BRPI0807103A2

BRPI0807103A2 - Usina para a gaseificação de biomassa

Info

Publication number: BRPI0807103A2
Application number: BRPI0807103-9A
Authority: BR
Inventors: Giovanni Cappello
Original assignee: T S R L Ag
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2014-04-29
Also published as: US8695323B2; WO2008096379A1; PE20081415A1; EP2137282A2; CA2677267A1; WO2008096387A3; WO2008096387A2; EA200901072A1; US20100000224A1; EA015640B1; MX2009008414A; CN101715478A

Description

“USINA PARA A GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA” O objetivo da presente invenção é uma usina de gaseificação, particularmente um gaseificador e seu aparelho de filtração. O gaseificador é adaptado para produzir gás combustível das biomassas de diferentes origens. O aparelho de filtração é adaptado para purificar o gás combustível produzido pelo gaseificador.

As usinas para a gaseificação de biomassas, isto é, usinas adaptadas para produzir gás combustível partindo de biomassas, são conhecidas há muito tempo. A mais relevante fração da biomassa (80 - 98%) é composta de carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (OR), organizados em diferentes espécies de moléculas. A fração restante da biomassa (2 - 20%) é composta de outras moléculas e outros elementos inorgânicos, principalmente silício (Si), potássio (K), cálcio (Ca), magnésio (Mg).

De uma maneira por si conhecida, as reações principais que ocorrem durante a gaseificação são:

C + O2 CO2 (Combustão)

C + Vt. O2 CO (Oxidação parcial)

C + H2O (g) CO + H2 (Reforma do carvão)

C + CO2 2CO (Reação de Boudoard)

C + 2H2 CH4 (Metanação)

CO + H20(g) CO2 + H2 (Reação de deslocamento

Água/Gás).

Destas reações, na presença de ar, um gás (chamado o ‘gás produtor’) é obtido, que é composto de uma mistura consistindo aproximadamente de 50% N2, 20% CO, 15% H2, 10% CO2 e 5% CH4. Se as reações ocorrerem na ausência de ar, a mistura final não contém N2 e recebe o nome de “gás de síntese” ou Singás.

Vários tipos de usinas de gaseificação são conhecidas, que diferem na base da estrutura do reator, trajeto que o gás percorre dentro do reator, espécie de aparelho de filtração empregado etc.

As usinas de gaseificação de um tipo conhecido, entretanto, não são sem desvantagens.

As atuais usinas de gaseificação podem ser agrupadas em duas 5 categorias principais. As usinas da primeira categoria são na maioria construídas com objetivos experimentais, sendo caracterizadas por terem grandes dimensões (potências tipicamente acima de I MegaWatt) e empregam tecnologias avançadas. Estas dimensões e o fato de que elas são geralmente construídas em exemplares únicos tomam na verdade sua 10 comercialização impossível em larga escala.

As usinas da segunda categoria são caracterizadas por terem pequenas dimensões, empregarem tecnologias rudimentares e serem principalmente adaptadas para os contextos rurais de países em desenvolvimento. As tecnologias atrasadas destas usinas tomam na verdade seu emprego em larga escala impossível no mercado de energia do ocidente.

Nos anos 40 do século XX, usinas de gaseificação extremamente compactas foram construídas. Elas foram geralmente montadas sobre veículos motorizados, para compensar pela ausência de produtos derivados de petróleo. De fato, elas permitiram alimentar os motores de 20 combustão interna com madeira ou carvão. Estas usinas foram caracterizadas por terem pequenas dimensões, porém elas tinham fraca eficiência e produziam um gás de inaceitável qualidade para os padrões atuais.

Além disso, a biomassa vegetal, normalmente disponível para a alimentação dos gaseificadores, é com frequência contaminada por corpos 25 inorgânicos resistentes ao calor estranhos, tais como pedras, metais scarp etc. A construção de tais corpos estranhos envolve, nos reatores de gaseificação de um tipo conhecido, a obstrução da grade de que o gás é sujeito a sucção. A operação de manutenção para a remoção dos corpos estranhos e a resolução da obstrução requerem uma paralisação dos gaseificadores do tipo conhecido. Portanto, o objetivo da presente invenção é fornecer uma usina de gaseificação adaptada para superar pelo menos parcialmente as desvantagens observadas com referência a técnica anterior.

Particularmente, uma tarefa da presente invenção é prover uma usina de gaseificação com limitadas dimensões totais e capaz de produzir um gás combustível com um grau de filtração suficiente para ser usado também nos atuais e avançados motores de combustão interna.

Além disso, uma tarefa da presente invenção é prover uma usina de gaseificação capaz de assegurar um trabalho contínuo, também na presença de corpos estranhos dentro da biomassa de alimentação.

Este objetivo e estas tarefas são conseguidos por uma usina de gaseificação de acordo com a reivindicação 1 e através de um gaseificador de acordo com a reivindicação 46.

A fim de melhor entender a invenção e apreciar suas vantagens, algumas de suas formas de realização exemplares e não limitativas são descritas aqui abaixo, com referência aos desenhos anexos, em que:

A Fig. 1 é uma vista esquemática da Usina de acordo com a invenção no todo;

A Fig. 2.1 é uma vista esquemática seccional de um gaseificador de tiragem descendente de um tipo conhecido;

A Fig. 2.2 é uma vista seccional do gaseificador de acordo com a presente invenção;

A Fig. 3 é uma vista elevacional lateral de um aparelho de filtração similar àquele projetado com III na Fig. 1;

A Fig. 4 é uma vista em planta do aparelho de filtração da Fig.

3;

A Fig. 5 é uma vista da seção tomada ao longo da linha V-V

da figura 4;

A Fig. 6 é uma vista da seção tomada ao longo da linha VI-VI da figura 4; A Fig. 7 é uma vista do detalhe projetado com VIII na figura

5;

A Fig. 8 é uma vista detalhada da seção tomada ao longo da linha VIII-VIII na Fig. 4;

A Fig. 9 é uma vista do detalhe projetado com IX na Fig. 7;

A Fig. 10 é uma vista elevacional lateral de uma parte da Usina de acordo com a presente invenção no todo;

A Fig. 11 é uma vista em perspectiva da parte da planta da

figura 10;

A Fig. 12 é uma vista do detalhe projetado com XII na Fig.

2.2.

A Fig. 13 é uma vista lateral parcialmente seccionada de um aparelho de filtração similar àquele da Fig. 3;

A Fig. 14 é uma vista em planta do aparelho de filtração da

Fig. 13;

A Fig. 15 é uma vista da seção tomada ao longo da linha XV-

XVnaFig. 14;

A Fig. 16 é uma vista do detalhe projetado com XVI na Fig.

15;

A Fig. 17 é uma vista lateral elevacional de uma parte da usina de acordo com a presente invenção como um todo.

Referência será com frequência feita aqui abaixo aos conceitos de “topo”, “superior” e similares e, respectivamente, aos conceitos de “base”, “inferior” e similares. Estes conceitos são designados para terem o sentido inequívoco com referência à usina corretamente montada em ordem de funcionamento, portanto, sujeita à força de gravidade.

Será feita referência ainda, na descrição do trajeto de gás, aos conceitos de “a montante” e “a jusante”. Por “a montante” pretendemos significar uma posição relativamente próxima da abertura de alimentação do gaseificador, enquanto por “a jusante” pretendemos significar uma posição relativamente afastada da abertura de alimentação.

Nas figuras anexas, com a referência 100 é geralmente indicada uma usina de gaseificação de acordo com a presente invenção.

A usina 100 compreende um gaseificador 10 e um aparelho para filtração do gás 23.

O aparelho para a filtração 23 do gás compreende, por sua vez, um sistema 31 para lavar e resfriar o gás (este sistema 31 é também chamado “purificador”), um tanque 41 e pelo menos um filtro ou precipitador eletrostático úmido 51.

Particularmente, o purificador 31 fica em comunicação fluida com o gaseificador 10 e fica posicionado a jusante dele. O purificador 31 fica em comunicação fluida também com o tanque 41 e fica localizado a montante 15 dele. O purificador 31 é adaptado para injetar um líquido de lavagem no fluxo de gás saindo pelo gaseificador 10. Nas formas de realização descritas abaixo, é presumido que o líquido de lavagem é água, porém em outras possíveis formas de realização poderia também ser leite de cal, gasóleo etc.

O tanque 41 compreende uma área de base 414 adaptada para coletar o líquido de lavagem ou água e uma área de topo 415 fechada por uma tampa 45 e adaptada para conter o gás. O tanque é, portanto, adaptado para receber o gás e água pelo purificador 31 e para dividi-los por gravidade.

O precipitador eletrostático úmido 51 (também chamado WESP, ou filtro eletrostático úmido) fica em comunicação fluida com o tanque e fica a jusante dele. Particularmente, o precipitador eletrostático úmido 51 fica em comunicação fluida com a área de topo 415 do tanque, a fim de receber somente o gás retido ali.

De acordo com uma forma de realização, o gaseificador 10 compreende um reator 12 do tipo chamado de “tiragem descendente”, isto é, em que a biomassa é alimentada ao reator pelo topo, enquanto o gás é aspirado pela base.

Na Fig. 2.1 um reator conhecido do tipo de “tiragem descendente” é esquematicamente representado. O reator 12, que opera em uma posição vertical, compreende em seu lado de topo uma abertura 11 para a biomassa (B) e, sob algumas circunstâncias, para o ar (A). Ao longo do reator, o acúmulo da biomassa ocorre e, em seqüência, há uma seção (P) em que os fenômenos de pirólise ocorrem; uma seção de oxidação de alta temperatura (O), onde a combustão parcial da biomassa por meio do ar de combustão (AR) ocorre; e uma seção de redução (R), onde reações de gaseificação reais ocorrem.

O ar de combustão (AR) pode ser introduzido no reator 12 por meio de bocais adequados abertos no lado do corpo do reator ou diretamente pela abertura de reator 11 nos projetos de “núcleo aberto”.

Uma grade 125 tem a tarefa de suportar a biomassa dentro do reator 12. Durante a operação do reator 12, os gases de gaseificação, cinza e pós de carvão vegetal escapam pela grade 125 para a área de coleta 13 da parte base do corpo de reator 12.

O gás combustível (G) é direcionado para o aparelho de filtração 23, a jusante do gaseificador, em que o desempoamento, resfriamento e a remoção de alcatrão ocorrerão.

A cinza e carvão vegetal residuais são coletados em uma área de coleta adequada 13 na parte base do reator 12 e evacuados com sucesso.

Com referência à Fig. 2.2 anexa, uma forma de realização da usina gaseificadora de acordo com a presente invenção é descrita abaixo.

O gaseificador 10 compreende uma abertura de alimentação

11, de que uma carga da biomassa é possível; um reator de gaseificação 12 de um tipo de “tiragem descendente”; uma área de coleta 13, embaixo do reator

12, onde o carvão vegetal é separado pelo gás quente; e um parafuso 14 para a extração de carvão vegetal (mostrado na Fig. I, IOe 11). De acordo com uma forma de realização da invenção, o gaseificador 10 compreende também um sistema de evacuação automatizado para corpos estranhos. Na biomassa disponível para a alimentação do gaseificador 10, corpos estranhos estão quase sempre presentes, tais como pedras, restos de metais etc. A fim de evitar o acúmulo de tais corpos estranhos dentro do reator 12, um sistema de evacuação automatizado dos mesmos corpos estranhos foi provido.

O gaseificador 10, compreendendo o sistema de evacuação para os corpos estranhos, é descrito abaixo com referência às Figs. 1.2 e 12 anexas. O gaseificador 10 compreende o duto de carga 121 para alimentar o reator de gaseificação 12 com a biomassa; as paredes 122 do reator de gaseificação, produzidas em material refratário; uma pluralidade de camadas 123 de material isolante; um eixo 124 provido com pás horizontais 133 para a mistura planar da biomassa dentro do reator; uma grade 125, preferivelmente troncocônica, para suportar a biomassa dentro do reator; e um tampão 126, preferivelmente cônico, para fechar a parte inferior da grade troncocônica 125.

A configuração horizontal particular das pás 133 permite uma mistura eficiente da biomassa dentro das camadas únicas, sem provocar qualquer mistura entre as camadas adjacentes.

O formato troncocônico da grade 125, com uma inclinação descendente, facilita o deslizamento e acúmulo de quaisquer corpos estranhos na parte intermediária da grade.

O tampão cônico 126 é capaz de mover-se verticalmente, assim fechando e/ou abrindo a parte intermediária da grade troncocônica 125. Durante a operação normal do reator 12, o tampão cônico 126 fica em uma posição de fechamento, enquanto, em intervalos pré-ajustados, ele se move para uma posição de abertura, permitindo a evacuação dos corpos estranhos possivelmente acumulados no meio da grade.

O movimento vertical é imposto ao tampão cônico 126 pela alavanca 128, por sua vez movida por um servomotor adequado, que é periodicamente ativado a fim de realizar ciclos de limpeza.

De acordo com a forma de realização representada aqui, o

gaseificador 10 compreende ainda pás de limpeza 127 para a limpeza da grade 125.

Um controle sobre o decremento de pressão dentro do reator 12 permite estabelecer quando a grade troncocônica 125 começa a obstruir-se 10 pelo excessivo acúmulo de carvão vegetal e pó de cinza. Neste caso, o eixo 129 começa a girar, acionado pelo motor a engrenagem 130, fazendo com que as pás de limpeza 127 raspem a grade troncocônica 125. Com seu movimento rotacional, as pás 127 fazem cair na área subjacente a cinza e as partículas de carvão vegetal que obstruem a grade, enquanto auxiliando o deslizamento em 15 direção ao centro de quaisquer corpos estranhos que possam estar presentes dentro do reator 12.

De acordo com uma forma de realização do gaseificador 10, ele compreende outras pás 131, localizadas na área de coleta 13. Tais pás 131 são adaptadas para transportar o carvão vegetal, cinzas e corpos estranhos, 20 caídos durante os ciclos de limpeza da grade troncocônica 125, pelas pás 127 e durante extração dos corpos estranhos, devido à abertura do tampão 126. As lâminas 131 são integrais com o eixo 129 e giram com ele, transportando o carvão vegetal, cinzas e os possíveis corpos estranhos para um duto 132, para sua subsequente evacuação.

O gás saindo do reator de gaseificação 12 tem uma

temperatura de cerca de 700 0C e carvão vegetal e pós de cinza suspensos, e vapores de alcatrão. A fim de ser tomado utilizável (por exemplo, para a alimentação de uma motor de combustão interna), é preferível resfriar o gás a temperaturas abaixo de 50 / 60 0C, desempoar o gás e eliminar a fração de alcatrão que, durante o resfriamento, se condensa para formar um aerossol. A usina 100 de acordo com a presente invenção provê, a jusante do gaseificador 10, um aparelho de filtração 23, compreendendo um purificador 31, um tanque 41 e um precipitador eletrostático úmido 51.

De acordo com a forma de realização representada nas figuras anexas, o aparelho 23 para a filtração de gás é adaptado para submeter o gás a um processo de tratamento “a úmido”, em que o gás é resfriado via um purificador de água 31 (no presente caso, um purificador-venturi) e então filtrado das neblinas de alcatrão e das partículas, que permanecem suspensas através do uso de precipitadores eletrostáticos úmidos (ESP úmido, ou WESP).

De acordo com uma forma de realização, o aparelho 23 para a filtração do gás saindo do reator 12 compreende também um ciclone 21, localizado a montante do purificador 31 e adaptado para realizar um primeiro desempoamento do gás.

O ciclone 21 serve para o primeiro desempoamento do gás antes da subsequente limpeza “a úmido” do último. O ciclone, portanto, serve para diminuir a quantidade de sólidos aspirados pelo gás e, desta maneira, evita os subsequentes problemas de limpeza e acúmulo de pó nas seções da usina a jusante. O material empoeirado aprisionado pelo ciclone 21 é descarregado e evacuado por meio de um parafuso adequado 22.

O purificador-venturi 31 utiliza água como um fluido de limpeza e como um fluido de motor para o gás. Isso significa que uma injeção de água pressurizada no fluxo de gás cria uma sobrepressão adaptada para mover o mesmo gás ao longo da usina. A água é direcionada para o purificador 31 por um duto pressurizado especial 32 e é então injetada no fluxo de gás.

No purificador venturi 31, o gás quente e empoado vindo, através de um duto especial 33, do reator 12 ou, onde presente, do ciclone 21, entra em contato íntimo com o fluido de motor. Assim, o gás é resfriado, parcialmente privado do alcatrão do alcatrão que condensa durante o processo de resfriamento e ainda desempoado.

Na saída do purificador 31, um único tanque 41 é provido, em que também o precipitador eletrostático 51 descrito aqui abaixo é fixado. O tanque pode ser produzido, por exemplo, de aço, material polimérico ou outro material adaptado para resistência a corrosão por água contaminada.

A água e jato de gás saindo do purificador-venturi 31 separam- se por gravidade dentro do tanque 41. A água enche a área de base 414 do tanque 41, enquanto as neblinas de gás e alcatrão ocupam a área de topo 415 do tanque 41.

O gás que se separa do jato de água penetrando no tanque 41, vindo do purificador-venturi 31, pode livremente ocupar a área de topo 415 do tanque 41 entre a superfície de água e a tampa 45. O nível máximo de água dentro do tanque 41 é assegurado por um extravasamento 43, enquanto que o nível mínimo é assegurado por uma entrada de água externa 44, controlada por uma sonda ou bóia apropriada.

No lado de topo do tanque 41, por exemplo sobre a tampa 45, pelo menos um precipitador eletrostático 51 é fixado, de modo que a entrada do gás para o precipitador eletrostático ocorre no lado de topo do tanque.

O precipitador eletrostático 51 é um precipitador eletrostático “úmido” (ESP úmido); ele compreender pelo menos um tubo de seção transversal circular 511, verticalmente fixado no tanque 41.

Dentro do tubo 511, um eletrodo 52 é posicionado. Ele é localizado em uma posição central ao longo do eixo geométrico do tubo e é suportado por um tampão 53, feito de um material eletricamente isolante adequado.

De acordo com uma forma de realização, são providos tanto um sistema de limpeza automatizado da parede interna de tubo 511 como um sistema de limpeza de eletrodo intermediário 52. Em particular, na área de topo de cada tubo são providos os bocais 54, o que permite injetar água tangencialmente à circunferência interna do tubo 511, com a seguinte criação de uma película uniforme de água sobre a superfície interna do tubo. As partículas de alcatrão e pó que, atraídas pelo campo elétrico dentro do precipitador, são dirigidas para a parede do tubo

511, são continuamente lavadas pela película de água e caem dentro do tanque 41, embaixo.

Além disso, um bocal 55 é provido na parte base do tubo, localizado axialmente com o eletrodo intermediário 52 do precipitador. O bocal 55 serve para criar um forte jato de água que, projetando-se contra a superfície externa do eletrodo 52 por todo seu comprimento, da base ao topo, limpa-o de pó e partículas de alcatrão precipitados sobre ele.

O gás encontrado na área de topo 415 do tanque 41 pode livremente escoar dentro do tubo 511. Em seguida o gás corre pelo tubo 511, da base ao topo e, devido ao efeito exercido pela emissão de elétrons (efeito coroa) pelo eletrodo 52, é limpado da neblina de alcatrão e partículas sólidas residuais suspensas no gás.

As dimensões do tubo 511 definem a superfície ativa do precipitador 51, no sentido de que o gás é exposto durante a passagem. Junto com a intensidade do campo elétrico aplicado dentro do precipitador 51, as dimensões do tubo 511 definem, portanto, a potência de filtração do precipitador 51. Fixando-se a taxa de fluxo do gás a ser tratado, a potência de filtração do precipitador 51 define a qualidade final do gás tratado.

No que se refere ao comprimento do tubo 511, ele deve conciliar as necessidades relacionadas à potência de filtração do precipitador

51 com as necessidades logísticas de restrição de dimensão total. Em vista disto, o comprimento do tubo 511 varia preferivelmente de 1 m a 3 m. De acordo com a forma de realização representada nas figuras anexas, o tubo 511 é de cerca de 1,5 m de comprimento. Com referência ao diâmetro interno do tubo 511, também sujeito às necessidades logísticas da restrição de dimensão total, é preferivelmente abaixo de 30 cm, mesmo mais preferivelmente abaixo de 20 cm. Algumas outras considerações são informadas abaixo com referência à intensidade do campo elétrico.

De acordo com uma forma de realização, o tanque 41 compreende uma comporta de separação 42 nele. A comporta 42 é conectada à tampa 45 e às paredes do tanque 41, porém não é conectada a sua base. Desse modo, a comporta 42 somente separa a área de topo 415, ocupada pelo gás, em duas partes seladas e distintas 411 e 412, enquanto a água embaixo permanece livre para escoar por todo o tanque 41.0 gás que se separa do jato de água penetrando no tanque 41 vindo do purificador 31 pode livremente ocupar a área de topo da primeira parte 411 do tanque 41, que é criada entre a superfície da água e a tampa 45 do tanque 41 até a comporta 42.

Em uma tal forma de realização, a entrada do gás no precipitador eletrostático ocorre na primeira parte 411 do tanque 41, enquanto a saída do mesmo gás do precipitador eletrostático ocorre na segunda parte

412 do tanque, que é selantemente separada via a comporta 42.

Na figura 5, pode ser observado o aparelho 23 para a filtração do gás, equipado com tanque 41, purificador-venturi 31, comporta 42, dois precipitadores eletrostáticos 51, entradas para a entrada de água 44 e extravasamento 43.

Na forma de realização das figuras anexas, cada precipitador eletrostático “úmido” 51 é no formato de um “U” de cabeça para baixo. O precipitador único 51 consiste de dois tubos de seção transversal circulares 511 e 512, conectados entre si no lado de topo via um tubo horizontal 513. Os tubos 511 e 512 são verticalmente fixados no tanque 41, de modo que o tubo

511 fique diretamente conectado à área de topo 415 da primeira parte do tanque 411 e o tubo 512 fique conectado à área de topo 415 da segunda parte do tanque 412.

Como descrito acima, dentro de cada tubo é posicionado um eletrodo 52, em uma posição central ao longo do eixo geométrico, suportado pelo tampão 53. Além disso, são providos sistemas de limpeza para a parede interna do tubo e do eletrodo intermediário.

O gás presente dentro da primeira parte 411 do tanque 41 pode livremente escoar dentro do tubo 511. Em seguida o gás percorre o tubo 511 da base ao topo e, devido ao efeito exercido pela emissão de elétrons (efeito coroa) pelo eletrodo 52, ele é limpado da neblina de alcatrão e das partículas sólidas residuais suspensas no gás.

Uma vez alcançada a área de topo do tubo 511, o gás passa dentro do tubo de conexão horizontal 513, que conecta o tubo 511 ao tubo

512. Em seguida o gás, descendo pelo tubo 512, finalmente escoa para dentro da segunda parte 412 do tanque 41.

Na Fig. 5 e 7, uma seção de uma forma de realização do precipitador eletrostático 51 pode ser vista em detalhes. O formato particular do precipitador eletrostático 51, um “U” de cabeça para baixo, permite a dobragem do comprimento efetivo do precipitador, enquanto mantendo as dimensões totais limitadas. Em particular, na forma de realização ilustrada em que cada tubo 511 e 512 tem um comprimento de cerca de 1,5 m, o formato de “U” de cabeça para baixo permite a provisão de um comprimento efetivo do precipitador igual a cerca de 3 m.

De acordo com tal forma de realização, as seguintes partes podem ser observadas em particular: tubos 511 e 512; o eletrodo intermediário de alta voltagem 52; o tampão 53 para suportar o eletrodo 52; bocais 54 para o influxo da água de limpeza da parede interna de tubo; o flange 413 para fixação do precipitador 51 ao tanque 41; o bocal 55 para limpeza do eletrodo intermediário 52; e o tubo de adução 552 de água pressurizada para os bocais 55. A fim de obter-se o desejado efeito de filtração em função da taxa de fluxo do gás a ser tratado, entre o tubo 511, 512 eo eletrodo 52, uma intensidade de campo elétrico, preferivelmente variando de 1000 V/cm a 8000 v/cm, tem que ser provido. No presente caso, muitíssimo preferivelmente de cerca de 5000 V/cm.

Na forma de realização representada nas figuras anexas, o vão entre o eletrodo intermediário 52 e a parede interna do tubo 511 é de cerca de cm (diferença entre o raio interno do tubo e o radio do eletrodo). Consequentemente, a fim de obter-se o desejado efeito de filtração em tal forma de realização, entre o tubo 511, 512 e o eletrodo 52, deve haver preferivelmente um diferencial de potencial variando de 6000 V a 48.000 V, muitíssimo preferivelmente de cerca de 30.000.

Tais características do precipitador conformado em “U” de cabeça para baixo 51 controlam para assegurar o eficiente tratamento de uma

Λ

taxa de fluxo de gás de 75 m /h. O par de precipitadores 51, mostrado na Fig.

Λ

3, 5, 10 e 11, é portanto capaz de tratar 150 m /h. Para taxas de fluxo mais elevadas é possível adicionarem-se mesmo mais precipitadores 51 de acordo com uma abordagem modular.

A água pulverizada pelos bocais 54, para criar a película dentro dos tubos 511 e 512, filtra dentro do tanque 41, após fluir parede interna do tubo abaixo e coletar as impurezas.

Na Figura 8, uma seção de uma forma de realização dos bocais 55 para a limpeza do eletrodo intermediário 52 pode ser vista em detalhes.

De acordo com tal forma de realização, as seguintes partes podem ser particularmente observadas: o eletrodo intermediário 52; o flange

413 para a fixação ao tanque 41; a parede do tubo 511 do precipitador 51; os furos 561 e 562 respectivamente para a passagem do gás e da água do tanque 41 para o tubo 511 e vice-versa, o tubo de adução 552 da água pressurizada para o bocal 55; e o bocal 55. Nesta forma de realização particular, o bocal 55 é formado por uma luva 553 e por um cilindro 554 internamente fixado à luva 553. No lado de topo o cilindro 554 tem um diâmetro externo igual ao diâmetro do eletrodo

52 a ser limpado. O cilindro interno 554 e a luva 553, portanto, formam um bocal conformado em coroa circular de onde um jato de água oco pode originar-se que se projeta contra a superfície externa do eletrodo 52 durante os ciclos de limpeza.

A lavagem periódica do eletrodo 52 provoca uma interrupção instantânea da operação do precipitador eletrostático 51.

A água pulverizada pelo bocal 55 para limpar o eletrodo 52, após coletar as impurezas, penetra dentro do tanque 41.

Na Fig. 9, uma seção de uma forma de realização do tampão

53 pode ser vista em detalhes.

De acordo com tal forma de realização, as seguintes partes podem ser observadas em particular: o eletrodo intermediário 52; a parede do tubo 512; o flange de fixação 531; a primeira parte do tampão 532 fixada ao flange 531; a segunda parte do tampão 533 destinada ao suporte e centragem do eletrodo intermediário 52; e a terceira parte do tampão 535, integralmente fixada à segunda parte do tampão 533, que cobre e eletricamente isola o eletrodo 52 em relação a seu lado externo.

Particularmente, a primeira parte do tampão 532 é feita de um material que é isolante e resistente a temperaturas acima de 100 0C. Ela é fixada ao flange 531 via os parafusos 537.

Alojamentos 534 para aquecedores são obtidos na primeira parte do tampão 532. Tais aquecedores servem para trazer a superfície inferior do tampão, que fica em contato com o gás saturado de água passando através do precipitador, para temperaturas acima de 100 0C, de modo que a superfície acima mencionada é mantida seca a qualquer tempo. A superfície seca e o uso de materiais eletricamente isolantes asseguram um isolamento elétrico de longo prazo entre o eletrodo intermediário 52 e a parede do precipitador 512, apesar do elevado diferencial de potencial.

O eletrodo intermediário 52 é firmemente mantido em posição pela porca 539. Na segunda parte do tampão 533, um canal radial especial 538 é provido que permite a conexão do eletrodo 52 com um cabo de alta voltagem vindo do lado externo para alimentar o eletrodo.

Além disso, na segunda parte do tampão 533 os alojamentos para os parafusos 536 são providos para fixação da terceira parte do tampão 535, de modo que, por razões de segurança, ela não possa ser diretamente desmontada pelo lado externo, porém permaneça sólida com a segunda parte do tampão 533.

As Figs. 13 a 15 representam uma diferente forma de realização do aparelho de filtração de gás 23, enquanto a Fig. 17 representa a montagem de um reator 12 e um aparelho de filtração de gás 23 do tipo daquele das Figs. 13 a 15.

De acordo com esta forma de realização, o tanque 41, que é colocado imediatamente a jusante do purificador 31, não se estende embaixo do precipitador eletrostático 51, enquanto estando em comunicação fluida com ele. Como na forma de realização descrita acima com referência às Figs. l,3-6e 10-ll,o tanque 41 coleta a água de lavagem e o gás saindo pelo purificador 31 e separa-os por gravidade. Particularmente, a água de lavagem é coletada na área de base 414 e o gás é coletado na área de topo 415. A comunicação de fluido entre a área de topo 415 do tanque 41 e o precipitador eletrostático 51 permite alimentar o gás ao precipitador eletrostático 51. Ao contrário, diferente da forma de realização descrita acima, o tanque 41 da Fig. 13-14 não coleta a água de lavagem gotejando pelos tubos 511, 512 e eletrodos 52 dos precipitadores eletrostáticos 51. De acordo com esta forma de realização, um recipiente 410 é colocado embaixo dos precipitadores eletrostáticos 51.0 recipiente 410 é conectado à área de topo 415 do tanque por meio dos precipitadores eletrostáticos 51, porém não é conectado á área de base 414 do tanque 41. Desse modo, a água coletada na área de base 414 do tanque 41 e aquela coletada dentro do recipiente 410 não são misturadas entre si.

De acordo com a forma de realização da Fig. 13 a 17, o precipitador eletrostático 51 não compreende qualquer bocal para limpeza da parede interna do tubo 511, 512 (como o tipo de bocais 54 descrito acima) ou para limpeza do eletrodo intermediário 52 (como o tipo de bocal 55 descrito acima). Esta falta de bocais 54 e 55 é particularmente vista quando a Fig. 15 é comparada com a Fig. 7 descrita acima.

Particularmente, no precipitador eletrostático 51 da Fig. 13 a

17, a película de água sobre a superfície interna do tubo (película esta ficando na base da remoção de contaminante de WESPs) é criada e autonomamente auto-suprida. De fato, o gás soprando através dos precipitador eletrostático 51 compreende uma elevada quantidade de água, que é liberada pela biomassa na forma de vapor e gotículas microscópicas suspensas no gás, ou aerossol. Juntamente com as partículas de alcatrão e pó que são atraídas pelo campo elétrico, o aerossol de água é também transportado para as paredes dos tubos 511, 512. A água acumulada na parede do tubo forma uma película, que é suficiente para agarrar o alcatrão e pó e arrastar o último com ela para dentro do recipiente 410 embaixo.

Esta forma de realização, que não tem bocais e sistemas de limpeza para a parede interna do tubo 511, 512 e eletrodo intermediário 52, resulta em ser mais fácil e de custo mais eficaz do que as formas de realização descritas acima.

Além disso, a forma de realização das Figs. 13 a 17 utiliza uma quantidade de água da canalização principal que é dramaticamente inferior do que a da forma de realização descrita acima, com consideráveis vantagens em termos de meio-ambiente e ecologia. De fato a água da canalização principal é usada somente no purificador 31.

De acordo com uma forma de realização, ao sair do purificador 31a água é retirada do tanque 41, resfriada por meio de um trocador de calor 62 e recirculada no purificador 31.

Com esta forma de realização do precipitador eletrostático 51, um denso alcatrão é obtido saindo pelo recipiente 410, que é misturado com uma pequena quantidade de água. A água de lavagem não é, na verdade, coletada no recipiente 410, diferente do caso descrito acima, onde a água de processamento foi usada para lavar as paredes 511 e eletrodo 52 do precipitador 51. Nesta forma de realização, o recinto 410 somente coleta parte da água liberada da biomassa.

O alcatrão coletado no recipiente 410, quando não tiver sido interceptado e remetido para outros usos (impermeabilização, mulching (proteção de terrenos com palha), calafetação de cascos, tratamento anti- umidade para madeira etc.), pode ser realimentado ao reator 12. A quantidade de água que este alcatrão traz com ele é, de fato, muito baixa, tal como para evitar alterar o equilíbrio da reação. Como o alcatrão saindo do aparelho de filtração 23 pode ser realimentado dentro do reator 12, uma exploração completa da biomassa pode ser obtida e o problema de tratar os produtos residuais da usina 100 pode ser sensivelmente reduzido.

Como pode ser observado, na forma de realização da Fig. 13 e

14 o aparelho de filtração 23 compreende, em comparação com as formas de realização descritas acima, uma maior quantidade de precipitadores conformados em U 51, enquanto que o purificador 31 é disposto horizontal em vez de vertical.

Devido ao maior número de elementos 51 como representado na Fig. 13, 14 e 17, uma maior quantidade de gás produzido pelo reator 12 (vide na Fig. 17) pode ser tratada. Este reator tem, de fato, um maior tamanho do que o reator 12 descrito acima, com referência às Figs. IOe 11. De acordo com a abordagem modular descrita acima, os 16 precipitadores conformados em U-invertido 51 podem assegurar tratamento

O Λ

eficaz de no máximo 1200 m /h de taxa de fluxo, contra 150 m /h de taxa de fluxo em que o aparelho de filtração da Fig. 1, 3 - 6 e 10-11 é projetado.

De um ponto de vista funcional, o arranjo horizontal do purificador 31 (como ilustrado na Fig. 13 -14) é inteiramente equivalente ao vertical (como ilustrado nas Figs. 1, 3 - 4 e 10 - 11). Esta configuração horizontal pode trazer, em diversas formas de realização, numerosas vantagens logísticas. Por exemplo, ela pode implicar em uma redução do tamanho total da usina e/ou na obtenção de um trajeto mais linear para o gás a ser tratado.

De acordo com diversas formas de realização da usina 100 (por exemplo, a das Figs. 1, 10 e 11), o gás movido ao longo da usina (da saída do reator 12 para a unidade de utilização de gás 71) é simplesmente obtido pela sobrepressão gerada pelo purificador-venturi 31, como descrito acima.

De acordo com outras formas de realização mais complexas (por exemplo, aquela da Fig. 13 e 14), o movimento do gás ao longo da Usina é obtido por meio de sopradores adequados 34, que podem ser controlados, tal como para assegurar operação ótima da usina 100 e para atender às exigências da unidade de utilização de gás 71.

Na Fig. 16, uma seção de uma forma de realização do tampão

53 pode ser vista, que é diferente daquela descrita acima com referência à Fig. 9.

De acordo com esta forma de realização, particularmente, as seguintes partes podem ser vistas: o eletrodo intermediário 52; o revestimento 520 cobrindo a parte superior do eletrodo intermediário 52; a parede de tubo 512; o flange de fixação 531 inteiriço com a parede de tubo 512; a primeira parte do tampão 532 fixada ao flange 531; a gaxeta 570 interposta entre o flange de fixação 531 e a primeira parte do tampão 532, para obter-se um isolamento térmico adequado; a segunda parte do tampão 533, arranjada para suportar e centrar o eletrodo intermediário 52; e a terceira parte do tampão 535, que é firmemente fixada à segunda parte do tampão 533, que cobre e isola eletricamente o eletrodo 52 do lado externo.

Particularmente, a gaxeta 570 é feita de um material termicamente isolante, resistindo a temperatura superiores a 200 0C. O material de que a gaxeta 570 é feita é também precisa ter tais características mecânicas a fim de assegurar a continuidade estrutural entre a parede do tubo

512 e o tampão 53. Em vista do que foi citado acima, a gaxeta 570 pode ser feita de, por exemplo, mecanita (um material de multicamadas baseado em mica) ou cerâmica.

A primeira parte do tampão 532 é feita de aço e compreende uma seção similar à do tubo 512, provida com flanges de fixação em ambos suas extremidades. A primeira parte do tampão 532 é fixada ao flange 531 por meio dos parafusos 537 e fica, assim, em contato elétrico com a parede do tubo 512.

Em tomo da primeira parte do tampão 532 são dispostos aquecedores 571, que compreendem, por exemplo, resistências elétricas. Estes aquecedores 571 têm a função de trazer, pela exploração do princípio de radiação, a superfície interna do tampão 53, que fica em contato com o gás saturado de água passando através do precipitador, para temperaturas mais elevadas do que 100 0C, de modo que dita superfície permaneça seca a qualquer tempo.

O eletrodo intermediário 52 é firmemente retido em posição pela porca 539 e respectiva placa 579 e é isolado em sua extensão superior pelo revestimento 520. O revestimento 520 é feito de um material eletricamente isolante, resistindo à elevada temperatura operacional do tampão 53. O revestimento 520 pode ser, por exemplo, feito de cerâmica ou mecanita.

A superfície seca dentro do tampão 53, o uso de materiais eletricamente isolantes (mecanita ou cerâmica) e a cobertura da extensão superior do eletrodo 52 asseguram o isolamento elétrico entre o eletrodo intermediário 52 e a parede do precipitador 512 e/ou primeira parte do tampão 532 durante o tempo, apesar da alta diferença de potencial.

A segunda parte do tampão 533 e a terceira parte do tampão 535 são fixadas entre e na primeira parte do tampão 532 por meio dos parafusos 536. A segunda parte do tampão 533 e a terceira parte do tampão 535 são também feitas de um material isolante, tanto de um ponto de vista elétrico como de um ponto de vista térmico. Elas podem ser vantajosamente feitas de cerâmica ou mecanita.

Na terceira parte do tampão 535, um canal radial adequado 538 é provido, que permite que o eletrodo 52 seja conectado com um fio de alta voltagem do lado de fora, a fim de suprir o eletrodo.

Uma gaxeta plana 572 é interposta entre as segunda e terceira partes do tampão, o que evita a provisão de vãos nítidos, que podem dar origem a um arco elétrico entre os componentes energizados (a porca 539 e a respectiva placa 579) e o lado externo.

De acordo com algumas possíveis formas de realização, a usina 100 compreende um circuito 61 para o resfriamento da água que é gradualmente coletada no tanque 41.

De acordo com a forma de realização da usina 100 representada na Fig. 1, o circuito de resfriamento 61 compreende um trocador de calor 62 e uma torre de resfriamento 63. De acordo com algumas possíveis formas de realização, a usina 100 finalmente compreende uma unidade de utilização de gás 71.

De acordo com a forma de realização da usina 100, como representada na Fig. 1, a unidade de utilização de gás 71 compreende um motor de combustão interna 72 e um gerador 73, para a produção de energia elétrica. Particularmente, é adequadamente observado que a excelente qualidade do gás saindo da usina 100 de acordo com a presente invenção permite que a alimentação dos atuais motores altemantes (tanto como ciclo Otto como ciclo Diesel) e/ou dos motores a turbina de gás.

De acordo com outras formas de realização possíveis, a unidade de utilização de gás 71 pode compreender: queimadores e/ou refervedores para o aquecimento e/ou para a produção de água quente sanitária; tubos de distribuição para o transporte do gás em um sistema de distribuição; sopradores para a armazenagem de gás em cilindros ou tanques; unidades de filtração de gás via membranas moleculares ou filtros para o fracionamento do gás de gasogêneo em gases isolados que o compõem (H2, CO, N2 etc.); unidades para a produção de combustíveis líquidos via processos catalíticos, tais como o processo Fischer-Tropsch; e qualquer outro tipo de unidade de utilização de gás 71 por si conhecida.

Pelo que foi citado acima, deve ser entendido por aqueles hábeis na técnica como a Usina 100 e o gaseificador 100, de acordo com a presente invenção, superam as desvantagens observadas em relação à técnica anterior.

Em particular, deve ser entendido por aqueles hábeis na técnica como o aparelho 23 para a filtração do gás é extremamente compacto, eficiente e como sua realização é barata.

Além disso, deve ser entendido por aqueles hábeis na técnica que o gaseificador 10 pode assegurar um trabalho contínuo, sem ter-se que parar a operação para a remoção dos corpos estranhos. Deve ser entendido que as características específicas são descritas em relação às diferentes formas de realização da usina 100, com o objetivo de serem exemplificativas, porém não limitativas.

Entende-se que aqueles hábeis na técnica, objetivando satisfazer exigências contingentes e específicas, serão capazes de fazer mais modificações e variações na usina 100 e gaseificador 10, de acordo com a presente invenção, todas elas situando-se dentro do escopo de proteção da invenção, como definida pelas seguintes reivindicações.

Claims

1. Usina (100) para a gaseificação de biomassa, caracterizada pelo fato de compreender um gaseificador (20) e um aparelho (23) para a filtração do gás, compreendendo um purificador (31), um tanque (41) e um precipitador eletrostático úmido (51), em que: - o purificador (31) fica em comunicação fluida com o gaseificador (10) e com o tanque (41) e é adaptado para a injeção de um líquido de lavagem no fluxo de gás deixando dito gaseificador (10); - o gaseificador (10) compreende um reator de gaseificação (12) do tipo chamado de tiragem descendente e do tipo de núcleo aberto, isto é, em que a abertura (11) para a entrada da biomassa (B) é adaptada também para a entrada de ar (A); - o tanque (41) compreende uma área de base (414), adaptada para coletar o líquido de lavagem e uma área de topo (415), adaptada para conter o gás, o tanque sendo, assim, adaptado para receber o gás e o líquido de lavagem e para separá-los por gravidade; - o precipitador eletrostático úmido (51) fica em comunicação fluida com a área de topo (415) de dito tanque, tal como para receber somente dito gás.

2. Usina (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de dito líquido de lavagem ser água.

3. Usina (100) de acordo com qualquer reivindicação 4 a 6, caracterizada pelo fato de dito reator (12) seqüencialmente compreender uma seção (P), em que ocorrem os fenômenos de pirólise da biomassa; uma seção de oxidação de alta temperatura (O), em que ocorre a combustão parcial da biomassa, por meio de ar de combustão (AR) e uma seção de redução (R) onde ocorrem as reações de gaseificação da biomassa.

4. Usina (100) de acordo com qualquer reivindicação 1 a 3, caracterizada pelo fato de dito reator (12) compreender uma grade (125) para suportar a biomassa.

5. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de dito reator (12) compreender, na parte base, uma área (13) para a coleta da cinza e dos pós de carvão vegetal deixando a grade (125) junto com o gás quente.

6. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de compreender ainda um parafuso (14) para a extração do carvão vegetal da área de coleta (13).

7. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de dito gaseificador compreender um eixo (124) provido com pás horizontais (133) para a mistura planar da biomassa.

8. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato do aparelho de filtração (23) compreender também um ciclone (21) a montante de dito purificador (31).

9. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato do aparelho de filtração (23) ser adaptado para resfriamento do gás de cerca de 7OOoC para cerca de 50 / 60oC.

10. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de dito tanque (41) compreender um transbordamento (43) e uma entrada para água externa (44), controlados por uma sonda ou bóia apropriada, que são adaptadas para assegurar respectivamente o máximo nível e o mínimo nível de água dentro do tanque (41).

11. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de dito precipitador eletrostático (51) compreender pelo menos um tubo de seção transversal circular (511, 512) e um eletrodo (52) localizado em uma posição central ao longo do eixo geométrico do tubo (511, 512).

12. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de dito tubo (511, 512) ter um comprimento variando entre 1 m e 3 m, preferivelmente cerca de 1,5 m.

13. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de dito tubo (511, 512) ter um diâmetro interno abaixo de 30 cm, preferivelmente abaixo de 20 cm.

14. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizada pelo fato de dito eletrodo intermediário (52) ser suportado por um tampão (53) feito de material isolante.

15. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de dito tampão (53) compreender uma primeira parte (532) feita de material isolante e resistente a temperaturas acima de IOOoC.

16. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de dita primeira parte (532) de dito tampão (53) compreender aquecedores adaptados para trazer a superfície inferior do tampão (53), que fica em contato com o gás saturado de água, a temperaturas acima de IOOoC, de modo que a superfície acima mencionada permanece seca.

17. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, caracterizada pelo fato do campo elétrico gerado entre dito tubo (511, 512) e dito eletrodo intermediário (52) variar entre 1000 V/cm e 8000 V/cm.

18. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, caracterizada pelo fato do diferencial de potencial entre dito tubo (511, 512) e dito eletrodo intermediário (52) variar entre 6000 V e 48000 V.

19. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de dito tanque (41) 5 compreender uma comporta (42) na mesma, conectada à tampa (45) e às paredes, porém não à base do tanque (41), a fim de separar a área de topo (415) em uma primeira parte (411) e em uma segunda parte (412), ditas partes (411; 412) sendo distintas e seladas, enquanto a área de base (414) do tanque (41) permanece não dividida.

20. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato do purificador (31) ficar em comunicação fluida com a primeira parte (411) do tanque (41).

21. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato do precipitador eletrostático (51) ser conformado como um “U” de cabeça para baixo, compreendendo pelo menos um primeiro tubo vertical (511) e pelo menos um segundo tubo vertical (512), que são conectados entre si no lado de topo, via um tubo horizontal (513).

22. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato do primeiro tubo (511) ser diretamente conectado à área de topo (415) da primeira parte (411) do tanque (41), a fim de ser capaz de receber gás da mesma; enquanto o segundo tubo (512) é diretamente conectado à área de topo (415) da segunda parte (412) do tanque (41), a fim de ser capaz de alimentar gás na mesma.

23. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de compreender ainda, a jusante de dito aparelho para a filtração do gás (23), uma unidade de utilização de gás (71), compreendendo um motor de combustão interna (72), selecionado do grupo compreendendo: motores alternantes de ciclo Otto; motores alternantes do ciclo Diesel; e motores a turbina a gás.

24. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de compreender ainda um gerador (73) para a produção de energia elétrica mecanicamente conectada a dito motor de combustão interna (72).

25. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de ainda compreender uma unidade de utilização de gás (71) selecionada do grupo compreendendo: queimadores e/ou refervedores para o aquecimento e/ou para a produção de água quente sanitária; tubos de distribuição para o transporte de gás em um sistema de distribuição; sopradores para a armazenagem de gás em cilindros ou tanques; unidades de filtração de membrana e/ou filtros moleculares para fracionar o gás de gasogêneo; e unidades para a produção de combustíveis líquidos.

26. Usina (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de ainda compreender um circuito (61) para resfriar a água coletada dentro do tanque (41).

27. Usina (100) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de dito circuito de resfriamento (61) compreender um trocador de calor (62) e uma torre de resfriamento (63).

28. Usina (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender ainda um recipiente (410) sendo disposto embaixo do filtro eletrostático (51), em que o recipiente (410) é conectado à área de topo (415) do tanque (41) por meio do filtro eletrostático (51), porém não é conectado à área de base (414) do tanque (41), de modo que o líquido coletado dentro da área de base (414) do tanque (41) e aquele coletado dentro do recipiente (410) não sejam misturados entre si.

29. Usina (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de, ao sair do purificador (31), o líquido de lavagem é retirado do tanque (41), resfriado por meio de um trocador de calor (62) e recirculado dentro do purificador (31).

30. Usina (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender pelo menos um soprador (34), adequado para mover o gás ao longo da usina, o soprador (34) sendo capaz de ser controlado, de modo a assegurar operação ótima da usina (100).