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Title:
REACTOR FOR A PROCESS OF ADVANCED COMBUSTION FOR BURNING BIOMASS AND WASTE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/041014
Kind Code:
A1
Abstract:
The present patent envisages equipment for treating solid waste in general, the prior art of which anticipates various types of reactors for thermal treatment of solid waste, said equipment being formed of a reactor, in which combustion is carried out by means of a thermal cyclone effect produced by air injectors.

Inventors:
CARLOS PEREIRA FILHO, Alberto (Rua Atibaia, nº 221 - Jd. Apolo, -210 São José Dos Campos, 12234-210, BR)
Application Number:
BR2018/050313
Publication Date:
March 07, 2019
Filing Date:
September 03, 2018
Export Citation:
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Assignee:
CARLOS PEREIRA FILHO, Alberto (Rua Atibaia, nº 221 - Jd. Apolo, -210 São José Dos Campos, 12234-210, BR)
International Classes:
F23G5/32; B09B3/00; F23G5/24
Attorney, Agent or Firm:
SOCIEDADE CIVIL BRAXIL LTDA (Rua Bacabal, 140 – Parque Industrial, -680 São José Dos Campos, 12235-680, BR)
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Claims:
REIVINDICAÇÕES:

1 . " REATO R PARA PROCESSO DE COMBUSTÃO AVANÇADA PARA QUEIMA DE BIOMASSA E RESÍDUOS", refere-se a um equipamento para tratamento de resíduos sólidos em geral, que pertence ao campo dos equipamentos para tratamento por queima de resíduos perigosos industriais sólidos (ou líquidos), químicos, farmacêuticos e combustão industrial em geral; o estado da técnica antecipa vários tipos de reatores para processamento térmico de resíduos sólidos, sendo que os mais relevantes são: o forno de Grelha (Grate Firing) onde os resíduos são incinerados sobre uma grade; o Forno Rotary Kiln e a Câmara de combustão de leito fluidizante, sendo assim o objeto do presente pedido de patente é caracterizado por ser constituído por um reator que possui a combustão completa num único volume cilíndrico, processada sob um efeito de um ciclone térmico produzido por injetores de ar na parede interior lateral do mesmo e não possuir pós-combustor, como nos modelos convencionais, uma vez que toda a sua combustão se dá num único volume, mais especificamente é constituído por uma estrutura cilíndrica verticalizada compreendida por três seções em série, que são a seção central (1 ), secção de diluição e exaustão (2) e seção de descarte (3), as quais são unidas mutuamente por meio de flanges e parafusos (23), sendo a seção central (1 ) constituída por uma parede interna (5) que conforma uma estrutura cilíndrica tubular, cuja porção inferior possui uma redução progressiva no diâmetro, dita estrutura cilíndrica é ladeada por uma parede externa (6), que mantém um espaçamento em relação a parede interna (5) e opcionalmente pode haver uma terceira parede (7), mais externa, que entremeia um material isolante térmico (8), dita seção central (1 ) possui um duto de alimentação (9) e um queimador (3) que adentra a estrutura cilíndrica tubular e um soprador lateral (10), cujo bocal de saída de ar é posicionado na interface entre as paredes interna (5) e a parede externa (6), sendo que a parede interna (5) é dotada de ventaneiras (1 1 ) tangenciais; a seção de diluição e exaustão (2), a qual é afixada acima da seção central (1 ) por meio de um flange com parafusos periféricos (23), sendo constituída por uma parede interna (13) que conforma uma estrutura cilíndrica tubular, cuja porção superior possui uma redução no diâmetro, dita estrutura cilíndrica é ladeada por uma parede externa (14), que mantém um espaçamento em relação a parede interna (13) e opcionalmente pode haver uma terceira parede (15), mais externa, que entremeia um material isolante térmico (8), dita seção de diluição e exaustão (2) possui um caracol de saída (18) em seu topo, o qual é conectado à estrutura cilíndrica tubular por meio de um difusor (17), dito caracol (18) é dotado de válvulas de segurança e saída lateral de ar (20), há ainda um soprador lateral (12), cujo bocal de saída de ar é posicionado na interface entre as paredes interna (13) e a parede externa (14), sendo que a parede interna (5) é dotada de ventaneiras (16) tangenciais; a seção de descarte (3), a qual é afixada abaixo da seção central (1 ) por um flange e parafusos periféricos (23), dita seção de descarte (3) é constituída por um cadinho refratário (21 ) do tipo cilíndrico com parede externa (22) de mesmo diâmetro que a seção central (1 ), entre o cadinho (21 ) e a parede externa (22) há um enchimento de material isolante (8), sendo que o interior do cadinho é conectado a um sugador (24) cujo bocal de saída é conectado em um recipiente (25), sendo que a base da seção de descarte (3) possui uma tampa (26).

2. "REATOR PARA PROCESSO DE COMBUSTÃO AVANÇADA PARA QUEIMA DE BIOMASSA E RESÍDUOS", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado pelo fato de opcionalmente a seção de descarte (3) ser constituída por um cadinho (27) feito de material refratário, cuja parede externa (31 ) apresenta o mesmo diâmetro da seção central (1 ) e possuir um queimador (28) e um tubo refratário (29) em sua porção de fundo seguido por um recipiente de recolhimento ou espera (30).

Description:
"RE ATOR PARA PROCESSO DE COMBUSTÃO AVANÇADA PARA QUEIMA DE BIOMASSA E RESÍDUOS"

Campo da invenção

[001 ] A presente patente de privilégio de invenção "REATOR PARA PROCESSO DE COMBUSTÃO AVANÇADA PARA QUEIMA DE BIOMASSA E RESÍDUOS", trata de uma inovadora alternativa nos processos de combustão e controle de emissões, que compreende um reator para queima de biomassa ou tratamento de resíduos sólidos (ou líquidos) baseado no fenómeno ciclone em que os gases giram no interior do reator, durante todo o processo da combustão. Pertence ao campo dos equipamentos para tratamento por queima de resíduos perigosos industriais sólidos (ou líquidos), químicos, farmacêuticos e combustão industrial em geral.

[002] Mais especificamente o objeto do presente pedido de patente apresenta uma configuração diferente dos reatores tradicionais uma vez que não possui nem refratários na zona de combustão e tão pouco pós-combustor, toda a combustão dos sólidos e dos gases combustíveis gerados na zona primária se dá na coluna térmica do reator, durante todo o processo.

[003] Tem-se, portanto, no pedido de patente em questão, um equipamento especialmente projetado e desenvolvido para obter enorme praticidade e que apresenta grandes vantagens económicas e ambientais.

Histórico da invenção

[004] Como é sabido, notadamente por técnicos no assunto, a queima de resíduos é uma técnica frequentemente tida como nociva à saúde humana e prejudicial ao meio ambiente caso não seja controlada. A qualidade dessa queima de resíduo depende naturalmente do poder calorífico dos resíduos e dos parâmetros de combustão - tecnologia do reator.

[005] Para se efetuar a queima de forma adequada, deve-se investir em tecnologia de combustão, promovendo altas temperaturas no reator, alto tempo de residência, e substancial turbulência.

[006] Altas temperaturas, turbulências e o tempo de retenção elevado no processo são adequados para o consumo seguro e eficiente da biomassa ou de resíduos durante a combustão. Tais condições promovem uma queima limpa e controlada, de forma que a operação não cause impacto ambiental negativo que a má queima possui.

[007] Esta patente apresenta como inovação um reator que opera por efeito ciclone, que permite a queima controlada, com elevado tempo de residência e elevada temperatura, evitando assim a geração de altos índices de CO, HC, particulados e fuligem que arrastam agentes tóxicos.

Estado da Técnica

[008] Existem no mercado vários tipos de reatores para processamento térmico (queima) de resíduos sólidos. Dentre eles destacam-se:

[009] Forno de Grelha (Grate Firing) - Neste forno os resíduos são incinerados sobre uma grade - é a tecnologia mais utilizada em todo o mundo. Este tipo de forno realiza a chamada queima da biomassa com poucos requisitos de pré- processamento, tal como dimensionamento, retalhamento, etc. Pode queimar resíduos sem muita preparação e com grande percentual de umidade. Ele normalmente funciona com a temperatura do gás interno variando entre 750 S C e 1 .000 S C. O ar necessário à combustão é fornecido por ventiladores ou sopradores, vindo por baixo e por cima da grade.

[010] Forno Rotary Kiln - este modelo é do tipo rotativo, cuja característica principal é o movimento dos resíduos sobre sua superfície cilíndrica, durante o funcionamento, a fim de otimizar a mistura do combustível com o ar e permitir uma queima mais uniforme. Esse tipo de tecnologia não é muito comum para a incineração de resíduos sólidos urbanos como os fornos de grelha. Estes fornos normalmente operam com uma temperatura de gás interna variando de 800 S C a 1 .000 S C, e uma câmara de pós- combustão atingindo temperaturas que variam entre 850 S C e 1 .200 S C. No Brasil, é comumente utilizado no processo de produção do clínquer, que é parte de uma das etapas necessárias à produção do cimento, é também utilizado na indústria em outros processos, como a produção de alumínio e para a produção de ligas metálicas.

[01 1 ] Câmara de combustão de leito fluidizado (Fluidized bed combustion) - nesse tipo de reator a combustão ocorre através de um processo de fluidização da câmara e opera com uma camada de um material inerte (normalmente areia) suspensa por um fluxo de ar ou gás dentro da câmara, injetado pelo fundo e pelos lados câmara. A velocidade do fluxo do gás faz com que este fluxo suspenda as partículas inertes presentes na câmara. O combustível (opcional) e o adsorvente (normalmente calcário) são injetados dentro do forno, e todas as partículas da câmara encontram-se em um "estado líquido", fluidizado. Este mesmo ar utilizado para movimentar o "fluido" dentro da câmara também é utilizado como ar de combustão primária. Essa tecnologia, quando utilizada para a incineração de resíduos urbanos, normalmente opera em uma temperatura entre 750 S C e 1 .000 S C, com alta eficiência de combustão dos resíduos.

[012] O documento BRPI9300454-0; Intitulado de "Sistema integrado para tratamento de resíduos sólidos com geração energética e auto-saneamento", trata da incineração com reator-combustor ciclonado.

Pontos deficientes do estado da técnica

[013] O Forno de Grelha (Grate Firing) apresenta as seguintes desvantagens: Instabilidades de combustão com pontos de queima frios e quentes devido a turbulência irregular. Difícil controle das condições apropriadas na combustão; baixo tempo de residência.

[014] O Forno Rotary Kiln apresenta as seguintes desvantagens: Grande complexidade devido ao giro do reator apresenta custo elevado pela mesma razão; o equipamento exige muita manutenção; queima de forma irregular, proporcionando pontos quentes e frios durante a combustão.

[015] A Câmara de combustão de leito fluidizado (Fluidized bed combustion) apresenta as seguintes desvantagens: Controle da combustão e processo mais complexos.

[016] Como poderá ser observado, nenhum desses equipamentos e documento de patente conhecidos do estado da técnica apresentam integralmente as características construtivas do equipamento objeto do presente pedido de patente. Nenhum trata especificamente da eliminação, com uso de reator com combustão do tipo ciclone que envolva a técnica aqui apresentada.

Sumário da invenção [017] A fim de solucionar esses inconvenientes, ao longo do tempo foram procedidos estudos visando eliminar todos esses problemas e inconvenientes e, como resultado, foi desenvolvido o objeto do presente pedido de patente, "REATOR PARA PROCESSO DE COMBUSTÃO AVANÇADA PARA QUEIMA DE BIOMASSA E RESÍDUOS", que compreende um equipamento com grande eficiência, aliado ao baixo custo de aquisição do equipamento e de operação.

[018] Portanto, esta patente apresenta como inovação um reator que opera por efeito ciclone que permite a queima controlada, com elevado tempo de residência e elevada temperatura, evitando assim a geração de altos índices de CO, HC, particulados e fuligem que arrastam agentes tóxicos.

Breve descrição dos desenhos da invenção

[019] A complementar a presente descrição de modo a obter uma melhor compreensão das características do presente invento e de acordo com uma preferencial realização prática do mesmo, acompanha a descrição, em anexo, um conjunto de desenhos, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representou o seguinte:

[020] A FIG. 1 - Mostra uma vista em elevação do reator para processo de combustão avançada para queima de biomassa e resíduos.

[021 ] A FIG. 2 - Mostra uma vista em corte (seção AA) do reator para processo de combustão avançada para queima de biomassa e resíduos.

[022] A FIG. 3 - Mostra uma vista em corte (seção BB) do reator para processo de combustão avançada para queima de biomassa e resíduos. [023] A FIG. 4 - Mostra uma vista detalhada da seção de descarte do reator para processo de combustão avançada para queima de biomassa e resíduos.

[024] A FIG. 5 - Mostra uma vista de um modelo opcional da seção de descarte que integra o reator para processo de combustão avançada para queima de biomassa e resíduos.

Descrição detalhada da invenção

[025] De conformidade com o quanto ilustram as figuras acima relacionadas, o "REATOR PARA PROCESSO DE COMBUSTÃO AVANÇADA PARA QUEIMA DE BIOMASSA E RESÍDUOS", objeto da presente patente é compreendida por um equipamento de estrutura verticalizada circular constituída por três seções: A seção central (1 ), ou combustor, onde ocorre a combustão propriamente dita; a seção de diluição e exaustão (2), onde ocorre o fim da queima e se dá a saída dos gases subprodutos da combustão e a seção de descarte (3), localizada na parte inferior do reator, onde se formam os subprodutos sólidos da combustão e o descarte do mesmo.

[026] Na seção central (1 ), ocorre o fenómeno de combustão primária, com entrada de material sólido (ou líquido) e ar. É onde ocorre o início do processo com acendimento e queima rica do material reagente.

[027] A seção central (1 ) é assistida por um queimador (4), para partida do processo e para garantir a completa estabilidade da queima, em caso de apagamento, em virtude da presença de material inerte ou mesmo da alta umidade.

[028] Mais exatamente a seção central (1 ) consiste numa parede dupla feita em aço: uma interna (5) e outra externa (6).

[029] Opcionalmente uma terceira parede externa (7), envolvendo as duas citadas, pode ser adicionada para maior isolamento térmico. Neste caso, um enchimento de isolante térmico (8) do tipo lã de vidro, entre as paredes externas (6) e (7), pode ser usado para maior eficácia no isolamento. Nesta seção, conforme a figura 1 há um duto de alimentação de material sólido (9) (para o caso de líquidos usa-se um bico spray de alimentação - não mostrado), comunicando a parte interior do reator, através das paredes laterais, com o sistema de alimentação (não mostrado) por onde o resíduo é inserido no reator.

[030] Há também nesta seção, na parte inferior, um soprador (10) para alimentação de ar primário entre as paredes (5) e (6) para resfriamento das mesmas e posterior injeção desse ar, agora preaquecido, no interior do reator, através de bocais bidimensionais ou ventaneiras (1 1 ), tangencialmente localizados (figura 2) na parede interna (5), de forma a produzir o efeito ciclone, além de ajudar a resfriar a parede interna (5) do reator.

[031 ] Para uma combustão adequada, este soprador possui um sistema de controle de vazão (não mostrado) de forma que se tenha a correta relação de mistura entre a massa de resíduo e a quantidade de ar requerida. Isso vai depender do tipo de resíduo e seu grau de umidade.

[032] Na medida em que o material vai sendo processado na câmara central, os gases quentes sobem em direção a seção de diluição e exaustão (2) e continuam queimando pelo processo de combustão ciclone, e o material sólido, mais pesado, desce para a seção de descarte (3). [033] As cinzas e materiais sólidos mais pesados provenientes da seção central (1 ), de queima primária, são dirigidos por gravidade a seção de descarte (3).

[034] A seção de diluição e exaustão (2), afixada à seção central (1 ) por meio de um flange com parafusos periféricos (23), tem formato cilíndrico e possui um segundo soprador (12). Dita seção de diluição e exaustão (2) é composta por paredes duplas, uma interna (13) e outra externa (14) similar as da seção central (1 ). Uma terceira parede opcional (15) pode ser adicionada para fins de isolamento externo, revestida de isolante térmico (8) do tipo lã de vidro.

[035] Dita seção de diluição e exaustão (2) inicia-se como sendo uma extensão da seção central (1 ) com a coluna térmica se estendendo para cima e da mesma forma que a seção central é também alimentada por meio de ventaneiras, ou bocais bidimensionais (16), para o processo de diluição da combustão. A disposição e o número desses bocais dependem fundamentalmente do projeto do reator. Ao longo de seu eixo, seu diâmetro é estrategicamente reduzido para se ajustar com a coluna térmica de forma a estabiliza-la e não deixar escapar gases frios na exaustão.

[036] A relação dessa redução bem como o seu posicionamento dependem dos parâmetros de projeto da combustão.

[037] Em seguida este se alarga, formando uma espécie de difusor (17) para ajustar as condições de saída dos gases, estabelecendo uma boa velocidade de escape, dentro do permitido. Da mesma forma, o diâmetro de saída do difusor (17) depende dos parâmetros de projeto do combustor como um todo. Após o difusor, há um sistema caracol (18) para direcionar os gases para fora do reator, sem que haja perda de carga no processo. Acima do referido caracol (18) existe uma válvula de segurança (19) para fins de "by-pass" dos gases em caso de emergência. Conforme já mencionado, toda essa seção é alimentada por ar independente proveniente de outro soprador (12) para a diluição dos gases, ou seja, excesso de ar para uma combustão completa e controle da temperatura dos gases de saída. A sua alimentação é controlada eletronicamente pela quantidade de 0 2 , CO e da temperatura dos gases exauridos medidos na saída lateral de ar

(20) .

[038] A principal função da seção de diluição e exaustão (2) é de promover a combustão completa dos gases provenientes de seção central (1 ) primária. Essa combustão deve- se dar com um pequeno excesso de 0 2 medido no duto de saída lateral de ar (20), para garantia de que todos os gases combustíveis tenham sido queimados. Finalmente os gases queimados são liberados para o exterior, com pressão e temperatura controladas.

[039] A seção de descarte (3), afixada abaixo da seção central (1 ) por um flange e parafusos periféricos (23) é onde o material sólido é coletado em um cadinho refratário (21 ) e mantém a sua temperatura na faixa de 1 .100 S C a 1 .300 S C. Ela é do tipo cilíndrico com parede externa (22) de mesmo diâmetro que a seção central (1 ), sendo ligados por meio de parafusos periféricos (23).

[040] Completando a lateral, entre o cadinho

(21 ) e a parede externa (22) há um enchimento de isolante térmico (8) do tipo vidro, que faz o isolamento.

[041 ] O material subproduto da combustão, cinzas na maioria, é então retirado do cadinho por meio de um sugador (24) de forma intermitente, ou seja, a cada intervalo de tempo pré-definido e ajustado com as condições do processo. Esse material é então recolhido em um recipiente (25). A base da seção de descarte (3) possui uma tampa (26) para limpeza e retirada de material sólido ou pastoso residual, que impregnou durante o funcionamento do reator. Essa tampa (26) ajuda também na manutenção do reator.

[042] Opcionalmente, a seção de descarte (3) pode liquefazer as cinzas produzindo como subproduto do processo, uma matriz de material sólido e totalmente inerte.

[043] Para tal, conforme a figura 5, esta seção de descarte (3) sofre modificações e deve conter:

- Um cadinho (27) para 1 .600 S C de trabalho contínuo, feito de refratário que preenche todo o interior até a parede externa (30);

- Um queimador (28), cuja temperatura de chama seja superior a 1600 S C;

- Finalmente, Um tubo refratário (29) no fundo dessa seção (3) para retirada do material ainda em estado líquido, seguido de um sistema de recolhimento ou espera (30).

[044] O "REATOR PARA PROCESSO DE COMBUSTÃO AVANÇADA PARA QUEIMA DE BIOMASSA E RESÍDUOS" é notabilizado por possuir ar circulante nas suas paredes laterais, tanto na seção central quanto na seção de diluição, para resfriamento das mesmas, sem a necessidade de refratários como nos modelos convencionais.

[045] Além disso, possui ventaneiras, ou bicos injetores de ar bidimensionais, na sua parede interior (seção central e de diluição), que produz uma coluna térmica central e vertical, durante o processo da combustão, com elevada temperatura no centro e baixa temperatura na extremidade, ou seja, na parede interior do reator. O número e a disposição das ventaneiras no interior do reator variam dependendo do projeto do combustor.

[046] Não possuir refratários na seção lateral do reator, ou seja, na zona de combustão, como os modelos convencionais, uma vez que a refrigeração do mesmo se dá pelo efeito de gradiente térmico da coluna em forma de ciclone, com alta temperatura no interior da coluna e baixa temperatura na parede. Além disso, ar circulante entre as paredes do mesmo ajudam nessa refrigeração.

[047] Apresenta um sistema controlado de injeção de ar, que consiste de dois sopradores num mesmo reator: um na parte superior para controle de diluição e um na parte central para controle na taxa de queima, na combustão primária.

[048] Possui inúmeros bicos de injeção de ar na parede interior central do reator, para formação do jato de ar tangencial que ira dar origem ao ciclone.

[049] Possui também bicos de injeção de ar na parede interior na seção de diluição, independentes em relação aos bicos da seção central, para controle do fim da queima e da temperatura de saída dos gases do reator.

[050] Apresenta a seção de descarte flexível, em duas formas: retirada das cinzas por sucção ou liquefação das mesmas por meio de queimador térmico, seguido de uma drenagem na forma líquida.

[051 ] É um reator flexível, que permite a queima de material sólido, líquido combustível, ou a mistura de ambos, sólido e líquido (nesse caso mesmo inerte), ambos injetados pela lateral do equipamento, na zona de queima sob forte efeito do ciclone, produzido por ar de injeção, sem comprometer a combustão.

[052] É certo que quando o presente modelo de utilidade for colocado em prática, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes de construção e forma, sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório, ficando assim entendido que a terminologia empregada teve a finalidade de descrição e não de limitação.