BRPI0606737B1 - método para reformar material carbonáceo por vapor - Google Patents
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Abstract
método para reformar material carbonáceo por vapor. expõe-se um método para reformar material carbonáceo por vapor em um gás de síntese, mediante utilização de um processo de aquecimento de estágio único do material carbonáceo em um forno rotativo sob temperatura de reformação elevada, de forma que o material carbonáceo é submetido a conversão substancialmente completa para o gás de síntese ou por utilização de um processo de aquecimento de vários estágios, corrente dupla, do material carbonáceo para uma temperatura de reformação, abaixo da qual os materiais metálicos serão tipicamente vaporizados, para formarem materiais gasosos e sólidos; reformar ainda os materiais gasosos em um forno rotativo de segundo estágio sob uma temperatura de reformação elevada para formar gás de síntese; e separar o carbonizado de carvão em relação ao material sólido para processamento ulterior.
Description
MÉTODO PARA REFORMAR MATERIAL CARBONÁCEO POR VAPOR
Campo da Invenção Refere-se a presente invenção de um modo geral à tecnologia de reformação a vapor.
Antecedentes da Invenção São conhecidos os processos de reformação por vapor, e são usados para converter várias espécies de materiais carbonáceos em artigos de conveniência. O termo material carbonãceo ("CM") tal como usado neste contexto inclui material carbonãceo que compreende: lixo sólido municipal ("MSW"),- lixo industrial, comercial e institucional ("ICIW"); lixo hospitalar; carvão; refugo de carvão; refugo de madeira, serragem; refugo de produtos florestais; refugo agrxcola; despejos; refugo líquido; refugo perigoso; óleo de refugo e subprodutos ãe óleo; refugo eletrônico e outras substâncias carbonáceas assemelhadas; estão incluídos igualmente materiais de ocasião tais como cinzas de incineração e/ou combustão, que podem ser usados a fim de se conseguirem oportunidades de melhoramento de conversão nas usinas de incineração existentes.
No processo de reformação por vapor, material carbonãceo é colocado em um forno de reformação por vapor, o qual compreende usualmente um tambor ou forno capaz de girar. Tipicamente, o CM inclui um nível de umidade substancial. Calor é tipicamente fornecido por meio de queimadores de gás natural, queimadores de gãs de síntese ou aquecimento por indução elétrica dentro do forno, mas exterior ao f ormo rotativo. A reformação a vapor é um processo endotérmico. Entretanto, diferentemente da incineração, que é exotérmica, nao existe combustão. Em vez disso, o CM, combinado com água, é aquecido enquanto esta sendo agitado, provocando uma reação que produz um gãs de síntese ("singas")· O gãs de síntese consiste principalmente de hidrogênio (H2) e monóxido de carvão (CO).
Uma diferença chave entre estes dois processos térmicos está nos respectivos produtos gerados por estes processos. No caso de incineração/combustão, os produtos são principalmente compostos nocivos oxidados, enquanto que a reformação por vapor produz combustíveis de gãs de síntese amplamente benéficos com alguns vapores de metal e ácidos tipicamente muito mais fáceis de limpar do que os produtos de combustão oxidados.
Tipicamente, o refugo que esta sendo usado como a entrada de CM para o processos de reformação por vapor compreende na maior parte hidrogênio e carvão, e ume pequena percentaaem de outros elementos, tais como cloro, flúor, enxofre, vidro e vários metais. Por exemplo, o lixo sólido municipal (MSW) tipicamente tem uma relação de carvão/hidrogênio/oxigênio de cerca de 1/1,7/0,5. O MSW também inclui tipicamente cerca de 10%, em peso, de produtos inertes sólidos.
Em um processo de reformação por vapor típico —da— técnica -anterior.*-. o _gás_ de___síntese é produzido em um processo de 2 estágios. Primeiro, o tambor que contém a água e CM é aquecido, tipicamente durante 90 minutos sob temperaturas que variam na faixa de 650 °C. Então, os materiais sólidos, incluindo metais e carbonizado, são extraídos do tambor. Neste ponto, 60-79% do CM foi reformado por vapor para produzir gás de síntese. 0 processo típico "polirá" então o gás de síntese para converter os hidrocarbonetos restantes em gás de síntese e então o carbonizado pirolítico é separado do restante dos inorgânicos inertes e queimado, ou a mistura complexa de carbonizado mais outros sólidos é descartada.
Sumário da Invenção De acordo com a invenção, existem dois processos diferentes de reformação por vapor, um processo de um estágio, por vapor simples, e um processo de múltiplo estágio, por vapor duplo. O processo de um estágio é preferido para situações onde o CM tem uma quantidade de metal muito pequena no mesmo. Isto ocorre porque o processo de um __estágio descrito adiante envolve o emprego de temperaturas que vaporizarão o metal. Nos casos onde a quantidade de metal misturado com o CM é insignificante, o processo de um estágio é preferido porque a quantidade de quaisquer vapores de metal será insignificante. Onde não é tecnicamente viável remover substancialmente todos os metais misturados no CM, o processo -de----vár-ios- _estágLos_.. descrito adiante serã/poderã ser preferentemente utilizado.
Para o processo de um estágio e para o processo de vários estágios, o CM, tal como lixo sólido municipal ("MSW") é primeiramente fragmentado. (Para o propósito desta descrição e para facilidade de referência, a entrada para o processo de reformação por vapor será chamado e considerado como MSW; entretanto, deverá ser compreendido que qualquer CM poderá ser usado, e que o processo poderá ser consequentemente adaptado ao mesmo).
Cal comercial (isto é, oxido de cálcio e/ou bicarbonato de soda) é misturado com o MSW fragmentado. Quando ocorre a reformação por vapor, o cálcio na cal reage com halogênios que são desprendidos do MSW, formando sais de cálcio que são geralmente benignos. Este aspecto é importante porque a remoção de halogênios neste estágio é mais simples e menos dispendioso do que a remoção dos mesmos depois a jusante, o que envolvería tipicamente o uso de unidades de limpeza de leito de sorvente. Isto também evita a __oportunidade destes halogênios formarem vapores ácidos e/ou as dioxinas e furanos altamente mais tóxicos, se estes constituintes entrarem em contacto com oxigênio enquanto sob temperaturas elevadas durante o processo de reformação por vapor. (A formação de dioxinas e furanos é um dos maiores problemas durante o processo de reformação por vapor) . Uma vez que os halogênios reagem—mui to -rapidamente com_ a cal, eles nao ficam disponíveis para formarem vapores ácidos e/ou dioxinas e furanos. Observe-se que com a reformação por vapor, onde a maior parte do ar atmosférico e, portanto, oxigênio, é purgado da corrente de lixo de entrada (tal como descrito adiante), existe pouca oportunidade para conversões para dioxinas e furanos tóxicos como será certamente o caso para os sistemas de combustão e incineração.
Nos processos de um estágio e vários estágios, o MWW fragmentado é alimentado a uma tremonha, com a tremonha contendo um trado (isto é, um transportador de parafuso) para alimentar o MSW para dentro do forno de reformação por vapor. Na entrada para o forno, o sistema proporciona uma alimentação contínua de vapor de alta temperatura para purgar o MSW que entra no forno do ar atmosférico, e em particular, de nitrogênio e oxigênio. Como será explicado mais adiante, o vapor adicional é benéfico para o processo de reformação por vapor, uma vez que este vapor pré-aquece o MSW e, desse modo, captura um pouco do calor de refugo do processo da usina. Nesse meio tempo, é igualmente desejável excluir o nitrogênio e o oxigênio para impedir a formação de óxido nitroso tóxico e de outros óxidos de nitrogênio indesejáveis e/ou outros produtos oxidados.
Tal como exposto anteriormente, um processo de reformação por vapor da técnica anterior é um processo de dois estágios. A razão para isto é que no primeiro estagio, enquanto a maior parte do CM é reformado por vapor (tipicamente, aproximadamente 60-70% da quantidade de CM de partida) , é formado carbonizado de carvão e acredita-se tradicionalmente que este carbonizado precisa ser removido antes do CM restante poder ser reformado por vapor. Entretanto, surpreendentemente e inesperadamente, descobriu-se que o carbonizado, se for aquecido suficientemente, também pode ser reformado por vapor, e não precisa ser removido. Isto é benéfico porque a reformação por vapor do CM é mais completa, e porque é menos refugo 5 sólido que terá de ser descartado.
Conseqüentemente, projetou-se um processo de reformação por vapor de um estágio, corrente única, como se segue. O processo emprega um forno rotativo de reformação por vapor que aquece o CM para uma 3 temperatura de reformação elevada, aproximadamente 650°C=1100°C (ou mais alto conforme seja necessário), com tempos de permanência variáveis para gerar substancialmente a conversão completa de CM em um produto de gás de síntese acabado, compreendido 5 principalmente de H2 e CO. Considera-se que qualquer forno rotativo de reformação por vapor poderá ser adequado; entretanto, prefere-se (note-se que constitui uma reivindicação específica desta invenção que o sistema compreende um único forno rotativo com aquecimento externo, uma vez que existe uma patente de invenção atual-que—utitiza-um- único forno^rotativo, mas utiliza aquecimento por combustão "interna") que esse forno rotativo seja aquecido externamente (em vez de ser aquecido internamente), uma vez que isto reduz a possibilidade de que combustão/incineração ocorra dentro do forno e produza vários compostos de produtos colaterais nocivos. 0 objetivo de se utilizar um processo de um estágio é o de proporcionar temperatura suficiente, mistura turbulenta e tempo de permanência, em uma única zona de reação, para conseguir níveis de conversão visados. Este processo de reformação por vapor de um estágio pode incluir uma unidade de aprimoramento a jusante do forno, para reformar mais o gás de síntese separado, mas não completamente reformado em um gás de síntese mais limpo. A escória sólida inerte deixada sobre o forno é então removida antes do aprimoramento deste gás de síntese reformado por vapor de primeiro estágio conforme seja necessário. Esta escoria solida é resfriada e pode ser vendida como material de enchimento para construção. Esta extração de sólidos __inprtps representará_ tipicamente uma redução de volume de até 98% da mistura de MSW original, 0 sistema preferentemente é submetido a um processo de remoção de poeira, em que particulado de poeira é removido do gás de síntese reformado.
Separadores/filtros de poeira e partículas convencionais sao empregados, muito embora preferentemente isto_envolva um «eparador_de_ poeira por vórtice e um filtro de particulado fino. Esta separação e remoção de poeira por vórtice podem ocorrer no forno rotativo de reformação por vapor.
Alternativamente, os particulados de poeira podem ser removidos em recipientes semelhantes a jusante do forno rotativo de reformação. Nesse meio tempo, módulos de extração de calor ficarão localizados a jusante do separador e filtro, respectivamente. Os extratores de calor são usados para extrair energia térmica do gãs de síntese quente para o uso seja como calor direto, ou para a produção de eletricidade ou para pré-aquecimento do ar de combustão de forno e/ou pré-aquecimento de CM de alimentação. 0 estágio seguinte de limpeza compreenderá preferentemente leito sorvente ou tecnologias equivalentes para a remoção de vapores de metal e ácido evanescentes ou outros venenos/poluentes, para proporcionar limpeza de gãs de síntese especificada para processos subsequentes. Este sistema de limpeza de leito sorvente ficará tipicamente localizado a — jusante—deu remoça ode^ poeira e particulado, e será localizada tipicamente ou a montante ou a jusante dos módulos de extração de calor(na dependência das sensibilidades de temperatura dos materiais de leito sorvente e dependências de temperatura para a remoção efetiva de gases evanescentes e venenosos).
Tal como explicado anteriormente, o processo—de —corrente ___dupla,__vários estãqios, é preferentemente usado quando existe uma quantidade de material metálico maior no MSW. Será apreciado que na maior parte dos casos, metal é separado em relação ao MSW por causa da reciclagem obrigatória, e também poderá ser separado por meio de unidades de separação de metal localizadas no transportador que alimenta MSW fragmentado para a tremonha de forno de reformação por vapor. entretanto, assim mesmo, existe frequentemente uma quantidade substancial de metal no MSW que pode ser vaporizado durante o processo de reformação por vapor de temperatura muito alta. Da mesma maneira, o processo de vários estágios é projetado para otimizar o consumo de energia pelo processo de reformação por vapor, tal como descrito adiante.
O processo de reformação por vapor de vários estágios preferido é o seguinte. E proporcionado um primeiro estágio de forno rotativo de reformação por vapor que aquece o CM para uma temperatura de reformação de aproximadamente 550 °C a 650eC para gerar a primeira fase de produção de gás de síntese com materiais metálicos amplamente intactos (isto é, não vaporizados) e com carbonizado de carvão residual. Os produtos de primeiro estágio são segregados em duas correntes: uma corrente gasosa "poeirenta" de segundo estágio; e uma corrente de sólidos de terceiro estágio. Proporciona-se então um forno estacionário de reformação a vapor de segundo estágio que aquece os materiais de fluxo de entrada gasosa "poeirenta" para uma temperatura de reformação elevada de aproximadamente 850°C a 1100°C (ou mais alta conforme for necessário) para completar a transformação dos materiais gasosos de primeiro estágio ao facilitar a conversão completa dos gases carbonãceos em um gás de síntese composto principalmente de CO e H2. Este gás de síntese será tipicamente rico em hidrogênio, uma vez que muito do carvão é levado a fluir para o sistema de reformação por vapor de terceiro estágio descrito adiante. Observe-se que este forno "estacionário" de segundo estágio poderá ser configurado como um forno rotativo, na eventualidade de se considerar necessário otimizar o desempenho-de conversão destesegundo estágio.
Preferentemente, o processo proporciona a remoção de poeira e particulados entre o primeiro e segundo estágios. Isto será tipicamente realizado com um ou dois separadores de poeira de vórtice e filtros de particulados finos. Alternativamente, ou adicionalmente a este processo de remoção de poeira, o processo também incluirá a separação interna de poeira ) e partículas (arrastadas no fluxo de gás de síntese) a partir do gás de síntese antes de saírem dos fornos de reforma por vapor, seja do primeiro estágio e/ou do segundo e terceiro estágio. Este separador interno utilizará um forte movimento de vórtice criado internamente, gerado por aletas estacionárias em um canal cilíndrico convergente. 0 gás de síntese que é aspirado através deste tubo cilíndrico convergente de saída que possui aletas de giro de gás interais irá gerar as forças centrífugas de vórtice para permitir a separação de partículas mais densas do que o gás de síntese que está sendo úixado através deste cilindro de saída. Ranhuras localizadas estrategicamente ao longo do comprimento do cilindro de saída proporcionarão o egresso de partículas com o impulso radial transmitido pelo movimento de vórtice suficiente para separar estas partículas da corrente de gás de síntese que sai do forno de reformação por vapor, Este dispositivo de separação interna será tipicamente um recipiente cilíndrico, separado em relação ao tambor- rotativo de . reformação por vapor. 0 carbonizado de carvão é separado da escória sólida inerte no forno de primeiro estágio e alimentado ao forno rotativo de reforma por vapor de terceiro estágio que aquece o carvão residual para uma temperatura de reforma elevada de aproximadamente 850°C a 950 °C (ou mais alta se for necessário) para completar a transformação do carbonizado de carvão em um gás de síntese composto de volumes virtualmènte iguais —de--GO—e— H2, de acordo com a reação de reformação por vapor (com x mols de H20 excedente) : C + H20 + xH20 CO + H2 + xH20 (1) Alternativamente, o carbonizado de carvão pode ser usado diretamente como combustível de aquecimento para- ou- a_ oaldeira de vapor ou como combustível de aquecimento para um dos dois estágios, anteriores de reformação por vapor, ou usado diretamente para vendas de produtos.
Se necessário, o fluxo de saída proveniente do terceiro estágio pode ser dirigido para o segundo estágio descrito anteriormente, de forma que o fluxo de saída proveniente do terceiro estágio pode ser aprimorado. Não obstante, o gás de síntese que flui para fora do terceiro estágio, tipicamente, é substancialmente mais limpo do que o gás de síntese do primeiro estágio e pode não requerer aprimoramento, onde.o carbonizado de carvão foi separado diretamente em relação ao restante do resíduo.
Este processo de vários estágios também inclui preferentemente extração de calor para capturar energia de utilidade quando o gás de síntese e sólidos esfriam. Dois módulos de extração de calor podem ser escalonados separadamente e individualmente a jusante de cada um do segundo e terceiro estágios ou podem ser escalonados a jusante de um fluxo combinado de gás de ---sint^se^proveniente destes estágios separados. Estas . unidades de recuperação de calor podem ~ser usadas -para___ criarem energia elétrica (utilizando geração de vapor com turbinas), ou podem simplesmente captar a energia térmica usada para aquecimento ou para preaquecimento do ar de combustão de forno e/ou preaquecimento do CM de alimentação. 0 processo de reformação por vapor de vários estágios poderá incluir opcionalmente uma unidade de limpeza para efetuar a limpeza final do gás de síntese utilizando leito sorvente ou tecnologias equivalentes para remover vapores de ácidos e metal evanescentes ou outros venenos/poluentes para proporcionar limpeza de gás de síntese especificada para processos subsequentes. Este sistema de limpeza de leito sorvente será localizado tipicamente a jusante da remoção de poeira e particulado e será localizado tipicamente seja a montante ou a jusante das unidades de recuperação de calor (na dependencia das sensibilidades de temperatura dos materiais de leito sorvente e dependências de temperatura para remoções eficientes dos gases evanescentes e venenosos).
Será apreciado que o processo de reformação por vapor produz um gás de síntese que compreende H2 e CO. è desejável produzir um gás de síntese com uma relação de H2/CO tão alta quanto possível. A razão é que H2 é mais valioso como um artigo, e mais fácil de converter para energia limpa do que o CO. Dadas as considerações de aquecimento global, õ~carvão-é—com- maior preferência seqüestrado do_ que liberado para a atmosfera. Isto torna o CO mais problemático de ser tratado.
Existem dois métodos para elevar ao máximo a relação H2/C0. O primeiro consiste em alimentar a umidade excedente {acima das quantidades estequiométricas) como uma entrada para o processo de reformação por vapor que gera H2 adicional e C02 em igual abundância. 0 C02 limpo adicional pode ser separado e sequestrado. 0 segundo método consiste na alimentação de metano (particularmente incluindo metano de aterros}, ou outros materiais ricos em hidrogênio, incluindo óleos de refugo, como uma entrada para o processo de reformação por vapor. A adição de excesso de água e de hidrocarbonetos ricos em hidrogênio ao processo de reformação por vapor eleva a proporção de hidrogênio em relação à proporção de carvão e oxigênio no forno de reformação por vapor. Isto por sua vez produz uma ..relação K2/CO mais alta. A função principal do excesso de água é simplesmente assegurar que haja um suprimento adequado de vapor para completar tão próximo de 100% de reformação por vapor quanto possível. Qualquer conversão de reformação por vapor de excesso de água além da estequiométrica resultará na conversão de CO para C02 mais H2. Isto cria uma relação de H2/CO aperfeiçoada, mas também cria C02 adicional. Tipicamente, este método de aperfeiçoamento da relação --de -H2/C0 será—evitado uma vez._que_ele incorre em custps_ de energia e irá requerer processos especiais adicionais para seqüestrar o C02. A vantagem deste método de sequestro de C02 é que a mistura de gás de síntese é relativamente limpa e o C02 neste caso representará uma proporção significativa do gás de síntese e; portanto, permitirá uma separação efetiva e sequestro do CO2.
Dada a utilidade do metano como uma entrada de processo de reformação por vapor, a invenção também considera preferentemente o uso de metano de aterros. Isto é conveniente, uma vez que a usina de reformação por vapor pode ser construída mais próxima, adjacente ou diretamente no local do aterro, o que pode servir não somente como uma fonte de CM, mas também como uma fonte de metano de aterro.
Existe um número de usos vantajosos para os produtos dos processos de reformação por vapor descritos anteriormente. Os mesmos encontram-se listados adiante. Por exemplo, algum ou todo o gás de síntese (H2 + CO) pode ser alimentado em uma célula de combustível. As células de combustível acomodam uma reação de oxidação. No caso de gas de síntese H2 + CO, ) prefere-se que seja usada uma célula de combustível, tal como uma célula de combustível de carbonato líquido ou uma célula de combustível de óxido sólido, porque essa célula de combustível pode funcionar tanto com H2 quanto com CO. Com relaçao ao H2, o gas é oxidado para ^__produzir H2<^ __energia._No__caso de CO, a célula , de__ combustível emite como saída C02 mais energia. 0 gás de síntese (ou uma parte do mesmo) também pode ser alimentada para uma usina de síntese de gás-para-líquido {"GIL") para produzir produtos de hidrocarboneto sintetizados selecionados, tais como metanol, etanol, polietileno, polipropileno e os seus equivalentes. 0 excesso de C02 e vapor a partir da GIL, ou o C02 e vapor provenientes da célula de combustível, podem ser canalizados para uma estufa localizada sinergicamente. Isto resulta no seqüestro de carvão de uma maneira, .benéfica para o ambiente. Nesse meio tempo, o crescimento de frutos, vegetais, ou outros produtos agrícolas, hortícolas e florestais dentro da estufa é intensificado. Da mesma forma, o C02 pode ser captado e usado para outros usos comerciais ou introduzidos em um processo de conversão para a produção de subprodutos de utilidade. 0 hidrogênio proveniente do produto de gás de síntese pode ser simplesmente extraído e vendido ou usado para aplicações desejadas. O CO do gas de síntese pode ser alimentado a um reator de deslocamento de gas de água, onde tem lugar a seguinte reação: H20 + CO + xH20 -> H2 + C02 + xH20.
Da mesma maneira, a usina de síntese de GTL terá tipicamente um excesso de rendimento de CO não usado i quando o gás -de síntese foi—alimentado_par.a... a usina. Este CO adicional também pode ser alimentado para um reator de mudança de gás de água ou pode ser alimentado para a célula de combustível ou vendido como um produto. 0 H2 proveniente do reator de deslocamento de gás de água pode ser alimentado a uma célula de combustível tal como descrita anteriormente, enquanto o CO2 é sequestrado como descrito ant eríprmentre tpor alimentação do mesmo em uma estufa localizada sinergicamente).
Alternativamente, o CO e/ou o H2 provenientes de qualquer um dos processos de reformaçao por vapor anteriormente expostos podem ser alimentados a uma caldeira de vapor/turbina a vapor e/ou motor de combustão para a produção de energia elétrica. Em outras palavras, poderá haver uma variedade de usos separados e/ou simultâneos para o CO e H2, incluindo conversão para GTL, vendas de produtos, combustível para células de combustível e/ou combustível para uma turbina a gás. e/ou unidade geradora de energia elétrica por vapor. 0 uso de uma célula de combustível tal como descrita anteriormente requer um suprimento constante de combustível para essa célula de combustível. Em outras palavras, vários problemas ocorrem se o suprimento de combustível for interrompido ou intermitente, em vez de ser constante. Uma vez que a produção de gás de síntese pode ser interrompida, gás ;--natural·, ou-gás de-aterro-convenieiLt.eme.nte_limpo, pode ser alimentado constantemente para a célula de combustível.
Algum deste gás natural ou gás de aterro pode ser desviado para o forno de reformaçao por vapor. Preferentemente, quase todo o gás natural serã alimentado para dentro do forno de reformaçao por vapor para aumentar o teor de hidrogênio dcT~gãs de—síntese tal como descrito anteriormente. Entretanto, se a produção de gás de síntese normal proveniente da conversão de MSW for interrompida, haverá uma derivação automatizada pelo que o gás natural sera encaminhado diretamente para a célula de combustível para manter constante o suprimento de combustível.
Metano de aterro poderá ser usado em vez de gás natural para assegurar um suprimento de combustível constante para a célula de combustível, com o processo de reformaçao por vapor sendo localizado sinergicamente perto ou diretamente em um local de aterro. O -metano de aterro também pode ser usado para aquecer o forno de reformaçao por vapor.
Uma parte do próprio produto de gás de síntese pode ser usada para aquecer um ou mais fornos de reformaçao por vapor.
Descrição Breve dos Desenhos A Figura 1 mostra um diagrama esquemático de uma concretização preferida da presente invenção. A Figura 2 mostra um diagrama esquemático de um-processo 'de- um-estágio,—corrente única.__________ A Figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma concretização de um processo de vários estágios, dupla corrente. A Figura 4 mostra um diagrama esquemãtico de uma outra concretização do processo de vários “ estágios,-corrente dupla. A Figura 5 mostra umdiagrama ^elicpeTnãtúce--- de uma outra concretização do processo de vários estágios, corrente dupla.
Descrição Detalhada da Invenção A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma concretização preferida do processo de um estagio, corrente única. A entrada de CM 1 e alimentada continuamente a um trado ou transportador de parafuso 2, onde é fragmentada em um triturador 4. 0 CM pode opcionalmente ser pré-tratado pela passagem através de um pré-aquecedor ou secador de tambor rotativo 6 antes de ser alimentado ao forno rotativo de reformação a vapor 9. Este serve para uma ou mais dos seguintes: remover o excesso de umidade do CM, gerar vapor, e aquecer o CM triturado (para aproximadamente 250°C) pronto para a reação de reformação por vapor. Onde for necessário, água e/ou vapor de processamento 5 é adicionado ao CM triturado. Tal como mencionado anteriormente, é vantajoso proporcionar uma alimentação contínua de vapor de alta temperatura para purgar o CM que entra no forno de reformação por vapor 9 de ar (com ; particularidade, de _oxigênÍo-<a -ni-trogênio)_.__0 pré-___ aquecedor 6 é provido de um ou mais orifícios de ventilação de gás de combustão 7 e um ou mais orifícios de ventilação de vapor 8 para liberar o vapor excedente. 0 CM é então alimentado para dentro do forno de reformação por vapor 9, que é aquecido _ jBxternamente. Cal comercial 10 é adicionada ao forno de reformação por vapor de maneira quê~elã~rea.girá-eom-— quaisquer compostos de halogênio removendo assim esses halogênios do CM. 0 CM é aquecido dentro do forno de reformação por vapor 9 para cerca de 650°C-1100°C, ou mais, conforme necessário na dependência da constituição do CM, e submetido a uma conversão completa virtual por meio de uma reação de reformação por vapor para o gás de síntese reformado 11. 0 gás de síntese reformado pode ser opcionalmente aprimorado, por exemplo, mediante passagem do mesmo através de um separador de poeira vertical 14 e/ou um filtro de particulado fino 15, para remover poeira 16 e poeira fina 17, respectivamente. . A escória sólida inerte ou resíduo de forno 12 deixado depois da reformação por vapor representa aproximadamente 2%, em volume, da entrada de CM de partida 1. A poeira 16 e 17 que é separada destas unidades de aprimoramento, combinada com o resíduo de forno 12, constituem o refugo inerte residual total 18. 0 gás de síntese quente, aprimorado, pode passar através de um módulo de extração de calor 19 que pode ser~usãdo~paura-çriar—energia_elétrica (utilizando geração de vapor com turbinas) , ou simplesmente para captar a energia térmica e reutilizar a mesma para aquecimeno dentro do sistema. A título de exemplo, os módulos de extração de calor 19 e 21 podem ser usados para captar energia térmica para o uso no pré-aquecedor _6 para pré-aquecimento do ar de combustão para o forno rotativo de reformação por vapor 9, aperfeiçoando desta — maneira a eficiência da usina. 0 gás de síntese de produto 2 0 pode ser usado em um número de diferentes maneiras tais como descritas anteriormente. A Figura 2 é um diagrama esguemãtico simplificado do prv de um estágio, corrente única da Figura 1. Conforme ilustrado, a entrada 1 de CM é pré-aquecida em um pré-aquecedor 6 antes de ser alimentado ao forno rotativo de reformação por vapor 9. O CM é aquecido no forno de reformação por vapor para aproximadamente 650-1100°C (tipicamente na ponta mais alta desta faixa), onde é submetido a reação de reformação por vapor. Uma vez completado o processo de reformação por vapor, faz-se passar o gás de síntese de reformação 11 por aprimoramento adicional e/ou limpeza, onde for requerido. 0 resíduo de forno 12 é removido do forno de reformação por vapor 9. A Figura 9 é um diagrama esquemãtico simplificado de uma concretização do processo de reformação por vapor de vários estágios, corrente dupla. A entrada 1 de CM é alimentada a um forno de reformaçãopõr_vãpor -de- primeírcu estáqip_25 que aquece o CM para aproximadamente 550-650°C. O CM é submetido a uma reação de reformação por vapor de primeiro estágio para formar uma corrente gasosa "poeirenta" de segundo estágio 26 e corrente de sólidos de terceiro estágio 27. Sob esta temperatura de reformação, os materiais--metálicos dentro do CM estão amplamente intactos (não foram vaporizados) e permanecem- com _ o______ carbonizado de carvão residual da corrente de solidos 27. Os produtos da corrente gasosa poeirenta passam para um forno de reformação por vapor estacionário de segundo estágio 28, onde eles são aquecidos a 850-100°C (ou mais alta, conforme necessário) para completar a conversão destes produtos gasosos para gás de síntese 11. 0 carbonizado de carvão na corrente de sólidos 27 é separado da escória de sólidos inerte ou resíduo de forno 29. 0 carbonizado de carvão separado 30 pode ser usado para vendas de produtos. A Figura 4 é um diagrama esquemãtico simplificado de uma concretização alternativa do processo de reformação por vapor de vários estágios, corrente dupla, ilustrado na Figura 3. Nesta aplicação, o carbonizado de carvão separado 31 é alimentado para o forno de reformação por vapor de segundo estágio 28a, juntamente com os produtos da corrente gasosa ser para submetido a reformação por vapor a uma temperatura de reformação elevada, (0 __forno de reformação de segundo estágio 28a nesta aplicação terá um forncT rotativo-,^ a_f im de processar a alimentação de carvão sólido). A Figura 5 é um diagrama esquemático simplificado de uma outra concretização do processo de reformação por vapor de vários estágios, corrente dupla, ilustrado na Figura 3. Nesta aplicação, o carbonizado de carvão separado 32 é alimentado a um forno de ref ormação” por “vapor rotativo -de- terceiro _ _ estágio 33 e aquecido para aproximadamente 850-950^0 (ou mais alto, se necessário) para completar a reformação do carbonizado de carvao em gas de síntese 34. (O forno de reformação por vapor de terceiro estágio 33 nesta aplicação terá de ser um forno rotativo, a fim de processar a alimentação de carvão sólido).
Claims (14)
1. Método para reformar material carbonáceo por vapor em gás de síntese, caracterizado pelo fato de que compreende: alimentar uma entrada de material carbonáceo a um forno rotativo de reforma por vapor; submeter a agitação o material carbonáceo utili-zando-se o forno rotativo de reforma por vapor; aquecer externamente o forno rotativo de reforma por vapor para aquecer o material carbonáceo dentro do forno rotativo a uma temperatura de reforma elevada na faixa de 650 a 1100°C na presença de água ou de vapor, e sem a adição de dióxido de carbono, e em que o forno rotativo de reforma por vapor é selado da atmosfera para evitar a entrada de ar ou oxigênio; e reformar o material carbonáceo de forma tal que o material carbonáceo é submetido a conversão utilizando apenas uma reação de reforma por vapor para formar gás de síntese compreendendo principalmente hidrogênio e monóxido de carbono e uma quantidade mínima de escória sólida inerte.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de pré-aquecer ou secar o material carbonáceo pela passagem do material carbonáceo através de um pré-aquecedor antes de ser alimentado ao forno rotativo de reforma por vapor.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material carbonáceo é alimentado continuamente ao forno rotativo de reforma por vapor utilizando-se um trado ou transportador de parafuso.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cal comercial e/ou um bicarbonato de soda é adicionado aos materiais carbonáceos dentro do forno rotativo de reforma por vapor de maneira a reagir com e remover a presença de halogênios dentro do material car-bonáceo.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que vapor de alta temperatura é alimentado continuamente a base da tremonha de alimentação do forno rotativo a fim de purgar ar do material carbonáceo que foi alimentado por meio de um trado de parafuso no forno de reforma por vapor.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que água ou vapor está presente em excesso (acima das quantidades estequiométricas) suficiente para converter todo o material carbonáceo em gás de sintese e para elevar ao máximo a relação de H2/CO no gás de sintese formado durante a reação de vapor.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material carbonáceo é metano.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material carbonáceo é metano de aterro obtido a partir de um local de aterro próximo ao forno rotativo de reforma por vapor.
9. Método para reformar material carbonáceo por vapor, caracterizado pelo fato de que compreende: alimentar uma entrada de material carbonáceo em um forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; submeter a agitação o material carbonáceo utilizando o forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; aquecer o material carbonáceo dentro do forno rotativo de primeiro estágio a uma temperatura de reforma abaixo daquela em que materiais metálicos serão vaporiza-dos, na faixa de 550 a 650°C, na presença de água ou vapor, e sem a adição de dióxido de carbono; reformar o material carbonáceo à temperatura de reforma de forma tal que o material carbonáceo é submetido a uma conversão parcial por meio de uma reação de reforma por vapor para formar uma corrente de sólidos, que consiste de carbonizado de carvão e escória sólida inerte, e uma corrente de materiais gasosos; alimentar os materiais gasosos em forno de reforma por vapor de segundo estágio, aquecer a corrente de materiais gasosos a uma temperatura de reforma elevada de 850-1100°C na presença de vapor ou água; reformar a corrente de materiais gasosos à temperatura de reforma elevada de forma tal que a corrente de materiais gasoso é submetida a conversão por meio de uma reação de reforma por vapor para formar gás de síntese; e separar o carbonizado de carvão da escória sólida inerte para vendas diretas ou sequestro de carbono.
10. Método para reformar material carbonáceo por vapor, caracterizado pelo fato de que compreende: alimentar uma entrada de material carbonáceo em um forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; submeter a agitação o material carbonáceo utilizando o forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; aquecer o material carbonáceo dentro do forno rotativo de primeiro estágio a uma temperatura de reforma abaixo daquela em que materiais metálicos serão vaporiza-dos, na faixa de 550 a 650°C, na presença de água ou vapor, e sem a adição de dióxido de carbono; reformar o material carbonáceo à temperatura de reforma de forma tal que o material carbonáceo é submetido a uma conversão parcial por meio de uma reação de reforma por vapor para formar uma corrente de sólidos, que consiste de carbonizado de carvão e escória sólida inerte, e uma corrente de materiais gasosos; separar o carbonizado de carvão da escória sólida inerte; alimentar o carbonizado de carvão e os materiais gasosos em um forno de reforma por vapor de segundo estágio; aquecer a corrente de materiais gasosos e carbonizado de carvão limpo a uma temperatura de reforma elevada de 850-1100°C na presença de vapor ou água; reformar a corrente de materiais gasosos e carbonizado de carvão à temperatura de reforma elevada de forma tal que a corrente de materiais gasosos e o carbonizado de carvão são submetidos a conversão por meio de uma reação de reforma por vapor para formar gás de síntese.
11. Método para reformar material carbonáceo por vapor, caracterizado pelo fato de que compreende: alimentar uma entrada de material carbonáceo em um forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; submeter a agitação o material carbonáceo utilizando o forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; aquecer o material carbonáceo dentro do forno rotativo de primeiro estágio a uma temperatura de reforma abaixo daquela em que materiais metálicos serão vaporiza-dos, na faixa de 550 a 650°C, na presença de água ou vapor, e sem a adição de dióxido de carbono; reformar o material carbonáceo à temperatura de reforma de forma tal que o material carbonáceo é submetido a uma conversão parcial por meio de uma reação de reforma por vapor para formar uma corrente de sólidos, que consiste de carbonizado de carvão e escória sólida inerte, e uma corrente de materiais gasosos; alimentar os materiais gasosos em um forno de reforma por vapor de segundo estágio; aquecer a corrente de materiais gasosos a uma temperatura de reforma elevada de 850-1100°C na presença de vapor ou água; reformar a corrente de materiais gasosos à temperatura de reforma elevada de forma tal que a corrente de materiais gasosos é submetida a conversão por meio de uma reação de reforma por vapor para formar gás de síntese; separar o carbonizado de carvão da escória sólida inerte; alimentar o carbonizado de carvão limpo em um forno de reforma por vapor de terceiro estágio; aquecer o carbonizado de carvão a uma temperatura de reforma elevada de 850-1100°C na presença de vapor ou água; e reformar o carbonizado de carvão à temperatura de reforma elevada de forma tal que o carbonizado de carvão é submetido a conversão por meio de uma reação de reforma por vapor para formar gás de sintese.
12 . Método para reformar material carbonáceo por vapor, caracterizado pelo fato de que compreende: alimentar uma entrada de material carbonáceo em um forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; submeter a agitação o material carbonáceo utilizando o forno rotativo de reforma por vapor de primeiro estágio; aquecer o material carbonáceo dentro do forno rotativo de primeiro estágio a uma temperatura de reforma abaixo daquela em que materiais metálicos serão vaporiza-dos, na faixa de 550 a 650°C, na presença de água ou vapor, e sem a adição de dióxido de carbono; reformar o material carbonáceo à temperatura de reforma de forma tal que o material carbonáceo é submetido a uma conversão parcial por meio de uma reação de reforma por vapor para formar uma corrente de sólidos, que consiste de carbonizado de carvão e escória sólida inerte, e uma corrente de materiais gasosos; alimentar os materiais gasosos em um forno de reforma por vapor de segundo estágio; aquecer a corrente de materiais gasosos a uma temperatura de reforma elevada de 850-1100°C na presença de vapor ou água; reformar a corrente de materiais gasosos à temperatura de reforma elevada de forma tal que a corrente de materiais gasosos é submetida a conversão por meio de uma reação de reforma por vapor para formar gás de sintese; e separar o carbonizado de carvão da escória sólida inerte e utilizar o carbonizado de carvão como um combustível para aquecer um ou os dois fornos de reforma por vapor de um estágio e de dois estágios.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de alimentar gás de sintese a uma célula de combustível, que pode acomodar uma reação de oxi-dação do gás de síntese para formar H20 e/ou C02.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que carbono pode ser sequestrado pela alimentação de qualquer excesso de C02 em uma estufa.
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