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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCING A SOURCE OF THERMODYNAMIC ENERGY BY CO2 CONVERSION FROM CARBON-CONTAINING RAW MATERIALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/091489
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention consists in a method and system for generating electricity by CO2 conversion from carbon-containing raw materials. It comprises a step in which the carbon-containing raw material is gasified by a gaseous stream essentially containing CO2, by a step in which the gaseous stream obtained after gasification is oxidised by oxygen carriers, and a step in which the thus obtained, deactivated oxygen carriers are oxidised. This method allows recovering the global energy generated by the totality of these steps in order to supply an electricity generation system such as an AC generator. The invention also relates to a system for carrying out the method.

Inventors:
GUYOMARC H RAYMOND FRANCOIS (FR)
BENSAKHRIA AMMAR (FR)
Application Number:
PCT/BR2010/000339
Publication Date:
August 04, 2011
Filing Date:
August 08, 2010
Export Citation:
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Assignee:
SEE SOLUCOES EN E MEIO AMBIENTE LTDA (BR)
GUYOMARC H RAYMOND FRANCOIS (FR)
BENSAKHRIA AMMAR (FR)
International Classes:
C10J3/80; B01J12/00; B01J23/00; C01B3/32; C10J3/00; C10J3/20; C12N1/12; F02B43/08; C12R1/89
Domestic Patent References:
WO2001068789A12001-09-20
Foreign References:
US20080078122A12008-04-03
US20080134579A12008-06-12
US20100132633A12010-06-03
Other References:
See also references of EP 2540806A4
None
Attorney, Agent or Firm:
ADVOCACIA PIETRO ARIBONI S/C (BR)
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Claims:
Reivindicações

1. Processo de produção de eletricidade a partir de matéria prima contendo carbono (C), dito processo sendo caracterizado pelo fato de compreender pelo menos uma iteração das etapas seguintes constituindo um ciclo de tratamento:

uma gaseificação em um primeiro reator (102), dito de gaseificação de matéria prima contendo carbono seca (C) com um fluxo gasoso de gaseificação (FGG) compreendendo C02 a alta temperatura, dita gaseificação fornecendo um primeiro fluxo gasoso (PFG) compreendendo essencialmente moléculas de monóxido de carbono (CO);

oxidação em um segundo reator (104) dito de oxidação por portadores de oxigénio no estado de óxido (MeO) das ditas moléculas de monóxido de carbono (CO) presentes no dito primeiro fluxo gasoso (PFG), a dita oxidação fornecendo um segundo fluxo gasoso (DFG) em alta temperatura contendo C02 e portadores de oxigénio em estado reduzido (Me);

ativação em um terceiro reator (106) dito de ativação, dos ditos portadores de oxigénio em estado reduzido (Me) com um fluxo gasoso (FA) dito de ativação, compreendendo elementos de oxigénio (O), a dita oxidação fornecendo portadores de oxigénio em estado de oxido (MeO) e um fluxo gasoso de ativação pobre em oxigénio a alta temperatura (FAA); e

conversão em eletricidade de pelo menos uma parte da energia térmica do dito fluxo gasoso de ativação empobrecido de oxigénio a alta temperatura (FAA).

2 . Processo, segundo a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que, antes da etapa de valorização, uma parte da energia térmica gerada quando da gaseificação é transferida ao fluxo gasoso de ativação pobre de oxigénio (FAA).

3. Processo, segundo qualquer uma das reivindicações 1 ou

2, caracterizado pelo fato de que a valorização compreende uma etapa de transferência de pelo menos uma parte da energia térmica do dito fluxo gasoso de ativação pobre de oxigénio (FAA) a um fluido (FGE) dito de geração de eletricidade fornecido a um dispositivo conversor para a produção de eletricidade.

4. Processo, segundo qualquer uma das reivindicações 1 a

3, caracterizado pelo fato de compreender além disso uma recuperação de energia térmica residual do dito fluxo gasoso de ativação pobre de oxigénio (FAA) pelo menos uma parte da dita energia térmica residual sendo transferida ao fluxo gasoso de gaseificação (FGG) utilizado no ciclo de tratamento seguinte.

5. Processo, segundo qualquer uma das reivindicações 1 a

4, caracterizado pelo fato de compreender uma etapa de elevação de temperatura da matéria prima contendo carbono (C) antes da gaseificação pela transferência de pelo menos uma parte da energia térmica do segundo fluxo gasoso (DFG) a alta temperatura à dita matéria prima contendo carbono (C).

6. Processo, segundo qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender uma reciclagem em circuito fechado de uma parte (DFG1 ) do C02 do segundo fluxo gasoso (DFG) para constituir o dito fluxo gasoso de gaseificação (FGG).

7. Processo, segundo qualquer uma das reivindicações de 3 a 6, caracterizado pelo fato de compreender, antes da etapa de ativação, um pré- aquecimento do fluxo gasoso de ativação (FA) com a energia residual do fluido de geração de eletricidade (FGE).

8. Processo, segundo qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de compreender o fornecimento de uma parte (DFG2) do segundo fluxo gasoso (DFG) a um bio-reator (202) contendo micro-algas, após refrigeração da dita parte (DFG2) do dito segundo fluxo gasoso (DFG), realizando as ditas micro-algas uma fotossíntese do C02 presente na dita parte (DFG2) do dito segundo fluxo gasoso (DFG), fornecendo o dito bio-reator (202) de uma parte um fluxo gasoso de oxigénio (F02) e de outra parte de biomassa de carbono (BC).

9. Processo, segundo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender uma recuperação e um tratamento da biomassa de carbono (BC) fornecida pelo bio-reator (202) em vista da gaseificação da dita biomassa (BC) no reator de gaseificação (102).

10. Processo, segundo qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de compreender a recuperação de pelo menos uma parte do fluxo gasoso de oxigénio (F02) gerado pelas microalgas e uma injeção de pelo menos uma parte do dito fluxo de oxigénio (F02) no reator de gaseificação (102) para complementar a gaseificação da matéria prima contendo carbono (C).

1 1. Sistema (100, 200) de produção de eletricidade a partir de matéria prima de carbono seca (C), caracterizado pelo fato de que o dito sistema compreende:

- um reator (102) de gaseificação de matéria prima contendo carbono (C) com um fluxo, gasoso de gaseificação (FGG) compreendendo C02 a alta temperatura, o dito reator (102) fornecendo um primeiro fluxo gasoso (PFG) compreendendo moléculas de monóxido de carbono (CO),

um reator (104) de oxidação por portadores de oxigénio em estado de óxido (MeO) das ditas moléculas de monóxido de carbono (CO) presente no dito primeiro fluxo gasoso (PFC), o dito reator de oxidação fornecendo um segundo fluxo gasoso (DFG) a alta temperatura compreendendo C02 e portadores de oxigénio em estado reduzido (Me), um reator (106) de ativação dos ditos portadores de oxigénio em estado reduzido (Me) com um fluxo gasoso (FA) compreendendo elementos de oxigénio (O), o dito reator (106) fornecendo portadores de oxigénio em estado de óxido (MeO) e um excedente de energia térmica,

um dispositivo (1 14) de geração de eletricidade a partir de pelo menos uma parte do dito excedente térmico da dita ativação.

12. Sistema, segundo a reivindicação 1 1 , caracterizado por conter meios mecânicos de transporte dos portadores de oxigénio do reator de oxidação ao reator de ativação e/ou do reator de ativação ao reator de oxidação.

13. Sistema, segundo qualquer uma das reivindicações 1 1 ou 12, caracterizado por compreender um circuito de reciclagem em circuito fechado de uma parte (DFG1 ) do C02 presente no segundo fluxo gasoso (DFG) como o fluxo gasoso de gaseificação (FGG).

14. Sistema, segundo qualquer uma das reivindicações de 1 1 a 13, caracterizado pelo fato do dispositivo de geração de eletricidade conter um turbo-alternador (1 14).

15. Sistema, segundo qualquer uma das reivindicações de 1 1 a 14, caracterizado por compreender um bio-reator (202) contendo microalgas ao qual é fornecida uma parte (DFG2) do C02 presente no segundo fluxo gasoso (DFG) as ditas microalgas realizando a fotossíntese do dito C02, fornecendo o dito bio-reator (202) de uma parte um fluxo gasoso de oxigénio (F02) e de outra parte, biomassa de carbono (BC).

Description:
Processo e sistema de produção de uma fonte de energia termodinâmica pela conversão de C0 2 a partir de matérias primas contendo carbono

A invenção se refere a um processo de produção de energia termodinâmica conversível (em eletricidade, etc.) a partir de matéria prima contendo carbono. Ela se refere igualmente a um sistema de execução de tal processo.

O campo da invenção é a produção de eletricidade a partir de matéria prima contendo carbono, e mais particularmente a partir de carvão e/ou biomassa seca.

A produção de eletricidade por dupla geração (co-geração) a partir da energia térmica obtida pela queima de matéria prima combustível contendo carbono é um processo conhecido e dominado pelos especialistas da matéria.

Esse processo consiste, na sua versão mais genérica em utilizar o calor da combustão da biomassa para aquecer um fluido que em seguida é utilizado em sistema de co-geração de eletricidade tal como, por exemplo, um turbo alternador.

Entretanto, os processos e sistemas de geração de eletricidade a partir de matéria primas de carbono apresentam o inconveniente de necessitar realizar a combustão do material a fim de transferir o máximo de potencial energético produzido pela citada combustão. Em toda combustão existe um corolário de rendimento: o rendimento da combustão relacionado à qualidade e ao grau de umidade do citado material de carbono e o rendimento térmico global relativo ao gerador térmico, à sua configuração, ao seu rendimento de combustão (e por consequência a incidência da incrustação (depósito de não queimados) ocasionada por uma combustão mais ou menos completa, o que reduz progressiva e mais ou menos rapidamente o rendimento da troca térmica do gerador térmico).

Nos sistemas existentes, o método de combustão mais usado é realizado sob atmosfera oxidante, ou seja, em que o combustível da citada matéria prima contendo carbono é o ar circundante. O rendimento global dos citados geradores térmicos é aproximadamente de 85% do PCI (poder calorífico inferior) do material contendo carbono utilizado, sendo as necessidades de manutenção relativas à qualidade e grau de umidade da citada matéria prima de carbono.

Os sistemas desse tipo geram um gás de combustão (fumaças) mais ou menos carregado de poeiras, COV (Compostos Orgânicos Voláteis), NOx, moléculas complexas poluentes (metano, monóxido de carbono, dioxinas, PCB, etc.) e o C0 2 relativo à combustão do carbono contido na citada matéria prima contendo carbono. Pelo menos 15% do PCI da citada matéria prima de carbono são dispersados pelas fumaças e produtos incombustíveis. O PCI da citada matéria prima de carbono varia, conforme se trate de biomassa vegetal e/ou animal, de 2 a 5,2 kWh/Kg em função de sua umidade relativa (ou seja, um rendimento térmico global transferido de 1 ,7 a 4,4 kWh/Kg); ou quando se tratar de carbono fóssil: de 6 a 8 kWh/Kg em função de sua concentração em carbono (ou seja, um rendimento térmico global transferido de 5, 1 a 6,8 kWh/Kg). A taxa de C0 2 contida nas fumaças dos sistemas acima se situa de 10 a 18% por Nm 3 de fumaças e sua concentração para uma eventual estocagem ou e/ou sequestro necessita de processos complexos e onerosos.

Nestes últimos anos novos sistemas e processos foram postos em prática para otimizar o rendimento de combustão e as concentrações de C0 2 nas fumaças: trata-se principalmente de comburentes enriquecidos em oxigénio, chegando até a sistemas de oxicombustão pura. Esses sistemas e processos aumentam sensivelmente o rendimento térmico global e as fumaças são menos prejudiciais ao meio ambiente, porque elas se compõem essencialmente de C0 2 , facilmente capturável. Entretanto, esses sistemas e processos são dependentes de um fornecimento continuo de oxigénio, e, portanto a produção é cara e não é isenta de impacto sobre o meio ambiente.

Um objetivo da presente invenção é o de sanar os inconvenientes retro citados.

Outro objetivo da presente invenção é oferecer um processo e um sistema de produção de eletricidade a partir de biomassa contendo carbono. Conforme a citada biomassa de carbono, seja fóssil ou não (carvão e/ou biomassa vegetal e/ou animal e/ou resíduos/lixo) contendo uma quantidade de carbono suficiente para sua exploração, ela pode conter hidrogénio molecular. Nessa condição, as reações descritas adiante são as mesmas, variando apenas os resultados finais relacionados à diferença de massa molar do carbono e do hidrogénio (1 mol de C= 12 g, um mol de H 2 = 2, 016 g). A oxidação deste hidrogénio na cadeia de reações produz vapor d'água que será condensado e recuperado na dita cadeia de reações descrita adiante, assim como o resultante calor latente. O fato de que a matéria prima contendo carbono contenha ou não hidrogénio não tem influência essencial sobre o objeto da invenção: a produção de eletricidade, nem sobre o seu rendimento. Na presente descrição da invenção é considerado, portanto, um material composto essencialmente de carbono (carvão fóssil, carvão vegetal, carvão de pirólise de biomassa orgânica, etc.) sem que isso exclua a biomassa vegetal e/ou animal e/ou resíduos de carbono, devendo esses materiais serem condicionados e secos. O preparo dos citados materiais de carbono consiste em uma picagem/moagem (que otimiza o rendimento das reações pirolíticas) e a sua secagem, se necessário.

A invenção permite atingir os objetivos supracitados por meio de um processo de produção de eletricidade a partir de matéria prima de carbono (MPC) e mais particularmente a partir de biomassa de carbono (BC), cujo processo compreende pelo menos uma iteração das seguintes etapas, constituindo um ciclo de tratamento:

uma gaseificação, em um primeiro reator, dito "de gaseificação", de matéria prima de carbono com um fluxo gasoso de gaseificação contendo C0 2 em alta temperatura, qual gaseificação fornece um primeiro fluxo gasoso contendo essencialmente moléculas de monóxido de carbono (CO),

oxidação, em um segundo reator, dito "de oxidação" dos citados portadores de oxigénio em estado de óxido, ditas moléculas de monóxido de carbono (CO) presentes no citado primeiro fluxo gasoso, a dita oxidação fornecendo um segundo fluxo gasoso em alta temperatura contendo C0 2 e portadores de oxigénio em estado reduzido (Me),

ativação, em um terceiro reator, dito "de ativação", dos citados portadores de oxigénio em estado reduzido com um fluxo gasoso dito "de ativação" contendo elementos de oxigénio, a citada oxidação fornecendo portadores de oxigénio em estado de óxido e um fluxo gasoso de ativação empobrecido em oxigénio em alta temperatura.

conversão em eletricidade de ao menos uma parte da energia térmica do citado fluxo gasoso de ativação empobrecido em oxigénio em alta temperatura, por exemplo, por um sistema trocador-térmico gerador de vapor e um turbo alternador, para a conversão do vapor em eletricidade.

O processo segundo a invenção permite valorizar a energia da matéria prima contendo carbono com um rendimento mais elevado que os processos e sistemas atuais.

Os portadores de oxigénio podem conter NiO, Fe 2 0 3 , MgO, CaO, etc.

O processo, segundo a invenção, permite gerar eletricidade a partir de matéria prima contendo carbono sem realizar combustão da biomassa. Com efeito, a energia contida na biomassa é recuperada graças a uma gaseificação da biomassa, a um fluxo gasoso de C0 2 (reação termoquímica de conversão da molécula de C0 2 sobre um elemento de carbono em duas moléculas de monóxido de carbono CO).

O processo, segundo a invenção, pode incluir, antes da etapa de valorização, uma transferência de uma parte da energia térmica gerada durante a gaseificação ao fluxo gasoso de ativação empobrecido de oxigénio.

Assim, o fluxo gasoso de ativação é pré-aquecido graças à energia térmica pelo processo segundo a invenção a partir de MPC, ou seja, sem aporte de energia exterior.

Vantajosamente, a valorização da energia térmica do fluxo gasoso de ativação empobrecido de oxigénio em alta temperatura pode adicionalmente compreender uma etapa de transferência de pelo menos uma parte da energia térmica do citado fluxo gasoso de ativação empobrecido em oxigénio a um fluido, dito de geração de eletricidade, fornecido a um dispositivo conversor para produção de eletricidade.

O processo segundo a invenção, por outro lado, pode compreender uma recuperação da energia térmica residual do citado fluxo gasoso de ativação empobrecido de oxigénio, pelo menos uma parte da dita energia térmica residual sendo transferida para o fluxo gasoso de gaseificação utilizado no ciclo de tratamento seguinte.

Assim, o processo segundo a invenção permite valorizar a energia residual para pré aquecer o fluxo gasoso de gaseificação, o que evita recorrer a uma fonte de energia exterior.

O processo segundo a invenção pode, vantajosamente, compreender uma etapa de elevação de em temperatura da matéria prima contendo carbono antes da gaseificação pela transferência de ao menos uma parte da energia térmica do segundo fluxo gasoso em alta temperatura à citada matéria prima.

A energia térmica desse segundo fluxo gasoso é, assim, igualmente valorizada no processo segundo a invenção.

O processo segundo a invenção pode adicionalmente compreender uma reciclagem em circuito fechado (loop), de uma parte do C0 2 do segundo fluxo gasoso para propiciar o citado fluxo gasoso de gaseificação.

O processo segundo a invenção permite reciclar uma parte desse fluxo de C0 2 para um novo ciclo de tratamento. Assim, o impacto do processo da invenção sobre o meio ambiente é limitado.

Vantajosamente o procedimento segundo a invenção, pode compreender antes da etapa de ativação dos portadores de oxigénio, um pré- aquecimento do fluxo gasoso de ativação com a energia residual do fluído de geração de eletricidade.

Segundo uma versão particular do processo segundo a invenção, o mesmo pode, vantajosamente compreender o fornecimento de uma parte do segundo fluxo gasoso a um bio-reator contendo micro-algas, após refrigeração da citada parte do dito segundo fluxo gasoso, as citadas micro-algas realizando uma fotossíntese do C0 2 presente na citada parte do dito segundo fluxo gasoso, fornecendo o citado bio- reator, por um lado um fluxo gasoso de oxigénio, e por outro biomassa contendo carbono.

Nesta versão, o processo da invenção não acarreta qualquer impacto sobre o meio ambiente. Por outro lado, nesta versão particular, o processo segundo a invenção produz pelo menos uma parte da matéria prima contendo carbono gaseificada no sistema.

Ainda nesta versão do processo, segundo a invenção, é gerado pelas micro-algas um fluxo gasoso de oxigénio. Esse fluxo gasoso de oxigénio pode ser valorizado no processo segundo a invenção, por exemplo, para a geração de eletricidade ou energia térmica para qualquer uma das etapas do processo segundo a invenção.

Por exemplo, o processo segundo a invenção pode compreender a recuperação de pelo menos uma parte do fluxo de oxigénio gerado pelas micro-algas, e uma injeção de ao menos uma parte do dito fluxo de oxigénio no reator de gaseificação para completar a gaseificação da matéria prima contendo carbono.

Por outro lado, o processo segundo a invenção pode compreender a recuperação e um tratamento da biomassa contendo carbono fornecida pelo bio-reator, em vista da gaseificação da citada biomassa no reator de gaseificação.

Segundo um outro aspecto da invenção, é proposto um sistema de produção de eletricidade a partir de matéria prima contendo carbono compreendendo:

um reator de gaseificação de matéria prima contendo carbono com um fluxo gasoso de gaseificação contendo C02 em alta temperatura, fornecendo o reator um primeiro fluxo gasoso contendo moléculas de monóxido de carbono (CO),

- um reator de oxidação por portadores de oxigénio em estado de oxido, as citadas moléculas de monóxido de carbono (CO) presentes no primeiro fluxo gasoso, fornecendo o reator um segundo fluxo gasoso em alta temperatura contendo C0 2 e portadores de oxigénio em estado reduzido,

um reator de ativação dos portadores de oxigénio em estado reduzido com um fluxo gasoso contendo elementos de oxigénio, o citado reator fornecendo portadores de oxigénio em estado oxidado e um excedente de energia térmica

um dispositivo de geração de eletricidade a partir de pelo menos uma parte do citado excedente térmico da citada ativação.

O sistema segundo a invenção pode vantajosamente compreender meios mecânicos de transporte dos portadores de oxigénio do reator de oxidação ao reator de ativação e/ou do reator de ativação ao reator de oxidação.

Por outro lado, o sistema segundo a invenção pode compreender um circuito de reciclagem em loop de uma parte do C0 2 presente no segundo fluxo gasoso utilizado como fluxo gasoso de gaseificação.

O dispositivo de geração de eletricidade pode compreender um turbo alternador ou qualquer dispositivo equivalente.

Vantajosamente, o sistema segundo a invenção pode compreender um bio-reator contendo micro-algas ao qual é fornecida uma parte do C0 2 presente no segundo fluxo gasoso, realizando as citadas micro-algas a fotossíntese do dito C0 2 , fornecendo o dito reator, de uma parte um fluxo gasoso de oxigénio e de outra parte, biomassa contendo carbono.

Outras vantagens e características aparecerão ao examinar a descrição detalhada de um modo de realização não limitativo, e das figuras anexas:

A figura 1 que é uma representação esquemática de um primeiro modo de realização de um sistema segundo a invenção; e

- A figura 2 que é uma representação esquemática de um segundo modo de realização de um sistema segundo a invenção.

Nas figuras, os elementos que aparecem em todas elas conservam a mesma referência.

A figura 1 é uma representação esquemática de um primeiro modo de realização do sistema segundo a invenção.

O sistema 100 compreende um reator de gaseificação 102, um reator de oxidação 104 e um reator de ativação de portadores de oxigénio 106.

O reator de gaseificação é composto de duas partes comunicantes entre elas e concomitantes:

uma câmara de alimentação (sas) 108 de matérias contendo carbono secas, compreendendo uma válvula de alimentação mecanizada (não representada) sob controle de C0 2 para impedir qualquer entrada de ar e garantir a estanqueidade do sistema, e

um conversor 1 10 (de do) C0 2 sobre a matéria prima contendo carbono propriamente dita.

Na câmara de alimentação 108, as matérias contendo carbono secas anotadas C nas figuras, são pré-aquecidas por contato, convecção e osmose por um fluxo gasoso de C0 2 quente. Veremos adiante que este fluxo gasoso de C0 2 é produzido e pré-aquecido pelo sistema 100. Esse fluxo gasoso de C0 2 atravessa as matérias contendo carbono secas C lhes transferindo sua capacidade térmica. No curso de sua introdução neste setor, pelo viés de uma válvula de alimentação mecanizada, cuja estanqueidade ao ar é assegurada pelo C0 2 injetado sob pressão, as matérias contendo carbono absorvem o calor sensível do C0 2 . As ditas matérias primas contendo carbono são introduzidas por sequências determinadas.

As matérias primas contendo carbono secas C em seguida escoam por gravidade no conversor 110 através de grelhas tubulares (não representadas) que reduzem sua velocidade.

Um fluxo gasoso de gaseificação FGG composto essencialmente de C0 2 reativo a alta temperatura é introduzido no reator de gaseificação 102. O C0 2 reativo está a uma temperatura igual ou superior a 900/1000° C. Ele é injetado no reator de gaseificação em contracorrente do escoamento das matérias contendo carbono C, após haver circulado nos tubos das grelhas de desaceleração. Essas grelhas tubulares têm por assim dizer, um papel de trocador de calor com as matérias contendo carbono, adicionando um grande complemento térmico, útil à conversão, com um papel de retardador do escoamento para as matérias primas no reator de gaseificação.

O C0 2 introduzido encontra a matéria contendo carbono seca C que, nessa etapa, atingiu uma temperatura próxima de 900/1000°. A reação do encontro é a conversão do C0 2 em CO, portanto, em energia. É essa energia que transfere integralmente o potencial energético das matérias contendo carbono C para os setores reativos seguintes no sistema 100.

A reação de conversão (I) do C0 2 em CO é endotérmica segundo as reações:

C0 2 - ½ 0 2 = CO + O + 283 kJ/mol

C + ½ 0 2 (de C0 2 ) = CO - 111 kJ/mol

Seja um déficit térmico de 172 kJ por mol de C0 2 convertido em CO por C. As duas moléculas de CO obtidas têm cada uma um poder calorífico de 283 kJ/mol, ou seja, um total de 566 kJ, enquanto que o poder calorífico de C (matéria contendo carbono contendo energia primária da reação) é de 394 kJ/mol. Nessas condições, o objetivo principal é, portanto, de fornecer os 172 kJ da reação de conversão, pelos meios não imputáveis a esse potencial de energia nem por meios térmicos externos introduzindo uma outra energia que comprometeria esse rendimento. Veremos na sequência da descrição como o sistema segundo a invenção atinge esse objetivo.

Na saída do reator de gaseificação 102, se obtém um primeiro fluxo gasoso PFG composto essencialmente de CO a uma temperatura superior a 900°C. Esse primeiro fluxo gasoso PFG é, portanto eminentemente energético e reativo. Ele permite a transferência da energia potencial das matérias primas contendo carbono ao reator de oxidação 104. Ela é introduzida, portanto no reator de oxidação 104 onde vai se oxidar em contato com os materiais portadores de oxigénio MeO em estado oxidado ou ativo.

Os portadores de oxigénio ativos MeO são introduzidos no reator de oxidação 104 ao nível de uma parte superior desse reator 104 e escoam através de grelhas tubulares (não representadas) que desaceleram esse escoamento.

O primeiro fluxo gasoso proveniente do reator de gaseificação 102 e composto essencialmente de CO está a uma temperatura superior a 900°. Ele é introduzido no reator de oxidação 104 ao nível de uma parte inferior desse reator 104 em contracorrente ao escoamento dos portadores de oxigénio MeO. O encontro dos portadores de oxigénio em estado de oxido MeO (ou ativos) com o primeiro fluxo gasoso provoca:

a oxidação das moléculas de monóxido de carbono CO em dióxido de carbono C0 2 . Essa reação é exotérmica e libera 283 kJ/mol; e

a redução dos portadores de oxigénio ativos MeO. Essa reação é endotérmica e absorve 244,3 kJ/mol.

A reação global (II) é, portanto exotérmica:

2MeO - 2 ½ 0 2 + 2 CO + 2 ½ 0 2 = 2C0 2 + 2 Me

+488,60 kJ - 566 kJ = - 77,4 kJ

O reator de oxidação 104 é, portanto exotérmico de 77,4 kJ por equivalente mol de C0 2 , que virão em dedução dos 172 kJ a serem fornecidos à reação que tem lugar dentro do reator de gaseificação 102 segundo a reação II descrita acima.

Esse reator de oxidação fornece um segundo fluxo gasoso DFG composto essencialmente de C0 2 a alta temperatura e de portadores de oxigénio Me em estado reduzido (desativados).

O reator de oxidação 104 é mantido a um nível de temperatura correta (igual ou inferior a 1.000° C) graças ao segundo fluxo gasoso DFG1 (parte do segundo fluxo gasoso DFG reciclado, depois que o citado segundo fluxo DFG trocou sua capacidade térmica ao curso das diferentes trocas térmicas que o refrigeram na saída desse reator de oxidação 104) que regula a temperatura do dito reator de oxidação 104, captando o excesso térmico em beneficio de sua capacidade térmica útil a uma nova iteração.

Esse segundo fluxo gasoso DFG saindo do reator de oxidação 104 atravessa a câmara de alimentação 108 de matérias contendo carbono secas. É esse segundo fluxo gasoso DFG que é, portanto utilizado para pré-aquecer a matéria prima contendo carbono seca C, trocando seu calor sensível (por contato, convecção ou osmose) com a dita matéria prima seca C.

Na saída da câmara de alimentação 108, o segundo fluxo gasoso DFG é refrigerado à temperatura de admissão da matéria prima contendo carbono seca C à qual foi transferido o essencial de sua capacidade térmica. Ele é extraído dessa câmara 108 por meios mecânicos (extratores/ventiladores, não representados) que mantêm todo sistema em depressão

Os portadores de oxigénio Me em estado reduzido são introduzidos no reator de ativação 106. A transferência dos portadores de oxigénio do reator de oxidação 104 ao reator de ativação 106 é realizada por meios mecânicos ou por gravidade, conforme a configuração dos reatores.

Os portadores de oxigénio desativados Me estão ainda à alta temperatura, cerca de 800°C e são eminentemente reativos. Eles escoam ao reator de ativação 106 por gravidade através da rede de grelhas tubulares (não representadas) que desaceleram esse escoamento. As redes tubulares fazem o papel de trocador térmico, no qual circula o fluxo gasoso DFG1 (parte do segundo fluxo gasoso DFG reciclado) onde ele adquire sua capacidade térmica de fluxo gasoso de gaseificação FGG.

No reator 106, os Me são reativados pelo oxigénio de um fluxo gasoso de ativação FA, que no presente exemplo é do ar atmosférico que circula a contracorrente.

A oxidação dos portadores de oxigénio Me ao contato com o ar é exotérmica, a energia fornecida é de 244,30 kJ/mol de Me, ou seja, 488,60 kJ para os dois mols de Ni segundo a opção de referência dos portadores de oxigénio da descrição da reação em cadeia.

Esse reator fornece na saída um fluxo gasoso de ativação empobrecido em oxigénio muito quente FAA a temperaturas inferiores ou iguais a 1100°C e de portadores de oxigénio ativados MeO a mesma temperatura.

Os portadores de oxigénio reativados em MeO são transferidos ao reator de oxidação 104 por meios mecânicos ou por gravidade, conforme a configuração dos reatores.

O fluxo gasoso de ativação empobrecido em oxigénio e muito quente FAA obtido na saída do reator de ativação 106 é dirigido através de um trocador 112 via reator de gaseificação 102 para uma rede tubular fazendo o papel de trocador e de grelhas de desaceleração no dito reator de gaseificação 102. Esse trajeto permite a manutenção da alta temperatura útil à reação de conversão de C0 2 sobre C, sem sobrecarregar a capacidade térmica do fluxo gasoso empobrecido em oxigénio e superaquecido FAA.

Na saída do reator de gaseificação 102, o fluxo gasoso empobrecido em oxigénio e superaquecido FAA é transferido no trocador 112 no qual ele troca o essencial do seu calor com um fluido de geração de eletricidade FGE.

Esse fluido de geração de eletricidade em seguida é fornecido a um turbo-alternador 114 no qual a energia térmica se transforma em eletricidade.

Na saída do turbo-alternador 114 o fluido de geração de eletricidade FGE contem uma energia térmica residual. Na saída do turbo-alternador 114 esse fluido FGE é injetado em outro trocador térmico 116 no qual a energia residual do fluido de geração de eletricidade FGE é transferida ao fluxo gasoso de ativação FA que será utilizado em um ciclo de tratamento seguinte para a ativação dos portadores de oxigénio no reator de ativação 106. Assim, o fluxo gasoso de ativação FA utilizado no ciclo de tratamento seguinte é pré-aquecido graças à energia térmica fornecida diretamente pelo sistema segundo a invenção sem necessitar uma fonte de energia externa.

Na saída desse segundo trocador, o fluido de geração de eletricidade FGE é novamente injetado no primeiro trocador térmico 112 para começar um novo ciclo.

Assim, o fluido de geração de eletricidade FGE circula num circuito fechado 118 interligando o primeiro trocador térmico 112, o turbo-alternador 114 e o segundo trocador térmico 1 16.

Uma parte DFG1 do segundo fluxo gasoso DFG resfriado extraído da câmara de alimentação 108 do reator de gaseificação é reciclado e utilizado como fluxo gasoso de gaseificação para o ciclo seguinte. A outra parte DFG2 do segundo fluxo gasoso é estocada ou rejeitada na atmosfera.

Entretanto, esse fluxo DFG1 é frio e deve ser aquecido para ser utilizado como fluxo gasoso de gaseificação.

O fluxo gasoso pobre de oxigénio FAA saindo do primeiro trocador térmicol 12 após ter cedido à maior parte de sua energia térmica com o fluido de geração de eletricidade FGE contem uma energia residual a qual é transferida ao fluxo gasoso DFG1 num trocador térmico 120.

Esse fluxo DFG1 transita em seguida na rede tubular (fazendo o papel de grelhas tubulares de desaceleração de escoamento dos MeO e de trocador térmico) situada no reator de oxidação 104 para obter uma parte da sua capacidade térmica e ao mesmo tempo regulando a temperatura do reator de oxidação 104 a valores inferiores a 1000°C. É graças a essa transferência de uma parte de energia térmica do reator de oxidação 104 que o segundo fluxo gasoso DFG cede uma parte de sua capacidade térmica antes da sua introdução na câmara de alimentação 108 do reator de gaseificação 102. Na saída do dito reator de oxidação 104 obtém-se, portanto um fluxo gasoso de gaseificação FGG composto pela reciclagem da parte DFG1 do segundo fluxo gasoso DFG. O fluxo gasoso de gaseificação FGG obtido na saída do reator de oxidação 104 é em seguida injetado na rede de grelhas tubulares (que faz papel de trocador térmico) do reator de ativação 106. Ali ele adquire toda a capacidade útil à conversão do C02 sobre as matérias contendo carbono, sempre mantendo a temperatura do reator de ativação abaixo de 1000°C, absorvendo o excesso de energia liberado. Na saída do reator de ativação 106, o fluxo gasoso de gaseificação FGG obtido é injetado no conversor 1 10 para realizar o ciclo seguinte.

O segundo fluxo gasoso DFG composto essencialmente de

C0 2 gerado pela reação de oxidação no reator de oxidação 104 é composto de 2 mols cuja capacidade térmica é de 101 ,331 kJ, aos quais se deve acrescentar os 77,40 kJ da energia exotérmica da reação, ou seja: 178,731 kJ aos quais é necessário retirar a Cp (Capacidade térmica do carvão a 1000°C) do carvão a 1000°C e a Cp do mol de C0 2 de gaseificação reciclada e a energia de conversão, ou seja:

- Capacidade térmica do carvão a 1000°C - 14 kJ/mol (um mol de C por um mol de

C0 2 ), e

- Entalpia do mol de C0 2 de gaseificação reciclado = 50,67 kJ/mol

Energia de conversão = 172 kJ/mol de C0 2 , ou seja, um total:

14 + 50,67 + 172 kJ - 236,67 kJ por mol de C0 2 convertido por um mol de carbono

(energia necessária à gaseificação)

Nesta etapa de recuperação das energias do processo o déficit térmico é reduzido a: 178,731 kJ - 236,67 = 57,939 kJ por mol de C0 2 convertido por um mol de carbono. Esse déficit térmico de 57,939 kJ por mol de C0 2 é retirado da energia térmica fornecida ao reator de ativação 106 antes do processo de produção de energia termodinâmica e a conversão em eletricidade.

A energia térmica de 236,67 por mol de C0 2 convertida, consumida pelo conjunto das reações deve ser fornecida na partida do sistema. Em seguida, o sistema é autónomo termicamente exceção feita ao fornecimento de carbono.

Com efeito, como acabamos de descrever, o sistema segundo a invenção possibilita a produção/recuperação/reciclagem das energias necessárias para elevar em temperatura a matéria prima contendo carbono e os diferentes fluxos gasosos e para realizar as diferentes reações, reduzindo a demanda térmica inicial de 236,67 kJ a 57,939 kJ por mol de C0 2 convertido (por um mol de carbono utilizado para a geração de eletricidade) no decorrer dos ciclos seguintes.

Nesta etapa do processo, segundo a invenção, 100% da energia do mol de carbono (MPC - Matéria Prima contendo carbono) é transferida à cadeia de reação para produzir eletricidade (ou energia termodinâmica/vapor d'água) e o

C0 2 produzido pela sua oxidação completa é puro e capturável sem outra forma de processo e o C0 2 de conversão é reciclado.

O segundo fluxo gasoso DFG composto essencialmente de

C0 2 é portanto quase puro (pode conter partículas de poeira que um filtro clássico reterá). Ele é separado em dois volumes por um jogo de registros na saída da câmara de alimentação 108 do reator de oxidação 102. Pelo menos 50% é reciclado no sistema para constituir o fluxo gasoso de gaseificação para o ciclo de tratamento seguinte.

O volume restante DFG2 é captado "sem qualquer processo" para ser estocado ou reciclado em várias aplicações. Deve-se notar que para cada ciclo, esse volume corresponde aos carbonos contidos na formulação química da matéria de carbono introduzida rio reator de gaseificação. A cadeia de reações, das conversões e das transferências de energia, sobre esses carbonos produz somente C0 2 puro, sem que nenhum outro processo e/ou sistema seja útil. Essa etapa de fato elimina completamente todos os procedimentos atuais visando à captação de C0 2 , que são muito onerosos.

Nesta etapa do processo segundo a invenção, a solução referente ao impacto negativo ambiental (de instalações tradicionais de produção de eletricidade a partir de materiais contendo carbono) é provida nesta etapa do processo segundo a invenção o balanço térmico é desequilibrado, deficitário de 57,939 kJ por mol de C0 2 convertido por um mol de carbono; nesta etapa do processo segundo a invenção, a cadeia das reações dispõe da energia de oxidação dos 2 mols de Me gerada no reator de ativação 106 a transferir ao fluido FGE para conversão em eletricidade.

Em conclusão, o balanço térmico é o seguinte:

a oxidação dos 2 mols de Me = 2 mols de MeO = 488,60 kJ menos

o déficit térmico no reator de oxidação = 57, 939 kJ por mol de C0 2 convertido por um mol de carbono, ou seja, um total de :

- 488,60 kJ - 57,939 = 430,661 kJ por mol de carbono,

A compensação dos ditos 57,939 kJ do déficit térmico das reações do processo, segundo a invenção, é assegurado por:

- transferência térmica dos ditos 57,939 kJ do déficit térmico do fluxo de ar superaquecido FAA à reação de gaseificação por um trocador térmico situado no reator de gaseificação 102, e/ou

- uma reciclagem complementar de C0 2 (1 , 15 mol de C0 2 útil ao aporte de 57,939 kJ) cuja função será de portador de calor da dita energia que lhe toma da na energia fornecida ao reator de ativação 106.

Isso permite a seguinte relação: em um sistema atual, a combustão de carvão (matérias primas contendo carbono) degrada o potencial de energia (principalmente pelas perdas térmicas nas fumaças) sendo esse rebaixamento definido pelo rendimento de combustão, sendo o residual de energia ele próprio rebaixado pelas perdas relacionadas às trocas no gerador. O conjunto desses rebaixamentos nos dá um rendimento global sobre PCS (se houver recuperação de energia de condensação do vapor d'água contido nas fumaças) ou sobre PCI (dado mais comum). Para um gerador térmico eficiente esse rendimento global é próximo de 85% sobre PCI.

O rendimento de conversão em eletricidade de uma instalação atual é no máximo de 35% do PCI, esse rendimento levando em conta o conjunto das degradações, da combustão até o turbo-alternador passando pelos diversos trocadores.

O sistema segundo a invenção também troca o calor das reações a para o vapor d'água (fluido de geração de eletricidade FGE) que é introduzido no alternador a turbina para conversão em eletricidade. Se tomarmos como ponto de referência o evaporador, incluído nos dois processos o sistema convencional por combustão e o sistema segundo a invenção é a neste ponto que se define o rendimento real da conversão em eletricidade.

Para os dois processos reserva-se o mesmo potencial térmico para os carbonos introduzidos (MPCS) ou seja, um de PCI 394 kJ/mol de C.

Nos processos de combustão o rendimento global no gerador é de 85%, ou seja, um residual térmico de 335 kJ/mol de C disponível no evaporador. Nesses sistemas o rendimento de conversão em eletricidade é de 35% do PCI, ou seja: 394 x 0.35 = 138 kJelet/mol de C; se fizermos a relação na base definida no evaporador, o rendimento real de conversão em eletricidade da energia disponível desse processo é portanto: 138 x 100/335 = 41 %.

O processo segundo a invenção realiza reações termoquímicas que não degradam a energia disponível. No mesmo ponto de referência, nos teremos então 430,661 kJ por mol de carbono posto em reação como definido antes ; a conversão em eletricidade é então de 430,661 x 41 % = 176,571 kJelet, ou seja, um ganho de 38,571 kJelet 27,95% de eletricidade a mais "pela mesma quantidade de carbono introduzido".

Os dois processos utilizam um mol de carbono que gera um mol de C0 2 .

Em um sistema convencional esse mol de C0 2 é diluído nas fumaças (em uma proporção de 14 a 18% de C0 2 por Nm 3 ) e sua captação necessita meios importantes.

No sistema e processo segundo a invenção, esse mesmo mol de C0 2 não é diluído, e está em uma proporção igual ou superior a 98% do volume de saída e pode ser captado diretamente. Esse mol de C0 2 pode ser captado para ser estocado e/ou reciclado.

A figura 2 é uma representação esquemática de um segundo modo de montagem de um sistema segundo a invenção.

O sistema 200 representado pela figura 2 compreende todos os elementos do sistema 100 representado na figura 1.

O sistema 200 compreende alem disso um bio-reator contendo microalgas.

A parte DFG2 do segundo fluxo gasoso resfriado obtido na saída da câmara de alimentação 108 do reator de gaseificação 102 é injetado no bio- reator 202. No bio-reator 202 de cultura de algas, o dióxido de carbono C0 2 é utilizado em uma foto-síntese realizada pelas micro-algas. A foto-síntese produz, de uma parte, biomassa de carbono BC e de outra parte um fluxo gasoso de oxigénio F0 2 por separação do elemento carbono < C > da molécula de dioxigênio < 0 2 >. A biomassa de carbono BC obtida é fornecida a um sistema condicionado de biomassa 204 que pode ser:

um sistema de extração de óleos essenciais, de micro-algas de alto teor de lipídios e em moléculas alimentício-farmacêuticas usadas na farmacopéia e/ou hidrocarbonetos. Ao final dessa extração restam cerca de 30% da biomassa sob a forma de carvão que pode ser reconduzida ao gaseificador 102,

ou, por exemplo, um sistema de secagem para ser condicionado antes de ser introduzido no reator de gaseificação 102.

O fluxo gasoso de oxigénio F0 2 pode ser fornecido ao sistema segundo a invenção por exemplo ao nível do reator de gaseificação 102 para complementar a gaseificação da matéria de carbono no reator 102.

Vantajosamente a produção de biomassa contendo carbono nesse segundo modo de realização, vem estimular o rendimento térmico no evaporador de referência, "entregando" os 394 kJ (do elemento C reciclado em biomassa); a conversão em eletricidade é então de 430,661 + 394 = 824,661 x 41 % = 338, 1 1 1 kJ elétricos, ou seja um coeficiente multiplicador de produção de eletricidade "pelo mesmo mol de carbono introduzido" de 2,45.

Nesse exemplo o carbono é oxidado pela molécula de 0 2 e gera assim novamente um C0 2 que é reciclado da mesma forma. Não há rejeição atmosférica nem necessidade de depuração.

Seguramente, a invenção não é limitada aos exemplos que foram descritos.