combustíveis biogênicos. Muitas dezenas de milhares de metros cúbicos de volume são disponíveis como reator de modo que rendimentos muito elevados podem ser alcançados apesar do longo tempo de demora da reação. Também é possível utilizar outras cavidades subterrâneas com gás ou água, cavernas, grutas, região cárstica e formações rochosas porosas ou túneis cheios de água como reatores. A pessoa versada na técnica do campo da geologia será capaz 5 de identificar as cavidades adequadas que podem ser inundadas com água e usadas para o método descrito.

Neste caso é sempre particularmente vantajoso utilizar o calor da Terra em profundidades maiores para promover a reação. Também pode ser apropriado utilizar depósitos de carvão ou óleo. Aqui em paralelo com a 10 reação de biomassa, também é possível extrair as reservas residuais de depósitos de óleo que já se tomaram antieconômicas para extrair como um subproduto, por assim dizer. Assim, o volume do depósito pode ser usado como o reator e depósitos residuais remanescentes de matérias primas fossilizadas podem ser apropriadamente utilizados. Como um resultado da 15 temperatura de reação elevada, o óleo nas rochas é fino de modo que os depósitos residuais possam ser transportados muito eficientemente a partir das profundezas.

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E vantajoso circular a água usada para a suspensão completa ou parcialmente no ciclo para completamente utilizar a matéria prima. Para 20 este propósito é necessário separar os produtos de reação desejados tais como, por exemplo, partículas de carvão, da suspensão e transportar os substratos remanescentes, matérias primas não reagidas e produtos de reação tais como, por exemplo, fenóis ou outros produtos secundários juntamente com a nova matéria prima biogênica fragmentada de volta para dentro da câmara de 25 reação. E de conhecimento da pessoa versada na técnica que uma concentração de minerais ou frações não convertíveis deve ser evitada. Isto pode ser obtido por um fluxo de drenagem adequadamente dimensionado.

Métodos de processo de tecnologia da solução tais como bacias de sedimentação, decantadores, prensas de filtragem ou instalações de briquetagem podem ser usados para separar as partículas de carvão.

Uma outra possibilidade para a implementação desta invenção pode ser observada na área submarina. Aqui, por exemplo, condutos de parede fina simples podem ser orientados no mar em maiores profundidades 5 como reatores. No entanto, também pode ser vantajoso introduzir as misturas de reação diretamente nas camadas profundas ou lagos ou camadas profundas do mar e, portanto, utilizar grandes áreas do mar tais como, por exemplo, zonas costeiras com maiores profundezas do mar como reatores. Neste caso, pode ser particularmente vantajoso utilizar regiões no oceano que são 10 particularmente quentes devido à atividade vulcânica tais como, por exemplo, algumas regiões no Pacífico. O fluxo ascendente de fontes submarinas quentes pode então ser usado para transportar os produtos de reação tais como, por exemplo, carvão.

O método descrito traz vantagens adicionais quando usado em 15 combinação com a energia geotérmica. Assim, a energia é fornecida à mistura de reação nas regiões mais quentes da Terra, a mistura de reação é adicionalmente aquecida e a reação desse modo é acelerada. A energia adicionalmente liberada pode então ser usada de acordo com a técnica anterior mediante a remoção do calor ou mediante a conversão em corrente 20 elétrica ou hidrogênio.

Os produtos de reação ricos em carbono estão presentes em muitos casos como nanoesferas finamente dispersas. Esta circunstância pode ser usada muito vantajosamente para o transporte dos portadores de energia sólidos. Assim, logo que a suspensão de portador de energia surge do reator, a 25 separação mecânica dos sólidos do líquido pode inicialmente ser realizada, por exemplo, pelos métodos de separação centrífuga. A fração líquida contendo os aminoácidos e minerais da matéria prima orgânica pode ser usada como estrume diretamente ou após a concentração mediante a separação parcial da água. Os sólidos de nanopartícula que predominantemente consistem de carbono são novamente misturados com água e ajustados em um teor de substância seca de 40 a 60 % em massa. Uma densidade de energia de até 18 gigajoules por tonelada pode assim ser estabelecida na suspensão, que corresponde a aproximadamente metade da densidade de energia do óleo 5 bruto. O transporte de portadores de energia de nanopartícula por grandes distâncias desta forma é completamente econômica por oleodutos conhecidos da técnica anterior.

A viscosidade desempenha um papel decisivo em evitar os efeitos de sedimentação e para a separação de carvão da fase líquida. De 10 modo a evitar a sedimentação muito rápida das matérias primas biogênicas, a viscosidade da suspensão na entrada do reator deve ser pelo menos 20 mPas (medida em um viscosímetro rotativo em uma taxa de cisalhamento de 10 m/s). Na saída do reator, os valores de 5 mPas não devem ser excedidos para a separação melhorada dos sólidos particulados.

Vários métodos são conhecidos da pessoa versada na técnica

para o ajuste da viscosidade na entrada. Assim, uma viscosidade elevada pode ser determinada por especificamente utilizar diferentes biomassas, biomassa tendo carboidratos definidos (celulose, amido, oligo- ou monossacarídeos), seu grau de fragmentação, concentração e através do tempo de 20 intumescimento dos carboidratos. Neste caso, os parâmetros descritos e a escolha de matéria prima devem ser variados de uma tal maneira que após a reação, o líquido possui uma viscosidade correspondentemente baixa como um resultado da degradação e conversão da biomassa.

Em uma outra forma de realização do método de acordo com a 25 invenção, a biomassa da suspensão de reação é transportada para dentro das profundezas em recipientes ou tambores tais como recipientes, barris, cestas, sacos, recipientes cilíndricos ou retangulares feitos de diferentes materiais ou em volumes similares espacialmente definidos, no interior do reator acomodado no subsolo. Como um resultado da capacidade térmica elevada do solo e do líquida no reator, os recipientes e recipientes no reator são suficientemente aquecidos de modo que a reação possa ocorrer dentro do recipiente sem remover a biomassa dos recipientes.

Esta medida pode muito eficientemente evitar partículas da

suspensão que sedimentam no fundo do reator e não mais sendo capazes de serem retiradas. Na forma de realização do recipiente fechado ou meio aberto,

o tamanho de partícula pode ser variavelmente ajustado ou a fragmentação fina pode ser dispensada antes da realização da reação. Assim, as partículas 10 maiores tais como, por exemplo, pedaços de madeira, podem ser transportadas para dentro do reator. As partículas de carvão tendo um comprimento de aresta de vários centímetros podem ser dessa maneira obtidas, tomando mais fácil separar a água do carvão após a conclusão da reação.

É importante para a forma de realização utilizar recipientes em

que a provisão é feita para a equalização de pressão com a água circundante. Deve ser garantido mediante o fornecimento de aberturas ou válvulas nos recipientes que de acordo com a profundidade, a pressão no reator pode ser transferida para o interior do recipiente.

Da mesma forma pode ser vantajoso permitir uma alteração de

líquido do recipiente com o líquido circundante através de aberturas adequadas no recipiente. O transporte térmico no interior do recipiente é desse modo melhorado e a transferência de produtos líquidos de reação e partículas não colocadas em suspensão extremamente finas dos recipientes dentro do 25 líquido circundante e, portanto, também em outro recipiente, toma-se possível. Assim, apesar de muito eficiente evitar os efeitos de sedimentação e bloqueios no reator, a troca de temperatura dos produtos líquidos e de reação pode ocorrer entre os recipientes, resultando em uma reação mais rápida e homogeneização da composição do produto. Os recipientes podem ser transportados através do espaço de reação similar à situação com aquecedores de torre na indústria alimentícia que são usados para o aquecimento de latas em um sistema de transporte de deslocamento, isto é, cada recipiente empurra o próximo recipiente mais 5 adiante no espaço de reação tubular. Também é possível utilizar sistemas de transporte para os recipientes de acordo com a técnica anterior tal como, por exemplo, transportadores de corrente, hélices transportadoras, cabos e outros dispositivos para o transporte de recipientes através de condutos. Os recipientes também podem ser transportados através do eixo ou espaço de 10 reação da mesma maneira como os outros sistemas de transporte na mineração por cabos ou sobre trilhos em um tipo de “ferrovia subterrânea”.

Também é possível produzir volumes de reação espacialmente definidas mediante a separação de regiões individuais do reator pelo uso de fechaduras, lâminas de metal ou outras partes internas ou por assim chamados 15 raspadores que grandemente fecham a seção transversal do reator e podem ser arrastados com o fluxo como paredes divisoras entre as seções individuais do reator. Como um resultado deste projeto de múltiplas câmaras do espaço de reação, diferentes condições de processo tais como temperatura, por exemplo, podem ser estabelecidas em cada segmento, tomando mais fácil controlar o 20 processo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

O método proposto é explicado resumidamente mais adiante com referência a uma forma de realização exemplar em conjunto com os desenhos. Nas figuras:

Fig. 1 - é um exemplo da disposição do volume de reação

debaixo da superfície da Terra; e

Fig. 2 - é um diagrama esquemático da seqüência do processo no método proposto.

MEIOS DE IMPLEMENTAR A INVENÇÃO A Figura 1 esquematicamente mostra um exemplo de uma forma de realização de um reator para a realização do presente método, que neste exemplo é inserido em um eixo 1 debaixo da superfície da Terra. O eixo

1 se situa em uma profundidade de 200 m. O reator 2 possui uma entrada 3 no 5 volume de reação que neste caso ocupa o volume inteiro do reator horizontalmente disposto. A biomassa colocada em suspensão é bombeada através desta entrada 3 no volume de reação. Os produtos de reação são bombeados para cima novamente através da saída 4. A parede do reator 2 pode ser relativamente fina visto que a pressão hidrostaticamente gerada neste 10 caso é absorvida pelo solo circundante 5 que corresponde a pelo menos quatro vezes o diâmetro D do volume de reação. Nenhuma cavidade mais pode estar presente nesta área circundante de modo que a massa total em um volume ocupado pelo material nesta área circundante corresponde a pelo menos oito vezes a massa da mistura de reação no volume de reação. A biomassa 15 colocada em suspensão é inicialmente levada a uma temperatura de cerca de 80 0C no reator 2. Como um resultado da reação exotérmica muito violenta no volume de reação no começo do processo, a suspensão é aquecida acima de 200 0C. Como um resultado da grande massa do material circundante, a absorção e armazenagem de calor tem o resultado de que nenhum 20 superaquecimento rápido ocorre. Em um subseqüente curso da reação quando subseqüentemente menos calor é produzido, a temperatura de reação é alcançada pelo calor liberado pelo material circundante, de modo que a reação possa ser mantida durante um tempo razoavelmente longo sem qualquer fornecimento externo de energia.

A Figura 2 esquematicamente mostra a seqüência do processo

novamente em um diagrama de fluxo. A biomassa 6 fornecida de uma fazenda, que pode ser no estado seco ou úmido, é inicialmente fragmentada em uma etapa de fragmentação e suspensão 7 e colocada em suspensão em água. Ácidos, catalisador orgânicos e inorgânicos podem ser usados como aditivos. Após o aquecimento a suspensão assim obtida para cerca de 80 0C, é transportada por meio de uma bomba adequada no reator de poço profundo 8 como mostrado esquematicamente, por exemplo, na Figura I. A reação exotérmica ocorre no volume de reação deste reator por meio do qual no primeiro intervalo de tempo do processo, uma suspensão quente ao redor de 200 0C contendo água e partículas de carvão é removida do reator. O calor desta suspensão é usado em uma etapa de conversão 9 para produzir energia elétrica. Em uma etapa de separação 10 a água e o carvão são separados de modo que o carvão finalmente puro 11 esteja disponível para a produção de energia. O carvão pode ser usado, por exemplo, como matéria prima para combustíveis ricos em hidrocarbonetos líquidos. Na etapa de separação 10 uma fração compreendendo água com minerais e aminoácidos nela dissolvidos é obtida. Os minerais e aminoácidos são separados na etapa 12 e transportados de volta ao campo outra vez como adubo. A água é reutilizada na etapa de fragmentação e suspensão 7. LISTA DE REFERÊNCIA

1 Eixo 2 Reator 3 Entrada 4 Saída 5 Solo circundante 6 Biomassa 7 Etapa de fragmentação e suspensão 8 Reator 9 Conversão em energia elétrica 10 Etapa de separação 11 Carvão 12 Separação de minerais e aminoácidos da água

13 Adubo

Claims (22)

1. Método para a conversão de biomassa em sólidos de densidade-energia mais elevada, em particular, carvão, húmus ou turfa, em que as substâncias orgânicas da biomassa são colocadas em suspensão em água para formar uma suspensão e em que pelo menos uma parte da suspensão a ser convertida é aquecida para uma temperatura de reação e é convertida em sólidos de densidade-energia mais elevada pela carbonização hidrotérmica em pressão elevada, caracterizado pelo fato de que a conversão é realizada em um volume de reação que está localizado debaixo da superfície da Terra.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o volume de reação para tamponar o calor liberado da reação em uma área circundante que corresponde a pelo menos quatro vezes o diâmetro médio do volume de reação é circundado por uma massa de material líquido e/ou sólido compacto que é maior do que oito vezes a massa contida no volume de reação.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a conversão é realizada em uma pressão de processo que é mais elevada do que uma pressão de equilíbrio que deve ser estabelecida na temperatura de reação em um reator estanque a gás enchido com a suspensão.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a pressão do processo é gerada hidrostaticamente mediante a introdução da parte da suspensão a ser convertida em uma região de volume de um volume enchido com água ou a suspensão até um nível de enchimento superior, em que a diferença de altura de pelo menos 100 m existe entre o nível de enchimento superior e a região de volume que forma o volume de reação.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que uma cavidade no solo é usada para o volume de reação, em particular um furo de sondagem ou um eixo ou um sistema de eixos que é enchido com água ou a suspensão.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de1 a 4, caracterizado pelo fato de que uma região abaixo da superfície da água de um mar ou lago é utilizada para o volume de reação.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de5 ou 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos um reator é inserido na cavidade, no mar ou no lado e é enchido com água ou a suspensão.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os reatores são formados com uma parede externa flexível.

9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o reator é inserido em um eixo horizontal ou inclinado e é circundado por água, que apresenta uma pressão hidrostática por meio da qual uma parede do reator é pelo menos parcialmente liberada da pressão no reator.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de7 a 9, caracterizado pelo fato de que o reator é pelo menos parcialmente perfurado para permitir a passagem dos gases.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de5 a 10, caracterizado pelo fato de que água fria para retardar a conversão é fornecida em uma maneira controlada no reator ou cavidade em diferentes alturas através do esfriamento das linhas de fornecimento de água para evitar osuperaquecimento.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de1 a 11, caracterizado pelo fato de que a parte da suspensão a ser convertida é bombeada em uma direção de bombeamento através do volume de reação, em que um fluxo pulsátil da parte da suspensão a ser convertida através do volume de reação é produzido mediante a breve inversão repetida da direção de bombeamento.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a turbulência é gerada no volume de reação para contar qualquer sedimentação de sólidos no volume de reação.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o calor dissipado pelo bombeamento da suspensão ou pelo bombeamento de água usado para o esfriamento ou um outro meio de esfriamento, é utilizado para gerar energia elétrica.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato de que as cavidades ou locais são usados para a conversão em que o calor da Terra contribui para o aumento da temperatura da suspensão a ser convertida.

16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 15, caracterizado pelo fato de que um circuito é formado em que os sólidos de densidade-energia mais elevada são removidos da suspensão após a conversão e uma parte da suspensão é fornecida mais uma vez à região de reação.

17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 16, caracterizado pelo fato de que as substâncias pesadas são separadas da suspensão antes de introduzir a suspensão no volume de reação.

18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 17, caracterizado pelo fato de que a água contém pelo menos uma substância promotora da conversão ou que pelo menos uma substância promotora da conversão seja adicionada na água ou na suspensão.

19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 19, caracterizado pelo fato de que a viscosidade da suspensão fornecida ao volume de reação seja ajustada de modo que seja pelo menos 20 mPas.

20. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 19, caracterizado pelo fato de que a viscosidade da suspensão fornecida ao volume de reação é ajustada de modo que uma fase líquida extraída do volume de reação não exceda uma viscosidade de 5 mPas.

21. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 20, caracterizado pelo fato de que pelo fato de que a suspensão a ser convertida é fornecida em recipientes que permitem uma pressão exercida sobre os recipientes seja transferida aos seus conteúdos, em que a suspensão a ser convertida permanece no recipiente durante a conversão.

22. Uso dos sólidos de densidade-energia mais elevada produzidos pelo método como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 21, caracterizado pelo fato de ser como combustível ou como material de partida para combustíveis, em particular para combustíveis líquidos ricos em hidrocarbonetos.