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DESCRIÇÃODESCRIPTION
"MÉTODO E APARELHO PARA A GASEIFICAÇÃO DE UM MATERIAL CARBONÍFERO SÓLIDO" A invenção relaciona-se com um método e um aparelho para gaseificação de um material carbonífero sólido num gaseificador de leito fluidizado circulante (CFB) , o qual compreende uma câmara de reação CFB, um separador de partículas para separação de partículas contendo carvão de combustão proveniente do gás de saída da câmara de reação CFB e uma conduta de recirculação de partículas para recirculação das partículas separadas para a câmara de reação CFB. A conduta de recirculação compreende uma câmara de reação do carvão de combustão para gaseificação do carvão de combustão contido nas partículas separadas. A patente US-A-5228981 divulga um processo de coqueificação no qual o estoque da carga de hidrocarbonetos pesados é misturado com uma pequena quantidade de carvão vegetal e é pré-aquecido desde uma temperatura de 260 °C (500 °F) até, mas não incluindo, temperaturas de coqueificação.METHOD AND APPARATUS FOR THE GASIFICATION OF A SOLID CARBON-LIQUID MATERIAL " The invention relates to a method and apparatus for gasification of a solid carbonaceous material in a circulating fluidized bed gasifier (CFB), which comprises a CFB reaction chamber, a particulate separator for particulate separation containing charcoal of the exhaust gas from the CFB reaction chamber and a particulate recirculation conduit for recirculating the separated particles into the CFB reaction chamber. The recirculation conduit comprises a combustion reaction chamber for gasification of the combustion coal contained in the separated particles. US-A-5228981 discloses a coking process in which the heavy hydrocarbon feedstock is mixed with a small amount of charcoal and is preheated from a temperature of 260 ° C (500 ° F) to more not including, coking temperatures.
Nos tipos de gaseificadores CFB mais simples e mais difundidos, a oxidação do carvão de combustão ocorre principalmente na câmara de reação CFB. A conduta de recirculação pode compreender uma acumulação de partículas com o objetivo de prevenir que uma grande quantidade de gás flua da câmara de reação CFB para o separador de partículas por meio da conduta de recirculação, e/ou com o objetivo de controlar a velocidade da recirculação das partículas. Tais construções são frequentemente designadas como "fechaduras não-mecânicas de partículas" e na literatura inglesa distingue-se entre subtipos que são normalmente designados: canos de selagem, válvulas-J e válvulas-L. Em todas as 2 versões mencionadas, a função baseia-se na adição de um gás para mobilizar, isto é, expulsar e/ou fluidizar partículas na válvula de partículas. No entanto, é normal que para tais soluções o fluxo do gás adicionado seja pequeno quando comparado com o fluxo de gás que é posteriormente adicionado à câmara de reação CFB. Além disso, é prática corrente escolher um gás com um baixo teor em oxigénio como gás de mobilização, porque a utilização de um gás contendo oxigénio tal como o ar atmosférico pode causar danos nos materiais de construção e sinterização de partículas devido a temperaturas mais ou menos aumentadas localmente.In the simpler and more widespread types of CFB gasifier, the oxidation of the combustion coal occurs mainly in the CFB reaction chamber. The recirculation conduit may comprise an accumulation of particles in order to prevent a large amount of gas from flowing from the CFB reaction chamber to the particulate separator via the recirculation conduit, and / or for the purpose of controlling the rate of recirculation of the particles. Such constructions are often referred to as " non-mechanical particle locks " and English literature distinguishes between subtypes that are commonly termed sealing pipes, J-valves and L-valves. In all of the two versions mentioned, the function is based on the addition of a gas to mobilize, that is, to expel and / or fluidize particles in the particle valve. However, it is normal for such solutions the flow of the added gas to be small compared to the gas flow which is subsequently added to the CFB reaction chamber. In addition, it is a common practice to choose a gas with a low oxygen content as the gas for mobilization because the use of an oxygen-containing gas such as atmospheric air can cause damage to the building materials and sintering of particles due to more or less temperatures locally.
Especialmente para as versões simples de gaseificadores CFB acima mencionados, é necessário escolher uma temperatura na câmara de reação CFB que seja suficiente para fazer com que o carvão de combustão reaja prontamente com o agente de gaseificação. Mesmo para combustíveis reativos tais como biomassa, isto significa frequentemente que a possibilidade de atingir uma alta conversão do carvão de combustão está limitada pela tendência para a aglomeração e/ou deposição problemáticas de cinza e material do leito, quando se aumenta a temperatura. São também conhecidos gaseificadores CFB em que a recirculação de partículas ocorre via uma câmara de combustão do carvão de combustão. Deste modo, pode conseguir-se uma conversão eficaz do carvão de combustão e um gás contendo mais energia proveniente da câmara de reação CFB. Assim, o aquecimento das partículas de recirculação significa que se pode reduzir a adição do agente oxidante à câmara de reação CFB. No entanto, algumas grandes desvantagens são o fato da escolha das condições de combustão levar a uma necessidade de uma grande secção quadrada na câmara de reação do carvão de combustão e de uma parte considerável da energia do combustível ser 3 convertida em energia térmica numa corrente considerável de gases quentes da combustão proveniente da câmara de combustão do carvão de combustão.Especially for the simple versions of the aforementioned CFB gasifiers, it is necessary to choose a temperature in the reaction chamber CFB which is sufficient to cause the combustion coal to react readily with the gasification agent. Even for reactive fuels such as biomass, this often means that the possibility of achieving a high conversion of the combustion coal is limited by the tendency for problematic agglomeration and / or deposition of ash and bed material as the temperature is increased. CFB gasifiers are also known in which recirculation of particles occurs via a combustion chamber of the combustion coal. In this way, an efficient conversion of the combustion coal and a gas containing more energy from the CFB reaction chamber can be achieved. Thus, heating the recirculating particles means that the addition of the oxidizing agent to the CFB reaction chamber can be reduced. However, some major disadvantages are that the choice of combustion conditions leads to a need for a large square cross-section in the combustion reaction chamber and a considerable part of the fuel energy is converted into thermal energy into a considerable current of hot combustion gases from the combustion chamber of the combustion coal.
Sabe-se igualmente configurar a câmara de reação CFB de tal modo que se forme uma camada de leito lentamente fluidizado e consequentemente muito densa na parte inferior da câmara de reação CFB para a qual o carvão de combustão é recirculado. A construção é mais simples que a solução com duas câmaras de reação separadas e também se pode conseguir deste modo que o agente oxidante seja principalmente usado para oxidar partículas de carvão de combustão localizadas na camada lenta e densamente fluidizada. Porém, a possibilidade de otimizar as condições do processo independentemente umas das outras na câmara de reação CFB e na camada fortemente fluidizada diminui, e além do mais, a possibilidade de reter pequenas partículas é limitada pela decantação de pequenas partículas do carvão de combustão da camada densamente fluidizada. A invenção proporciona um método para a gaseificação de material carbonífero sólido num gaseificador de leito fluidizado circulante (CFB), método esse que compreende a adição do material carbonífero a uma câmara de reação CFB no gaseificador, a adição de um agente de gaseificação contendo oxigénio ao gaseificador, a rejeição de produto gasoso carregado de partículas proveniente da câmara de reação, a separação de partículas do produto gasoso e a recirculação de partículas separadas para a câmara de reação, e o método da invenção é caracterizado por converter carvão de combustão contido nas partículas de recirculação num gás combustível, adicionando uma parte considerável, preferencialmente a parte principal e, ainda melhor, pelo menos 75 % da quantidade de oxigénio adicionada ao gaseificador CFB na forma de um agente de 4 gaseificação que contém oxigénio a uma câmara de reação de carvão de combustão que existe na etapa de recirculação para as partículas separadas. 0 objeto da invenção é divulgado na formulação de reivindicações independentes 1 e 8. Outros aspetos da invenção são divulgados na formulação das reivindicações dependentes.It is also known to configure the CFB reaction chamber in such a way that a slowly fluidized and consequently very dense bed layer is formed in the lower part of the CFB reaction chamber to which the combustion coal is recirculated. The construction is simpler than the solution with two separate reaction chambers and it can also be achieved in this way that the oxidizing agent is mainly used to oxidize coal particles located in the slow and densely fluidized layer. However, the possibility of optimizing the process conditions independently of one another in the CFB reaction chamber and in the strongly fluidized layer decreases, and furthermore, the possibility of retaining small particles is limited by the decanting of small particles of the combustion layer densely fluidized. The invention provides a method for the gasification of solid carbonaceous material in a circulating fluidized bed gasifier (CFB), which method comprises adding the carbonaceous material to a CFB reaction chamber in the gasifier, the addition of an oxygen containing gasification agent to the carboniser gasifier, the rejection of gaseous particulate laden product from the reaction chamber, the separation of particles from the gaseous product and the recirculation of separate particles into the reaction chamber, and the method of the invention is characterized by converting the combustion coal contained in the particles of recirculation in a combustible gas by adding a considerable part, preferably the major part and even more preferably at least 75% of the amount of oxygen added to the CFB gasifier in the form of a gasification agent containing oxygen to a coal reaction chamber that exists in the recirculation step action for the separated particles. The object of the invention is disclosed in the formulation of independent claims 1 and 8. Other aspects of the invention are disclosed in the formulation of the dependent claims.
Numa versão melhorada da invenção, a definição acima mencionada da distribuição do oxigénio adicionado não considera apenas a massa de oxigénio molecular livre, mas também de oxigénio ligado no vapor de água, dióxido de carbono e outros componentes oxidantes que possam ser adicionados ao gaseificador CFB. No entanto, também neste caso, a possível adição de oxigénio ligado em componentes tais como Si02 e Al203, que no sentido da gaseificação não atuam como oxidantes, é desconsiderada, do mesmo modo que o oxigénio quimicamente ligado no combustível. A invenção proporciona uma maior possibilidade para converter combustível carbonífero sólido num gás combustível. Quando comparado com gaseificadores simples CFB sem uma câmara de reação do carvão de combustão separada, não é menos vantajoso poder-se manter uma temperatura baixa na câmara de reação CFB, o que significa que: • diminui o risco de perturbações operacionais devidas a deposição, sinterização e aglomeração de cinza e outro material particulado na câmara de reação CFB e na etapa de processo a jusante, • a câmara de reação CFB e os componentes na etapa do processo a jusante tornam-se mais baratos. Isto acontece como consequência do fluxo de gás de volume altamente 5 reduzido, do revestimento cerâmico mais barato e da redução da altura da construção, • a necessidade de complicar o sistema, de perda de fornecimento, de corrosão, de deposição de cinza e de outros modos, de arrefecimento problemático do produto gasoso podem ser minimizados e potencialmente completamente evitados, • a libertação de álcalis e cloro para a fase gasosa são limitadas e a subsequente ligação de novo na fase sólida aumenta. Isto significa que o teor destes componentes no produto gasoso pode ser minimizado simplesmente por separação de partículas do produto gasoso, • a retenção de cloro e álcalis pode ainda ser melhorada adicionando materiais contendo cálcio, • podem-se conseguir tempos mais curtos de arranque e encerramento devido às temperaturas de operação mais baixas, bem como a possibilidade de escolher uma construção de parede mais fina.In an improved version of the invention, the above-mentioned definition of the distribution of added oxygen not only considers the mass of free molecular oxygen but also oxygen bound in water vapor, carbon dioxide and other oxidizing components which may be added to the CFB gasifier. However, also in this case, the possible addition of bound oxygen in components such as SiO 2 and Al 2 O 3, which in the sense of gasification does not act as oxidants, is disregarded in the same way as the oxygen chemically bound in the fuel. The invention provides a greater possibility for converting solid carbonaceous fuel into a combustible gas. When compared to simple CFB gasifiers without a separate combustion reaction chamber, it is no less advantageous to maintain a low temperature in the CFB reaction chamber, which means that: • it reduces the risk of operational disruption due to deposition, sintering and agglomeration of ash and other particulate matter in the CFB reaction chamber and in the downstream process step, the CFB reaction chamber and the components in the downstream process step become cheaper. This occurs as a consequence of the highly reduced volume gas flow, the cheaper ceramic coating and the reduction of the height of the construction, • the need to complicate the system, loss of supply, corrosion, ash deposition and other modes of cooling the gaseous product can be minimized and potentially completely avoided, the release of alkali and chlorine into the gas phase is limited, and subsequent bonding back into the solid phase increases. This means that the content of these components in the gaseous product can be minimized simply by separating particles from the gaseous product, • the retention of chlorine and alkalis can be further improved by adding materials containing calcium, • shorter start-up and shut-down times due to the lower operating temperatures, as well as the possibility of choosing a thinner wall construction.
As vantagens acima mencionadas serão pronunciadas se a temperatura à saída do reator CFB diminuir para o intervalo de 500 a 700 °C, e especialmente para combustíveis muito voláteis tais como biomassa e lixo doméstico, preferencialmente para os 500 a 600 °C.The above mentioned advantages will be pronounced if the temperature at the exit of the CFB reactor decreases to the range of 500 to 700 ° C, and especially for very volatile fuels such as biomass and household waste, preferably at 500 to 600 ° C.
Quando comparado com o uso de gaseificadores CFB conhecidos com câmaras de reação de carvão de combustão separadas, o método da invenção é muito vantajoso porque: • a câmara de reação CFB, bem como a câmara de reação do carvão de combustão, contribuem para a produção de gás combustível, • a necessidade de secção quadrada na câmara de reação do carvão de combustão e nas condutas/componentes que rejeitam o produto gasoso proveniente da câmara de 6 reação do carvão de combustão é limitada pela adição limitada do agente de gaseificação contendo oxigénio, • a necessidade de arrefecimento e/ou adição de vapor de água são também limitadas pela adição limitada do agente de gaseificação contendo oxigénio. A função primária da câmara de reação CFB é assegurar uma conversão pirolitica eficaz do combustível (deve entender-se por pirólise uma decomposição térmica apenas devida a aquecimento, isto é, excluindo a decomposição devido a oxidação), a qual se consegue atingir normalmente a uma temperatura consideravelmente mais baixa do que a necessária para oxidar eficazmente as partículas do carvão de combustão numa atmosfera de pouco oxigénio.When compared to the use of known CFB gasifiers with separate charcoal reaction chambers, the method of the invention is very advantageous because: • the CFB reaction chamber as well as the combustion reaction chamber contribute to the production • the need for a square cross-section in the combustion chamber and in the ducts / components which reject the gaseous product from the combustion chamber is limited by the limited addition of the oxygen-containing gasification agent, The need for cooling and / or addition of water vapor is also limited by the limited addition of the oxygen containing gasification agent. The primary function of the CFB reaction chamber is to ensure an efficient pyrolytic conversion of the fuel (pyrolysis is understood to mean thermal decomposition only due to heating, i.e. excluding decomposition due to oxidation), which is usually achieved at a temperature considerably lower than that required to efficiently oxidize the particles of the combustion coal in an atmosphere of low oxygen.
Especialmente em reatores de leito fluidizado em que se consegue um contacto térmico eficaz do combustível com as partículas quentes, em especial em combustíveis voláteis tais como biomassa e lixo doméstico, atinge-se uma elevada conversão pirolitica em gás.Especially in fluidized bed reactors where effective thermal contact of the fuel with the hot particles is achieved, in particular in volatile fuels such as biomass and household waste, a high pyrolytic conversion into gas is achieved.
Em vez de se tentar converter o carvão de combustão residual resultante na câmara de reação CFB, o carvão de combustão é transportado para o topo da câmara de reação CFB conjuntamente com o teor adicional em material particulado do produto gasoso. A extensão limitada de oxidação do carvão de combustão na câmara de reação CFB baixa a tendência para a criação de uma grande quantidade de carvão de combustão fino e partículas de cinza na câmara de reação CFB, o que melhora a possibilidade de separar eficazmente o carvão de combustão e as partículas de cinza com o auxílio do separador de partículas seguinte.Instead of attempting to convert the resulting residual coal into the CFB reaction chamber, the combustion coal is conveyed to the top of the CFB reaction chamber together with the additional particulate content of the gaseous product. The limited extent of oxidation of the combustion coal in the CFB reaction chamber lowers the tendency to create a large amount of fine coal and gray particles in the CFB reaction chamber, which improves the possibility of efficiently separating the combustion and ash particles with the aid of the following particulate separator.
Deste separador, a maior parte das partículas separadas, e preferencialmente pelo menos 90 % das mesmas é transferida para a câmara de reação do carvão de combustão, na qual o 7 carvão de combustão é convertido por adição de um agente adequado de gaseificação contendo oxigénio tal como o ar atmosférico, oxigénio puro, vapor de água ou misturas dos mesmos. A fim de se conseguir a construção mais simples possível, prefere-se que a conversão do carvão de combustão mencionada seja principalmente efetuada numa única câmara de reação, mas naturalmente que a conversão do carvão de combustão pode ser distribuída por várias outras câmaras de reação mais ou menos fisicamente separadas. A necessidade de adicionar oxigénio à câmara de reação do carvão de combustão depende da quantidade de carvão de combustão produzida na câmara de reação CFB, quantidade essa que depende do combustível, bem como das condições reacionais mais especificamente escolhidas na câmara de reação CFB, incluindo particularmente a temperatura, as condições de mistura e o tamanho das partículas de combustível. Uma gaseificação eficaz do carvão de combustão adicionado à câmara de reação do carvão de combustão, bem como uma libertação adequada de energia térmica, podem no entanto ser antecipadas adicionando oxigénio molecular livre a uma quantidade que esteja abaixo de 0,8, e preferencialmente abaixo de 0,6 vezes a quantidade que seria necessária para uma combustão estequiométrica do carvão de combustão. Pode procurar-se um consumo consideravelmente mais baixo e um poder calorífico consideravelmente superior otimizando as condições do processo para atingir elevadas concentrações de componentes pobres em oxigénio ou livres de oxigénio tais como CH4 e hidrocarbonetos maiores no gás de saída. Isto promove-se, por exemplo, apoiando a ocorrência natural de fenómenos catalíticos e/ou adicionando material cataliticamente ativo. Comparativamente à conversão do carvão de combustão por combustão utilizando um excesso de oxigénio, a invenção permite uma redução da secção quadrada da câmara de reação do carvão de combustão e que a câmara de reação do carvão de combustão contribua para a produção de gás combustível. A conversão do combustível por pirólise na câmara de reação CFB não necessita da adição de oxigénio, o que significa que em especial combustíveis altamente voláteis tais como muitos tipos de biomassa, podem ser gaseificados eficazmente no processo de gaseificação adicionando menos de 0,4, e preferencialmente menos de 0,3 kg de oxigénio molecular livre por kg de combustível seco. A câmara de reação CFB, bem como a câmara de reação do carvão de combustão podem adicionalmente ser alimentadas com mais gás tal como vapor de água, produto gasoso recirculado e gases de combustão. Uma finalidade maior pode ser manter temperaturas adequadas e condições dinâmicas de fluídos nas respetivas câmaras de reação durante uma escolha variável do combustível e da carga. A oxidação do carvão de combustão na câmara de reação do carvão de combustão resulta no fato das partículas de recirculação no gaseificador CFB atingirem um aumento de temperatura na câmara de reação do carvão de combustão e devido a isso, a energia térmica necessária para sustentar os processos de pirólise principalmente endotérmicos na câmara de reação CFB poder ser completamente ou parcialmente obtida pela adição das partículas circulantes. O método de acordo com a invenção pode naturalmente compreender mais características tais como: ♦ o processo pode ser alimentado por outros materiais para além dos materiais particulares mencionados com o objetivo de estabilizar a distribuição do tamanho das 9 partículas e/ou absorver vários componentes tais como componentes contendo enxofre e álcalis, pode drenar-se do processo uma ou várias correntes de partículas, por exemplo com a finalidade de modificar a distribuição do tamanho das partículas e/ou a composição química do material particular e/ou evitar acumulação no sistema e/ou com a finalidade de utilizar os materiais drenados noutras relações, as partículas drenadas podem voltar completamente ou parcialmente ao processo de gaseificação após um processamento adequado tal como classificação do tamanho, trituração, aglomeração, bem como qualquer outro tratamento mecânico, térmico e químico, partes maiores ou menores dos componentes principais e condutas de ligação do processo, incluindo por exemplo a câmara de reação do carvão de combustão, podem ser compostas por componentes arrefecidos ou não arrefecidos, o processo descrito pode ser utilizado a pressões consideravelmente mais altas bem como consideravelmente mais baixas que a pressão atmosférica, o leito do carvão de combustão pode ser utilizado como um "selo do circuito", o que é por exemplo conseguido permitindo que a conduta de entrada de partículas provenientes do separador de partículas de recirculação descarregue a um nível abaixo da superfície do leito na câmara de reação do carvão de combustão, pode equipar-se uma câmara de reação CFB com duas ou mais condutas de recirculação de partículas, uma conduta de recirculação de partículas pode servir várias câmaras de reação CFB, separadores de partículas, bem como outros componentes do processo, podem ser integrados na construção da câmara de reação CFB e/ou uns nos outros. 10From this separator, most of the separated particles, and preferably at least 90% thereof, is transferred to the reaction chamber of the combustion coal, in which the combustion coal is converted by the addition of a suitable oxygen containing gasification agent such as such as atmospheric air, pure oxygen, water vapor or mixtures thereof. In order to achieve the simplest construction possible, it is preferred that the conversion of the aforementioned combustion coal is mainly effected in a single reaction chamber, but of course that the conversion of the combustion coal can be distributed through several more reaction chambers or less physically separated. The need to add oxygen to the combustion reaction chamber depends on the amount of the combustion coal produced in the reaction chamber CFB, which amount depends on the fuel, as well as on the reaction conditions more specifically chosen in the CFB reaction chamber, particularly including the temperature, the mixing conditions and the size of the fuel particles. An effective gasification of the combustion coal added to the combustion reaction chamber, as well as an adequate release of thermal energy, may however be anticipated by adding free molecular oxygen to an amount that is below 0.8, and preferably below 0.6 times the amount that would be required for a stoichiometric combustion of the combustion coal. Considerably lower consumption and considerably higher calorific power can be sought by optimizing process conditions to achieve high concentrations of oxygen-poor or oxygen-free components such as CH 4 and larger hydrocarbons in the off-gas. This is promoted, for example, by supporting the natural occurrence of catalytic phenomena and / or by adding catalytically active material. Compared to the conversion of the combustion coal by combustion using an excess of oxygen, the invention allows a reduction of the square section of the reaction chamber of the combustion coal and that the reaction chamber of the combustion coal contributes to the production of combustible gas. The conversion of the fuel by pyrolysis into the CFB reaction chamber does not require the addition of oxygen, which means that in particular highly volatile fuels such as many types of biomass can be effectively gasified in the gasification process by adding less than 0.4, preferably less than 0.3 kg of free molecular oxygen per kg of dry fuel. The CFB reaction chamber as well as the combustion chamber can additionally be fed with more gas such as water vapor, recirculated gaseous product and flue gases. A larger purpose may be to maintain adequate temperatures and dynamic fluid conditions in the respective chambers during a variable choice of fuel and charge. The oxidation of the combustion coal in the reaction chamber of the combustion coal results in the fact that the recirculation particles in the CFB gasifier reach a temperature increase in the reaction chamber of the combustion coal and because of this, the thermal energy required to sustain the processes pyrolysis in the CFB reaction chamber can be completely or partially obtained by the addition of the circulating particles. The method according to the invention may of course comprise more features such as: the process may be fed by materials other than the particular materials mentioned in order to stabilize the particle size distribution and / or absorb various components such as sulfur and alkali-containing components, one or more particle streams may be drained from the process, for example for the purpose of modifying the particle size distribution and / or the particular chemical composition of the material and / or preventing accumulation in the system and / or for the purpose of using the drained materials in other ratios, the drained particles may return completely or partially to the gasification process after suitable processing such as size classification, grinding, agglomeration, as well as any other mechanical, thermal and chemical treatment, parts major or minor of the main components and process connecting ducts, including for example the combustion reaction chamber, may be composed of cooled or uncooled components, the described process can be used at considerably higher pressures as well as considerably lower than atmospheric pressure, the combustion bed may be used as a " circuit seal ", which is e.g. achieved by allowing the inlet conduit of particulates from the recirculation particle separator to discharge at a level below the bed surface in the chamber a CFB reaction chamber with two or more particulate recirculation conduits may be equipped, a particulate recirculation conduit may serve a plurality of CFB reaction chambers, particulate separators, as well as other components of the process , can be integrated into the CFB reaction chamber construction and / or others. 10
Além disso, várias outras caracteristicas podem, dependendo da aplicação, proporcionar vantagens adicionais consideráveis: A fim de determinar uma pirólise eficaz, é apropriado que a adição do combustível à câmara de reação CFB ocorra de modo a proporcionar um contacto intensivo entre o combustível e as partículas na câmara de reação CFB, isto é, é apropriado que a alimentação ocorra numa zona turbulenta que tenha uma alta concentração de partículas. Tais condições são mais facilmente estabelecidas perto da parte inferior da câmara de reação CFB. No entanto, o desejado contacto eficaz pode também ser conseguido adicionando o combustível a uma corrente do processo que traga o combustível para a câmara de reação CFB, e preferencialmente para a parte inferior da câmara de reação CFB.In addition, a number of other features may, depending on the application, provide considerable additional advantages: In order to determine an effective pyrolysis, it is appropriate that the addition of the fuel to the CFB reaction chamber occurs so as to provide intensive contact between the fuel and the particles in the CFB reaction chamber, i.e., it is appropriate that the feed occurs in a turbulent zone having a high concentration of particles. Such conditions are more easily established near the lower part of the CFB reaction chamber. However, the desired effective contact can also be achieved by adding the fuel to a process stream which brings the fuel into the reaction chamber CFB, and preferably into the lower part of the reaction chamber CFB.
Para o método de acordo com a invenção, considera-se uma vantagem manter a temperatura à saída da câmara de reação CFB abaixo dos 700 °C, e preferencialmente abaixo dos 600 °C. Além das vantagens anteriormente mencionadas das baixas temperaturas, isto também limita a tendência dos componentes gasosos produzidos para reagirem suplementarmente enquanto se produz carbono sólido incluindo fuligem. A temperatura medida na parte inferior da câmara de reação CFB é preferencialmente limitada em conformidade.For the method according to the invention, it is considered an advantage to maintain the temperature at the exit of the CFB reaction chamber below 700 ° C, and preferably below 600 ° C. In addition to the aforementioned advantages of low temperatures, this also limits the tendency of the gaseous components produced to react further while producing solid carbon including soot. The temperature measured at the bottom of the reaction chamber CFB is preferably limited accordingly.
As temperaturas baixas acima mencionadas também aumentam a possibilidade de ligar cloro contido por exemplo na palha, lixo doméstico e certos tipos de plásticos, por exemplo a materiais contendo cálcio tais como calcário adicionado ao processo. Em tais casos, é uma vantagem que o transporte de partículas para a parte superior da câmara de reação CFB assegure um contacto eficaz, por exemplo, entre partículas 11 adicionadas contendo cálcio e gases contendo cloro. Quando se queimam combustíveis e produtos residuais contendo cloro, uma característica adicional importante pode ser a adição ao processo de gaseificação de materiais contendo cálcio, tal como à câmara de reação CFB. A separação de partículas a fim de recircular partículas através da câmara de reação do carvão de combustão pode ser efetuada utilizando qualquer tipo de separador de partículas, tal como: • separadores dinâmicos tais como separadores de câmara giratória, tipo labirinto e ciclónicos, • filtros de barreira tais como filtros de mangas de alta temperatura, filtros cerâmicos porosos e filtros de leito granular, incluindo a utilização de várias combinações, por exemplo, dos separadores mencionados.The above-mentioned low temperatures also increase the possibility of binding chlorine contained for example in straw, household waste and certain types of plastics, for example to calcium-containing materials such as limestone added to the process. In such cases, it is an advantage that the transport of particles to the upper portion of the CFB reaction chamber ensures effective contact, for example between added particles containing calcium and chlorine-containing gases. When burning fuels and waste products containing chlorine, an important additional feature may be the addition to the gasification process of calcium containing materials, such as the CFB reaction chamber. Separation of particles in order to recirculate particles through the combustion reaction chamber may be effected using any type of particulate separator, such as: • dynamic separators such as rotary, labyrinth and cyclone type separators, barrier coatings such as high temperature sleeve filters, porous ceramic filters and granular bed filters, including the use of various combinations, for example of the aforementioned separators.
Numa versão preferida da invenção, o produto gasoso proveniente da câmara de reação CFB é limpo primeiro num tipo dinâmico primário de separador de partículas e subsequentemente num separador secundário de tipo mais eficaz. A recirculação de partículas através da câmara de reação do carvão de combustão é neste caso realizada principalmente a partir do primeiro separador dinâmico primário mencionado. 0 separador secundário pode, por exemplo, ser um filtro de barreira altamente eficaz, mas também um separador do tipo ciclone que seja mais eficaz que o separador primário, incluindo um separador do tipo multiciclone. A separação de partículas/limpeza de gás adicional pode também nesta versão ocorrer antes do separador primário (utilizando um pré-separador), bem como depois do separador secundário. 12In a preferred embodiment of the invention, the gaseous product from the CFB reaction chamber is first cleaned in a primary dynamic particle separator type and subsequently in a more efficient secondary separator. The recirculation of particles through the reaction chamber of the combustion coal is in this case carried out mainly from the first mentioned primary dynamic separator. The secondary separator may, for example, be a highly effective barrier filter, but also a cyclone type separator which is more effective than the primary separator, including a multiciclone type separator. The particle separation / additional gas cleaning may also in this version occur prior to the primary separator (using a pre-separator) as well as after the secondary separator. 12
Por isso, na maior parte dos casos consegue-se uma retenção suficiente do carvão de combustão no processo com a ajuda de um separador primário adequado do tipo dinâmico, quando é mais adequado um filtro de barreira para responder a potenciais exigências severas relacionadas com baixo teor de partículas e outros componentes problemáticos no produto gasoso. Assim, consegue-se uma melhor possibilidade de ligar componentes problemáticos tais como cloro, enxofre e álcalis no bolo de filtração, bem como a possibilidade de oxidar partículas finas de carvão de combustão utilizando um filtro de barreira. Pode-se conseguir uma melhoria da oxidação do carvão de combustão adicionando um agente oxidante adequado tal como o ar atmosférico, oxigénio ou vapor de água ao percurso do gás antes do filtro.Therefore, sufficient retention of the combustion coal in the process is achieved in the process with the aid of a suitable primary separator of the dynamic type, where a barrier filter is most suitable to meet the potential severe requirements related to low content particles and other problematic components in the gaseous product. Thus, a better possibility of linking problematic components such as chlorine, sulfur and alkali is achieved in the filter cake, as well as the possibility of oxidizing fine particles of charcoal using a barrier filter. Improvement of the oxidation of the combustion coal can be achieved by adding a suitable oxidising agent such as atmospheric air, oxygen or water vapor to the gas path before the filter.
Filtros do tipo barreira do tipo leito granular móvel parecem especialmente vantajosos porque: ♦ o produto gasoso consegue um contacto mais eficaz com componentes particulares contidos no produto gasoso, ♦ pode conseguir-se a retenção/conversão eficaz de componentes problemáticos no produto gasoso adicionando partículas quimicamente ativas tais como calcário e/ou partículas cataliticamente ativas ao filtro, o que pode ser feito adicionando tais partículas ao produto gasoso antes do filtro e/ou sob a forma do meio de filtração particular que é adicionado na altura ao filtro de leito granular, e preferencialmente em contracorrente ao produto gasoso, • pode combater-se o bloqueio irreversível durante a operação por meio de uma substituição/processamento mais ou menos contínuo dos meios de filtração, • podem combater-se temperaturas excessivas no filtro devidas a processos exotérmicos tais como oxidação do carvão de combustão, adicionando na altura partículas de 13 filtração com uma temperatura mais baixa que a temperatura que de outro modo ocorreria no local da adição, • o filtro pode ser utilizado como uma alternativa a refrigeradores de gás mais tradicionais, isto é, é possível um arrefecimento considerável do produto gasoso arrefecendo um circuito de partículas que compreenda o filtro de leito granular, • o arrefecimento do produto gasoso pode deste modo ser possível sem superfícies de absorção de calor em contacto direto com componentes corrosivos no produto gasoso, e deste modo, meios de arrefecimento que arrefecem o circuito das partículas podem ser aquecidos a altas temperaturas tais como acima de 500 °C, o que permite uma utilização mais eficaz do calor subtraído, • o calor obtido ao arrefecer o circuito das partículas pode, por exemplo, ser devolvido ao processo de gaseificação utilizando totalmente ou parcialmente o calor para, por exemplo, pré-aquecer o agente de gaseificação ou secar o combustível e/ou o calor pode ser utilizado para aquecer um meio de trabalho num processo de produção de eletricidade tal como por sobreaquecimento de vapor de água ou por aquecimento de uma corrente de gás que é posteriormente expandida numa turbina a gás.Mobile granular bed barrier type filters seem especially advantageous because: ♦ the gaseous product achieves more effective contact with particular components contained in the gaseous product, ♦ effective retention / conversion of problematic components in the gaseous product can be achieved by addition of particles chemically such as limestone and / or catalytically active particles to the filter, which can be done by adding such particles to the gaseous product prior to the filter and / or in the form of the particular filtration medium which is added at that time to the granular bed filter, and preferably countercurrent to the gaseous product, • irreversible blocking may be combated during operation by a more or less continuous substitution / processing of the filter media, • excessive temperatures in the filter can be combated due to exothermic processes such as oxidation of the combustion coal, adding at particle height • the filter can be used as an alternative to more traditional gas coolers, i.e., a considerable cooling of the gaseous product is allowed to cool a particulate circuit comprising the granular bed filter, cooling of the gaseous product may thus be possible without heat-absorbing surfaces in direct contact with corrosive components in the gaseous product and thus cooling means cooling the circuit of the particles can be heated to high temperatures such as above 500 ° C, which allows a more efficient use of the subtracted heat, the heat obtained by cooling the particulate circuit can for example be returned to the gasification process using or partly the heat to, for example, preheat the gasification agent or dry the fuel and / or heat may be used to heat a working medium in an electricity production process such as by overheating water vapor or by heating a stream of gas which is subsequently expanded in a gas turbine.
Portanto, numa versão preferida da invenção, o produto gasoso proveniente da câmara de reação CFB passa num filtro do tipo leito granular móvel. Também neste caso se pode obter uma limpeza adicional do gás com a ajuda de separadores/filtros localizados antes do, bem como depois do filtro de leito granular móvel, e podem recircular-se e/ou drenar-se partículas de todos os filtros incluídos. 14Therefore, in a preferred version of the invention, the gaseous product from the CFB reaction chamber passes on a mobile granular bed type filter. Also in this case additional cleaning of the gas can be achieved with the aid of separators / filters located before the as well as after the mobile granular bed filter, and particles of all the included filters can be recirculated and / or drained. 14
Também é possível utilizar um filtro de barreira tal como um filtro de leito granular, como um separador de recirculação e possivelmente único separador. Em tais casos é particularmente relevante remover a cinza e outros potenciais produtos residuais da corrente de partículas separadas em vez de um filtro secundário seguinte, e seria relevante construir os esgotos do processo CFB de modo a drenarem seletivamente os produtos da reação que se destinam a ser removidos do processo. Por exemplo, as partículas separadas do filtro de barreira podem ser divididas em duas ou várias classes de tamanhos e posteriormente as partículas mais pequenas podem ser extraídas do gaseificador. A aglomeração controlada de partículas de cinza mencionada mais tarde é mais um exemplo de como se pode estabelecer uma tal drenagem seletiva. A fim de evitar uma perda excessiva de pressão e que o produto gasoso transporte em larga extensão pequenas partículas através do filtro, o filtro de leito granular tem normalmente de ser dimensionado para baixas velocidades de gás tais como abaixo de 3 m/s e preferencialmente abaixo de 1,5 m/s, o que corresponde a uma grande secção quadrada de fluxo quando comparada por exemplo com a secção quadrada de fluxo da câmara de reação CFB. A fim de também se conseguir uma planta compacta, é por isso uma possibilidade interessante integrar o filtro de leito granular no topo da câmara de reação CFB, isto é, de modo a fazer o filtro de leito granular rodear mais ou menos o topo, e enquanto o produto gasoso é adicionado ao filtro de leito granular mais ou menos diretamente a partir do topo da câmara de reação CFB e preferencialmente de modo rotacionalmente simétrico. Naqueles casos em que se deseja reduzir o teor em partículas de gás do processo antes de ele passar pelo filtro de leito granular, pode-se efetuar uma pré-separação de partículas passando inicialmente o produto gasoso do 15 topo da câmara de reação CFB através de um pré-separador tal como um separador de câmara giratória, que também pode ser completamente ou parcialmente integrado na câmara de reação CFB, e rodeando-o de forma mais ou menos rotacionalmente simétrica. É evidente que os métodos acima descritos e correspondentes aparelhos para limpeza, e possivelmente também para arrefecimento de gases utilizando um filtro de leito granular, podem também ser utilizados em ligaçao com quaisquer outros métodos e aparelhos para além dos aqui descritos. A adição do agente oxidante principalmente à etapa de recirculação de partículas incluindo a câmara de reação do carvão de combustão proporciona boas oportunidades para converter eficazmente o carvão de combustão. Numa versão preferida da invenção, esta vantagem é realçada pelo fato da temperatura média da câmara de reação do carvão de combustão ser mais elevada do que a temperatura média da câmara de reação CFB, e preferencialmente pelo menos 50 °C mais elevada. Independentemente da escolha potencial de controlar o processo com base nas temperaturas medidas a outros niveis, as temperaturas médias são para ser entendidas aqui como as temperaturas existentes a aproximadamente metade da altura das respetivas câmaras de reação.It is also possible to use a barrier filter such as a granular bed filter, such as a recirculation separator and possibly a single separator. In such cases it is particularly relevant to remove ash and other potential waste products from the separate particulate stream instead of a subsequent secondary filter, and it would be relevant to construct the sewers of the CFB process in order to selectively drain the products of the reaction that are to be removed from the process. For example, the separated barrier filter particles may be divided into two or more size classes and thereafter the smaller particles may be drawn from the gasifier. The controlled agglomeration of gray particles mentioned later is yet another example of how such selective drainage can be established. In order to avoid excessive pressure loss and the gaseous product transporting large particles through the filter to a large extent, the granular bed filter usually has to be sized for low gas velocities such as below 3 m / s and preferably below 1.5 m / s, which corresponds to a large square cross-section of flow when compared, for example, with the square cross-section of the CFB reaction chamber. In order to also achieve a compact plant, it is therefore an interesting possibility to integrate the granular bed filter into the top of the CFB reaction chamber, i.e., so as to make the granular bed filter more or less surround the top, and while the gaseous product is added to the granular bed filter more or less directly from the top of the CFB reaction chamber and is preferably rotatably symmetrical. In those cases where it is desired to reduce the particulate gas content of the process before it passes through the granular bed filter, particle pre-separation may be effected by initially passing the gaseous product from the top of the CFB reaction chamber through a pre-separator such as a rotating chamber separator, which may also be completely or partially integrated in the CFB reaction chamber, and surrounds it more or less rotationally symmetrically. It is clear that the above described methods and corresponding apparatus for cleaning, and possibly also for gas cooling using a granular bed filter, may also be used in connection with any other methods and apparatus other than those described herein. The addition of the oxidizing agent primarily to the particulate recirculation step including the combustion reaction chamber provides good opportunities for efficiently converting the combustion coal. In a preferred embodiment of the invention, this advantage is enhanced by the fact that the average temperature of the reaction chamber of the combustion coal is higher than the average temperature of the reaction chamber CFB, and preferably at least 50 ° C higher. Regardless of the potential choice to control the process based on measured temperatures at other levels, the average temperatures are to be understood herein as the temperatures existing at about half the height of the respective reaction chambers.
Numa versão preferida da invenção, a adição da energia térmica necessária para os processos de pirólise predominantemente endotérmicos é totalmente ou parcialmente obtida adicionando partículas da câmara de reação do carvão de combustão à câmara de reação CFB, partículas essas que possuem uma temperatura mais elevada e preferencialmente 25 16 °C acima da temperatura do produto gasoso que deixa a câmara de reação CFB.In a preferred embodiment of the invention, the addition of the thermal energy required for the predominantly endothermic pyrolysis processes is wholly or partially obtained by adding particles from the reaction chamber of the combustion coal to the CFB reaction chamber, which particles have a higher temperature and preferably 25 16 ° C above the temperature of the gaseous product leaving the CFB reaction chamber.
Outras caracteristicas preferidas da invenção podem contribuir para formas da câmara de reação do carvão de combustão, visando uma conversão otimizada adicional do carvão de combustão. Isto é, por exemplo: • providenciar a câmara de reação do carvão de combustão como um leito borbulhante de partículas lentamente fluidizado, em que a parte principal do gás adicionado à câmara de reação do carvão de combustão é adicionada como um gás de fluidização, • manter a velocidade superficial na câmara de reação do carvão de combustão abaixo de 1 m/s e preferencialmente abaixo de 0,5 m/s. Isto minimiza a tendência para desgaste mecânico nas partículas do carvão de combustão e também para a sua saída prematura da câmara de reação do carvão de combustão juntamente com o produto gasoso, • a secção quadrada horizontal da câmara de reação de carvão de combustão ser maior que a secção quadrada da câmara de reação CFB e preferencialmente duas vezes maior que esta. Isto, a fim de permitir um fornecimento suficiente do agente de gaseificação a uma velocidade superficial de gás baixa, • extrair partículas destinadas a recirculação para a câmara de reação CFB, provenientes da parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão, onde a concentração do carvão de combustão se pode esperar ser consideravelmente mais baixa que no topo.Other preferred features of the invention may contribute to forms of the combustion reaction chamber for further optimized conversion of the combustion coal. This is, for example: • providing the combustion reaction chamber as a slowly fluidized bed of particles in which the main part of the gas added to the reaction chamber of the combustion coal is added as a fluidizing gas; maintain the surface velocity in the reaction chamber of the combustion coal below 1 m / s and preferably below 0.5 m / s. This minimizes the tendency for mechanical wear on the charcoal particles and also for their premature exit from the combustion chamber together with the gaseous product, • the horizontal square section of the combustion chamber is larger than the square section of the CFB reaction chamber and preferably twice as large as this. In order to allow a sufficient supply of the gasification agent at a low gas surface velocity, • to extract particles destined for recirculation into the CFB reaction chamber from the lower part of the reaction chamber of the combustion coal where the concentration of the charcoal can be expected to be considerably lower than at the top.
Especialmente em casos em que se prefere uma velocidade de gás particularmente baixa na câmara de reação do carvão de combustão, por exemplo devido a um carvão de combustão muito fraco e/ou ao carvão de combustão ser muito reativo 17 permitindo uma redução da altura do leito, a inovação pode ser melhorada providenciando a câmara de reação do carvão de combustão sob a forma de várias câmaras de reação do carvão de combustão mutuamente sobrepostas a fim de se alcançar deste modo uma versão mais compacta do processo de gaseificação. Neste caso, a área de secção quadrada da câmara de reação do carvão de combustão deve ser entendida como a soma das áreas das secções quadradas horizontais das câmaras de reação do carvão de combustão sobrepostas. A tendência mencionada das partículas de carvão de combustão para se concentrarem no topo da câmara de reação do carvão de combustão é parcialmente devida a estas partículas parecerem mais fluídas, dinamicamente mais leves, devido a uma tendência para serem menos esféricas do que por exemplo as partículas fluidizadas há muito tempo, bem como à baixa densidade/alta porosidade. Além disso, algumas das partículas do carvão de combustão são relativamente pequenas. A oxidação das partículas do carvão de combustão na câmara de reação do carvão de combustão aumenta a tendência para uma densidade mais baixa do carvão de combustão e para a formação de pequenas partículas.Especially in cases where a particularly low gas velocity is preferred in the reaction chamber of the combustion coal, for example because of a very weak combustion coal and / or the combustion coal being very reactive 17 allowing a reduction of the height of the bed , the innovation can be improved by providing the combustion chamber in the form of several mutually superposed combustion reaction chambers in order to achieve a more compact version of the gasification process. In this case, the square cross-sectional area of the combustion reaction chamber shall be taken to be the sum of the horizontal square cross-sectional areas of the superposed combustion reaction chambers. The aforementioned tendency of the charcoal particles to concentrate at the top of the combustion chamber is partly due to the fact that these particles appear to be more fluid, dynamically lighter due to a tendency to be less spherical than for example the particles long as well as low density / high porosity. In addition, some of the charcoal particles are relatively small. Oxidation of the charcoal particles in the reaction chamber of the combustion coal increases the tendency for a lower density of the combustion coal and for the formation of small particles.
Uma outra possibilidade para melhorar o método da invenção é apoiar a tendência mencionada para separação na câmara de reação do carvão de combustão. Isto consegue-se escolhendo uma ou várias das seguintes condições: • uma grande altura do leito, tal como mais de 1 m e preferencialmente mais de 2 m, • uma boa distribuição do gás de fluidização pela parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão, • fazer as paredes circundantes do leito completamente ou quase verticais. 18 A gaseificação de muitos combustíveis relevantes para o método resulta numa cinza fraca e fina que é difícil de reter utilizando especialmente separadores dinâmicos de partículas, e que pode levar a uma tendência para o rápido bloqueamento de um filtro de barreira. Além disso, pode ser um problema reter especialmente as partículas de carvão de combustão mais pequenas no processo no tempo suficiente para se conseguir uma gaseificação satisfatória do carvão de combustão. É por isso interessante tentar uma sinterização e possivelmente uma aglomeração das partículas de cinza/carvão de combustão. Isto pode por exemplo ser conseguido providenciando ou controlando o processo com a intenção de conseguir um aumento adequado de temperatura em frações mais ou menos alargadas da parte superior da câmara de reação do carvão de combustão, onde a concentração de partículas finas de cinza/carvão de combustão é máxima devido à separação anteriormente mencionada. Assim, pode conseguir-se uma melhoria importante da invenção pela adição de oxigénio (aumento de temperatura) e/ou vapor de água (diminuição de temperatura) predominantemente nas partes superior e inferior respetivamente da câmara de reação de carvão de combustão. Note-se que a grande altura do leito anteriormente mencionada também melhora a possibilidade de criar diferenças de temperatura consideráveis na câmara de reação do carvão de combustão.A further possibility to improve the method of the invention is to support the mentioned tendency for separation in the reaction chamber of the combustion coal. This is achieved by choosing one or more of the following conditions: • a large bed height, such as more than 1 m and preferably more than 2 m, • a good distribution of the fluidization gas through the bottom of the reaction chamber of the combustion coal , • make the walls surrounding the bed completely or nearly vertical. Gasification of many fuels relevant to the method results in a weak and fine ash which is difficult to retain using especially dynamic particle separators, and which may lead to a tendency for the rapid blocking of a barrier filter. In addition, it may be a problem to especially retain the smallest charcoal particles in the process in sufficient time to achieve satisfactory gasification of the char. It is therefore interesting to try a sintering and possibly an agglomeration of the ash / charcoal particles. This can for example be achieved by providing or controlling the process with the intention of achieving a suitable temperature increase in more or less broad fractions of the upper part of the reaction chamber of the coal, where the concentration of fine particles of ash / maximum separation due to the aforementioned separation. Thus, a significant improvement of the invention can be achieved by the addition of oxygen (temperature rise) and / or water vapor (temperature decrease) predominantly in the upper and lower parts respectively of the combustion reaction chamber. It should be noted that the high height of the aforementioned bed also improves the possibility of creating considerable temperature differences in the reaction chamber of the combustion coal.
Uma possível tendência para grandes diferenças de temperatura pode naturalmente também ser combatida pelos mecanismos mencionados, dado que também a adição assimétrica de uma parte controlável do gás de fluidização pode moderar a diferença de temperatura devido ao aumento da mistura térmica criada deste modo na câmara de reação do carvão de combustão. 19A possible tendency for large temperature differences can of course also be counteracted by the mechanisms mentioned, since also the asymmetric addition of a controllable part of the fluidization gas can moderate the temperature difference due to the increase of the thermal mixture thus created in the reaction chamber of coal. 19
Do que foi mencionado, também é evidente que uma solução mais complexa é enfatizar a obtenção das vantagens mencionadas da separação de partículas, bem como a criação de diferenças de temperatura mencionadas na câmara de reação do carvão de combustão dividindo a câmara de reação do carvão de combustão em várias câmaras, que, por exemplo, são abastecidas predominantemente com partículas pobres ou ricas em carvão de combustão/cinza, e às quais a adição do agente de gaseificação difere no que diz respeito à quantidade e à composição. Um outro exemplo de um arranjo mais complexo da câmara de reação do carvão de combustão consiste em pré-aquecer o agente de gaseificação numa câmara, e posteriormente adicionar o agente de gaseificação a uma outra câmara.From what has been mentioned, it is also evident that a more complex solution is to emphasize the achievement of the mentioned advantages of particle separation, as well as the creation of temperature differences mentioned in the reaction chamber of the coal by dividing the reaction chamber of the combustion in several chambers which, for example, are supplied predominantly with poor or charcoal / ash rich particles, and to which the addition of the gasification agent differs in quantity and composition. Another example of a more complex arrangement of the combustion reaction chamber is to preheat the gasification agent in a chamber, and then add the gasification agent to another chamber.
Numa versão preferida da invenção, a aglomeração é procurada através dos métodos acima mencionados e numa extensão tal que faz o aglomerado, isto é, as partículas de cinza dilatadas caírem para a parte inferior do leito a fim de serem drenadas diretamente a partir da parte inferior ou através de um compartimento ao qual as partículas são adicionadas. Este método proporciona a oportunidade de seletivamente e, por exemplo, continuamente drenar componentes não combustíveis tais como álcalis que têm uma grande tendência para formar componentes químicos com baixos pontos de fusão. Alguns destes componentes tais como cloretos alcalinos são relativamente fáceis de separar, por exemplo por lavagem com água, o que proporciona a oportunidade de reintroduzir no processo as partículas refinadas deste modo. É evidente que os métodos acima mencionados para aglomeração, drenagem e possivelmente refinação e reintrodução de partículas de cinza são também melhorias 20 possíveis de outros métodos e aparelhos que não os descritos aqui.In a preferred embodiment of the invention, agglomeration is sought by the above-mentioned methods and to such an extent that the agglomerate, i.e. the dilated ash particles, falls to the bottom of the bed in order to be drained directly from the bottom or through a compartment to which the particles are added. This method provides the opportunity to selectively and, for example, continually drain non-combustible components such as alkalis which have a strong tendency to form chemical components with low melting points. Some of these components such as alkali metal chlorides are relatively easy to separate, for example by washing with water, which affords the opportunity to reintroduce in the process the particles refined in this way. It is clear that the above-mentioned methods for agglomeration, drainage and possibly refining and reintroduction of ash particles are also possible improvements of other methods and apparatus than those described herein.
Uma outra melhoria possível e considerável da invenção é arrefecer as partículas na câmara de reação do carvão de combustão por meio de uma superfície de absorção de calor nela situada e preferencialmente de uma superfície na parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão. Assim, pode conseguir-se um número de vantagens: • torna-se possível limitar a temperatura do processo sem adicionar quantidades excessivas de vapor de água, o que é especialmente vantajoso em relação a combustíveis tais como carvão vegetal que possui uma capacidade calorífica relativamente elevada e um teor baixo em componentes voláteis, • a criação mencionada de diferenças de temperatura na câmara de reação do carvão de combustão pode ser realçada situando a superfície de absorção de calor na parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão, • pode extrair-se calor do processo utilizando um meio de transmissão de calor a temperatura relativamente elevada. Deste modo, a exposição corrosiva da superfície de absorção de calor na parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão é limitada porque os componentes corrosivos são principalmente libertados de partículas de carvão de combustão, e por isso concentram-se na parte superior, • a área de superfície de absorção de calor necessária pode ser limitada devido ao elevado coeficiente de transmissão de calor que se atinge, também por razões anteriormente mencionadas, especialmente no leito lentamente fluidizado preferido, na câmara de reação do carvão de combustão. 21Another possible and considerable improvement of the invention is to cool the particles in the reaction chamber of the combustion coal by means of a heat absorbing surface therein and preferably of a surface in the lower part of the reaction chamber of the combustion coal. Thus, a number of advantages can be achieved: • it becomes possible to limit the temperature of the process without adding excessive amounts of water vapor, which is especially advantageous in relation to fuels such as charcoal having a relatively high heat capacity and a low content of volatile components, • the mentioned creation of temperature differences in the reaction chamber of the combustion coal can be enhanced by placing the heat absorbing surface in the lower part of the reaction chamber of the combustion coal, heat is obtained from the process using a relatively high temperature heat transfer medium. Thus, the corrosive exposure of the heat absorbing surface at the bottom of the combustion chamber is limited because the corrosive components are mainly released from the combustion particles and therefore concentrate on the upper part. the required heat-absorbing surface area may be limited due to the high coefficient of heat transfer which is achieved, also for reasons mentioned above, especially in the preferred slowly fluidized bed, in the combustion chamber of the combustion. 21
Devido ao volume que ocupa, a localização especialmente de uma superfície de absorção de calor muito compacta na parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão também atua de modo a limitar a necessidade de adicionar gás de fluidização à parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão. Um efeito semelhante de limitar a área da secção quadrada do fluxo pode adicionalmente ou alternativamente ser conseguido situando um ou vários elementos da parede até um certo nível na câmara de reação do carvão de combustão a partir da parte inferior desta câmara. Podem também aplicar-se os tais elementos da parede a fim de limitar a mistura vertical das partículas.Due to the volume it occupies, the location especially of a very compact heat-absorbing surface at the bottom of the combustion chamber also acts to limit the need to add fluidizing gas to the lower part of the reaction chamber of the combustion chamber. coal. A similar effect of limiting the square cross-sectional area of the stream may additionally or alternatively be achieved by placing one or more wall elements up to a certain level in the combustion reaction chamber from the bottom of this chamber. Such wall elements may also be applied in order to limit vertical mixing of the particles.
Visando uma melhor possibilidade de adotar o processo de gaseificação para vários combustíveis, rendimentos e aplicações, a absorção de calor por meio da superfície de absorção de calor mencionada pode tornar-se controlável por exemplo através da: • variação da velocidade de fluidização na parte do leito que contém a superfície de absorção de calor, • variação da quantidade e/ou a temperatura de entrada dos meios de arrefecimento, • localização da superfície de absorção de calor num leito fluidizado separado, em que a altura do leito pode variar com o objetivo de expor uma fração variada da superfície de absorção de calor, • variação da temperatura na parte da câmara de reação do carvão de combustão na qual a superfície de absorção de calor está localizada, conseguindo-se isto por exemplo por adição assimétrica do gás de fluidização a fim de se obter um controlo na mistura térmica no leito. 22Aiming at a better possibility of adopting the gasification process for various fuels, yields and applications, the absorption of heat by means of the aforementioned heat absorbing surface can become controllable for example by: variation of the fluidization velocity in the part of the a bed containing the heat-absorbing surface, variation of the amount and / or the inlet temperature of the cooling means, location of the heat-absorbing surface in a separate fluid bed, wherein the height of the bed may vary with the purpose of exposing a varied fraction of the heat absorbing surface, variation of the temperature in the part of the reaction chamber of the combustion coal in which the heat absorption surface is located, this being achieved for example by asymmetric addition of the fluidization gas in order to obtain a control in the thermal mixture in the bed. 22
Para proporcionar um controlo ótimo dos parâmetros do processo de gaseificação, a recirculação de partículas provenientes da câmara de reação do carvão de combustão para a câmara de reação CFB pode, numa outra versão melhorada da invenção, ser realizada através de uma ou várias condutas que podem conter meios de controlo que tornam possíveis controlar o fluxo de partículas. Nesta versão da invenção, pode conseguir-se por exemplo uma possibilidade melhorada de controlo da temperatura fazendo as partículas contactar com uma superfície de absorção de calor numa ou várias das condutas de retorno mencionadas. Os meios de controlo possíveis mencionados são preferencialmente de um tipo não-mecânico, isto é, a velocidade de fluxo das partículas é controlada por adição de um gás que mobiliza as partículas numa extensão que depende da adição do gás.In order to provide optimum control of the parameters of the gasification process, the recirculation of particles from the combustion reaction chamber to the reaction chamber CFB may, in a further improved version of the invention, be carried out by means of one or more ducts which may contain control means which make it possible to control the flow of particles. In this version of the invention, for example an improved possibility of temperature control can be achieved by causing the particles to contact a heat absorbing surface in one or more of the said return pipes. The possible control means mentioned are preferably of a non-mechanical type, i.e., the flow rate of the particles is controlled by the addition of a gas which mobilizes the particles to an extent which depends on the addition of the gas.
Numa versão preferida da invenção, as partículas são transferidas da câmara de reação do carvão de combustão para a câmara de reação CFB através de pelo menos uma conduta de recirculação de partículas que adiciona partículas à parte inferior da câmara de reação CFB por meio de uma conduta de ligação predominantemente vertical. Numa correspondente construção particularmente compacta, a conduta de ligação predominantemente vertical mencionada é cercada pela câmara de reação do carvão de combustão, e isto preferencialmente de um modo a que a câmara de reação do carvão de combustão circunde a conduta de recirculação como uma câmara de anel de rotação simétrica. A construção de rotação simétrica preferida da câmara de reação do carvão de combustão acima mencionada também fornece a possibilidade de efetuar a sinterização anteriormente mencionada e potencialmente também a aglomeração de uma forma particularmente simples e bem 23 controlada. Deste modo, a adição de gás contendo oxigénio para criar uma zona com aumento de temperatura preferencialmente na parte superior da câmara de reação do carvão de combustão rica em cinza e carvão, pode fazer-se em algumas poucas localizações e possivelmente apenas numa única localização na câmara de reação do carvão de combustão. Isto é conseguido fazendo as partículas na câmara de reação do carvão de combustão rodarem em torno da conduta de recirculação de partículas vertical de um tal modo que, em especial as partículas pequenas e leves na parte superior da câmara de anel, passam por uma zona de temperatura aumentada numa frequência de tempo adequada. A rotação mencionada pode simplesmente ser estabelecida por meio da adição de uma ou várias correntes do processo tais como o agente de gaseificação, o agente oxidante, criando um aumento de temperatura e recirculando partículas com algum impulso numa direção que apoie o movimento de rotação mencionado.In a preferred embodiment of the invention the particles are transferred from the combustion reaction chamber into the reaction chamber CFB through at least one particulate recirculation conduit which adds particles to the lower part of the reaction chamber CFB by means of a conduit of predominantly vertical connection. In a correspondingly particularly compact construction, the above-mentioned predominantly vertical connecting conduit is surrounded by the reaction chamber of the combustion coal, and preferably in a way that the combustion reaction chamber surrounds the recirculation conduit as a ring chamber of symmetrical rotation. The preferred symmetrical rotation construction of the aforementioned combustion reaction chamber also provides the possibility of effecting the aforementioned sintering and potentially also the agglomeration in a particularly simple and well controlled manner. Accordingly, the addition of oxygen-containing gas to create a temperature-increasing zone preferably in the upper chamber of the reaction mixture of the charcoal rich in coal and ash, may be done in a few locations and possibly only in a single location in the reaction chamber of the combustion coal. This is achieved by causing the particles in the combustion reaction chamber to rotate around the vertical particulate recirculation duct in such a way that, in particular, the small and light particles in the upper part of the ring chamber pass through a zone of temperature at an appropriate time frequency. The above-mentioned rotation can simply be established by the addition of one or more process streams such as the gassing agent, the oxidizing agent, creating an increase in temperature and recirculating particles with some momentum in a direction which supports said rotational movement.
As formas preferidas de construção acima mencionadas permitem que o fluxo de partículas através da conduta de ligação seja apenas controlado pela adição de um gás que para uma extensão, dependendo da quantidade adicionada, cria um transporte ascendente de partículas para a câmara de reação CFB. Nesses casos, em que é preferido minimizar a adição de gás à conduta de ligação predominantemente vertical mencionada, a secção quadrada de fluxo da conduta pode ser inferior a 25 %, e preferencialmente inferior a 10 % da área de secção quadrada horizontal da câmara de reação CFB.The preferred preferred forms of construction allow the flow of particles through the connecting conduit to be controlled only by the addition of a gas which to an extent, depending on the amount added, creates an upward transport of particles into the CFB reaction chamber. In such cases, where it is preferred to minimize the addition of gas to the aforesaid predominantly vertical connecting conduit, the square flow section of the conduit may be less than 25%, and preferably less than 10% of the horizontal square cross-sectional area of the reaction chamber CFB.
Pode também atribuir-se à parte vertical da conduta de ligação uma área de secção quadrada horizontal consideravelmente maior, e por exemplo ela aparecer como uma extensão inferior da câmara de reação CFB. Deste modo, 24 pode adicionar-se uma parte maior do agente oxidante adicionado ao processo à conduta de ligação, e desta forma, a oxidação do carvão de combustão na conduta de ligação pode, numa extensão considerável, suplementar a oxidação do carvão de combustão na câmara de reação do carvão de combustão. Deste modo, pode combater-se o fato das partículas de carvão de combustão trazidas para fora da câmara de reação do carvão de combustão juntamente com as partículas inertes em circulação levarem a perdas de carvão de combustão não convertido, e também de partículas grandes de carvão de combustão se acumularem na parte inferior da câmara de reação CFB. A possibilidade de combater a acumulação de grandes partículas é uma vantagem especialmente quando as despesas para reduzir o tamanho das partículas são para ser minimizadas.A substantially larger horizontal square cross-sectional area may also be attached to the vertical portion of the connecting conduit, and for example it appears as a lower extension of the CFB reaction chamber. In this way, a larger part of the oxidizing agent added to the process can be added to the connecting conduit, and thus, the oxidation of the combustion coal in the connecting conduit can, to a considerable extent, supplement the oxidation of the combustion coal in the reaction chamber of the combustion coal. In this way, it can be countered that coal particles brought out of the combustion chamber together with the inert particles in circulation lead to losses of unconverted coal, and also to large particles of coal accumulate in the lower part of the CFB reaction chamber. The possibility of combating the accumulation of large particles is an advantage especially when the expenses to reduce the particle size are to be minimized.
Uma outra possibilidade simples é escoar partículas não-combustíveis potencialmente maiores (que por exemplo são adicionadas à câmara de reação CFB com o combustível ou que se formam como consequência de aglomeração) a partir da parte inferior da conduta de ligação predominantemente vertical acima mencionada.A further simple possibility is to flow potentially larger non-combustible particles (which for example are added to the reaction chamber CFB with the fuel or which form as a consequence of agglomeration) from the bottom of the above-mentioned predominantly vertical connecting conduit.
Dependendo do objetivo do gaseificador CFB, o produto gasoso proveniente da câmara de reação do carvão de combustão pode ser completamente ou parcialmente adicionado por exemplo à câmara de reação CFB, ao produto gasoso de saída da câmara de reação CFB ou a aplicações externas ao processo de gaseificação.Depending on the purpose of the CFB gasifier, the gaseous product from the combustion reaction chamber may be completely or partially added, for example to the CFB reaction chamber, to the CFB reaction chamber output gas or to applications outside the CFB reaction chamber. gasification.
Numa versão preferida da invenção, uma parte considerável e por exemplo pelo menos 50 %, e de preferência pelo menos 75 % do produto gasoso da câmara de reação do carvão de combustão, é transferida para a câmara de reação CFB e preferencialmente para a parte inferior da câmara de reação 25 CFB a fim de fazer com que o gás sirva de gás de fluidização.In a preferred embodiment of the invention, a considerable part and for example at least 50%, and preferably at least 75%, of the gaseous product of the reaction chamber of the combustion coal is transferred to the reaction chamber CFB and preferably to the bottom of the reaction chamber 25 CFB in order to make the gas serve as a fluidizing gas.
No entanto, uma possibilidade particularmente simples e por isso atrativa é adicionar essencialmente todo o produto gasoso proveniente da câmara de reação do carvão de combustão à câmara de reação CFB. A necessidade de um sistema separado para descarregar e limpar o produto gasoso da câmara de reação do carvão de combustão pode deste modo ser minimizada e potencialmente completamente evitada, e além disso, a necessidade de adicionar mais gás de fluidização à câmara de reação CFB pode ser minimizada. A última necessidade mencionada é de principal interesse a fim de minimizar as correntes de gás e as perdas térmicas no processo de gaseificação e a fim de produzir um gás com poder calorífico máximo. Deste modo, numa versão preferida da invenção, o produto gasoso adicionado proveniente da câmara de reação do carvão de combustão constitui pelo menos 50 %, e de preferência pelo menos 80 %, da corrente total de gás adicionada à câmara de reação CFB.However, a particularly simple and therefore attractive possibility is to essentially add all of the gaseous product from the reaction chamber of the combustion coal to the CFB reaction chamber. The need for a separate system for discharging and cleaning the gaseous product from the combustion reaction chamber can thus be minimized and potentially completely avoided, and furthermore, the need to add further fluidization gas to the CFB reaction chamber can be minimized. The last mentioned need is of prime interest in order to minimize the gas currents and the thermal losses in the gasification process and in order to produce a gas with maximum calorific value. Thus, in a preferred embodiment of the invention, the added gaseous product from the reaction chamber of the combustion coal constitutes at least 50%, and preferably at least 80%, of the total gas stream added to the CFB reaction chamber.
Numa versão adicional preferida e particularmente simples, a adição do produto gasoso proveniente da câmara de reação do carvão de combustão à câmara de reação CFB ocorre aproximadamente ao mesmo nível vertical que a superfície do leito na câmara de reação do carvão de combustão. Deste modo, as condutas do produto gasoso da câmara de reação do carvão de combustão para a câmara de reação CFB podem ser curtas e simples, e ao mesmo tempo dispõe-se de um caminho fácil para se conseguir uma transferência simples e bem controlada de partículas através de uma conduta que liga a parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão à parte inferior da câmara de reação CFB. 26In a further preferred and particularly simple embodiment, the addition of the gaseous product from the reaction chamber of the combustion coal to the reaction chamber CFB occurs at approximately the same vertical level as the bed surface in the reaction chamber of the combustion coal. Thus the gas product conduits from the combustion chamber to the CFB reaction chamber can be short and simple, and at the same time there is an easy way to achieve a simple and well controlled transfer of particles through a conduit connecting the lower part of the reaction chamber of the combustion coal to the lower part of the CFB reaction chamber. 26
Em versões mais preferidas da invenção, o produto gasoso proveniente da câmara de reação do carvão de combustão passa completamente ou parcialmente por uma ou várias das seguintes etapas do processo: • um separador de partículas para recirculação de partículas para a câmara de reação do carvão de combustão. Isto é feito com o fim de otimizar a conversão do carvão de combustão e a produção de gás, e com o fim de se conseguir um aumento da retenção de cinza, incluindo o teor em componentes minerais no carvão de combustão, • uma câmara de reação à qual é também adicionado um agente oxidante tal como o ar, a fim de oxidar partículas finas de carvão de combustão. Isto é feito também com o objetivo de aumentar a conversão do carvão de combustão, mas o objetivo pode ser também modificar a cinza para uma forma mais apropriada, incluindo sinterização, aglomeração e/ou fusão da cinza, • um separador de partículas e preferencialmente um filtro de barreira para remover partículas finas de cinza.In more preferred embodiments of the invention, the gaseous product from the combustion reaction chamber passes completely or partially through one or more of the following process steps: a particulate re-particle separator for the reaction chamber of the carbon of combustion. This is done in order to optimize the conversion of the combustion coal and the production of gas and in order to achieve an increase in ash retention, including the content of mineral components in the combustion coal, • a reaction chamber to which is added also an oxidizing agent such as air, in order to oxidize fine particles of charcoal. This is also done for the purpose of increasing the conversion of the combustion coal, but the purpose may also be to modify the ash to a more appropriate form, including sintering, agglomeration and / or melting of the ash, a particulate separator and preferably a barrier filter to remove fine particles of ash.
As funções correspondentes a várias das etapas do processo acima mencionadas podem naturalmente ser também conseguidas em combinação, tal como por adição de um agente oxidante a um separador de partículas a partir do qual qualquer parte das partículas separadas é drenada ou regressa à câmara de reação do carvão de combustão.Functions corresponding to several of the aforementioned process steps may of course also be achieved in combination, such as by adding an oxidizing agent to a particulate separator from which any part of the separated particles is drained or returned to the reaction chamber of the coal.
Pode por exemplo controlar-se um número de parâmetros principais do processo com o auxílio de uma combinação adequada das seguintes possibilidades: - Fluxo de produto gasoso, controlando: 27 • a quantidade de combustível adicionada Temperatura na câmara de reação CFB, controlando: • a velocidade de recirculação das partículas provenientes da câmara de reação do carvão de combustão para a câmara de reação CFB, • a temperatura das partículas de recirculação, incluindo controlar a temperatura da câmara de reação do carvão de combustão e/ou controlar a absorção de calor através de potenciais superfícies de absorção de calor, incluindo controlar a recirculação através de potenciais condutas arrefecidas de recirculação de partículas.For example, a number of main process parameters can be controlled with the help of a suitable combination of the following possibilities: - Gaseous product flow by controlling: 27 • the amount of fuel added Temperature in the CFB reaction chamber, controlling: rate of recirculation of the particles from the combustion reaction chamber into the CFB reaction chamber, • the temperature of the recirculation particles, including controlling the temperature of the reaction chamber of the combustion coal and / or controlling the absorption of heat through of potential heat absorbing surfaces, including controlling recirculation through potential cooled particulate recirculation ducts.
Conversão do carvão de combustão no processo, controlando: ♦ a temperatura na câmara de reação do carvão de combustão, ♦ a quantidade de agente oxidante adicionada a outros locais, incluindo às condutas de partículas e gás mencionadas, e a montante em relação a um potencial filtro de barreira.Conversion of the combustion coal into the process by controlling: ♦ the temperature in the reaction chamber of the combustion coal, ♦ the amount of oxidizing agent added to other locations, including the above particulate and gas lines, and upstream of a potential barrier filter.
Temperatura na câmara de reação do carvão de combustão, controlando: • a quantidade de agente de gaseificação contendo oxigénio adicionada à câmara de reação do carvão de combustão, • a quantidade de vapor de água adicionada, • a extensão do arrefecimento. 28 - 0 teor de partículas e com ele a perda de pressão na câmara de reação CFB e/ou particularmente na parte superior da câmara de reação CFB, controlando: • a distribuição do tamanho das partículas em circulação, por exemplo por adição/drenagem preferencialmente de partículas grandes ou pequenas para o/do circuito de partículas, • a quantidade de gás de fluidização adicionada à câmara de reação CFB proveniente da câmara de reação do carvão de combustão, • a quantidade de gás adicional, tal como gás de combustão recirculado adicionado à câmara de reação CFB, • a velocidade de recirculação das partículas provenientes da câmara de reação do carvão de combustão para a câmara de reação CFB. - 0 teor em partículas e/ou a altura do leito na câmara de reação do carvão de combustão, controlando: • a quantidade de agente de gaseificação contendo oxigénio adicionada à câmara de reação do carvão de combustão, • o fluxo de vapor de água adicionado à câmara de reação do carvão de combustão, • a adição/drenagem de partículas para o/do sistema, incluindo a drenagem com o auxílio de um alastramento à câmara de reação do carvão de combustão.Temperature in the combustion reaction chamber by controlling: • the amount of oxygen containing gasification agent added to the reaction chamber of the combustion coal, • the amount of water vapor added, • the extent of the cooling. The particulate content and with it the loss of pressure in the CFB reaction chamber and / or particularly in the upper part of the CFB reaction chamber, controlling: the circulating particle size distribution, for example by addition / drainage, preferably of particles large or small for the particulate circuit, • the amount of fluidization gas added to the CFB reaction chamber from the combustion reaction chamber, • the amount of additional gas, such as recirculated flue gas added to the CFB reaction chamber, • the rate of recirculation of the particles from the reaction chamber of the combustion coal to the CFB reaction chamber. - the particulate content and / or bed height in the combustion reaction chamber, by controlling: • the amount of oxygen containing gasification agent added to the reaction chamber of the combustion coal, • the water vapor flow added to the combustion reaction chamber, • addition / drainage of particulates into the system, including drainage with the aid of a blowout to the reaction chamber of the combustion coal.
Dada uma certa quantidade de combustível, uma versão preferida da invenção é controlada principalmente do seguinte modo: 29 • a temperatura desejada na câmara de reação CFB é conseguida controlando o fluxo de partículas provenientes da câmara de reação do carvão de combustão para a câmara de reação CFB, • a temperatura desejada na câmara de reação do carvão de combustão é conseguida controlando a quantidade e/ou a composição do agente de gaseificação adicionado à câmara de reação do carvão de combustão.Given a certain amount of fuel, a preferred version of the invention is controlled primarily as follows: • the desired temperature in the CFB reaction chamber is achieved by controlling the flow of particles from the reaction chamber of the combustion chamber to the reaction chamber CFB, the desired temperature in the combustion reaction chamber is achieved by controlling the amount and / or the composition of the gasification agent added to the reaction chamber of the combustion coal.
As temperaturas desejadas nas respetivas câmaras de reação podem adicionalmente ou alternativamente ser conseguidas com o auxilio de um dos métodos mencionados para arrefecimento controlável. 0 método e aparelho de acordo com a invenção são, devido às caracteristicas mencionadas, especialmente vantajosos para combustíveis com uma ou várias das seguintes caracteristicas: • alto teor em componentes voláteis, tal como acima dos 50 Q, O f • alto teor em cloro, tal como acima de 0,5 %, • alto teor em álcalis, tal como acima de 1 %, • baixa temperatura de amolecimento da cinza, tal como abaixo dos 900 °C. A palha, a madeira, o lixo doméstico, os plásticos que contêm cloro, e vários tipos de lamas desidratadas são exemplos de tais combustíveis. No entanto, a possibilidade de se conseguir uma alta eficiência energética, uma minimização dos custos da planta e de se conseguir um produto gasoso com um capacidade calorífica relativamente elevada é também interessante relativamente a outros combustíveis sólidos incluindo o carvão vegetal, com uma ou mais das caracteristicas acima. 30Desired temperatures in the respective reaction chambers may additionally or alternatively be achieved with the aid of one of the methods mentioned for controllable cooling. The method and apparatus according to the invention are, because of the mentioned characteristics, especially advantageous for fuels having one or more of the following characteristics: • high content of volatile components, such as above 50 ° C, high content of chlorine, such as above 0.5%, • high alkali content, such as above 1%, • low ash softening temperature, such as below 900 ° C. Straw, wood, household waste, chlorine-containing plastics, and various types of dewatering sludge are examples of such fuels. However, the possibility of achieving a high energy efficiency, a minimization of the costs of the plant and of obtaining a gaseous product with a relatively high heat capacity is also interesting with respect to other solid fuels including charcoal, with one or more of the characteristics above. 30
Especialmente a fração de produto gasoso produzida por pirólise do combustível na câmara de reação CFB, contém uma grande fração de componentes orgânicos pesados, os quais, se se condensarem, podem causar depósitos problemáticos e talvez bloqueios nas condutas e equipamento do processo. 0 processo é por isso de interesse principal para aplicações do sistema em que o produto gasoso é transferido para a sua utilização a uma temperatura de pelo menos 200 °C, e preferencialmente de pelo menos 400 °C. Tal transferência a quente e preferencialmente adiabática do produto gasoso minimiza ao mesmo tempo a irreversibilidade termodinâmica e as despesas de planta, e potenciais problemas operacionais relacionados com o arrefecimento de tais gases. No entanto, é também possível que o gás seja tratado a fim de se decomporem os componentes orgânicos pesados mencionados. O método da invenção é particularmente interessante em relação à utilização do produto gasoso como combustível num processo de produção de eletricidade, e preferencialmente em processos em que o produto gasoso é utilizado como combustível numa caldeira a vapor, turbina a gás, motor de combustão ou numa planta de células de combustível. Quando o gás é aplicado em câmaras de combustão de queima de combustível sólido tais como em caldeiras a vapor, uma opção particularmente interessante é utilizar completamente ou parcialmente o produto gasoso como o chamado "gás de requeima", isto é, com o objetivo de reduzir a emissão de óxidos de azoto.Especially the gas product fraction produced by pyrolysis of the fuel in the CFB reaction chamber contains a large fraction of heavy organic components which, if condensed, can cause problematic deposits and perhaps blockages in the pipelines and process equipment. The process is therefore of prime interest for system applications where the gaseous product is transferred for use at a temperature of at least 200 ° C, and preferably at least 400 ° C. Such hot and preferably adiabatic transfer of the gaseous product minimizes at the same time the thermodynamic irreversibility and plant costs, and potential operational problems related to the cooling of such gases. However, it is also possible for the gas to be treated in order to decompose the heavy organic components mentioned. The method of the invention is particularly interesting in relation to the use of the gaseous product as fuel in a process of producing electricity, and preferably in processes where the gaseous product is used as fuel in a steam boiler, gas turbine, combustion engine or in a fuel cell plant. When the gas is applied to solid fuel combustion combustion chambers such as in steam boilers, a particularly interesting option is to use the gaseous product as the so-called " flint gas ", i.e., for the purpose of reduce the emission of oxides of nitrogen.
Em casos em que o circuito das partículas do processo de gaseificação e/ou um potencial filtro de leito granular estão, tal como previamente descrito, equipados com uma ou várias superfícies de absorção de calor, é uma solução preferencial arrefecer tais superfícies de absorção de 31 calor por meio de uma corrente do processo proveniente do sistema de consumo de gás ligado, por exemplo, arrefecê-las através de vapor de água proveniente de um circuito de vapor, ou por meio de ar de combustão por exemplo para uma caldeira, uma turbina a gás ou uma célula de combustível. A energia de arrefecimento pode também ser utilizada para secar potenciais combustíveis com elevado teor em água e/ou para aquecer qualquer outra corrente do processo.In cases where the particulate circuit of the gasification process and / or a potential granular bed filter are, as previously described, equipped with one or more heat absorbing surfaces, it is a preferred solution to cool such absorption surfaces of 31 heat by means of a process stream from the connected gas consumption system, for example, to cool them by steam from a steam circuit, or by means of combustion air for example to a boiler, a turbine gas or a fuel cell. The cooling energy may also be used to dry out potential high water fuels and / or to heat any other process stream.
Devido ao teor em componentes orgânicos condensáveis de alto valor de mercado, é também de interesse primário separar tais produtos. Isto faz-se preferencialmente arrefecendo e/ou temperando o produto gasoso, e este arrefecimento e/ou têmpera tomam lugar preferencialmente dentro de poucos segundos, e preferencialmente dentro de 1 segundo após a introdução das correspondentes partículas de combustível na câmara de reação.Due to the content of condensable organic components of high market value, it is also of primary interest to separate such products. This is preferably done by cooling and / or tempering the gaseous product, and this cooling and / or quenching preferably takes place within a few seconds, and preferably within 1 second after the introduction of the corresponding fuel particles into the reaction chamber.
Entre outros, é possível produzir deste modo combustíveis líquidos incluindo o chamado bio-óleo e produtos químicos para tratamento fumado de produtos alimentares. Em relação à utilização do processo de gaseificação mencionado em último lugar, pode ser vantajoso utilizar a boa possibilidade de controlar e divergir a temperatura na câmara de reação do carvão de combustão e na câmara de reação CFB. Deste modo, pode ser apropriado escolher temperaturas consideravelmente abaixo dos 500 °C na câmara de reação CFB.Among others, it is possible to produce liquid fuels including so-called bio-oil and chemicals for smoked treatment of food products. With regard to the use of the last mentioned gasification process, it may be advantageous to use the good possibility of controlling and diverting the temperature in the reaction chamber of the combustion coal and in the reaction chamber CFB. Thus, it may be appropriate to choose temperatures considerably below 500 ° C in the CFB reaction chamber.
Com a invenção também se proporciona um aparelho do tipo que possui um gaseificador de leito fluidizado circulante (CFB) para a gaseificação de material carbonífero sólido, e que compreende uma câmara de reação CFB, a qual está ligada a um separador de partículas, a partir do qual as partículas separadas do produto gasoso proveniente da 32 câmara de reação CFB podem voltar à câmara de reação CFB por meio de uma conduta de recirculação de partículas, compreendendo também o aparelho um meio para adicionar o material carbonífero à câmara de reação CFB e um meio para adicionar um agente de gaseificação ao gaseificador, e sendo o aparelho de acordo com a invenção caracterizado pela conformação de uma câmara de reação do carvão de combustão na conduta de recirculação, e desenhando-se através dela os meios para adicionar o agente de gaseificação, de modo a fornecer uma parte considerável e preferencialmente a parte principal da quantidade de oxigénio adicionada ao gaseificador CFB à câmara de reação do carvão de combustão na forma de um agente de gaseificação contendo oxigénio, para converter carvão de combustão contido nas partículas em recirculação, num gás combustível. A seguir, a invenção será ainda explicada fazendo referência ao desenho em que a figura 1 mostra esquematicamente uma versão simples do aparelho de acordo com a invenção, a figura 2 mostra esquematicamente uma outra versão do aparelho de acordo com a invenção, e a figura 3 mostra esquematicamente uma versão da câmara de reação do carvão de combustão, que de um modo simples torna possível efetuar a sinterização e/ou a aglomeração de partículas de cinza/carvão. A figura 1 mostra esquematicamente um aparelho na forma de um gaseificador CFB, que possui um espaço reacional CFB ou câmara 1 com uma saída 4 para o gás carregado de partículas 32, um separador do tipo ciclone 2 para a separação das partículas do gás e uma câmara de reação do carvão de combustão 3, à qual as partículas separadas 33 são adicionadas a partir do separador por meio de uma conduta 33 5. 0 combustível 40 é adicionado à câmara de reação CFB na sua parte inferior e na câmara de reação 1, o combustível é pirolisado como consequência de um contacto eficaz com as partículas 35, que são recirculadas a partir da câmara de reação do carvão de combustão 3. A câmara de reação do carvão de combustão 3, que está a funcionar como um gaseificador, é principalmente um leito borbulhante lentamente fluidizado das partículas separadas 33. O agente de gaseificação contendo oxigénio tal como o ar e potencialmente vapor de água é adicionado como gás de fluidização 36. Com o auxílio de uma superfície de absorção de calor 8 situada na parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão 3, uma parte da energia térmica da gaseificação do carvão de combustão é transferida para o meio de refrigeração 43.The invention also provides an apparatus of the type having a circulating fluidized bed gasifier (CFB) for the gasification of solid carbonaceous material, and comprising a CFB reaction chamber, which is connected to a particulate separator, from from which the separated particles of the gaseous product from the CFB reaction chamber can be returned to the reaction chamber CFB by means of a particulate recirculation conduit, the apparatus also comprising means for adding the carbonaceous material to the CFB reaction chamber and a means for adding a gassing agent to the gasifier, and the apparatus according to the invention being characterized by the formation of a reaction chamber of the combustion coal in the recirculation conduit, and the means for adding the gasification agent , so as to provide a considerable part and preferably the main part of the amount of oxygen NIO added to the CFB gasifier char reaction chamber as a gasifying agent containing oxygen, to convert coal combustion particulates contained in the recirculation of a fuel gas. Next, the invention will be further explained with reference to the drawing in which Figure 1 schematically shows a simple version of the apparatus according to the invention, Figure 2 schematically shows another version of the apparatus according to the invention, and Figure 3 schematically shows a version of the reaction chamber of the combustion coal, which in a simple way makes it possible to sinter and / or agglomerate particles of ash / coal. Figure 1 shows schematically an apparatus in the form of a CFB gasifier, which has a CFB or chamber 1 reaction space with an outlet 4 for the particulate charged gas 32, a cyclone separator 2 for separating the gas particles and one combustion reaction chamber 3, to which the separated particles 33 are added from the separator by means of a conduit 335. The fuel 40 is added to the reaction chamber CFB in its lower part and in the reaction chamber 1, the fuel is pyrolyzed as a consequence of effective contact with the particles 35 which are recirculated from the reaction chamber of the combustion coal 3. The reaction chamber of the combustion coal 3, which is operating as a gasifier, is mainly a slowly fluidized bubbling bed of the separated particles 33. The oxygen containing gasification agent such as air and potentially water vapor is added as fluidization gas 36. With the aid of a heat absorbing surface 8 located in the lower part of the reaction chamber of the combustion coal 3, a portion of the thermal energy from the gasification of the combustion coal is transferred to the cooling medium 43.
As partículas 35 são recirculadas a partir da parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão 1 por meio de uma conduta predominantemente vertical 6, enquanto a velocidade de recirculação é controlada pela adição de uma corrente de gás variável 38 à conduta vertical. Uma outra corrente gasosa adicionada 37 determina a mobilidade das partículas numa conduta horizontal curta que liga a câmara de reação do carvão de combustão 3 à conduta vertical 6. A fim de evitar uma acumulação de partículas não combustíveis e de potenciais aglomerados formados, pode drenar-se uma corrente de partículas 42 a partir da parte inferior da conduta vertical 6. O produto gasoso 34 é transferido do topo da câmara de reação do carvão de combustão para a parte inferior da câmara de reação CFB 1 através de uma conduta 7, onde este 34 gás serve de gás de fluidização. 0 gás de fluidização adicional 39, tal como o gás de combustão do processo utilizando o produto gasoso produzido 1—1 pode ser adicionado a fim de ter impacto na condição do fluxo de gás e partículas 31 ascendentes numa direção preferida através da câmara de reação CFB. A figura 2 mostra uma outra versão do aparelho de acordo com a invenção, que compreende um número de outras possibilidades para otimizar o processo de gaseificação relativamente a determinados combustíveis e aplicações. 0 gaseificador CFB pode, além dos itens já mencionados, compreender um pré-separador 9 para recircular partículas diretamente para a câmara de reação CFB 1, e depois do separador de recirculação 2 pode existir um separador secundário 10, a partir do qual mais partículas 58 podem ser recirculadas para a câmara de reação do carvão de combustão 3 ou ser drenadas na posição 54. Tal como é mostrado, também se pode escolher drenar uma corrente parcial de partículas 53 do separador primário 2, o que é particularmente relevante se se escolher um filtro altamente eficaz como separador primário e potencialmente único separador.The particles 35 are recirculated from the bottom of the reaction chamber of the combustion charcoal 1 by means of a predominantly vertical conduit 6, while the recirculation velocity is controlled by the addition of a variable gas stream 38 to the vertical conduit. Another added gas stream 37 determines the mobility of the particles in a short horizontal conduit connecting the reaction chamber of the combustion coal 3 to the vertical conduit 6. In order to avoid an accumulation of non-combustible particles and potential formed agglomerates, a stream of particles 42 is formed from the bottom of the upright conduit 6. The gaseous product 34 is transferred from the top of the reaction chamber of the combustion coal to the lower part of the reaction chamber CFB 1 through a conduit 7, The gas serves as the fluidization gas. Further fluidization gas 39 such as the process flue gas using the gaseous product produced 1-1 can be added in order to impact on the condition of the flow of gas and upward particles 31 in a preferred direction through the reaction chamber CFB . Figure 2 shows a further version of the apparatus according to the invention which comprises a number of other possibilities for optimizing the gasification process for certain fuels and applications. The CFB gasifier may, in addition to the aforementioned items, comprise a pre-separator 9 for recirculating particles directly into the reaction chamber CFB 1, and after the recirculation separator 2 there may be a secondary separator 10, from which further particles 58 can be recirculated into the reaction chamber of the combustion coal 3 or drained in the position 54. As shown, it is also possible to choose to drain a partial stream of particles 53 from the primary separator 2, which is particularly relevant if one highly effective filter as primary separator and potentially single separator.
Um gás contendo oxigénio 44 pode, tal como é mostrado, ser adicionado à câmara de reação do carvão de combustão com o objetivo de criar um aumento de temperatura em locais da parte superior do leito fluidizado. Isto é feito principalmente a fim de dar um tratamento térmico às partículas de cinza que existem na parte superior do leito. Com este método, melhora-se a possibilidade de se reter a cinza por meio dos separadores de partículas seguintes e/ou pode fazer-se aglomerar a cinza numa tal extensão que ela adquira um tamanho e estabilidade mecânica suficientes para 35 suplementar o meio particular de circulação no gaseificador e/ou pode-se drená-la como uma corrente de partículas relativamente grosseira, respetivamente 50 e 42, através respetivamente da parte inferior da câmara de reação do carvão de combustão 3 e da parte inferior da câmara de reação CFB 1.An oxygen-containing gas 44 may, as shown, be added to the reaction chamber of the combustion coal in order to create a rise in temperature at upper fluid bed sites. This is mainly done in order to give a heat treatment to the ash particles that exist in the upper part of the bed. With this method, the possibility of retaining the ash through the following particle separators is improved, and / or the ash may be agglomerated to such an extent that it acquires sufficient mechanical size and stability to supplement the particular medium of and can be drained as a relatively coarse particulate stream, respectively 50 and 42, respectively through the lower part of the reaction chamber of the combustion coal 3 and the lower part of the reaction chamber CFB 1.
Alternativamente ou adicionalmente à absorção de calor por meio da superfície de absorção de calor 8 anteriormente mencionada, pode extrair-se o calor com o auxílio de um meio de transmissão de calor 51, adicionado a uma superfície de absorção de calor 11 que está localizada por exemplo numa de duas condutas paralelas para a recirculação de partículas para a câmara de reação CFB 1. Deste modo, a absorção de calor pode ser eficazmente controlada utilizando os meios de controlo 15. Estes meios de controlo são preferencialmente de um tipo não-mecânico e podem ser combinados num único meio de controlo, decidindo qual a parte da corrente de partículas de recirculação que tem que passar pela superfície de absorção de calor.Alternatively or in addition to the absorption of heat by means of the aforementioned heat absorbing surface 8, heat can be extracted with the aid of a heat transfer medium 51, added to a heat absorbing surface 11 which is located by in one of two parallel conduits for recirculating particles into the CFB reaction chamber 1. In this way, the heat absorption can be effectively controlled using the control means 15. These control means are preferably of a non-mechanical type and can be combined in a single control medium, deciding which part of the stream of recirculation particles has to pass through the heat absorbing surface.
Suplementarmente, pode ver-se que a corrente de produto gasoso 34 proveniente da câmara de reação do carvão de combustão 3 pode ser tratada em: • um separador 12 que recircula carvão de combustão e cinza para a câmara de reação do carvão de combustão 3, • uma câmara de reação 13, para a qual pode haver um fornecimento de mais agente oxidante do carvão de combustão 46, para conversão adicional das finas partículas de carvão de combustão e/ou para tratamento térmico das partículas de cinza, • um outro separador de partículas 14 para separar as partículas 47 do produto gasoso proveniente da câmara de reação do carvão de combustão 3. 36 0 separador de partículas 14 pode por exemplo ser um filtro de barreira altamente eficaz, que limpa o gás a fim de o extrair completamente ou parcialmente como uma corrente 56 em vez de, tal como também mostrado, o adicionar à câmara de reação CFB 1 ou ao gás de saída desta câmara. É óbvio que as funções correspondentes às etapas do processo 12, 13 e 14 podem ser combinadas por exemplo numa única etapa do processo, a partir da qual possivelmente apenas uma parte das partículas é recirculada para a câmara de reação do carvão de combustão 3, e para a qual se adiciona um agente oxidante 46.Further, it can be seen that the stream of gaseous product 34 from the reaction chamber of the combustion coal 3 may be treated in: • a separator 12 which recirculates charcoal and ash into the reaction chamber of the combustion coal 3, • a reaction chamber 13, for which there may be a supply of further oxidizing agent from the combustion charcoal 46, for further conversion of the fine particles of the combustion coal and / or for the heat treatment of the ash particles; particles 14 to separate the particles 47 from the gaseous product from the reaction chamber of the combustion coal 3. The particulate trap 14 may for example be a highly effective barrier filter which cleans the gas in order to extract it completely or partially as a stream 56 instead of, as also shown, adding it to the CFB reaction chamber 1 or to the outlet gas of this chamber. It is obvious that the functions corresponding to process steps 12, 13 and 14 may for example be combined in a single process step, from which possibly only a part of the particles is recirculated to the reaction chamber of the combustion coal 3, and to which is added an oxidizing agent 46.
Eventualmente é mostrado que os aditivos 52 tais como calcário podem ser adicionados à câmara de reação CFB. Isto faz-se a fim de aumentar a retenção de gases problemáticos, tais como gases contendo cloro. A figura 3 ilustra ainda a possibilidade de sinterização e possivelmente aglomeração de partículas de cinza/carvão de combustão na câmara de reação de carvão de combustão 3. No caso apresentado, uma adição direcional do agente de gaseificação 36, bem como do gás que contém oxigénio 44, ajuda à criação de um movimento global das partículas na câmara de reação do carvão de combustão. Este movimento faz as partículas de cinza/carvão passarem por uma zona de temperatura mais elevada, que surge como consequência de reações exotérmicas entre o gás que contém oxigénio 44 e componentes combustíveis na câmara de reação do carvão de combustão. A possibilidade de dar às partículas de cinza/carvão um tratamento térmico bem definido por meio deste método simples está particularmente presente quando a câmara de 37 reação do carvão de combustão é construída de forma rotacionalmente simétrica e, por exemplo, como uma câmara de anel. 0 movimento horizontal de partículas indicado na figura 3 corresponde neste caso a um movimento rotacional de partículas na câmara de reação do carvão de combustão.It is eventually shown that additives 52 such as limestone can be added to the CFB reaction chamber. This is done in order to increase the retention of problematic gases, such as chlorine-containing gases. Figure 3 further illustrates the possibility of sintering and possibly agglomeration of ash / charcoal particles in the combustion reaction chamber 3. In the case shown, a directional addition of the gasification agent 36 as well as the gas containing oxygen 44, helps to create a global movement of the particles in the reaction chamber of the combustion coal. This movement causes the ash / coal particles to pass through a higher temperature zone, which arises as a consequence of exothermic reactions between the oxygen-containing gas 44 and combustible components in the reaction chamber of the combustion coal. The possibility of giving the ash / coal particles a well-defined heat treatment by this simple method is particularly present when the combustion chamber is rotatably symmetrically constructed and, for example, as a ring chamber. The horizontal movement of particles indicated in figure 3 corresponds in this case to a rotational movement of particles in the reaction chamber of the combustion coal.
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