Reator de Conversão de Resíduos: Vias de Pirólise, Gaseificação e Hidrotermal

Reator de conversão de resíduos: pirólise, gaseificação e vias hidrotérmicas

O que é um reator de conversão de resíduos?Um reator de conversão de resíduos é um recipiente que transforma resíduos de baixo valor ou perigosos, biomassa, plástico ou lodo em energia ou produtos químicos, e é definido por qual dos quatro caminhos ele utiliza: pirólise, aquecimento na ausência de oxigênio a 400-700°C para produzir óleo, gás e carvão de pirólise; gaseificação a 700-1200°C para produzir gás de síntese de 10-30 MJ por metro cúbico normal; carbonização hidrotérmica a 180-250°C e 20-40 bar para produzir hidrocarvão a partir de biomassa húmida; ou digestão anaeróbica a 35-38°C para produzir biogás. O desafio de engenharia dominante é a heterogeneidade da alimentação, porque os resíduos sólidos urbanos, a biomassa e as lamas variam em termos de humidade, valor calorífico e contaminantes de lote para lote, pelo que o reactor deve tolerar o que chega em vez de uma alimentação fixa. Os materiais e os componentes internos são escolhidos mais pela abrasividade, alcatrão, cinzas e corrosão do que pela química do núcleo.

1. Os caminhos de conversão e seus reatores

Cada caminho se adapta a um resíduo diferente e produz um produto diferente:

• Pirólise e Gaseificação de Resíduos Sólidos:A pirólise aquece resíduos ou plásticos separados na ausência de oxigênio a 400-700°C, decompondo-os em óleo de pirólise, um gás combustível e carvão, com rendimentos de óleo de 30-60 por cento em peso, dependendo da alimentação. A gaseificação vai além, oxidando parcialmente a alimentação a 700-1200°C em um gás de síntese de monóxido de carbono e hidrogênio a 10-30 MJ por metro cúbico normal que pode ser queimado ou convertido quimicamente. Os reatores são tipicamente um forno rotativo, um leito fluidizado ou um parafuso aquecido indiretamente, e os problemas centrais são a formação de alcatrão, que suja e desativa o equipamento a jusante, e a abrasão de cinzas e carvão que desgasta os componentes internos. A preparação da alimentação, a secagem e a classificação da matéria tanto quanto o reator, pois a umidade acima de cerca de 30-40% e os inertes destroem o equilíbrio energético do processo.
• Conversão Hidrotérmica de Biomassa Úmida:Para alimentos úmidos, como lodo de esgoto, resíduos de alimentos e esterco, a secagem é a etapa cara, portanto, as rotas hidrotérmicas processam o material em sua umidade natural. A carbonização hidrotérmica ocorre a 180-250°C e 20-40 bar durante 5-30 minutos para converter a fração orgânica em hidrochar, um sólido semelhante ao carvão com melhor manuseio e densidade energética. O reator é um vaso de pressão agitado ou de fluxo tampão resistente à fase aquosa corrosiva de alta temperatura e aos grãos e fibras da alimentação. Esta via evita a penalidade de secagem da pirólise e é adequada para lodo e resíduos agrícolas, onde o objetivo é a redução de volume, estabilização e recuperação de energia, em vez de um produto líquido de alto valor. O limite de pressão e o caminho molhado resistente à corrosão são os principais itens do projeto.
• Digestão Anaeróbica para Energia e Estabilização:Para resíduos altamente orgânicos, a digestão anaeróbica num reator selado a 35-38°C converte os orgânicos em biogás, cerca de 60% de metano, a 0,3-0,6 m3 por kg de DQO durante uma retenção de 15-30 dias. O reator é geralmente um tanque de vidro fundido com aço ou concreto de milhares a 30.000 m3, misturado a 10-40 W/m3, com um headspace controlado por atmosfera explosiva. É a rota de conversão mais suave termicamente, mas a maior volumetricamente, porque a biologia é lenta e o volume é definido pelo tempo de retenção. O reator deve lidar com areia que sedimenta e desgasta, força de alimentação variável e digerido que deve ser desidratado, e sua corrosão é causada por vestígios de sulfetos e qualquer fase ácida se a biologia for perturbada. É o carro-chefe da conversão de resíduos municipais e agrícolas.

2. Engenharia para alimentação heterogênea e abrasiva

A conversão de resíduos vive ou morre dependendo de como o reator lida com uma alimentação variável e hostil:

• Gestão de Materiais e Desgaste Interno:Cada reator de conversão de resíduos combate a abrasão e a corrosão ao mesmo tempo. Os reatores de pirólise e gaseificação apresentam carvão quente e cinzas que corroem o interior do forno ou do leito fluidizado, portanto, revestimentos refratários, barras de voo endurecidas e placas de desgaste substituíveis são padrão, e o material do leito em um leito fluidizado é escolhido tanto para reatividade quanto para resistência ao atrito. Os reatores hidrotérmicos e anaeróbicos combatem a corrosão da fase aquosa, traços de sulfetos e cloretos, portanto, 316L, duplex ou um revestimento de vidro fundido com aço é usado onde a química permite. A filosofia do projeto é tornar os pontos de desgaste baratos e acessíveis, o nariz do forno, o leito, a válvula inferior, porque algo será substituído no prazo, independentemente da liga. Especificar em relação a uma ração média subestima o imposto; o design deve sobreviver à chegada arenosa, salgada e úmida.
• Manuseio de alimentação, mistura e rendimento:Ao contrário de um reator químico alimentado com reagentes puros, um reator de resíduos recebe uma alimentação imprevisível de 50 a 1.000 toneladas por dia, de modo que a preparação, classificação, trituração, secagem e dosagem dos alimentos dominam a planta. O reator em si precisa de uma mistura robusta que mantenha os sólidos em movimento sem desgaste excessivo, um parafuso ou mecanismo rotativo para sólidos, um tubo de aspiração ou impulsor de baixo cisalhamento para lamas e uma descarga que não bloqueie em trapos, pedras ou plástico não derretido. A produtividade é definida pelo pior dia de alimentação, não pela média, e pelo balanço de calor, porque a alta umidade e os inertes consomem a energia que o processo deve produzir. Um reator de conversão que não pode ser alimentado e esvaziado de forma confiável é um risco, não importa quão elegante seja sua química.
• Limpeza, segurança e emissões do produto:O produto do reator raramente é o item final vendável; precisa de limpeza. O óleo de pirólise é ácido, instável e aguado e deve ser melhorado; o gás de síntese transporta alcatrão, partículas e gases ácidos que sujam os motores e devem ser limpos; o biogás carrega sulfeto de hidrogênio e siloxanos que danificam os geradores. O reator é, portanto, especificado juntamente com sua limpeza de gás ou líquido e com sistemas de segurança para produtos inflamáveis, controles de atmosfera explosiva nos espaços superiores do digestor e alívio para qualquer gás residual. A permissão de emissões impulsiona grande parte do projeto, desde o controle de NOx e dioxinas na combustão até o gerenciamento de odores e lixiviados na digestão. O reator é o coração de uma usina de conversão de resíduos, mas sua aceitação depende da limpeza e do controle de emissões ao seu redor.

Matriz de comparação de caminhos de conversão de resíduos

Perguntas frequentes (FAQ)

P: Qual é a diferença entre pirólise e gaseificação na conversão de resíduos?

R: Ambos decompõem termicamente os resíduos sem combustão completa, mas em diferentes extensões e produtos. A pirólise aquece a alimentação na ausência de oxigênio a 400-700°C, quebrando-a em óleo de pirólise, um gás combustível e carvão, com rendimentos de óleo de 30-60 por cento em peso. A gaseificação admite uma quantidade limitada de oxigênio ou vapor e leva a reação a 700-1200°C, convertendo a alimentação em grande parte em gás de síntese, monóxido de carbono e hidrogênio, a 10-30 MJ por metro cúbico normal, que pode ser queimado ou melhorado quimicamente. A pirólise é melhor para recuperação de líquidos de plásticos e biomassa; a gaseificação é melhor para um combustível gasoso limpo e para alimentos que gaseificam facilmente. Ambos lutam com alcatrão e cinzas, e ambos precisam de secagem e triagem de ração, porque a umidade e os inertes prejudicam o equilíbrio energético.

P: Por que a heterogeneidade da alimentação é o maior desafio nos reatores de conversão de resíduos?

R: Como os resíduos sólidos urbanos, a biomassa e o lodo variam em umidade, valor calorífico, tamanho das partículas e contaminantes de lote para lote, enquanto um reator é projetado em torno de uma suposição de alimentação. Alta umidade, acima de 30-40%, e inertes consomem a mesma energia que o processo deve produzir, cloro e metais corroem e sujam, e pedras ou blocos de plástico não derretidos descarregam. Ao contrário de um reator químico alimentado com reagentes puros a uma taxa fixa, um reator de resíduos deve tolerar o que chega, de modo que sua aceitação depende da preparação da alimentação, classificação, trituração, secagem e dosagem, mistura robusta que não se desgastará ou bloqueará, e materiais escolhidos para o pior caso arenoso, salgado e úmido, em vez da média. A química do reator costuma ser a parte fácil; sobreviver à alimentação é a parte difícil.

P: Quais materiais são usados ​​em reatores de conversão de resíduos?

R: Depende da rota e do pior feed confiável. Os reatores de pirólise e gaseificação sofrem abrasão de carvão quente e cinzas, por isso usam revestimentos refratários, barras de voo endurecidas e placas de desgaste substituíveis, com um material de leito fluidizado escolhido para resistência ao atrito. Os reatores hidrotérmicos e anaeróbicos combatem a corrosão da fase aquosa, traçam sulfetos e cloretos, portanto, 316L, duplex ou um revestimento de vidro fundido com aço é usado onde a química permite, e os digestores anaeróbicos são geralmente grandes tanques de vidro fundido com aço. O projeto torna os pontos de desgaste baratos e acessíveis, o nariz do forno, o leito, a válvula inferior, porque a substituição é esperada dentro do prazo. A liga é escolhida para o pico, não para a média, porque a composição do resíduo varia.

P: Como é que um reator de conversão de resíduos apoia os objetivos da economia circular?

R: Movendo o material para cima na cadeia de valor, desde o descarte até o recurso. Em vez de depositar em aterro ou incinerar resíduos, biomassa ou lamas, o reator recupera energia como gás de síntese, biogás ou óleo de pirólise, recupera materiais como carvão ou carvão hidráulico que podem ser usados ​​como combustível ou corretivo do solo, e reduz o volume e o perigo do resíduo que deve ser depositado em aterro. A carbonização hidrotérmica e a digestão anaeróbica estabilizam adicionalmente os resíduos orgânicos húmidos e reduzem a sua carga de transporte e odor. O reator é o pivô técnico de uma planta de transformação de resíduos em energia ou de resíduos em produtos químicos, e seu argumento econômico e ambiental repousa na conversão confiável de uma alimentação variável em uma produção consistente e vendável, razão pela qual o manuseio da alimentação e a limpeza do produto são projetados como parte do mesmo sistema.