BRPI1100004A2

BRPI1100004A2 - processo para reduÇço volumÉtrica de vinhaÇa a partir do aproveitamento do potencial energÉtico de gases de combustço oriundos da queima de biomassa em caldeiras

Info

Publication number: BRPI1100004A2
Authority: BR
Inventors: Mello Innocentini Murilo Daniel De; De Paula Nelia Alves; Rodrigo Latanze
Original assignee: Associacao De Ensino De Ribeirao Preto; Mello Innocentini Murilo Daniel De; De Paula Nelia Alves; Rodrigo Latanze
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2013-04-16
Also published as: WO2012092652A1

Abstract

PROCESSO PARA REDUÇçO VOLUMÉTRICA DE VINHAÇA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGÉTICO DE GASES DE COMBUSTçO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS. Um processo que permite simultaneamente ou alternativamente a redução volumétrica da vinhaça e o tratamento dos gases de combustão provenientes de caldeiras que utilizam biomassa como combustível.

Description

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"PROCESSO PARA REDUQAO VOLUWIETRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUST AO ORIUNDOS DA QU 曰 MA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS" CAMPO DA INVENgAO

Trata a presente solicitagao de Patente de Inver^ao de um inedito

"PROCESSO PARA REDUgAO VOLUMETRICA DE VlNHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS",

especialmente de um processo que permite simultaneamente ou alternativamente a redugao volumetrica da vinha^a e ο tratamento dos gases de combustao provenientes de caldeiras que utiIizam biomassa como combustivel. Como resultado, obtem-se dois produtos de alto valor agregado para ο setor sucroalcooleiro: uma corrente de vapor d'agua, que depois de condensada pode ser reutilizada na indCistria ou descartada como efluente, e uma corrente composta de vinhaga concentrada total ou parcialmente, rica em minerals e tambem em cinzas e fuligem coletados da combustao da biomassa na caIdeira1 podendo esse composto ser utilizado como biofertilizante. FUNDAMENTOS DA 丨NVENQAO

O processo de fabricagao de alcool etilico a partir da fermentag§o de materias-primas amilaceas e/ ou celulosicas, como qualquer outro processo industrial, gera subprodutos, residuos, efluentes e emissoes gasosas. Dentre tais res id uos destaca-se a vinhaga que sempre foi encarada como problema importante, nao so pelo seu elevado potencial poluidor，mas tambem pelo grande volume gerado (10 a 15 Iitros de vinhaga para cada Iitro de alcool produzido). Segundo a Uniao da

IndCistria de Cana-de-apiicar (UNICA)1 a produ^ao de etano no Brasil na safra 2008/ 4,90 75330 97400 38680 9500 1500 9070 33680 15000 24020 20,00 885 65 188 3852 1096 12 200 220 2300 2800 153

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S0lidos Suspensos Totais (mg/L)

S0lidos Suspensos Fixos (mg/L)

Sblidos Suspensos Vol^teis (mg/L)

Sblidos Dissolvidos Totais (mg/L)

Sblidos Dissolvidos Vol^teis (mg/L)

S6lidos Dissolvidos Fixos (mg/L)

Restduos Sedimentaveis (mg/L)

Nitrogenio (mg/L)

Nitrogenio amoniacal (mg/l_)

F0sforo Total (mg/L)

Potassio Total (mg/L)

C^lcio (mg/L)

Magn^sio (mg/L)

Ferro (mg/L)

S6dio (mg/L)

Cloreto (mg/L)

Sulfato (mg/L)

Sulfito (mg/L)

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2009 foi de 27.512.962 m3, ο que explicaria a enorme dificuldade e alto custo no seu tratamento.

A vinhapa έ ο residuo gerado durante a destilag^o do vinho proveniente da fermentagao no processo de produgao de alcool etilico a partir da cana-de-agucar, beterraba, milho, mandioca e outros caldos vegetais ricos em a^Cicares fermentesciveis.

A composigao da vinhaga depende de inCimeros par台metros de processamento, como a composigao da mat6ria-prima, a Iinhagem de Ievedura utilizada, os aditivos quimicos utiIizados para a preparagao do caldo, do tempo de fermenta5§o e qualidade do vinho e das caracteristicas do equipamento de destilag3o, dentre outros parametros.

Tabela 1 - caracteristicas tipicas da vinhaga proveniente da cana-de-apCicar Caracterizacao da vinhaga Minimo Medio Maximo

03^5 52136 60515 25253 2 £ 11

8

814

7

80 90

2 8 8 9 5 4 7 Etanol (% ν/ν) Levedura (% ν/ν) Glicerol (% ν/ν)

Em rela^ao ao processo que utiliza a cana-de-aqCicar como materia- prima, a vinha?a pode resultar da fermentagao de tres mostos de origens distintas:

> Mosto de melaqo - ο mosto e produzido a partir de um sub prod uto da produg§o do apucar, chamado melapo ou me I final;

> Mosto de caldo - ο mosto e produzido quando da utilizagao do caldo de cana, geralmente caldo miSto1 proveniente da extragao do segundo ao Ciltimo terno da moenda, como tambem ο caldo filtrado, oriundo da fiItra^ao de Iodo do tratamento de caldo;

> Mosto misto - ο mosto e produzido com mistura de caldo e melago. Em uma mesma safra, a vinhaga pode se a presenter em diversas categorias, resultante do uso de caldo, melago ou com mistura de caldo mais melago, dependendo do mix de produgao da planta. Normalmente, as industrias que tem perfil mais apucareiro produzem iilcool etilico somente com ο melago para maior aproveitamento do agucar presente no caldo, uma vez que ο melago ou mel final e ο esgotamento da centrifugagSo para a produgao do agiicar. De acordo com ο mercado, a produgao pode se inverter e a mistura de caldo com ο meIapo se torna frequente.

O poder poluente da vinhaga έ devido ao alto teor de materia organica, baixo pH, elevada corrosividade, presenga de cations alcalinos e alcalino terrosos e altos indices de demanda bioquimica de oxig^nios (DBO), alem de elevada temperatura na saida da etapa de destila^o 85 a 95°C). Por essa razao, a vinhaca έ considerada altamente nociva έ fauna, flora, microfauna e microflora das

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aguas doces. A elevada carga organica da vinhaga (DBO entre 7.000 e 75.000 mg/L) comparada ao esgoto dom6stico (DBO menor que 1.000 mg/L), impede que esse efluente Iiquido industrial possa ser alimentado in natura para tratamento em Estag5es de Tratamento de Efluentes (ETE)1 principalmente pela grande vazSo volumetrica.

A principal destinag§o da vinhaga, com ou sem tratamento, e a disposigao no solo por meio da fertirrigagao, substituindo em grande parte ο uso de fertilizantes. No Estado de Sao Paulo, a Companhia Ambiental do Estado de Sao Paulo apresenta a Norma CETESB P4 231/06 que estipula os crit6rios e procedimentos para ο armazenamento, transporte e aplicagao de vinhapa no solo. A concentra9ao maxima de potassio no solo nao deve exceder 5% da Capacidade de Troca Cationica (CTC). Quando este Iimite έ atingido, a aplicagao da vinha?a fica restrita a reposigao desse nutriente em fungao da extragSo media.pela.cultura, que 6 de 185 Kg de K2O por hectare por corte.

Apesar do poder poluente, de 92 a 96% da composigao massica da vinhaga in natura έ agua. O uso rotineiro da fertirrigagao da vinhaga in natura no solo esbarra, portanto, rios altos custos de transporte e bombeamento at6 as areas de planta^o, situadas cada vez mais distantes do ponto de gera^ao da vinhaga.

白 de interesse cientifico e tecnol0gico no Brasil1 grande produtor de etanol, ο desenvolvimento de tecnicas de tratamento, fracionamento e/ ou redug§o volum6trica da vinhaga que possibilitem:

> Separagao da frapao s0lida da vinhaga para reduzir ο volume dos nutrientes minerals a ser transportados para a fertirrigagao do solo, reduzindo custos

de transporte e insumos agricolas; da ‘fb “ Ks.—-..吞一-

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> Degradag§0 da materia org含nica da vinha^a, para que seu poder

poluente seja reduzido;

> Recuperagao da agua contida na vinhaga para seu reuso na indiistria

sucroalcooleira, preservando assim os recursos hidricos com uma menor capta^ao de agua para ο processo industrial.

Quando a vinhaga e concentrada ate cerca de 60% dos solidos totals, eia pode ser utilizada como fertilizante e rapao animal. Apos a concentrag§o, a vinhaga pode ser seca por atomiza?ao, sendo ο ρό obtido usado como complemento de rapao ou incinerada em caldeiras para a geragao de vapor e obtenp^o de cinzas potass icas para us ο como fertilizante. DO ESTADO DA TECNICA

A separagao da frapao mineral da vinhaga por tecnicas de precipita^ao, eletrocoagula㈡o, evapora^o’ secagem, incinera^o e/ ou filtragao tem sido abordada por diferentes autores na literatura bem como documentos de patentee.

O documento Pl 0809055-6 trata da concentra^ao da vinhaga atraves da sua pulverizagao em queimador torsional. Pelo fato da vinhaga apresentar baixo poder calorifico, a tecnica declara a necessidade de uso de combustivel auxiliar, como palha em ρό e outros, para suprir a energia necessaria para a evaporagao da agua contida na vinhaga. O processo de incinera^ao da vinhaga gera vapor, agua, energia termica e cinzas com alto teor de potassio para uso como fertilizante.

O documento Pl 0805597-1 trata do uso de elementos de prensagem e fittragao por osmose reversa para a retirada dos particulados solidos da vinhaga, reaproveitamento da agua recuperada e reutiliza^ao da torta formada como adubo organico ou ra?ao animal. Declara-se como vantagem a nao necessidade de consumo termico no processo e nem ο consumo ou geragao de vapor. O documento Pl 08006547-7 propoe a degradagao da fragao organica da vinhaga pela agao fermentativa de microorganistnos simbiontes denominados Kefir. Os beneficios da t6cnica incluem a redugSo drastica da DQO da vinhaga em pouco tempo, a geraqao de gases a formagao do precipitado rico em minerals e em biomassa do microrganismo, que depois de separado do processo pode ser destinado 白 alimentagao animal ou aduba?3o do solo. A t6cnica retatada ηδο inclui qualquer etapa termica de evaporagao, secagem ou incinerapSo, e tampouco atuagao concomitante de tratamento dos gases de combustao emitido pelas caldeiras.

O documento Pl 0706144-7 trata de processo biologico para

reciclagem da vinhaga e sequestro do gas carbonico gerado durante a queima do bagago de cana em caldeiras atraves do cultivo de algas el ou cianobacterias em tanques e/ ou biorreatores. As principals vantagens da tecnica incluem a captura do CO2, g^s do efeito estufa, a redugao de DBQ e/ ou DQO presente na vinhaga e concomitante produgao de biomassa alga丨 rica em Iipidios1 Citil para a produgao de oleos ou biodiesel.

O documento Pl 0705520-0 relata um processo integrado para a produgao concomitante de Iipideos e biodiesel por algas que utilizam a vinhaga e CO2 de destilarias de ^lcool como substrato para 0 seu crescimento, O documento Pl 0603286-9 propoe a redupao volumetrica da vinhaga

atraves de sucessivas eta pas de evaporagao e destilapao. Nao ha meng§o neste pedido ao reaproveitamento t6rmico ou concomitante tratamento dos gases de combustSo efluentes da caldeira.

O documento M U 8502073-7 trata de processo para a gera?§o e

comercializa^ao de cr^ditos de carbono pela queima de metano oriundo da biogestao da vinhaga. NSo έ mencionada etapa de evaporagao da vinha^a ou de tratamento de gases de queima de biomassa em caldeira.

O documento Pl 9304915-3 trata de processo para obtengao de calc^rio de vinhapa, a ser utilizado como corretivo de solo, sendo esse calcario composto de mistura de vinhaga, cal hidratada, fosso gesso e restos de animais e vegetais.

O documento de patente US 5.851.405 propoe um tratamento fisico na vinhapa, por meio de uma centrifugapao altamente eficiente na qual a vinhaga έ concentrada e os sais de potassio s§o removidos. Nao e proposta a etapa de evaporag§o da vinhapa ou de tratamento de gases de combustSo.

O documento US 6.022.394 reIara a clarificapao da vinhapa atraves da correpao de pH, com precipitagao e separagao de componentes inorganicos do seio da solugao. Nao έ proposta etapa de evaporagao da vinhaga ou de trata me ntos de gases de combustao.

ο documento US 5.760.078 relata a recupera^ao de componentes

valiosos da vinhaga atraves da adipao de sulfato de amonio, seguido de filtrapao e microfiltrapao para a concentraqao da vinhaga. Nao έ proposta etapa de evaporaqao da vinhaga ou de tratamento de gases de combustao

O documento US 6.770.757 relata m6todo de recuperar betaina, eritritol, inositol, sacarose, manitol, glicerol e aminoacidos de solutes residuais e caldos de cana-de-a^Cicar e de frutas atraves de resina de troca catifinica em coluna cromatogr^fica. Nao e proposta etapa de evaporagao da vinhaga ou de tratamentos

de gases de combustao.

Outra fonte impactante do meio ambiente em um complexo

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sucroalcooleiro έ a queima do bagago de cana nas caldeiras que gera como principals poluentes: material particulado (MP), monoxido e dioxiao de carbono e oxidos de nitrogenio. A utilizag3o do bagago como combustivel nas usinas e destilarias jd έ tradicional em todo ο setor, sendo respons^vel por auto-suficiencia nas demandas de energia t^rmica e eletromecanica. A palha retirada da cana no momento da colheita tamb6m vem sendo utilizada como combustivel juntamente com ο bagago. Ela pode ser recolhida diretamente no campo ou separada da indCistria atrav^s de sistema de Iimpeza a seco e posteriormente triturada para a obtenpSo de uma granulometria proxima a do bagago, desse mod ο nao interferindo no projeto das caldeiras. O baga?o e a palha sao queimados diretamente na caldeira, sem nenhum tratamento previo.

A emissSo de poluentes gasosos durante a queima de biomassa έ menor quando comparada ao uso de combustiveis fosseis. A emiss§o de oxidos de enxofre έ muito baixa devido a reduzida concentraqiao de enxofre na an^lise elementar do combustivel. Portanto1 pode-se afirmar que durante a operagao de caldeiras e fornalhas que usam biomassa como combustivel, ο controle de emissSo e geralmente Iimitado ^s instalagoes de equipamentos de coleta de particulado.

Na queima do bagago de cana nas caldeiras, a parte mais Ieve dos solidos residuais έ arrastada junto aos gases de exaustao, requerendo a instalag^o de sistemas de remogao dos solidos desses gases, para que os mesmos se enquadrem aos parametros de emissao exigidos pela Iegislagao ambiental brasileira, como estabelecidos pela resolugao CONAMA 382 de 2006. Os solidos ηδο arrastados pelos gases se depositam nos cinzeiros das caldeiras e tamb6m precisam ser removidos para evitar a obstrugao do equipamento e a perda de eficiencia.

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Para ο controle da poiuigao gerada sao atualmente utilizados Iavadores de gases que removem ο material particulado presente nos gases de combustSo atrav^s do contato direto com um Iiquido atomizado, geralmente ^gua tratada. Estes equipamentos apresentam alta eficiencia para contraIe da poluipao do ar e utilizam em media uma vaz^o de ^gua correspondente a 1,0 a 1,5 m3 de agua por tonelada de vapor gerado na caldeira, alem de contar com uma taxa de reposigao devido έ evaporagao, perdas e arraste de 5,0 a 7,5% do total da agua de entrada no Iavador de gases.

Os sistemas de Iimpeza dos gases efluentes das caldeiras que utilizam a via Limida (Iavadores de gases) sao os de conceppao mais simples, de menor investimento e de grande eficiencia. Nestes sistemas, a Iimpeza dos gases dos cinzeiros deve ser realizada com agua limpa. No caso de uma operagao em circuito fechado, a ^gua de lavagem, ap0s passar pelos Iavadores de gases, deve seguir para um sistema de tratamento para a separagao do materia丨 s0lido que foi removido dos gases e dos cinzeiros, a fim de permitir ο seu reciclo e evitar problemas de entupimentos de linhas, alem de desgastes em tubulagoes e em equipamentos. Os so lid os coletados no Iavador e sedimentadores sao dispostos na Iavoura como

fontes de minerals.

Ha uma grande variedade de geometrias de Iavadores no mercado, a maioria pode ser agrupada de acordo com ο mecanismo de coleta na qual ο gas contendo ο materia丨 particulado entra em contato com uma aspersao de gotas com as quais as particulas se chocam e depositam por difusSo. Dentre os tipos de lavadores, destacam-se os Iavadores Venturi, Iavadores torre de aspersao ou de nebulizaqiao (spray tower scrubber) e os lavadores de torre de recheio [packed bed scrubber).

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Nas torres de nebulizagao, ο tratamento dos gases e realizado apenas pela aspersao de ^gua no topo da torre enquanto ο g白s quente proveniente da caIdeira sobre atrav6s da torre. Quando a agua nao evaporada chega ao fundo da torre, esta e recirculada por meio de bombeamento para ο topo. Em torno de 7,5% da agua de entrada έ evaporada durante ο contato com os gases quentes, e por isso a reposipao desta ^gua deve ser constantemente realizada. A velocidade otima dos gases no Iavador tipo torre de borrifo situa-se entre 0,6 e 2,0 m/s, enquanto ο tamanho das gotas esta entre 0,5 e 1,5 mm. Ja no Iavador tipo Venturi1 a velocidade dos gases na garganta situa-se entre 40 e 130 m/s.

O documento Pl 0711726-4 trata de sistema antipoluente por Iavagem que promove resfriamento dos gases, remogao de fuligem e ^cidos emitidos por fontes poluidoras. NSo se reivindica ο uso ou tratamento concomitante de vinhaga neste pedido.

O documento Pl 0705526-1 relata uma combinasao de sistema Iavador de gases com tratamento biologico em circuito fechado de ^gua de lavagem. O sistema proposto caracteriza-se pela lavagem dos gases contaminados em torre verticalizada, onde a aeragao por nebulizap^o seriada, a formag§o de muiltiplas quedas de ^gua e formap^o de um Ieito fluidizado removem os contaminantes, enquanto provocam oxigenagao do fluido, compreendendo absorgao, condensagSo e interceptagao, com adsorg§o e biodegradagSo dos contaminantes, em circuito fechado de agua de lavagem e efluentes gerados. Nao se reivindica ο uso da t6cnica para a redu^ao volum^trica da vinhaga por agao termica de evapora^ao.

O documento M U 8402530-1 relata ο uso de Iavador tipo Venturi otimizadο para ser acrescentado ao sistema convencional de lavagem de gases de caldeiras a bagago. O sistema proposto maximiza a eficiencia de coleta dos

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particulados. NSo se reivindica ο uso da tecnica para a concomitante redu^ao volum^trica da vinha^a por ag^o termica de evaporagao.

O documento US 2009/0183632 relata como invento um Iavador baseado na combinag§o de mtiltiplos Venturis e que remove material particulado, gases ou Iiquidos de correntes gasosas. N§o se reivindica ο uso da t6cnica para a concomitante redu?§o volum^trica da vinhaga por agao termica de evaporagao.

Torna-se claro que no estado da arte nao existe tecnica antecipada que permita a redugao volum6trica da vinha^a por evaporagao com simultanea ag§o desse residuo Iiquido na coleta de materia! particulado em Iavadores de gases em caldeiras de biomassa.

io sumArio da invenqAo

Basicamente1 ο presente pedido de patente trata do reaproveitamento termico dos gases de combust台ο de caldeiras a bag ago para realizar a evaporagao da ^gua contida na vinhaga, ao mesmo tempo em que a vinhaga Iiquida pulverizada e utilizada como elemento de coleta do material particulado arrastado pelos gases da caldeira. Do contato entre a vinhaga pulverizada, in natura ou previamente tratada fisica, quimica ou biologicamente, e dos gases de combustao de biomassa emitidos pela caldeira em temperaturas de ate 290°C, obtem-se duas correntes com caracteristicas peculiares. Uma e a corrente constituida de vinhaga Iiquida concentrada ou seca, com elevado teor de s0lidos minerals, sejam eles oriundos da prbpria composigao quimica da vinhaga ou da fuligem arrastada da caldeira. A outra corrente corresponde ao vapor d'agua gerado pela evaporagao da vinhaga em contato com os gases quentes da combustao. Esse vapor e isento de particulas e depois de condensado pode ser reutilizado no processo sucroalcooleiro.

Assim, ο presente pedido prove uma tecnica de redugao volumetrica da

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vinhaga por agao termica de evaporagao, tend ο como fonte de calor os gases 12/22 φ、.…。‘ h η"

quentes de combust§o exauridos da caldeira de biomassa. Como resultado tem-se uma vinhaga concentrada com elevado teor de solidos totais.

O presente pedido tamb6m prove um processo auto-sustentavel de tratamento economico da vinhaga, uma vez que toda a energia termica necessaria para a evaporagao da ^gua contida na vinhaga e oriunda de gases quentes emitidos pela caldeira de biomassa e que seriam Iiberados sem recuperagao termica para a atmosfera.

O presente pedido prove ainda uma tecnica que realiza a coleta de material solido particuIado1 em particular fuligem e cinzas, arrastado pela corrente de gases de combustao oriundos da caldeira, tendo como elemento coletor a vinhaga

pulverizada em goticulas no equipamento.

O presente pedido prove igualmente uma tecnica de controle de polui9ao atmosferica para caldeiras de biomassa do setor sucroalcooleiro, tendo como Iiquido de Iavagem a vinhapa, residuo da etapa de destilagSo do vinho.

O presente pedido prove igualmente uma tecnica de controle de poiui9§o atmosferica para caldeiras de biomassa do setor sucroalcooleiro que nao necessita de ^gua tratada como Iiquido de Iavagem1 e tampouco de etapas de pre ou p0s-tratamento da agua tratada para reuso no processo ou descarte em ETE.

O presente pedido prove igualmente uma tecnica de recuperagao da agua contida na vinhaga in natura ou previamente tratada, por meio de etapas sucessivas de evaporagao, pelo contato com os gases de combustao da caldeira.

O presente pedido tamb6m prove uma tecnica que possibilita a produpao continua ou descontinua da vinhaga em ρό, por meio da remo^ao total da ^gua contida na vinhaga, bastando para isso a adequagao do balan?o termico do caior fornecido pela corrente de gases de exaustao da caldeira e ο calor necessario

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5 2 para a evaporagao da agua na corrente de vinhaga. O produto denominado de vinhapa em ρό έ constituido pela fra^ao de solidos minerals e org白nicos’ solCiveis ou suspensos, presentes na vinhaga Iiquida in natura ou previamente tratada e que e abordada pela tecnica anterior.

BREVE DESCRIQAO DAS FIGURAS

A Figura 1 ilustra um diagrama esquematico de uma modalidade da inven?ao em que um Iavador de gases tipo torre de borrifo ou torre de aspersao e utiIizado para promover ο contato direto entre a vinhaga e os gases de combust白ο da biomassa;

A Figura 2 ilustra um diagrama esquematico de outra modalidade da

invengao em que uma torre de nebulizagao por disco rotativo έ alimentada continuamente com vinhaga e com os gases de combustao de biomassa, com retirada simultanea de corrente de vinhaga concentrada e corrente de vapor de ^gua condensado;

a Figura 3 ilustra um diagrama esquematico de outra modalidade da

invengao em que um Iavador de gases tipo Venturi έ alimentado continuamente com vinhaga e com os gases de combustao de biomassa, com retirada simultanea de corrente de vinhaga concentrada e corrente de vapor de ^gua condensado;

A Figura 4 ilustra um diagrama esquematico de outra modalidade da

inven^o para a produgao de vinhaga em ρό em que uma torre de nebulizagSo por disco rotativo e alimentado continuamente com vinhaga e com os gases de combustao de biomassa.

A Figura 5 ilustra um diagrama esquematico de outra modalidade da invengSo para a concentragao de vinhaga em uma torre de nebulizagao por disco

rotativo ou por bico atomizador seguido de uma torre de borrifo que atua simultaneamente como resfriador {quencher) e condensador do vapor de agua e tambem como coletor secundario de particulas de fuligem e fumaga. DESCRIQAO DETALHADA DA INVENCiAO

O presente pedido refere-se a um processo de redu?ao volum6trica da vinhaga de diferentes origens e composigoes quimicas, residuo da indiistria sucroalcooleira, por meio de etapas de evaporagao e secagem cuja fonte termica sao os gases quentes oriundos da combustao da biomassa em caldeira.

O processo tambem permite a remog^o do material particulado sblido organico e inorganico arrastado nos gases emitidos da caldeira gerado pela combustao da biomassa, por meio do contato dire to das particulas com a vinha?a pulverizada na forma de goticulas no equipamento.

O principio utilizado para a redugao volum6trica da vinha^a baseia-se no fato que a corrente de gases efluente da caldeira contem energia termica suficiente para causar a evaporagao de parte ou todo da agua contida na vinha^a. por outro lado, ο principio desse pedido para ο tratamento dos gases da caldeira baseia-se no fato que Iavadores de gases em usinas de agCicar e ^lcoo丨 promovem ο contato direto de goticulas de um liquido, geralmente ^igua tratada, com ο sblido arrastado no aerossol. O presente pedido possibilita a substituigao da agua tratada por vinha9a na forma liquida, in natura ou previamente tratada, promovendo a Iimpeza dos gases de exaustao antes da sua emissao para a atmosfera.

O principio deste pedido baseia-se no fato de que para vaporizar em pressao atmosf^rica 1 kg de agua contida na vinhapa sao necess^rios entre 2250 e 2450 kJ de energia termica. Por outro !ado, ο calor sensivel removido de 1 kg de gases de combustao no seu abaixamento de temperatura em 1°C e da ordem de

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0,95 a 1,20 kJ. Assim, em media, cada 15 kg de gases de combustao resfriados em 150°C podem resultar na vaporizag§o de 1 kg de ^gua da vinhaga na temperatura de 100°C.

Mais particularmente, ο processo pleiteado ser甴 descrito tomando como referencia as figuras anexas que ilustram, mas ηδο Iimitam a ίηνβηςδο. a Figura 1 ilustra esquematicamente uma modalidade da invengao,

com redu9§o volumetrica da vinha^a e concomitante tratamento dos gases de exaustao da caldeira com uso de Iavador tipo torre de borrifo. Operacionalmentel a corrente de vinhaga in natura ou previamente tratada (L1) e alimentada, em temperatura ambiente ou superior, em uma torre cilindrica metiilica (T) dotada de uma ou mais segoes contendo bicos de atomizagao (D1) que puIverizam a vinhaga em fina nevoa, com goticulas variando entre 0,5 e 1 ’5 mm. Os gases de exaustao da caldeira de biomassa sao alimentados continuamente pela Iinha (L2) e fluem de modo ascendente e em contracorrente a nevoa de vinhaga. Durante a queda na torre (T)1 as goticulas de vinhaga aderem-se as particulas sblidas presentes no gas de exaustao, sendo estas coletadas e arrastadas para a base da torre (T). Ao mesmo tempo, ο calor contido nos gases e transferido para as goticulas que tern parte ou todo de sua agua evaporada. A Iinha (L3) refere-se assim a saida de corrente com vinhaga concentrada, com maior conteCido de s6lidos e menor conteOdo de ^gua do que a corrente (L1). A Iinha (L4) corresponde a corrente de vapor de agua evaporado na torre (T) e condensada no condensador (C).

A Figura 2 ilustra esquematicamente outra modalidade da invenpao, de opera?ao similar aquela da Figura 1, porem sendo a torre (T) dotada de dispositivo de pulverizagao das goticulas de vinha^a por disco atomizador (D2), comum na opera?So de secadores do tipo pulverizador (spray dryers).

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A Figura 3 ilustra esquematicamente outra modalidade da inveng§o, na qual ο contato direto necessdirio para a troca t6rmica e para a coleta de material particulado entre a Iinha de vinhapa in natura ou previamente tratada (L1) e a Iinha de alimentagSo de gases quentes e exaustao (L2) 6 realizado em um dispositivo tipo Venturi (D3). Neste caso, a torre cilindrica vertical (T) έ utilizada como separador de nevoa, para a coleta das goticulas de vinhaga concentrada. As Iinhas (L3) e (L4) referem-se respectivamente as correntes de vinhaga concentrada e ao valor d'dgua condensado no condensador (C).

A Figura 4 ilustra esquematicamente outra modalidade da inver^ao, para a produgao da vinhaga em ρό. A Iinha de vinhapa in natura ou previamente tratada (L1) έ pulverizada continuamente na torre vertical (T) por meio de um dispositivo tipo disco ou bico atomizador (D2). A Iinha de alimenta^ao dos gases quentes de exaustao contendo ou nao ο material particulado (L2) e realizada na forma concorrente na torre (T) ο tempo de residencia das goticulas e do gas permite a evapora^ao total da ^gua da vinhaga. A Iinha (L3) refere-se a corrente de saida de vinhaga em ρό, contendo particulas solidas secas ricas em compostos minerals e organicos contidos na vinhaga e de cinzas, fuligem e materials minerals ou carbon^ceos arrastados pelos gases de combustao. A Iinha (L7) corresponde 白 saida de vapor de eigua evaporado da vinhaga. As particulas s0lidas eventualmente arrastadas na Iinha (L7) sao coletadas em um separador tipo ciclone (S), saindo pela Iinha (L5). O vapor d'^gua isento de particulas (L6) έ condensado em um condensador (C) e retirado pela Iinha (L4). O presente pedido

ser^ ilustrado pelos seguintes exemplos, os quais nSo devem ser considerados Iimitativos ao mesmo.

EXEMPLO 1

25

!lustra a aplicabilidade do equipamento tipo torre de borrifo para C> 'Λ· 17/22 \、P π

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promover a troca t^rmica e coleta de particulas entre correntes de vinhapa e de gases provenientes da queima de biomassa, conforme ilustrado na Figura 1. Uma corrente de 40 m3/ h de vinhaga in natura, efluente do processo sucroalcooleiro e previamente resfriada em trocador de calor el ou torre de resfriamento deve ser concentrada de acordo com ο processo aqui pleiteado. A vinhaga in natura apresenta caracteristicas fisico-quimicas dentro das faixas estipuladas na tabela 1’ contendo 2,5% em base massica de sblidos totais e temperatura de 30°C que corresponde 白 temperatura da vinhaga ja nas bacias de sedimenta^ao. O calor especifico da vinhaga nessas condigoes situa-se entre 4180 e 4200 J/kg.°C, enquanto ο seu calor Iatente de vaporiza9§o na pressao atmosf6rica de 760 mmHg έ comparavel ao da agua, na faixa entre 2270 e 2450 kJ/kg. A vinhaga έ alimentada, conforme Figura 1, atraves da Iinha (L1) e do dispositivo de pulverizagao (D1), na forma de goticulas com de 0,5 e 2,0 mm de diametro. Uma corrente de 300.000 m3/h de gases de combustao, na temperatura de 290°C, com densidade de 0,58 kg/m3 e contendo 2.000 mg/m3 de s0lidos em suspensao e alimentada na torre (T) atraves da Iinha (L2). A velocidade de ascensao dos gases na torre situa-se entre 0,5 e 5,0 m/s. Os sblidos do aerosso丨 apresentam densidade entre 1.200 e 2.700 kg/m3 e tamanho de particulas variando entre 1 e 500 pm, conforme distribuigao normal. O calor especifico medio dos gases de combustao varia entre 950 e 1200 J/kg.°C. Pelo contato direto entre gases quentes e vinhaqa Iiquida pulverizada, ocorre a transferencia termica entre as correntes, de mod ο que os gases de combustSo s§o resfriados de 290°C para 105°C e saem pela Iinha (L4). A perda de calor sensivel durante ο resfriamento da corrente de gases de combustao equivale no presente exemplo a uma carga termica de 8,6 MW1 suficiente para aquecer tod a a corrente de

vinhaga que entra em (L1) de 30°C para 100°C e para evaporar 8,6 m3/h dessa corrente. Dessa forma, tem-se uma redu^ao volum^trica de vinhaga de 40 para 31,4 m3/h («21,5%), com a recuperagao de vapor d'agua condensado em vazao de 8,6 m3/h na Iinha (L4). O teor de solidos da vinhapa concentrada que sai pela Iinha (L3) e de 5,4% em massa.

EXEMPLO2

Uma corrente de 40 m3/h de vinhaga in natura, com caracteristicas fisico-quimicas identicas ao do exemplo 1, porem em temperatura de 95°C, normalmente obtida na saida da coluna de destilagSo e alimentada no sistema esquematicamente ilustrado na Figura 1, atraves da Iinha (L1) e do dispositivo (D1), na forma de goticulas com diametro entre 0,5 e 2,0 mm. A corrente de gases de exaustao da Iinha (L2) a presents todos os parametros identicos aos da corrente do exemplo 1. Nesta condigao, a mesma carga termica de 8,6 MW cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C e suficiente para a evaporagao de 13,4 m3/h de agua, coletados apos passagem pelo condensador (C) na Iinha (L4). A redu9ao volumetrica da vinhaga neste exemplo e de 34%. A vinhaga concentrada efluente da Hnha (L3) apresenta teor de solidos de 6,3% em massa.

EXEMPLO 3

Este exemplo ilustra a aplicabilidade do tipo garganta Venturi para promover a troca termica e a coleta de particulas entre correntes de vinhaga e de gases provenientes da queima de biomassa. Uma corrente de 40m3/h de vinhaga in natura, com caracteristicas fisico-quimicas identicas as dos exemplos 1 e 2, em temperatura de 95°C e alimentada no sistema esquematicamente ilustrado na Figura 3, atraves da Iinha (L1) e do dispositivo (D3), na forma de goticulas com diametros entre 0,5 e 2,0 mm. A corrente de gases de exaustao na Iinha (L2) apresenta todos

os parametros identicos aos da corrente do exemplo 1. Nesta condiQSo’ a mesma 老 .

Bis.

carga termica de 8,6 MW cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C έ suficiente para a evaporagao de 13,4 m3/h de agua, coletados apbs a passagem pelo condensador (C) na Iinha (L4). A redugao volumetrica da vinhaga neste exemplo έ de 34%. A vinhaga concentrada efluente da Iinha (L3) apresenta teor de solidos de 6,3% em massa.

EXEMPLO 4

Uma corrente de 13,4 m3/h de vinhaga in natura e previamente tratada pela adigao de 200 kg/h de hidroxido de calcio, de modo que seu pH e eievado de 3,5 para 11,9. O teor de solidos dessa vinhaga passa de 2,5% para 4,0% em base m^ssica uimida. Tal vinhaga e alimentada em sistema de tratamento conforme ilustrado na Figura 4 atraves da Iinha (L1) e do dispositivo (D2), na forma de goticulas com di合metro entre 0,05 e 0,50 mm. Uma corrente de gases de exaustSo da caldeira de biomassa, com vazao de 300.000 m3/h e temperatura de 290°C e alimentada no sistema pela Iinha (L2). Nesta condipao, uma carga termica de 8,6 MW έ cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C, suficiente para evaporagao de toda a agua contida na vinhaga. Como resultado tem-se a forma^ao de 563 kg/h de s0lidos secos da vinhaga, coletados na base da torre (T) de atomizagao pela Iinha (L3) e na base do separador tipo ciclone (S) pela Iinha (L5). O vapor d'agua removido da vinhaga e recuperado em fase Iiquida em vaz§o de 13,4 m3/h na Iinha (L4) apos passagem pelo condensador (C).

EXEMPLO5

Uma corrente de 600 m3/h de vinhaga in natura, efluente do processo de destilagao do vinho e previamente resfriada em trocador de calor deve ser concentrada de acordo com ο processo proposto. A vinhaga apresenta

caracteristicas fisico-quimicas tipicas dentro das faixas estipuladas na tabela 1’ 鈕N ,'θ' k Si 铯

20/22 地.一亡…

contendo 2,5% em base m^ssica de s6lidos totais e temperatura de 30°C. O calor especifico da vinhaga nessas condigoes situa-se entre 4.180 e 4.200 J/kg.°C, enquanto seu calor Iatente de vaporizagao na pressao atmosferica de 760 mmHg e comparavel ao da dgua, na faixa entre 2.270 e 2.450 kJ/kg. A vinhaga e alimentada no sistema esquematicamente conforme ilustrado na Figura 1’ atraves da Iinha (L1) e do dispositivo (D2), na forma de goticulas com diametro entre 0,5 e 2,0 mm. Uma corrente de 300.000 m3/h de gases de combustao, na temperatura de 290°C, com densidade de 0,58 kg/m3 e contendo 2.000 mg/m3 de solidos em suspensao e alimentada na torre (T) atraves da Iinha (L2). A velocidade de ascensao dos gases na torre situa-se entre 0,5 e 3,0 m/s. Os solidos do aerossol apresentam densidade entre 1.200 e 2.700 kg/m3 e tamanho de particulas variando entre 5 e 500 μ, conforme uma distribuigao normal. O calor especifico medio dos gases de combustao varia entre 950 e 1.200 J/kg.°C. A perda de calor sensivel durante ο resfriamento da corrente de gases de combustao de 290°C para 105°C equivale a uma carga t6rmica de 8,6 MW1 neste caso suficiente apenas para elevar a temperatura da vinhaga Iiquida de 30°C para 42°C, sem formaqao significativa de vapor de ^gua. A torre (T) operar^i nesta situagao com uma razSo liquido-gas de 2 L de vinhaga por m3 de gas de combustao operando dentro da faixa tfpica de Iavadores de gases do tipo torre de borrifo, com efici^ncia superior a 90% na coleta do material particulado arrastado da caldeira. A corrente (L3) e composta de vinhaga em vazao prbxima de 600 m3/h, temperatura de 42。C contendo 2,6% de sblidos em base massica, devido a coleta de 650 kg/h de material particulado ό base de fuligem, cinzas e areia. A corrente (L4) sera constituida de gas de combustao em temperatura de 105°C, sem qualidade apreciavel de vapor de agua ou de material

particulado, podendo ser emitido para a atmosfera apbs passagem no condensador (C).

EXEMPLO6

Este exemplo ilustra a aplicabilidade de sequencia de torres de pulverizag^o que dispensa ο uso de condensadores convencionais para recuperar ο vapor de ^gua removido da vinhaga. Uma corrente de 10 m3/h de vinhapa in natura, com caracteristicas fisico-quimicas tipicas da Tabela 1, em temperatura de 95°C, 6 alimentada na torre de nebulizagao (T1) esquematicamente ilustrada na Figura 5, atraves da Iinha (L1) e do dispositivo de pulverizagao (D1), na forma de goticulas com diametro entre 0,1 e 2,0 mm. A corrente de gases de combustao alimentada na Iinha (L2) apresenta vazao de 150.000 m3/h, temperatura de 290°C, calor especifico de 1.100 J/kg.°C e aerossol com os parametros fisicos identicos aos do exemplo 1. Nesta condig§ot uma carga termica de 4,3 MW cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C e suficiente para aquecer toda a corrente Iiquida de 95 para 100°C e para promover a evapora^ao de 7,8 m3/h de ^gua, ou seja, de 78% do conteuido volumetrico da vinhaga in natura alimentada no sistema. A corrente (L3) έ assim composta de vinhaga concentrada em vazSo de 2,2 m3/h, contendo ainda s0lidos suspensos e parte das particulas de fuligem ou fumaga coletados na torre (T1). A corrente L7, composta de gases de combustao parcialmente Iavados e vapor de agua evaporada na torre (T1), e alimentada em uma segunda torre de borrifo (丁2) em sentido ascendente. A torre (丁2) tem a fung§o de resfriar os gases da Iinha (L7) e condensar ο vapor arrastado. Para isso, uma corrente de agua (L5) έ alimentada atraves de bicos atomizadores no topo da torre (丁2) e ο contato t6rmico promove uma redugao de temperatura de 105°C para 50°C. A corrente (L4) corresponde aos gases j甴 Iavados e com parte da umidade condensada. A corrente (L6) corresponde ao Iiquido de Iavagem compost。de ^gua1

m

, >〈

vapor de dgua condensado e material particulado coletado na torre (T2). Essa corrente έ envidada a sedimentador, no qual έ separada a lama de solidos (L9). Parte da ^gua clarificada έ retornada ao Iavador (T2) e parte έ descartada ou

rautilizada

na

planta

(L8).

Claims

1. "PROCESS。PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VlNHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COWIBUSTAO OWUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", caracterizado por reduzir ο volume da vinhaga proveniente dos processos sucroalcooleiros por meio de vaporiza^ao termica total ou parcial da agua contida em sua composigSo.

2. “PROCESSO PARA REDUQAO VOLUW^TRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUST AO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindicagao 1, caracterizado por reduzir 0 volume da vinhaga in natura ou submetida a tratamento previo do tipo fisico, quimico ou biologico.

3. "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ΕΝΕΡσέΤΙΟΟ DE GASES DE COMBUST AO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindicapoes 1 e 2, caracterizado por permitir a recupera9So da agua contida na vinha^a por meio de eta pas sucessivas de evapora^ao e condensa^ao.

4. "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUW^TRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindicagoes 1, 2 e 3, caracterizado por utilizar 0 gases quentes da caldeira de biomassa como energia termica para a evaporagao da digua da vinhaga;

5. "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE combustAo oriundos da queima de biomassa em caldeiras", de acordo com a reivindicapoes 1,2,3e4 caracterizado por permitir ο recolhimento do materia丨 particulado， como cinzas, fuligem e areia, arrastados pelos gases de combustao efluentes da caldeira de biomassa.

6.) "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENC1AL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindicagoes 1，2, 3’ 4 e 5’ caracterizado pela produgao de fertilizante em ρό pela remogao total da ^gua contida na vinhaga com concomitante 丨ncorporagSo de εόlidos particulados recuperados dos aerossois emitidos das caldeiras de biomassa.

7.) "PROCESSO PARA REDUgAO VOLUW^TRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindicagoes 1, 2’ 3’ 4, 5 e 6 caracterizado por prover ο contato direto das goticulas de vinhaga com as particulas dos aeross6is emitidos pela caldeira de biomassa, no tratamento a Cimido para controle de emissoes.

8.) "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindicagoes 1, 2, 3, 4, 5 e 6 caracterizado por utilizar 丨avadores de gases do tipo torre de borrifo ou tipo Venturi1 secadores de atomizag§o para promover ο contato direto entre a vinhaga e os gases de combustao das caldeiras.

9.) "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDE1RAS", de acordo com a reivindicag5es 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 caracterizado por promover ο contato de uma corrente de vinhaga Iiquida (L1), in natura ou previamente tratada, com uma corrente de gases de combustao de caldeira de biomassa (L2) em uma torre vertical (T) dotada de dispositivos de atomiza^ao, tipo bico pulverizador (D1) ou disco atomizador (D2).

10. "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VlNHAQA A PARTIR DO APROVE1T AMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindica90es 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 caracterizado por alimentar a vinhaga, in natura ou previamente tratada, a torre vertical (T) dotada de dispositivos de atomiza9§o, tipo bico pulverizador (D1) ou disco atomizador (D2) e apos tempo de contato suficiente, recuperar a vinhapa concentrada em (L3) e ο vapor de ^gua condensado em (L4).

11. "PROCESSO PARA REDUQAO VOLUMETRICA DE VINHAQA A PARTIR DO APROVEIT AMENTO DO POTENCIAL ENERGETICO DE GASES DE COMBUSTAO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", de acordo com a reivindicagoes 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 e 11 caracterizado por alimentar os gases de combustSo provenientes da queima de biomassa (L2) a uma torre vertical (T), dotada de dispositivos (D1 ou D2) para aspersao da vinhaga Iiquida para remogao de particulas do aerossol, passiveis de serem recuperadas em (L3) bem como recuperapao do vapor d'^gua em (L4) apos condensapao em (C).