Campo Utilização:

[0001] Esta patente de invenção refere-se a um processo e um forno desenvolvidos para produção de carvão vegetal com a recuperação dos gases, alcatrão e extrato pirolenhoso.

Estado da técnica:

[0002] Esta invenção se refere a um processo e um forno para a produção industrial de carvão vegetal e recuperação dos gases gerados no processo, como forma de solucionar o problema inerente ao processo de carbonização tal como executado hoje pela maioria das carvoarias. No Brasil, a maior parte da produção de carvão vegetal, em torno de 70%, vem das carvoarias tradicionais dos fornos de alvenaria, ditos "fornos rabo-quente". Estes fornos apresentam baixo percentual de rendimento, em massa, na conversão de biomassa em carvão vegetal e possuem ciclos de produção de elevada duração. Tipicamente são gastos cinco dias para carbonizar biomassa e 7 dias para resfriamento completo, ou seja entre o carregamento e descarregamento são utilizados cerca de 12 a 14 dias.

[0003] No processo tradicional de produção de carvão em fornos de alvenaria tipo "Rabo-quente", a lenha e o carvão são, respectivamente, carregados e descarregados manualmente, sujeitando o operador do fbrno a condições severas e rudes de trabalho. Os meios de controle do processo são subjetivos e extremamente dependentes da experiência do operador, que deve avaliar, conforme critérios sensoriais, parâmetros como a cor da fumaça para determinar o fechamento das aberturas na* parede do forno. Essas aberturas, feitas manualmente, são denominadas "baianas" na superfície do forno e "tatus" na base do forno. Além disso, os gases gerados no processo de carbonização são lançados na atmosfera sem nenhum controle e/ou aproveitamento, resultando em um desperdício energético significativo. Os gases liberados por esses fornos prejudicam ainda o ambiente de trabalho dos operadores, visto que, a fumaça liberada quando em contato com olhos e mucosas provocam irritação, podendo conter também substâncias tóxicas. Somados aos problemas aqui relatados, tem-se ainda a questão referente à produção em larga escala para atender aos grandes consumidores de carvão vegetal, de forma eficiente, automatizada, mecanizada, com custos reduzidos e sem prejuízo ao meio ambiente.

[0004] Desde 2001, apresentamos ao INPI uma série de solicitações de concessão de patentes contendo propostas para a solução destes problemas. Estes pedidos correlacionados ao objeto deste relatório são discutidos e apresentados, de forma cronológica, a seguir.

[0005] Em 2 de Outubro de 2001 , foi depositado no INPI sob o número PI 0104858-9 a solicitação para a concessão de uma patente referente a um forno container para a produção de carvão vegetal. Neste pedido pleiteamos um forno metálico, com exaustão forçada dos gases, que deve ser colocado sob uma câmara de combustão dentro de um poço isolante. Na câmara de combustão, resíduos florestais ou lenha de baixa qualidade são queimados para fornecer energia ao processo de carbonização. Esta invenção possui somente uma válvula de controle para todo o processo, que fica localizada na câmara de combustão abaixo do forno. Os gases gerados no processo são succionados por um exaustor, queimados e então descartados ao meio ambiente. Este sistema, embora tenha se proposto a solucionar os problemas citados anteriormente, tais como menor tempo de carbonização e melhor controle do processo e melhores condições de trabalho aos operários, não abrange completamente todas as questões energéticas, ambientais e operacionais. Por exemplo, por este sistema o carregamento deve ser feito manualmente. A etapa de resfriamento ocorre dentro dos fornos, o que reduz o tempo produtivo de cada forno. Além disso, o sistema é dotado somente de uma válvula de controle, o que para pequenos volumes pode ser aceitável, mas para fornos industriais de grande volume, como o referente à proposta desta invenção, não são efetivas, sendo necessário o controle do processo em vários pontos do forno. Portanto, trata-se de um projeto, que mesmo superando o estado da técnica do processo de carbonização, não apresentava no momento de seu protocolo todas as condições adicionais necessárias para completa solução dos problemas energéticos, ambientais e operacionais. Essas condições e melhorias foram sendo apresentadas nos demais processos e pedidos de patente solicitados ao IN PI, a partir de 2001, incluindo este novo pedido de patente, o qual estamos requerendo no momento presente (2014).

[0006] Em 29 de Dezembro de 2005, foi depositado no INPl sob o número PI 0506224-1 a solicitação para a concessão de uma patente referente a um gaseificador acoplado a um forno container. O documento revela o uso do forno container como um gaseificador através da entrada combinada de vapor e oxigénio por meio de distribuidores de gases no interior do forno em que se processa a gaseificação da biomassa. PI 0506224-1 revela também o uso dos gases combustíveis como uma fonte de energia para o processo de secagem da madeira; o uso de isolamento térmico para aumentar a vida útil dos fornos; e a presença de um selo d'água para garantir a estanqueidade do forno. Esta proposta, ou pedido de inovação, constitui uma melhoria ou aprimoramento em relação à (PI 0104858-9), pois, utiliza-se uma câmara de combustão abaixo do forno para fornecer energia ao processo; utiliza-se exaustão forçada dos gases; há um método económico de estanqueidade do forno e o processo ocorre em fornos metálicos móveis. Embora o documento PI 0506224-1 trate da funcionalidade do forno container como um gaseificador, não é proposta uma solução definitiva para a produção de carvão vegetal em larga escala, visto que, os rendimentos de carvão vegetal em um forno de carbonização que opera como um gaseificador são baixos quando comparados ao processo tradicional. Esta invenção, protocolada em Dezembro de 2005, pretende apresentar e/ou caracterizar o forno containe como um equipamento de gaseificação, associado a um sistema de carbonização. Porém, ainda não apresenta as soluções completas para a mecanização, automação e otimização ambiental, energética e operacional, que serão demonstradas neste pedido.

[0007] Em 28 de Abril de 2006, foi depositado no INPl sob o número PI 0603433-0 a solicitação para a concessão de uma patente referente a um processo de produção continua de carvão em fornos containers com aproveitamento dos gases combustíveis provenientes da carbonização da biomassa. Neste documento é apresentado como principal inovação aos pedidos anteriores, o conceito de fornos metálicos dotados de orifícios com válvulas mecânicas de controle, distribuídas pela lateral do forno. Essas válvulas podem ser abertas ou fechadas conforme necessidade e prosseguimento da carbonização. No início do processo o forno deve ser colocado dentro de uma camisa de alvenaria sob uma câmara de combustão, que fornecerá a energia necessária para a carbonização da biomassa. Esta câmara pode ter uma ou mais entradas de ar para auxiliar o controle. De acordo com o PI 0603433-0, a invenção proposta apresenta um tempo de carbonização entre 8 e 16 horas dependendo do teor de umidade da madeira. Esso tempo é significativamente menor que o tempo de carbonização de um forno de alvenaria, que é em média 5 dias. Para biomassa de pequeno porte e/ou de baixa espessura, como galhada e capim, a carbonização durou entre 3 e 4 horas. Entende-se por final da carbonização, a produção de carvão vegetal, caracterizado por conter um teor de carbono fixo entre 70 e 85%. Este pedido revela também que o ciclo básico é composto por quatro etapas: carregamento, carbonização, resfriamento e descarregamento. Para cada etapa se faz necessário um forno container para garantir a continuidade do ciclo e para maior produção, torna-se necessária a fabricação de múltiplos fornos em operação cíclica.

[0008] PI 0603433-0 apresenta como inovação ao estado da arte a presença de válvulas de entrada de ar posicionadas por toda a latera do forno metálico. Trata-se de uma solução importante, uma vez que permite ao operador um controle da entrada de ar por fechamento/abertura on/off, gradual ou integral, de forma que a vazão de entrada de ar possa ser monitorada pelo equacionamento da velocidade de entrada, área e tempo de abertura da válvula. Esta é uma evolução do processo manual para um processo mecanizado e potencialmente automatizável. A forma controlada de injeção de ar permite também uma otimização do conteúdo energético do gás gerado na carbonização, qualificando-o como potencialmente combustível para uso, por exemplo, na geração de energia elétrica. [0009] No entanto, por necessitar manter o carvão dentro do forno container durante a etapa de resfriamento, a invenção proposta em PI 0603433-0 inviabiliza a utilização contínua do forno, exclusivamente para produção de carvão. Além disso, o documento não revela uma proposta para solucionar o descarregamento rápido ou instantâneo do forno.

[0010] Prosseguindo com o mesmo projeto, em 11 de Agosto de 2006, foi depositado no INPI sob o número PI0603622-8 uma solicitação de concessão de patente referente a um processo de produção contínua de carvão vegetal em fornos containers, desta vez considerando o projeto com sistema de exaustão dos gases, que pode ocorrer pela base, topo e/ou lateral do forno. Nesta solicitação, o principal avanço em relação ao processo anterior é o estabelecimento de três opções para o ponto de exaustão no forno, podendo este ser efetuado pelo topo, base ou lateral, isoladamente ou em conjunto. Esta inovação também consiste em uma evolução ou inovação do estado da arte, uma vez que em nenhum processo ou tecnologia de carbonização, ocorre simultaneamente a exaustão dos gases de forma distribuída por toda a superfície da carga, o que potencializa a produtividade e o rendimento, já que proporciona maior área e volume em condições homogéneas de fluidodinâmica e transferência de calor. Nos processos tradicionais, cohvencionou-se a ocorrência de uma frente ou linha de carbonização que percorre a carga usualmente em um único sentido, especialmente no sentido vertical ou ao longo do comprimento das toras. Obviamente, coexiste uma frente de carbonização que ocorre individualmente em cada peça de biomassa, do sentido externo (casca) para o centro ou miolo da tora.

[0011] Também em 11 de agosto de 2006, uma segunda solicitação de concessão de patente foi depositada no INPI sob o número PI0603623-6 referente a um processo de produção continua de carvão vegetal em fornos containers com ignição pelo topo, base e laterais do forno. Este é um avanço em relação ao estado da técnica, uma vez que usualmente a ignição ocorre exclusivamente pela base e/ou topo do forno. De forma semelhante ao pedido PI0603622-8, esta solução pretende garantir o uso deste recurso de forma exclusiva. [0012] No entanto, com o decorrer do desenvolvimento desta pesquisa, tecnicamente, a adição de dois ou mais pontos de exauètão acarreta a necessidade de um controle maior sobre o processo devido às diversas frentes de carbonização que se formam. Ademais, pontos de ignição em posições diferentes na altura e circunferência do forno levam a uma operação insegura, pois gases gerados por uma das frentes de carbonização podem entrar em contato com a chama/brasa produzida por outra frente. Dependendo da temperatura e do teor de hidrogénio, vapor d'água e oxigénio nessas áreas, há o riso) de explosão. Diante dessas possibilidades/riscos, as propostas de melhoria em PI0603623-6 não avançaram e não resultaram em ganhos reais. Além disso, este sistema ainda não propõe uma solução global, que torne viável, técnica, económica, ambiental e energeticamente a operação de uma planta industrial de produção de carvão vegetai.

[0013] Em 10 de Outubro de 2006, foi depositado no INPI sob o número PI0605093-0 a solicitação de concessão de patente, referente a forno container para gaseificação de bagaço de cana e/ou biomassa. Nest solicitação é descrito um processo de gaseificação utilizando o forno container. Semelhante aos textos anteriores ressalta-se que esta solicitação não propõe uma solução para o descarregamento do carvão de forma a liberar o forno dò processo de resfriamento, mas revela o uso de bicos de aspersão para acelerar o processo de resfriamento dentro dos fornos.

[0014] Em 24 de Outubro de 2008, foi depositado no INPI sob o número PI0804554-2 a solicitação de concessão de patente referente a um processo e equipamento automatizado de produção contínua de carvão vegetal, com monitoramento continuo de peso e temperatura. Nest solicitação é descrito um processo e um equipamento para a produção de carvão vegetal, composto por um forno metálico com válvulas automáticas distribuídas pela superfície do forno, dividindo o forno em V regiões, de acordo com a necessidade de cada projeto. O forno ainda pode ser dotado de uma camisa interna para a distribuição de gases. O processo é monitorado via mecanismos para medição de temperatura, pressão e peso e controlado via dispositivos manuais ou automáticos. O controle do processo é assistido por um software que estabelece uma curva padrão ou mapa de processo e informa continuamente ao operador em quais pontos do forno serão necessários controles e ajustes. O ciclo de produção nesse processo envolve quatro etapas, sendo necessário um forno em cada uma delas, para garantir a continuidade do ciclo. Este documento revela ainda o uso do próprio forno para promover o resfriamento acelerado do carvão produzido, através dá pulverização de água no interior do forno ou pelo resfriamento (em trocador de calor externo) e recirculação do gás pelo forno. PI0804554-2 propõe também que o carregamento e descarregamento do forno sejam feitos com o mesmo estando "tombado", ou seja, no sentido horizontal. Em resumo, a solução apresentada tenta solucionar os problemas inerentes ao processo industrial de produção de carvão vegetal, porém é falha quando novamente volta a utilizar o forno, objeto dimensionado e projetado para resistir a altas temperaturas, para promover o resfriamento. Novamente esta solução ainda não apresenta uma inovação global quanto à otimização e eficiência energética, ambiental e operacional do processo, por impossibilitar o uso exclusivo do forno para o processo de carbonização, por não apresentar soluções detalhadas de mecanização, automação e controle. Outra falha apresentada no processo diz respeito às proposições para carregamento e descarregamento do forno. "Tombar" o forno, em outras palavras, retirá-lo da posição vertical e girá-lo para a horizontal, resulta em um processo complicado, principalmente quando se trabalha com fornos de grande capacidade (acima de 30m ³ de volume útil). Os equipamentos necessários para realizar essas operações têm custos elevados, descaracterizando a aplicação industrial deste tipo de carregamento/descarregamento para um forno industrial. Outro ponto a ser levado em consideração refére-se ao dimensionamento do forno, que deveria possuir reforços estruturais para atender ao carregamento proposto, resultando em um aumento dos custos do projeto.

[0015] Em 3 de Dezembro de 1998, foi depositado no INPl, por uma terceira empresa, sob o número PI9806361-8 a solicitação de concessão de patente referente a um processo e forno para a destilação destrutiva da madeira visando a obtenção do carvão vegetal e ou recuperação dos produtos voláteis da madeira, ou a obtenção da madeira anidra. Neste documento o reator utilizado para promover a carbonização de matéria orgânica apresenta um formato cilíndrico, que se posiciona no sentido horizontal. Nesse reator, a madeira é sustentada por grades, pelas quais, parte dos gases produzidos durante a própria carbonização é retornada para aquecer o leito de pirólise de um segundo reator. Na região superior do reator, durante a fase de carbonização, os gases injetados e os gases produzidos são sugados e passam por um separador. Uma parte dos gases é então reaquecida em um trocador de calor até 280°C a 450°C e reinjetada no leito de pirólise através das grades do forno. Tem-se, portanto um fluxo de gás ascendente dentro desse recipiente.

[0016] O restante dos gases de pirólise vai para uma câmara de combustão e os produtos dessa reação são levados para o reator durante a etapa de secagem da madeira. Ao fluxo de gases que é injetado, acrescentam-se os gases liberados durante a secagem. Da mesma forma que no reator de pirólise, o fluxo de gases é ascendente.

[0017] Os gases sugados da câmara de secagem são, então, levados para um terceiro reator, na qual percorrem o carvão produzido também no sentido ascendente, promovendo seu resfriamento.

[0018] Todos os processos de secagem, combustão e resfriamento acontecem simultaneâmente e levam um tempo estimado de 18 horas. Os equipamentos relacionados à combustão de gases e trocadores de calor são fixos, bem como os reatores, onde ocorre de forma simultânea e consecutiva as etapas de pirólise, secagem e resfriamento. Para que todas as etapas possam ocorrer no mesmo reator, os dutos são sempre trocados e um tanque assume as seguintes etapas cíclicas: pirólise - resfriamento - secagem. Ou seja, neste processo, o reator é fixo e o fluxo dos gases é móvel; há uma inversão do fluxo de secagem, do fluxo de pirólise e do fluxo de resfriamento entre os reatores durante todo o processo.

[0019] O objetivo desta patente, PI9806361-8, protocolada por terceiros, é promover carbonização, secagem e resfriamento simultaneamente em recipientes diferentes, com a alternância do fluxo de gases gerados e produzidos durante o processo, seja pelos próprios reatores/carga, seja em com uso de equipamentos externos, como trocadores de calor.

[0020] O processo de secagem descrito em PI9806361-8 apresenta algumas desvantagens. A maior delas advém do fato de haver muitos equipamentos, tubulações e registros para promover a rotatividade entre os containeres/reatores. Dessa forma, não apenas a estratégia de controle se torna mais dificultosa, mas há grande potencial de ocorrência de problemas como condensação, incrustação e entupimento devido aos gases condensáveis advindos dá produção do carvão, como o alcatrão e o pirolenhoso.

[0021] Como em um mesmo reator ocorrem simultaneamente a pirólise, resfriamento e secagem, não há possibilidade de construir um tanque que atenda especificamente a cada uma dessas etapas. Não há detalhes de construção dados na patente, mas seria ideal que o tanque na pirólise fosse um isolante térmico e que o contrário ocorresse durante o resfriamento. Esse lay-out cria a obrigatoriedade de uma ou outra propriedade ter que ser priorizada na configuração de um único equipamento com múltiplas utilidades.

[0022] Na patente PI9806361-8, menciona-se que madeira não será queimada para dar início ao processo de carbonização, mas não há menção de como será dado o seu start-up. Uma possibilidade seria um gasómetro para armazenamento dos gases que serão circulados, mas devido à presença dos condensáveis, essa idéia pode não ser tão viável como a simples combustão de uma quantidade inicial de madeira.

[0023] Os processos demonstrados no estado da arte apresentam, portanto, falhas em sua concepção e não propõem soluções completas para o problema da produção industriai de carvão vegetal. Todas as construções utilizam o forno para a produção do carvão vegetal como recipiente para promover o resfriamento do carvão e não há uma solução que engloba viabilização técnica, económica, energética e ambiental simultaneamente. Este pedido presente pretende apresentar esta solução inovadora, global, que abrange e supera os demais pedidos protocolados, em especial quanto ao aproveitamento energético da biomassa, operação do forno, projeto, layout e logística operacional, incluindo o descarregamento do carvão de forma a liberar o forno da etapa de resfriamento, o que eleva, efetivamente a produtividade do processo; permitindo que o forno seja utilizado para seu fim mais nobre e único: produção de carvão e gás combustível.

Solução do Problema

[0024] O forno industrial para produção de carvão vegetal consiste em um recipiente metálico, móvel, com seção transversal predominantemente circular, cujo objetivo é converter a biomassa inserida em seu interior em carvão vegetal, no menor tempo possível e com maior rendimento gravimétrico (razão entre a massa de carvão vegetal por massa de biomassa seca). A solução proposta engloba, além do forno container de carbonização, todos os demais componentes do sistema, que juntos capacitam este projeto para uma produção energeticamente, operacionalmente e ambientalmente de derivados de biomassa: bioredutor (carvão vegetal), alcatrão, licor pirolenhoso e gases combustíveis,

[0025] Dessa forma, o projeto contempla um sistema exclusivo e diferenciado de exaustão dos gases e vapores gerados durante o processo de carbonização. Esse sistema, composto por um exaustor gera a depressão necessária no interior do recipiente, bem como uma fluidodinâmica especial, que promove, simultaneamente, a exaustão dos gases e a injeção de ar atmosférico. O efeito da exaustão dos gases, aliada aos mecanismos de controle e ignição do processo, permite a redução do tempo necessário para a conversão de biomassa em carvão vegetal de 8 a 12 horas (que consiste nos melhores resultados referenciados nos processos descritos no estado da técnica), para um tempo inferior a 4 horas - esse valor foi estabelecido para uma massa de madeira enfornada em torno de 10 toneladas. Este avanço, especificamente quanto â produtividade, somente foi possível devido ao aprimoramento do projeto do forno e estruturas de apoio, lay-out da planta, mecanização, automação e operação das técnicas de controle do processo, que serão descritas oportunamente neste relatório.

[0026] Fornos de alvenaria para a produção de carvão vegetal apresentam como uma das principais desvantagens o fato de possuírem elevados tempos para a conversão de biomassa em carvão vegetal, conforme mencionado anteriormente, entre 12 e 14 dias. Este tempo elevado está em parte associado a má distribuição do fluxo de gases no interior do forno.

[0027] O forno industrial para a produção de carvão vegetal soluciona este problema pela introdução de orifícios em pontos estratégicos, ao longo da superfície externa do forno, de modo a manter a velocidade da isoterma de 200°C sempre elevada. Isto é atingido através da análise do perfil téiímico do forno ao longo do tempo de carbonização e a consequente introdução de orifícios nos pontos de menor velocidade. O forno, objeto desta patente, teve seus pontos de lentidão, ou desaceleração da frente de carbonização (a qual denominamos de isoterma de 200°C), mapeados e minimizados pela adição de orifícios para a entrada de ar atmosférico. A entrada de ar nestes pontos específicos acelera a carbonização, uma vez que promove a combustão do gás combustível presente nesta região; o que acaba por "puxar" a linha de carbonização, que ocorre, usualmente, de cima pra baixo no sentido vertical do forno.

[0028] Nenhum forno de carbonização, seja metálico ou de alvenaria, em operação na atualidade e/ou em datas remotas possui em sua estrutura, este tipo de controle industrial da entrada e vazão de ar, que pode ser manual ou automatizado e ainda restrito à entrada de ar, oxigénio enriquecido, ou mesmo um gás inerte aquecido. Nos fornos de alvenaria tradicionais, em especial o "rabo quente", estas entradas de ar, denominadas baianas e tatus são operadas manualmente de forma sensorial e artesanal, sem possibilidade de um contrate aprimorado da vazão de entrada e monitoramento da velocidade da isoterma ou frente de carbonização, que não seja meramente sensorial, por tato e olfato. Somãda à ausência de controle adequado de temperatura e entrada de oxigénio, nos fornos rabo quente há presença de trincas e furos na parede de alvenaria qtie resultam em frequentes explosões e desmoronamento dos fornos, com conseguinte prejuízo financeiro.

[0029] A presente invenção apresenta como solução para o problema de infiltração indesejada de ar e explosão um forno metálico vedado, com isolamento físico em todas as áreas e bases que conectam o forno ao restante da estrutura e/ou permitem entrada controlada de ar. Para garantir essa vedação, as válvulas para entrada de ar são mecânicas e possuem selo de vedação. Da mesma forma, a base do forno e a tampa superior para carregamento possuem anel de vedação com flange refrigerado Além disso, o projeto/forno apresentado como solução industrial neste pedido de invenção dispõe de válvulas para alívio de pressão, devidamente projetadas e posicionadas ao longo da estrutura e do conjunto do forno acoplado ao sistema de tubulação de condução do gás. Tais válvulas atuam, sempre que necessário, como sistemas de alívio, abrindo e retornando à posição original sem nenhuma dependência da atuação humana. Esta é uma vantagem importante do forno proposto para produção industrial de carvão vegetal frente aos demais fornos de carbonização, pois permite regular a pressão interna do forno.

[0030] Outro avanço de extrema relevância ao estado da técnica consiste no desenvolvimento de um mecanismo que permite o descarregamento do carvão ainda quente do forno de carbonização em um segundo recipiente de resfriamento, para, desta forma, liberar o Forno Container para seu uso mais nobre: a exclusiva produção de carvão vegetal.

[0031] Para tanto, o Forno Container dispõe de uma válvula bipartida de descarga, localizada ná região inferior do forno, cuja função é liberar pela base o carvão vegetal produzido sem aguardar a etapa de resfriamento. Com a inclusão da válvula de descarga inferior a disponibilidade do forno container para o processo produtivo se elevou consideravelmente, reduzindo o investimento em número de fornos. Embora a válvula de descarga seja o elemento chave para este salto inventivo, a solução proposta é composta de uma série de pontos qiie em conjunto possibilitam o descarregamento do carvão, ainda em brasa, com segurança e rapidez. Este projeto permite que o forno seja projetado e fabricado com isolamento térmico adequado, ou seja, leve e eficiente. Os resultados do balanço de energia demonstraram que dessa forma, as perdas térmicas deste Forno são inferiores a 5% de toda a energia contida na lenha entornada, lenha esta com um teor de umidade abaixo de 30%. A segunda vantagem derivada da presente invenção consiste no projeto e fabricação de um recipiente próprio para receber o carvão ainda na etapa de fixação de carbono, ou seja, acima de 400°C. Trata÷se de um cilindro metálico, porém com baixo peso, abaixo de 4 toneladas, sem nenhum isolamento e dotado de um sistema exclusivo de aspersão de água sobre o carvão durante todo o descarregamento. Esse sistema de pulverização controlada de água sobre o carvão em queda não interfere nas características mecânicas do mesmo, uma vez que a quantidade de água não ultrapassa o volume necessário somente para remoção da energia entálpica ou vaporização da mesma. E principalmente, a pulverização de água reduz em mais de 70% o tempo necessário para resfriamento do carvão no próprio forno de carbonização, sem prejuízo de suas propriedades mecânicas e também sem a manutenção involuntária e descontrolada do processo de fixação de carbono, que ocorre nos demais fornos do estado da técnica.

[0032] O processo de carregamento do forno também foi otimizado. Ao invés de carregar o forno pela base, como descrito no estado da técnica, a presente invenção, objeto deste relatório, propõe um sistema dé carregamento pela parte superior do forno, eliminando a necessidade de girar, bascular ou tombar o forno para o carregamento. Este avanço em relação ao estado da técnica reduz consideravelmente o tempo de carregamento dos fornos, resultando em um ganho de produtividade graças ao aumento da disponibilidade do forno para o processo de carbonização. O carregamento pela parte superior permite ainda uma melhor homogeneização da carga e maior regularidade operacional.

[0033] Esta nova tecnologia conta com um sistema exclusivo e inédito de monitoramento simultâneo e em tempo real de todas as variáveis do processo, sendo elas:

• Teor de umidade da lenha

• Massa de lenha enfornada

• Rendimento gravimétrico em carvão

• Teor do pirolenhoso no gás cóletado.

• Vazão de entrada de ar

• Percentual de excesso de O2 estequiométrico na reação de combustão

• Percentual de combustão completa ^• Fração de alcatrão coletada, condensada e queimada

^• Fração de pirolenhoso coletado, vaporizado e queimado

^• Temperaturas medidas (gás, isolamento, forno, carcaça, carvão)

^• Energia de ativação da reação

^• Calor de pirólise

^• Percentuais dos derivados combustíveis da lenha que fornecem energia ao processo de carbonização

^• Vazões de exaustão

^• Teor de O2, N2, H ₂₎ CH ₄ , CO2, CO e CnHm do gás não condensável

• % de excesso de ar estequiométrico

• % de combustão completa

^• % de queima do carvão

• % de queima do alcatrão

• % de queima do pirolenhoso

• % de queima do GNC

• % da reação entre C e vapor d'água

• % de combustão complete da reação do C, com formação de CO e h [0034] As inovações propostas como solução para os problemas citados serão apresentadas em detalhes nos itens que se seguem.

Descrição da invenção

[0035] O recipiente metálico do forno industrial (1) para a produção de carvão vegetal tem seu volume interno dividido virtualmente em três partes, conforme Figura 1 : topo (R1), cilindro central (R2) e tronco de cone inferior (R3). Não existem barreiras físicas entre as regiões; a divisão aqui listada se faz apenas para simplificar a descrição dos diversos componente da solução proposta.

[0036] A região do topo (R1), localizada na parte superior do forno, pode ser em formato de tronco de cone ou torresférico. Essa região pode ser parcialmente dividida ou completamente separada do cilindro central, conforme Figura 2, assumindo a função de tampa (2) para o orifício de carregamento de biomassa no interior do forno (3). Além disso, seu formato em tronco de cone ou torresférico permite a criação de mecanismos de alívio para controle da pressão interna do processo (4). Este mecanismo de alívio de pressão é definido como um orifício de alívio, preferencialmente circular, na superfície da região do topo, vedado por uma tampa de alívio móvel, compatível com o orifício, que se desloca verticalmente para cima, quando a pressão interna se efeva além do esperado e retorna a sede do orifício quando regularizada a pressão interna. O orifício pode estar posicionado em qualquer ponto da superfície da região do topo, porém este deve ser preferencialmente concêntrico, com o diâmetro próximo ao do forno. A tampa de alívio deve ter área e peso compatível com o forno, com a matéria-prima e com o processo, o que para o esta invenção corresponde a uma área variando entre 0,25 e 0,45 m ² e peso entre 30 e 55 kg. O dimensionamento inicial de válvulas para alívio de explosão teve como base a norma NFPA68/2007, porém devido a aplicabilidade limitada desta norma ao forno industrial para produção de carvão vegetai, os valores finais para área e peso foram resultados da elaboração de modelos matemáticos próprios associados a testes de explosão realizados in lóco no forno. A vedação (5) entre a tampa e o orifício de alívio deve ser feita por material resistente a temperaturas de até 95°C, macio, para absorver os impactos e promover a vedação, visto que a pressão de necessária para garantir a vedação do processo será função somente do peso da tampa. A tampa de alivio móvel tem seu curso vertical limitado por uma série de guias, preferencialmente três equidistantes ou articulada ligando a tampa do orifício de alivio de pressão (4) ao região do topo (R1).

[0037] Em sua configuração óttma, a região do topo possui o diâmetro maior, no caso da forma tronco-cônica, igual ao diâmetro da região do cilindro central, com inclinação do trono de cone com a vertical deve possuir um ângulo (A1) entre 8 ^o e 25°. A região é isolada internamente, com manta de fibra cerâmica (6), e esta é isolada do contato com a matéria prima no interior do forno por uma chapa fina (com espessura de 1,5 mm) de aço inox (7). Essa chapa também impede o contato da manta isolante com os vapores e alcatrão dispersos na atmosfera interna do forno. A região do topo (R1) é presa a região do cilindro central através de mecanismos específicos posicionados próximo ao diâmetro maior do topo. Estes mecanismos são pinos articulados (8), presos à região do cilindro central, que se encaixam sobre guias (9) presas à região do topo (R1). A junção é vedada utilizando vedações especiais para alta temperatura (10). A pressão necessária para garantir a vedação é propiciada por roscas presentes nos pinos e porcas colocadas sobre as guias.

[0038] A região denominada cilindro central (R2), mostrada na Figura 1 corresponde à região principal de controle do processo. O cilindro central possui preferencialmente diâmetro (D) de 3500mm e altura (H) de 4800mm. Sua superfície lateral apresenta uma série de orifícios, representados esquematicamente na Figura 2, dotados de mecanismos de controle de vazão (11) (válvulas de controle). Estas válvulas são distribuídas da seguinte forma: 4 (quatro) colunas de válvulas igualmente espaçadas ao longo do perímetro da seção transversal e em cada coluna há válvulas distribuídas em 7 posições ao longo da altura do forno. Há no total 28 orifícios (11) através dos quais se pode injetar gases no interior do forno ou utilizar como escape em caso de sobre pressão durante a conversão da biomassa em carvão vegetal. Estas 28 válvulas (11) são responsáveis por fornecer oxigénio atmosférico à região perimetral do forno. Adicionalmente foram colocados 4 (quatro) tubos que conectam a parede do forno ao seu interior, em um diâmetro próximo ao centro. Estes quatro tubos também são dotados de mecanismos de controle de vazão. Esses mecanismos são válvulas de esfera, com esfera em inox e sede em material para temperatura até 150°C. Com relação à altura, os tubos são posicionados em uma altura intermediária a dos orifícios localizados na parede lateral, sendo dois tubos por nível.

[0039] A altura de cada uma das válvulas é determinada de acordo com o estudo do perfil de temperaturas do forno. Nesse estudo, foi avaliada a velocidade com que a isoterma de temperatura no valor 200°C avança ao Ibngo da altura do forno. O valor de 200°C é dito pelos estudos na área como a temperatura em que se encerra a secagem da madeira, ou seja, a partir desta temperatura se inicia a torrefação, seguido do processo de carbonização propriamente dito. Os estudos desenvolvidos, para a elaboração da solução proposta demonstraram que a etapa de maior duração do processo de conversão é a secagem da água de ligação da madeira, buscou-se então estudar o comportamento da isoterma de 200°C no forno e os meios para promover a aceleração de seu deslocamento, acelerando assim o processo de secagem. Assim, procedeu-se com análise da velocidade de deslocamento da isoterma de 200°C em função do posicionamento dos orifícios. Os dados obtidos em ensaios laboratoriais demonstram que a velocidade com que essa isoterma avança no leito do forno se reduz gradativamente do ponto de ignição do forno em diante. Somente há o aumento da velocidade de propagação quando ocorre nova aproximação de um ponto de entrada de oxigénio. Determinado o comportamento típico da velocidade da isoterma de valor 200°C, foi possível afirmar e otimizar quais seriam as distâncias mínimas recomendadas entre os orifícios de entrada de gases atmosféricos. O posicionamento dos orifícios ao longo da altura da região do cilindro centrai para sua configuração ótima podem ser observados esquematicamente Figura 1 , em função do estudo elaborado, devem ser distribuídos da seguinte forma: 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H1) entre 5% e 7% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H2) entre 18% e 26% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro centrai, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H3) entre 30% e 38% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H4) entre 50% e 54% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H5) entre 62% e 68% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H6) entre 78% è 84% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, 4 orifícios com diâmetro de 2" na posição (H7) entre 94% e 98% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central; todos os orifícios são dotados de válvulas para o controle de vazão. A distância mínima entre os tubos posicionados entre os orifícios nai lateral do cilindro é de 26% da altura total da região cilíndrica medidos a partir da base do cilindro central, sendo recomendado o uso destes tubos entre os níveis localizados na base do forno, pois nessa parte a condução do processo de carbonização se torna mais crítica. [0040] Na Figura 2, próximo a cada um dos orifícios e tubos, um sensor monitora a temperatura na lateral (12) e interior do forno (12a), com o objetivo de fornecer uma indicação precisa sobre o status ou avanço do processo de carbonização e garantir que não sejam ultrapassados os limites de segurança para a operação adequada do forno. Estes dispositivos para a medição de temperatura podem ser termopares tipo k que são inseridos em poços termométricos que abrigam o sensor e conexões elétricas dos vapores e névoas de alcatrão presentes no interior do forno. Para efeito de controle, além dos termopares laterais, uma série de sensores de temperatura é instalada no interior do forno (12a), próximos a região central, para um melhor monitoramento do processo.

[0041] A região do cilindro central ( 2) é revestida internamente com diversas camadas de materiais que isolam termicamente a Carcaça metálica. O forno industrial para a produção de carvão vegetal trabalha com temperaturas de processo da ordem de 400°C, porém na região dos orifícios esta temperatura pode atingir picos de até 1100°C. Isto ocorre devido à entrada de oxigénio da atmosfera externa no interior do fomo, que em contato o gás combustível e fonte de ignição formam uma chama semelhante a um maçarico. Tecnicamente existem materiais no mercado que conseguem suportar as elevadas temperaturas descritas nesse relatório, porém o processo de carbonização possui agravantes que impossibilitam o uso isolado destes materiais. Durante a carbonização são liberados além dos gases condensáveis e não condensáveis, vapor d'água, alcatrão, licor pirolenhoso e compostos voláteis presentes nas cinzas. O alcatrão no interior do forno está sob a forma de uma fina névoa, que impregnaria e danificaria certos tipos de mantas isolantes, bem como os álcalis presentes nas cinzas. Além disso, a maioria dos materiais refratários apresenta um percentual de poros de passagem total, ou seja, são poros que conectam a face quente a face fria permitindo a passagem de alcatrão, que pode danificar a parede externa do forno. Tanto o alcatrão, quanto o licor pirolenhoso possuem em sua composição uma parcela de ácido acético que traduzem a natureza corrosiva da atmosfera interna. Alguns materiais refratários são incompatíveis com atmosferas ácidas ou vapores d'água. O material ao ser carregado pelo topo do forno atinge as paredes internas com impacto, causando desgastes por abrasão e quebra de materiais refratários; convencionais. A invenção, objeto deste relatório, propõe uma solução de modo a isolar termicamente o forno, garantindo temperaturas na carcaça da ordem de 100°C e reduzindo ao máximo a passagem de alcatrão para a parede externa. A solução proposta é uma combinação de materiais que isoladamente não conseguiram atender as necessidades do processo, mas em conjunto atendem; com exatidão e eficiência. Para a região dos orifícios (considerada para este relatório, ã região compreendida em um raio entre 100mm e 200mm tomada a partir do centro do orifício), os materiais para promover o isolamento da superfície inferna do cilindro metálico para o interior do forno são: manta de fibra cerâmica (13) com 2 polegadas de espessura, material isolante de baixa densidade e custo relativamente reduzido (este material é o principal responsável pela redução da temperatura na carcaça do forno); chapa de inox lisa espessura de 1,5mm (14), recobrindo toda a superfície exposta da manta; concreto refratário de baixo cimento com no mínimo 45% de AI2O3 misturado com fibras metálicas em aço inoxidável a proporção de 2% em massa de concreto (15) utilizado - este concreto associado ao uso de fibras metálicas garante a integridade co concreto, evitando a propagação de trincas em função da variação de temperatura do processo. Para a região fora dos orifícios e pontos de ignição, o concreto refratário com fibras metálicas é substituído por um concreto refratário com no mínimo 47% de Al ₂ 0 ₃ e densidade máxima de 2,27kg/m ³ aplicados sobre uma malha hexagonal, própria para ancoragem de concretos refratários, com espessura total de 27 mm. O uso deste concreto nesta região aliado a um processo de cura especial reduz o percentual total de poros de passagem plena para 5%.

[0042] Na Figura 1, a região denominada tronco de cone inferior (R3) consiste em um tronco de cone invertido, ou em uma transição de seção transversal circular para quadrado com cantos arredondados feito em chapa metálica. Na Figura 2 este cone (16) deve ser perfurado de modo a permitir a passagem de gases do leito de biomassa para a parte inferior, porem, retendo a biomassa. É recomendado que os orifícios tenham diâmetro de 40mm com espaçamento médio entre os furos de 120 063

20

mm, ou com no mínimo 20% de área livre de passagem na área lateral do cone. O ângulo de inclinação para o cone deve ser tal, que promova o escoamento do carvão vegetal sem retenções de fluxo. A Figura 1, apresenta para o carvão vegetal este ângulo (A2) varia entre 30° e 50°, sendo a configuração ôtima a inclinação de 36°. O diâmetro maior do tronco de cone deve acompanhar o diâmetro da região do cilindro central.

[0043] Situada na porção inferior da região do tronco de cone inferior, e observado na Figura 2, está localizada uma válvula de descarga (17) do carvão vegetal. Esta válvula consiste em uma superfície de obstrução ao material sólido localizado acima da mesma e deve permitir a passagem dos gases e condensáveis gerados no processo. A válvula deve ser móvel, desobstruindo a passagem ao final do processo de carbonização a fim de descarregar o carvão vegetal produzido. Para que atenda aos requisitos mínimos, esta válvula deve ser plana com orifícios distribuídos sobre a superfície uniformemente, de modo a permitir a passagem de gases e retendo objetos sólidos, como no tronco de cone invertido. O diâmetro dos furos pode ser semelhante ao utilizado no cone, porém o percentual de área vazada sobre a área de abertura deve ser de no mínimo 20% de forma a garantir o escoamento máximo para o fluxo de gases. A superfície plana com orifício (18) fica instalada sobre uma estrutura dotada de rodas (19), que por sua vez está sobre trilhos que permitem o deslocamento da tampa e estrutura em apenas um sentido. Ligando a estrutura ao ambiente externo existe uma haste metálica em aço inoxidável (20). Ao conjunto tampa, estrutura com rodas e haste dá-se o nome de carfo-tampa. Na região inferior, alguns dos orifícios do tronco de cone (21) estabelecem, através de dutos, contato com o ambiente externo para a injeção de gases, como ó ar atmosférico, dosado por mecanismos de controle específicos como válvulas. Estas válvulas são válvulas de esfera, com esfera em inox e sede em material para temperatura até 150°C. A tampa pode ser fabricada em liga de aço especial como, por exemplo, AST 572.

[0044] Na Figura 1 , a altura total do volume (HC) compreendido pelas três regiões (topo (R1), cilindro central (R2) e tronco de cone inferior (R3)), sobre o diâmetro (D) da zona central (cilindro central) deve variar entre 1 ,0 e 2,2. A faixa de diâmetros do cilindro central varia de 3300mm e 4580mm, valor recomendado como configuração ideal do forno.

[0045] O volume interno do forno, disponível para receber a biomassa como matéria-prima, compreendido pelas três regiões (topo (R1), cilindro central (R2) e tronco de cone inferior (R3)), doravante denominado "zona de conversão", pode ter capacidade volumétrica entre 35 e 65m ³ com resultados satisfatórios, sendo a condição ótima igual a 50m ³ .

[0046] A zona conversão é mantida na vertical através de um dispositivo de sustentação, cuja forma consiste na associação entre um tronco de cone e um cilindro de proporções definidas feitos de chapa metálica. Este dispositivo consiste em ponto fundamental para a invenção conforme será demonstrado a seguir. Esta estrutura de sustentação mostrada na Figura 2, também denominada "saia do forno" (22), atua como caixa de expansão no processo, permitindo que os gases acumulados na base do forno recirculem, propiciando uma atmosfera de gases quentes e facilitando a condução do processo pelo pré-aquecimento da biomassa na parte inferior do forno. Em caso de sobre pressão na região do tronco de cone inferior, a "saia do forno" (22) é dotada de dispositivos de alívio de pressão específicos, chamados válvulas de alívio (23). Essas válvulas de alívio devem sempre ser distribuídas de forma simétrica, e ao longo da circunferência do forno. A tampa de alívio deve ter área e peso compatível com o forno, matéria-prima e processo, que para esta invenção corresponde a uma área variando entre 0,25 e 0,6m ² e peso entre 90 e 160kg. Sua posição fica limitada à área lateral do tronco de cone e deve ser dotada de um duto ou chaminé (24) que direcione o fluxo proveniente do aumento de pressão no processo para cima ou um local seguro. O diâmetro menor da estrutura de sustentação é igual ao diâmetro da região do cilindro central, sendo o ponto de união entre a "saia do forno" (22) e o cilindro central (R2) cerca de 200mm acima do limite inferior. O diâmetro maior (DB) pode variar entre 1 ,25 a 1 ,35 vezes o diâmetro da região do cilindro central. A estrutura é revestida internamente com manta de fibra cerâmica (25) com densidade de 128kg/m ³ , protegida por uma chapa lisa de aço inoxidável (26) de 2mm de espessura. A saia (22) atua também como um equalizador do centro de gravidade do forno para tornar sua operação mais segura quanto à possibilidade de um desequilíbrio e tombamento.

[0047] A base de apoio do forno da estrutura de sustentação do forno é dotada de canal de água (27) para resfriamento da vedação do acoplamento forno sistema de carbonização. Junto à base de apoio do forno estão presentes as guias para o acoplamento do forno à base de apoio do sistema de carbonização.

[0048] A invenção, objeto deste relatório, é dotada de orifícios especiais denominados pontos de ignição do processo (28). Estes pontos podem estar localizados nas três regiões da zona de conversão, porém a posição ideal para a ignição do processo é a região inferior do cilindro central, mostrada na Figura 1, na posição (HO) entre 5% e 15% da altura total da região cilíndrica medida a partir da base do cilindro central. A localização desse ponto no limite determinado acima permite um melhor controle do processo, pois embora ai isoterma de 200°C avance gradativamente do ponto de ignição para o restante do forno, a ignição nesta altura do forno permite que através dos gases quentes do processo de ignição ocorra um pré-aquecimento de toda a zona de conversão, aumentando a velocidade de deslocamento da isoterma de 200°C. A dimensão para 0 orifício destinado a ignição do processo pode variar entre 4 e 6 polegadas. De maneira semelhante aos orifícios para a entrada do ar atmosférico, os orifícios de ignição devem ser dotados de dispositivos de controle do fluxo de ar. Sendo requisitos básicos para seu funcionamento a garantia de vedação, a área do orifício não deve possuir obstruções, (como por exemplo, válvulas tipo borboleta cujo elemento de obstrução do fluxo divide ao meio a área de passagem do fluxo) e devem ser resistentes a temperaturas de até 200°C. Portanto recomenda-se o uso da válvula de esfera, com esfera em aço inoxidável e sede em material para temperaturas de até 200°C. Devido às temperaturas elevadas nas proximidades do ponto de ignição, é instalado nesta região um bloco refratário com no mínimo 70% de Al ₂ 0 ₃ , resistente a temperatura de 1600°C.

[0049] Além do forno descrito acima, esta invenção, faz uso exclusivo do sistema de carbonização descrito a seguir e mostrado na Figura 3.

[0050] O sistema de carbonização, parte integrante do forno industrial para a produção de carvão vegetal, é composto por uma base de apoio móvel (29), equipamento de recuperação de condensáveis (30), dispositivo de segurança para alívio de pressão (31), exaustor (32) e dutos de condução dos gases e vapores (33). O sistema de carbonização são equipamentos fixos em uma planta de carbonização e o forno é um equipamento móvel que se acopla a este sistema.

[0051] A base de apoio móvel é constituída por um anei cilíndrico (34), de diâmetro igual ao diâmetro maior da estrutura de sustentação, construída em material metálico. Presas ao anei estão as guias (35), que tem a função de auxiliar o posicionamento do forno sobre a base de apoio móvel. Também sobre a base de apoio móvéi foram instalados pinos articulados (36) que se encaixam sobre as guias da base de apoio do forno (37). Através deste mecanismo, com o auxílio de um sistema de porcas e fusos o forno é mantido pressionado contra a base de apoio móvel. A vedação (38) entre o forno e a base de apoio móvel é promovida pelo uso de borracha especial para temperatura de até 90°C. Ligado internamente ao anel de apoio, um tronco de cone invertido (39), fabricado em chapa de aço, permite a captação uniforme de todo o fluxo gasoso e de condensáveis. O diâmetro maior do cone deve acompanhar o diâmetro menor do anel de apoio. O ângulo de abertura (A3) deve ficar entre 40° e 60° e o diâmetro menor (DÇ) dever ser suficiente para que a velocidade do fluxo de gases não ultrapasse 10m/s.

[0052] A base de apoio móvel recebe este nome por estar alocada sobre um sistema de pesagem industrial, com células carga articuladas (40) (utilizada normalmente em balanças rodoviárias) para absorver os eventuais deslocamentos laterais provocados pela colisão entre o forno e as guias (35) e entre o forno e base de apoio móvel. Portanto, a base tem liberdade para se deslocar verticalmente, permitindo a pesagem correta do material.

[0053] Ligando a base de apoio móvel ao exaustor, há uma série de dutos e acessórios que conduzem o fluxo de gases e condensáveis para fora do forno. Esses gases e condensáveis podem ser aproveitados em outros processos, como a combustão para fornecimento de energia térmica, entre outros. Devido à presença do sistema de pesagem, a ligação entre o diâmetro menor do cone invertido na base de apoio móvel e o primeiro trecho da tubulação dos gases deve ser feita utilizando uma junção flexível (41). Esta junta (41) deve ser resistente a temperaturas de até 265°C, de material inoxidável e livre de espaços onde material condensável possa acumular e prejudicar a flexibilidade da junta. A solução apresentada nesta invenção consiste no uso de dois tubos concêntricos, sendo o tubo de diâmetro menor (42) fisicamente ligado ao tronco de cone invertido (39) da base apoio móvel e o tubo de diâmetro maior (43) conectado a caixa de expansão (44). Para evitar que ar falso seja aspirado pela fresta entre os dutos, uma junta flexível (41), feita em tecido de fibra de vidro recoberta por uma película plástica, envolve os dutos. Essa junta flexível (41) tem uma extremidade presa por abraçadeiras ao cone (39) na posição superior e outra extremidade presa ao tubo maior (43) na parte inferior. Essa montagem permite perfeito funcionamento do sistema de pesagem, uma vez que desconecta todo o conjunto que se apoia sobre as células de carga do restante do equipamento. Evita-se, desta forma, a possibilidade de criação do "efeito alavanca", quando o peso da lenha/carvão contidos no forno seria influenciado ou sofreria alteração em função do fluxo de gases e movimentação da tubulação e restante do sistema, que estariam conectados ao cone.

[0054] Ligado ao duto maior, usado para conectar a junta de expansão à base de apoio móvel, existe uma caixa de expansão (44) para a redução da velocidade do fluxo e deposição de material particulado e condensáveis. A velocidade nessa região se reduzirá para 50% da velocidade no duto. A caixa de expansão é dotada de duas saídas de fluxo. A primeira localizada na base da caixa e é dotada de um filtro (45) que permite o escoamento somente dos condensáveis para um tanque de armazenamento (46). A segunda saída localizada na lateral da caixa de expansão permite saída dos gases, vapor e névoa ainda dispersas no fluxo de gases. Nesta segunda saída, o duto (33) é dimensionado para não ter velocidade de fluxo superior a 6m/s. Este duto segue conduzindo os gases até o exaustor.

[0055] Ao final do duto (33), a conexão com o exaustor é feita perpendicular ao comprimento da tubulação. Isto ocorre porque uma porta de explosão (47) é instalada na extremidade do duto para garantir a segurança operacional e integridade dos equipamentos em caso de sobre pressão nas linhas de gás e/ou retorno da chama decorrente da queima do gás no incinerador. A porta de explosão é composta por uma superfície plana, que se mantém fechada utilizando somente o peso próprio da tampa. Em caso de aumento na pressão interna, a porta se abre, aliviando a pressão interna e direcionando, através de uma chaminé (48), o fluxo de escape para uma região segura. Este região ou local de recebimento do gás deve ser, preferencialmente, apropriada para queima do gás com capacidade para combustão completa do mesmo.

[0056] O exaustor (32), um dos principais componentes do processo, consiste em exaustor centrífugo com vazão nominal de 10.000m ³ /h e pressão estática de no mínimo 250mmca. O rotor deve ser fabricado em aço inoxidável. O equipamento deve ser dotado de controlador de rotação para permitir a adaptação do mesmo ao uso de diferentes formas de biomassa e processo de produção.

[0057] O forno industrial para a produção de carvão vegetal apresenta um dispositivo para o descarregamento rápido do carvão ainda quente de forma a liberar o forno para o processo de carbonização o mais breve possível. A Figura 3 representa este dispositivo.

[0058] A base para o descarregamento é composta uma plataforma que possui um tronco de cone (49) com o diâmetro maior compatível com o diâmetro da maior da estrutura de sustentação (DB) e diâmetro menor compatível com a válvula de descarga (17). Abaixo da plataforma há um recipiente cilíndrico móvel (50) com capacidade entre 24 e 32m ³ de carvão vegetal. O cilindro móvel possui de 3 a 5 bicos de aspersão de água (51) com vazão variando entre 5 e 20 l/min são posicionados em seu interior para resfriar o carvão em brasa durante e após o descarregamento.

[0059] Sobre o procedimento para a operação dos fornos.

[0060] O forno industrial para a produção de carvão vegetal é carregado com biomassa pela abertura superior na região do cilindro central. Para o carregamento, devido à alta capacidade volumétrica destes fornos, é recomendado preferencialmente o uso de correia transportadora associada ou não a silos ou cilindros de armazenamento/estoque, para garantir o abastecimento constante de biomassa para o forno. Este procedimento garante um tempo de carregamento rápido, que preferencialmente deve ser inferior a 5 minutos para alimentação de 50m ³ de cavaco no forno, cuja temperatura interna deverá estar acima de 200°C.

[0061] Em seguida a tampa superior ou região do topo é colocada sobre a região do cilindro centrai e presa à mesma com o auxílio dos pinos articulados roscados, guias e porcas. O forno de carbonização então é movido para o sistema de carbonização, onde então é posicionado e travado sobre a base de apoio móvel.

[0062] Depois de travado o forno, o exaustor é ligado e ajustado de forma que sua velocidade fique compatível com o material utilizado. Tipicamente objetiva-se a manutenção constante de uma vazão volumétrica de 6.000m ³ /h, sendo a velocidade de rotação ajustada para que se tenha a vazão mencionada.

[0063] O processo de ignição então ê iniciado. Primeiramente certifica~se que as válvulas localizadas na parte superior do forno estejam abertas para criar um fluxo continuo de gases no interior do forno. Só então a ignição propriamente dita se processa. Através dos 4 pontos de ignição do processo, uma pequena quantidade não superior a 2kg de acícuias, ou carvão em brasa, ê injetada no forno. O calor gerado nestes 4 pontos se propaga pela região inferior enquanto uma corrente de gases quente sobe pelo leito aquecendo-o. A posição estratégica do ponto de ignição permite o pré-aquecimento a uma temperatura superior a 200°C de todo o volume do leito, otimizando o processo, visto que com todo o forno acima de 200°C a condução da carbonização se torna mais rápida.

[0064] O processo de carbonização é então controlado pelos orifícios de entrada de ar, que são abertos para permitir a entrada de oxigénio, que por sua vez leva à queima parcial dos gases no interior do forno. Essa queima fornece energia para o restante da fase endotérmica do processo de carbonização, sendo na sequência fechados os orifícios cujas regiões atingiram os limites de temperatura para o processo. [0065] Este processo de abertura e fechamento das válvulas se repete até que todo o volume interno esteja em temperaturas acima dos 350°C. Durante todo o período o forno tem seu peso e temperatura monitorados continuamente. O final do processo é alcançado quando o peso da carga do forno $e iguala ao peso estipulado como meta de produção para o forno.

£0066] Quando se atinge a meta de produção, o forno então é desacoplado e retirado da base de apoio e o exaustor é desligado. O Forno então é posicionado sobre a base de descarregamento onde mecanismos automáticos conectados as hastes do carro tampa desobstruem o orifício da região do cone inferior para o descarregamento do carvão ainda em brasa, com temperatura superior a 300°C. Durante a queda do carvão em brasa, bicos de aspersão de água direcionados ao fluxo de carvão descendente promovem um resfriamento superficial do carvão. O carvão descarregado é acumulado em um recipiente próprio, metálico, não isolado, para o resfriamento. Depois de concluído o processo de descarregamento, que preferencialmente não ultrapassa 3 minutos, o recipiente contendo o carvão quente é fechado e vedado, donde segue para concluir seu processo de resfriamento.

[0067] O processo de resfriamento ocorre por convecção natural e pelo efeito entálpico da remoção do calor de evaporação da água que é aspergida, estrategicamente nas regiões do leito de carvão, onde a temperatura ultrapassa 120°C.

[0068] Esta etapa do processo, que dura entre 10 a 15 horas, garante a liberação do forno container para o processo contínuo de carregamento, carbonização, descarregamento, carregamento, carbonização, descarregamento... E assim sucessivamente em ciclos que duram entre 3 e 6 horas.

[0069] O forno container, testado em escala piloto laboratorial, teve seu projeto aperfeiçoado, resultando na fabricação de um forno piloto em escala industrial. Os itens alterados foram especialmente relacionados com aumento na capacidade de lenha enfornada, melhoria na instrumentação, controle, mecanização, procedimento operacional, processo e porte térmico. Neste forno os parâmetros monitorados durante as corridas são: peso da carga, vazão, composição, densidade, pressão e temperatura dos gases, vazão de entrada do ar na carga, temperatura da lenha amostrada em mais de 70 pontos espalhados pelo volíume do forno e volume de pirolenhoso gerado.

[0070] Todos os dados foram gerados de forma contínua, em tempo real e simultâneos. Os testes convergiram para um processo estabilizado nas seguintes condições: rendimento volumétrico de 1.3 st de lenha por m3 de carvão, rendimento gravimétrico de 35%, tempo de carbonização de 3h, geração de 6.500m3/h por forno com PCI médio de 1.700kJ/m3, possibilidade de geração de potência térmica por forno de 3MW, ou o equivalente à geração de 1MWe por 1000 toneladas de carvão, produção de 150 litros de pirolenhoso por ciclo, produção de carvão vegetal com 200kg/m3 de densidade a granel. Estes resultados demonstram que o Forno Container Industrial de produção de carvão vegetal, ou Forno Container Rima (FCR) consiste em uma tecnologia industrial pioneira na cogeração de carvão vegetal e potência térmica capaz de gerar energia elétriea de forma técnica e economicamente viável.

• O desenvolvimento deste projeto possibilitou o detalhamento do balanço de massa e energia no FCR, cujos valores demonstram que neste forno não há excesso de oxigénio; a combustão ocorre com todos os produtos derivados do processo (gases, alcatrão, pirolenhoso e carvão). E além da reação de combustão, foi possível constatar que ocorrem reações intermediárias importantes, como a reação exotérmica do carbono corri vapor d'água, gaseificação e craqueamento. Estas reações intermediárias que ocorrem no forno, cuja exclusividade operacional está sendo requerida neste pedido, são responsáveis por um resultado inovador no estado da arte da tecnologia de carbonização. Ou seja, somente nas condições estruturais, operacionais, térmicas e mecânicas deste projeto, é possível produzir carvão com um rendimento gravimétrico de 35% e ao mesmo tempo um rendimento gravimétrico de gás de 60%, contra o valor tradicional, em torno de 30% para a geração de gás. Isso significa que este forno apresenta um diferencial bastante significativo em relação aos fornos atuais de carbonização: a geração ou produção preferencial de gás em relação ao alcatrão e pirolenhoso (a fração condensávei acaba se gaseificando). Esse é um fator essencial para favorecer a associação dete projeto de carbonização a uma central termoeiétrica, com queima simultânea de biomassa e gás da carbonização. Com uma fração mínima de condensáveis contido no gás gerado, seu transporte, deslocamento, armazenamento e encanamento se tornam viáveis para que seja conduzido até um plenum ou um balão, onde se homogeniza, e em seguida para queima direta em uma caldeira, a fim de promover geração de energia elétrica.

i O balanço de massa e energia, resultou na constatação de um processo altamente eficiente. As perdas térmicas são inferiores a 5%. O percentual da energia disponível necessária para manter ou sustentar a pirólise é de 10%. A energia contida no carvão em torno de 60% da energia presente na madeira e nos gases de 25%.

[0071] Exemplos de aplicação

[0072] A seguir será mostrada uma série de possíveis configurações para a invenção proposta, que buscam ilustrar seus diversos usos. E embora possa ser exemplificada por, não se limitada aos exemplos que seguem.

[0073] Exemplo 1 :

[0074] O forno Industrial para produção de carvão vegetal com capacidade para 35m ³ pode ser carregado pelo orifício superior com cavacos de madeira, granulométrica média entre 100 e 120mm. O forno, já com a tampa colocada e travada, é colocado sobre o sistema de carbonização e travado sobre a base de apoio móvel. O exaustor então é ligado e a ignição nos pontos específicos, com brasa, é iniciada. O controle de carbonização pela abertura e fechamento dos orifícios segue de forma a fornecer energia para a fase éndotérmica. O processo de encerra em cerca de 3 horas. Produzindo 2.400 kg de carvão vegetal, com rendimento gravimétrico de 33%.

[0075] Exemplo 2:

[0076} O forno Industrial para produção de carvão vegetal com capacidade para 35m ³ pode ser carregado pelo orifício superior com toretes de madeira, tamanho médio de 200mm. O forno, já com a tampa colocada e travada, é colocado sobre o sistema de carbonização e travado sobre a base de apoio móvel. O exaustor então é ligado e a ignição nos pontos específicos, com brasa; é iniciada. O controle de carbonização pela abertura e fechamento dos orifícios segue de forma a fornecer energia para a fase éndotérmica. O processo de encerra em cerca de 5 horas. Produzindo 2.800 kg de carvão vegetal, com rendimento gravimétrico de 35%.