ES2244476T3 - Procedimiento para la gasificacion de substancias organicas y mezclas de substancias. - Google Patents

Procedimiento para la gasificacion de substancias organicas y mezclas de substancias.

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ES2244476T3 ES00967744T ES00967744T ES2244476T3 ES 2244476 T3 ES2244476 T3 ES 2244476T3 ES 00967744 T ES00967744 T ES 00967744T ES 00967744 T ES00967744 T ES 00967744T ES 2244476 T3 ES2244476 T3 ES 2244476T3
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Abstract

Procedimiento para la producción de un gas producto con alto valor calorífico a partir de substancias orgánicas o mezclas de substancias, en el que un medio portador de calor conducido en el circuito recorre una zona de calefacción, una zona de reacción, una zona de pirolisis y una fase de separación y a continuación es retornado a la zona de calefacción, - siendo disociadas las substancias orgánicas o mezclas de substancias en la zona de pirolisis a través de contacto con el medio portador de calor caliente en un residuo sólido que contiene carbono y gases de pirolisis como fase volátil, - siendo separado el residuo sólido que contiene carbono, después de pasar a través de la zona de pirolisis, en la fase de separación desde el medio portador de calor - y siendo mezclados los gases de pirolisis con vapor de agua como medio de reacción y siendo recalentado en la zona de reacción a través del intercambio de una parte del calor que aparece en el medio portador de calor caliente de tal maneraque se obtiene un gas producto con alto valor calorífico, caracterizado porque - el vapor de agua es añadido a la mezcla de gases de pirolisis en la zona de pirolisis, - porque todo el residuo sólido, que contiene carbono, es alimentado a una combustión especial y es quemado allí, - y porque los gases de escape calientes de esta combustión son conducidos a través de un montón del medio portador de calor, que se encuentra en la zona de calefacción, siendo cedida una gran parte del calor sensible de una manera definida al medio portador de calor.

Description

Procedimiento para la gasificación de substancias orgánicas y mezclas de substancias.
La invención se refiere a un procedimiento para la generación de un gas producto con alto valor calorífico a partir de substancias orgánicas o mezclas de substancias, en el que un medio portador de calor conducido en el circuito recorre una zona de calefacción, una zona de reacción, una zona de pirolisis y una fase de separación y a continuación es retornado a la zona de calefacción, siendo disociadas las substancias orgánicas o mezclas de substanciasen la zona de pirolisis a través de contacto con el medio portador de calor caliente en un residuo sólido que contiene carbono y gases de pirolisis como fase volátil, siendo separado el residuo sólido que contiene carbono, después de pasar a través de la zona de pirolisis, en la fase de separación desde el medio portador de calor y siendo mezclados los gases de pirolisis con vapor de agua como medio de reacción y siendo recalentado en la zona de reacción a través del intercambio de una parte del calor que aparece en el medio portador de calor caliente de tal manera que se obtiene un gas producto con alto valor calorífico.
Se conoce a partir del documento DE 971 789 C un procedimiento del tipo indicado al principio. Esta publicación se considera como el estado más próximo de la técnica. El procedimiento conocido anteriormente sirve para la generación de gas ciudad a partir de combustibles sólidos a través de pirolisis y gasificación. La calefacción del medio portador de calor en la zona de calefacción se realiza a través de un quemador de gas, que es quemado con energía externa. El residuo sólido que contiene carbono, que se obtiene durante la pirolisis, que descargado desde el sistema y es utilizado a continuación de otra manera, como por ejemplo para la combustión de la caldera.
Se conoce a partir del documento DE 10 90 632 B un dispositivo de desgasificación, que está acoplado con una caldera de vapor. La desgasificación del carbono sólido se lleva a cabo en este caso a través de contacto con un medio portador de calor caliente en un reactor de lecho fluidizado. El combustible desgasificado es quemado y los gases residuales son utilizados, bajo la cesión de una parte de su calor sensible, para la generación de vapor. Después de la refrigeración por debajo del punto de fundición de la ceniza, se conducen los gases de humo de la caldera entonces a través de la parte superior del reactor de desgasificación, en el que en medio portador de calor ha sido transportado de retorno después de abandonar la fase de desgasificación, y en el que está presente en forma de un lecho fluidizado.
Se conoce a partir del documento US-PS 4.568.362 [1] un procedimiento para la gasificación de substancias orgánicas y mezclas de substancias, en el que las substancias orgánicas son conducidas a un reactor de pirolisis, en el que estas substancias se ponen en contacto con un medio portador de calor, con lo que tiene lugar una pirolisis rápida, en la que estas substancias se convierten en productos de pirolisis, es decir, gases de pirolisis y residuo sólido que contiene carbono. La energía térmica necesaria para la pirolisis se genera a través de la combustión del residuo sólido que contiene carbono. Los gases de la pirolisis que contienen brea son sometidos en una segunda zona de reacción a reacciones de craqueo y reacciones con vapor de agua, de tal manera que se obtiene un gas producto con alto valor calorífico.
En este procedimiento, tanto la pirolisis como también la combustión del residuo sólido que contiene carbono se realizan en un lecho fluidizado. En la parte superior del reactor de lecho fluidizado de pirolisis está prevista una zona de reacción para los gases de pirolisis que contienen brea. El medio portador de calor es descargado junto con el residuo sólido que contiene carbono, en parte, a través de la cabeza de reactor de lecho fluidizado de pirolisis y la parte restante es descargada a través de un conducto, que está dispuesto en el límite superior del lecho fluidizado, y se conduce a la combustión del lecho fluidizado. Allí se quema el residuo sólido que contiene carbono y se calienta el medio portador de calor. El medio portador de calor caliente y las cenizas son descargados junto con el gas de escape desde la combustión de lecho fluidizado y son separados en un separador de gas y substancia sólida, que está dispuesto por encima del reactor de lecho fluidizado de pirolisis y son conducidos a la zona de reacción del reactor de pirolisis, desde la que caen de nuevo el lecho fluidizado del reactor de pirolisis (circuito del medio portador de calor).
El funcionamiento de estas capas fluidizadas es, sin embargo, muy costoso y apenas es posible ejercer una influencia sobre las reacciones de los gases de pirolisis en la zona de reacción. Además, en la zona de reacción debe emplearse vapor de agua altamente recalentado, lo que presupone de nuevo el empleo de agua tratada de forma costosa.
Se conoce a partir del documento DE-PS 197 55 693 [2] un procedimiento para la gasificación de substancias orgánicas y de mezclas de substancias, en el que las substancias orgánicas son puesta en contacto con un medio portador de calor en un reactor de lecho fluidizado, con lo que tiene lugar una pirolisis rápida, en la que las substancias orgánicas son transformadas, por una parte, en un residuo sólido que contiene carbono y, por otra parte, en un gas de pirolisis, que está constituido por componentes condensables, volátiles y gaseosos.
A continuación, se conducen el portador de calor y el coque de pirolisis a una combustión, en la que, por una parte, se quema el residuo sólido que contiene carbono y, por otra parte, se calienta el medio portador de calor, antes de que sea conducido de nuevo a la pirolisis.
El gas de pirolisis que contiene brea es recalentado después de la alimentación de un medio de reacción -en general, vapor de agua- en una segunda zona de reacción realizada como intercambiador de calor indirecto, de tal manera que se obtiene un gas producto con alto valor calorífico, siendo realizada la calefacción indirecta de este intercambiador de calor a través de los gases de escape de la combustión bajo su refrigeración. La ceniza es separada mecánicamente después de la combustión desde una corriente parcial de la mezcla de portador de calor y cenizas del residuo sólido que contiene carbono, desde el portador de calor, es refrigerada y es descargada.
Sin embargo, este procedimiento presenta algunos aspectos, que hacen costoso y caro un dispositivo para la realización de este procedimiento, y pueden influir de una manera desfavorable tanto sobre el funcionamiento como también sobre la disponibilidad: por una parte, se transporta el portador de calor en el estado caliente desde la combustión de retorno a la pirolisis, es decir, a una temperatura muy por encima de la temperatura de pirolisis, que se indica con 550 - 650ºC. De esta manera, debe recurrirse a órganos de transporte especialmente costosos en cuanto al material y mecánicamente. Además, en la medida en que el portador de calor caliente está mezclado todavía con ceniza, hay que contar con un reblandecimiento de esta última y, por lo tanto, con problemas de calcinación. En segundo lugar, el portador de calor indirecto utilizado requiere materiales muy costosos, en virtud de sus condiciones de trabajo -por ambas partes temperaturas entre 500 y 1000ºC, por una parte condiciones reductoras, componentes fuertemente corrosivos tanto en el gas de pirolisis y en el gas producto como también en el gas de escape de la combustión-, y en virtud del posible reblandecimiento de la ceniza, un sistema de limpieza adicionales, en determinadas circunstancias costoso. El peligro de la calcinación de la resina en el intercambiador de calor plantea estrechos límites al funcionamiento y a la configuración de la combustión. Otra dificultad consiste en la mezcla de vapor con los gases de pirolisis: o bien el vapor es recalentado alto con mucho gasto o se obtiene una bajada de la temperatura, que puede conducir a la condensación de la brea y, por lo tanto, a problemas de calcinación. Por último, son concebibles situaciones, en la que no se puede garantizar una transmisión de calor definida al medio portador de calor a calentar de nuevo en la combustión. Así, por ejemplo, hay que temer que el coque de la pirolisis y el medio portador de calor se desmezclen en la combustión, de manera que, por ejemplo en el caso de una combustión en parrilla, el coque de la pirolisis se quema por arriba sobre el lecho, mientras que el medio portador de calor se refrigera incluso todavía a través del aire de la parrilla que circula desde abajo.
La invención se basa en el cometido de poner a disposición un procedimiento fácil de realizar para la generación de un gas producto con alto valor calorífico, no diluido y rico en valor calorífico con poco gasto de aparatos, en el que se evita el empleo de lechos fluidizados o de intercambiadores de calor con alta temperatura bilateral, y en el que la transmisión de calor desde la combustión al medio portador de calor se realiza de una manera especialmente
definida.
La invención soluciona este problema, a partir del procedimiento según el preámbulo, porque
a)
el vapor de agua es añadido a la mezcla de gases de pirolisis en la zona de pirolisis,
b)
todo el residuo sólido, que contiene carbono, es alimentado a una combustión especial y es quemado allí,
c)
y los gases de escape calientes de esta combustión son conducidos a través de un montón del medio portador de calor, que se encuentra en la zona de calefacción, siendo cedida una gran parte del calor sensible de una manera definida al medio portador de calor.
Una ventaja de la característica a) consiste en que en este tipo de alimentación de vapor de agua, el vapor de agua es calentado junto con el gas de pirolisis resultante, de manera que durante la mezcla de vapor de agua y gas de pirolisis no se pueden producir fenómenos de condensación, formaciones de negro de carbón y similares. Este fenómeno se produciría si se alimentase el vapor de agua directamente al gas de pirolisis esencialmente más caliente.
De acuerdo con la característica b), la cantidad de residuos sólidos suficiente creada de acuerdo con la característica a) es calcinada en una combustión especial, que se puede realizar de una manera selectiva de tal forma que se obtiene una cantidad suficiente de gases de escape calientes, que son conducidos a continuación, de acuerdo con la característica c) a través del montón del medio portador de calor que se encuentra en la zona de calefacción.
Las tres etapas a, b y c colaboran de forma sinérgica y consiguen, en un procedimiento según el preámbulo, un rendimiento especialmente alto de gas producto y no requieren al mismo tiempo la alimentación de energía externa.
De una manera similar a [2], se sigue la idea básica de dividir el procedimiento en tres etapas del procedimiento fáciles de realizar: una pirolisis rápida, obtención del gas producto a partir de los gases de pirolisis después de la mezcla de vapor del proceso en reacciones homogéneas de fases de gas bajo la alimentación de calor, generación del calor necesario para la pirolisis y las reacciones de fases de gas a través de la combustión del coque de pirolisis, de un residuo sólido que contiene carbono. No obstante, un avance esencial representa la idea de transmitir el calor de la combustión de una manera definida y forzada al medio portador de calor. En efecto, si se introduce, como se describe en [2], el coque de pirolisis y el medio portador de calor como mezcla en la combustión, entonces hay que contar con que, por ejemplo en una parrilla de combustión, se desmezclan el medio portador de calor y el coque de pirolisis, de manera que durante la combustión, el medio portador de calor no sólo se calienta en una medida insuficiente, sino que incluso se refrigera todavía a través del aire de la combustión que circula por debajo de la parrilla. Solamente en un horno de tubo giratorio o en un lecho fluidizado es concebible una transmisión de calor definida y forzada, puesto que aquí se mezclan de una manera intensiva las substancias sólidas más allá de la acción de avivamiento del fuego de una parrilla. No obstante, en este caso un horno de tubo giratorio es una combustión muy cara con mala mezcla del aire, mientras que no se contempla un lecho fluidizado por las razones mencionadas anteriormente.
Por lo tanto, según la invención, inmediatamente después de abandonar el reactor de pirolisis, se separa la mezcla del coque de pirolisis y el medio portador de calor y se lleva el coque de pirolisis a combustión, mientras que el medio portador de calor es transportado a una zona de calefacción, en la que es atravesado como montón por la corriente de gas de humo y es calentado de una manera definida. A través del desacoplamiento conseguido de esta manera de la combustión del coque de pirolisis, por una parte, y de la calefacción del medio portador de calor, por otra parte, se consiguen dos cosas. Por un lado, se puede adaptar la combustión del coque de pirolisis totalmente a las necesidades de este combustible, es decir, que en principio se contempla de nuevo cualquier tipo de combustión. Por otro lado, la zona de la calefacción del medio portador de calor se puede desplazar a cualquier punto discrecional de una instalación de acuerdo con el procedimiento según la invención, de manera que en el lugar del transporte mecánico costoso del medio portador de calor calentado a la temperatura máxima del proceso, entra solamente el transporte comparativamente sencillo de un gas de escape caliente desde una combustión y el transporte del medio portador de calor con la temperatura mínima del proceso -la temperatura del zócalo después de abandonar el reactor de pirolisis- en la zona de calefacción.
De acuerdo con la invención, la pirolisis de la substancia orgánica se realiza en un reactor, que permite, con aparatos lo más sencillos posibles y con un tipo de funcionamiento robusto, la transmisión del calor necesario para la calefacción, secado y pirolisis, de la manera más efectiva posible. Por lo tanto, en general, se contempla un reactor de lecho fluidizado o un tambor giratorio para este cometido. La temperatura de pirolisis está entonces de una manera preferida en un intervalo entre 500 y 650ºC.
El tipo de separación del coque de pirolisis y del medio portador de calor depende de la naturaleza del medio portador de calor y se puede realizar de una manera diferente. Se puede realizar una separación mecánica, por ejemplo, con una criba de dos fases. En este caso, repercute de una manera favorable que la temperatura de los medios a separar está solamente entre 500 y 600ºC aproximadamente, de manera que se puede acceder a materiales usuales en el mercado. La separación a través de cribado en dos fases se contempla cuando el medio portador de calor está constituido por partículas de forma estable dentro de un espectro estrecho de tamaños del grano. En este caso, se extrae el portador de calor como producto intermedio, mientras que se extrae el coque de pirolisis como producto grosero y fino. Cuando las dos secciones del tamiz están suficientemente juntas, llega proporcionalmente poco coque de pirolisis al medio portador de calor, donde no perturba, en general. Otra posibilidad es la utilización de un portador de calor con propiedades magnéticas, por ejemplo bolas de acero. Éstas se pueden separar con la ayuda de un imán fuera de la mezcla. No obstante, en este caso, hay que indicar que la separación magnética de productos a granel calientes no se puede realizar todavía con componentes de venta en el comercio. Por último, se ofrece como posibilidad la separación con cribado con viento, cuando el medio portador de calor presenta una densidad suficiente. Como fluido para el cribado se ofrece en este caso el aire de la combustión, no obstante, de una manera preferida, por razones de seguridad, una corriente parcial del gas de humo retornado en el circuito. En tal caso, se recomienda disponer la combustión muy cerca de la fase de separación. La combustión debería utilizar entonces de una manera ventajosa la fluidización o bien la dispersión del combustible en el gas portador, como por ejemplo una combustión con ciclón.
A través de la separación del medio portador de calor y del coque de pirolisis, casi no tiene ninguna importancia ahora el tipo de combustión. No obstante, se aplican algunas condiciones marginales: por una parte, a una temperatura dada de la reformación, hay que extraer el gas de humo al final de la combustión con una temperatura, que tiene en cuenta las pérdidas de calor en el camino hacia la zona de calefacción, el grado de la transmisión de calor en el medio portador de calor dentro de la zona de calefacción y el grado del portador de calor durante la transmisión de calor en la segunda zona de reacción durante la reforma. Si, por ejemplo, la temperatura de la reforma es 1000ºC, entonces el portador de calor debería tener una temperatura de aproximadamente 1050ºC a la entrada en esta zona. Con un diseño correspondiente de la zona de calefacción, esto se puede conseguir con gas de humo caliente a 1075ºC. Para cubrir las pérdidas en el camino desde la combustión hacia esta zona de calefacción, el gas de escape debe estar un poco más caliente cuando abandona la combustión, por lo tanto, por ejemplo a 1.100ºC. Por otra parte, deben mantenerse determinadas condiciones marginales determinada a veces con respecto a la porción mineral del coque de pirolisis. Así, por ejemplo, no hay que excluir, en efecto, en principio una fusión o sinterización de la ceniza, pero la ceniza como producto puede hacer necesaria una extracción seca de la ceniza evitando cualquier reblandecimiento, por ejemplo cuando se gasifica estiércol de gallinero y la ceniza generada debe utilizarse como abono valioso, de alta efectividad. En tales casos, se puede emplear, por ejemplo, una combustión escalonada con funcionamiento subestequiométrico, en el que solamente a través de la adición de aire secundario se genera la combustión completa y, por lo tanto, la temperatura necesaria. Hay que mencionar todavía que en los casos, en los que el coque de pirolisis formado no es suficiente para la generación del calor del proceso, se puede añadir gas de producto a la combustión.
El segundo complemento esencial está representado por la incorporación en este momento de la segunda zona de reacción en el circuito del portador de calor: La reforma se realiza en contacto directo con el medio portador de calor después de las reacciones conocidas con vapor de agua, por ejemplo:
C_{n} H_{m} + n H_{2}O \rightarrow n CO + (m/2 + n) H_{2}
De esta manera se pueden tolerar ahora las adherencias debidas a la posible formación de negro de carbón y otros procesos de craqueo, puesto que debido a la circulación del medio portador de calor, se regeneran siempre de nuevo las superficies de transmisión de calor. La consecuencia de la incorporación de la segunda zona de reacción en el circuito de portador de calor es un incremento considerable del circuito de portador de calor.
El procedimiento según la invención abre al menos dos posibilidades de principio para la guía del circuito del portador de calor. Con respecto al portador de calor, la segunda zona de reacción y el reactor de pirolisis pueden estar dispuestos uno detrás de otro o en paralelo. La ventaja esencial de la conexión consecutiva es la simplicidad de los aparatos. La zona de calefacción, la segunda zona de reacción y el reactor de pirolisis están dispuestos unos debajo de otros, de manera que el medio portador de calor se mueve, impulsado por la fuerza de la gravedad, desde arriba hacia abajo a través de la disposición. La pirolisis se modifica con respecto a la disposición descrita en [2] en el sentido de que ahora debe realizarse la pirolisis con muchísimo más medio portador de calor, pero con una temperatura claramente más reducida. Si, por ejemplo, el medio portador de calor entra con una temperatura de 1.050ºC en la segunda zona de reacción con objeto de la reforma, entonces abandona esta zona con tan solo 750ºC. En el caso del circuito paralelo, no se modifica la fase de pirolisis con respecto a la disposición descrita en [2]. No obstante, debido a la división de la corriente caliente portadora de calor sobre el reactor de pirolisis y a la segunda zona de reacción y a la confluencia siguiente hay que contar con un gasto elevado de aparatos. Por lo tanto, se prefiere el circuito en paralelo en los casos, en los que es ventajoso el contacto de la substancia de aplicación con medio portador de calor especialmente caliente.
Por último, hay que describir todavía la mezcla de vapor del proceso con los gases de pirolisis antes de la reforma en la segunda zona de reacción. Ésta debe realizarse en exceso con respecto a las reacciones de las fases de gas homogéneas previsibles, puesto que solamente de esta manera se puede suprimir de una manera consecuente una posible formación de negro de carbón. El punto de partida para ello consiste en el mantenimiento de una cierta concentración de vapor de agua en el gas producto fresco, a saber, por ejemplo, 20% en volumen o más. Por otra parte, es previsible que una regulación de la cantidad de la adición de vapor de proceso con una concentración de vapor de agua como variable de medición sea muy costosa y cara. Sería mejor el ajuste de un valor fijo, que se realiza en función de la potencia sobre una medición de la cantidad que posiblemente está presente de todos modos. Una posibilidad de configuración del procedimiento según la invención, que debe mencionarse en cualquier caso aquí, consiste en la selección del lugar de la mezcla del vapor del proceso con el gas de pirolisis. Ésta debe realizarse lo más tarde antes de la entrada en la segunda zona de reacción, el reformador, pero se puede desplazar aguas arriba en el reactor de pirolisis y allí de una manera discrecional dentro del reactor de pirolisis hasta su extremo inferior. Con el extremo inferior del reactor de pirolisis se entiende en este caso la salida de la mezcla, que está constituida por el medio portador de calor y por el residuo sólido que contiene carbono. De esta manera, se modifica, en efecto, la división de la aplicación de calor entre pirolisis y reforma, pero en último término el aclarado de la pirolisis con vapor durante la adición de vapor en la proximidad de la salida del lado de la substancia sólida desde el reactor de pirolisis es ventajoso en varios aspectos: en primer lugar, de esta manera no se reduce en ningún lugar la temperatura del gas de pirolisis en el camino a la segunda zona de reacción, de manera que no hay que contar con condensación. En segundo lugar, se conoce [3] que el rendimiento de componentes volátiles durante la pirolisis de biomasas se puede elevar a través de aclarado con vapor de agua. Esto puede ser ventajoso, puesto que un rendimiento demasiado alto de producto de pirolisis sólido más allá de la necesidad de calor del procedimiento, disminuye el rendimiento en gas producto y -por lo tanto, en relación con ello- el grado de actuación del gas frío. Por último y, en tercer lugar, de esta manera se previene una fuga posible de gas de pirolisis en la dirección de la fase de separación para medio portador de calor y coque de pirolisis.
Un desarrollo ventajoso del procedimiento según la invención consiste en que una parte de los gases de pirolisis o del gas producto se quema en la combustión destinada para el residuo sólido que contiene carbono o en una combustión separada y el calor liberado en este caso se utiliza en la zona de pirolisis y en la zona de reacción.
Como medio portador de calor son especialmente adecuadas substancias ignífugas, tales como arena, grava, gravilla, aluminosilicato, corindón, gres gris, cuarcita o cordierita. De la misma manera son adecuados cuerpos moldeados de materiales metálicos, con preferencia magnéticos o materiales cerámicos no metálicos, materiales sinterizados o gránulos de minerales de hierro como medio portador de calor.
Al menos una parte de la totalidad del medio portador de calor empleado puede estar constituida por un material catalíticamente activo en la zona de reacción.
Hasta ahora se ha descrito el procedimiento según la invención como un proceso de flujo continuo. Sin embargo, es posible realizar el procedimiento para la gasificación de substancias orgánicas de una manera discontinua o por cargas. En particular, la substancia orgánica, el medio portador de calor, el residuo sólido, que contiene carbono, o la mezcla de las dos últimas substancias mencionadas se pueden transportar de una manera discontinua o por cargas.
Además del medio portador de calo, se puede conducir una substancia sólida, fuertemente básica, a través de la zona de pirolisis. Ésta substancia se separa a continuación de la misma manera desde el medio portador de calor y se conduce o bien a través de la combustión o directamente hacia el exterior. Como substancia sólida, fuertemente básica, es concebible, por ejemplo, óxido de calcio, hidróxido de calcio o carbonato de calcio.
El procedimiento se puede desarrollar refrigerando el gas producto y purificando el condensado que resulta de esta manera y utilizándolo de nuevo para la generación del vapor de agua. De una manera alternativa, el condensado de la combustión se puede añadir a la combustión, al medio portador de calor o al residuo sólido, que contiene carbono, con objeto de la evaporación y combustión de las porciones combustibles contenidas en el mismo.
Una instalación para la realización del procedimiento objeto de la invención se representa de forma simbólica en la figura 1a siguiente.
La figura 1 muestra una modificación del objeto de la invención. En este caso se trata del circuito en serie representado más arriba, en el que desde arriba hacia abajo están dispuestos sucesivamente la zona de calefacción, la segunda zona de reacción (reformador) y el reactor de pirolisis. La substancia de aplicación 101 se conduce a través de una instalación de transporte 102 y la esclusa 103 hasta el reactor de pirolisis 104. La instalación de transporte 102 está realizada como tornillo sin fin de transporte, cinta transportadora o similares y puede ser calentada, pudiendo emplearse con ventaja calor de baja temperatura 151 a partir del calor de pérdida de los gases de escape y del gas producto (ver más adelante) á saber, para la elevación del grado de actuación general. Los vapores 152, cuando se trata de un sistema abierto, son descargados al medio ambiente, de lo contrario o bien son conducidos al reactor de pirolisis 104 o a la combustión 105. La adición al reactor de pirolisis 104 tiene la ventaja de que debe alimentarse menos vapor de proceso. No obstante, desde el punto de vista técnico, es más sencilla la adición a la combustión 105, puesto que ésta es accionada en una presión negativa ligera. El reactor de pirolisis 104 está realizado con preferencia como caja cilíndrica. Además de la substancia de aplicación, entra también aquí el medio portador de calor, que procede desde la segunda zona de reacción (reformador) 107, a través de la esclusa 106. Ésta es de un tipo de construcción discrecional, pero de una manera ventajosa está realizada como esclusa de rueda celular o esclusa de empuje sincronizado y no tiene que ser hermética al gas.
En primer lugar se describe el otro camino de los volátiles expulsados. Éstos abandonan el reactor de pirolisis 104 en mezcla con el vapor del proceso 109 alimentado a través de un conducto separado 108 hacia la segunda zona de reacción 107. En principio, también sería posible el camino a través de la esclusa 106 y, por lo tanto, la eliminación del conducto 108 separado, a saber, si se puede realizar permeable, de tal forma que es permeable para gas sin limitaciones en cualquier momento, mientras que el medio portador de calor solamente se puede dosificar o puede pasar de una manera sincronizada en el marco del proceso de entrada a través de la esclusa. En efecto, mientras que el medio portador de calor solamente puede entrar dosificado en el reactor de pirolisis 104 con la posibilidad de interrumpir totalmente la admisión, toda la cantidad de gas de pirolisis debe poder evacuarse siempre de forma ininterrumpida, además del vapor de proceso 109 añadido a la mezcla. Por medio de una configuración correspondiente del fondo de la segunda zona de reacción (reformador) 107 se conduce la corriente de los volátiles a partir de la pirolisis sobre un camino lo más largo posible a través del montón de medio portador de calor 110 que se encuentra en el reformador. Este último se mueve a contracorriente hacia la mezcla de gas, que reacciona bajo calentamiento, para formar gas producto, desde arriba hacia abajo y en este caso se refrigera. En la parte superior del reformador 107 se puede encontrar, para apoyar el proceso de conversión, el catalizador 111 en forma de un montón o, de una manera preferida, de un paquete de panel de abejas. Es importante que el catalizador 111 se encuentre en el extremo superior caliente del reformador 107, puesto que el gas producto resultante no está todavía purificado en este lugar y, por lo tanto, puede contener todavía, en función de la substancia de aplicación 101, una serie de tóxicos del catalizador, como por ejemplo azufre, pero muchos catalizadores, como por ejemplo los que están formados a base de níquel, se vuelven insensibles a alta temperatura e incluso se pueden regenerar o bien "calcinar". Esto se podría conseguir de una manera muy sencilla en el reformador 107, por ejemplo a través de mezcla reducida de aire, que se realiza de vez en cuando, teniendo que tolerar, sin embargo, en este tiempo una merma de la calidad del gas producto. La corriente de gas producto 112 abandona el reformador 107 hacia arriba. En este lugar se encuentra al mismo tiempo la temperatura máxima de toda la trayectoria de gas de pirolisis o bien de gas producto, de manera que el calor sensible de la corriente de gas producto 112 debería utilizarse en cualquier caso. Esto se puede realizar de una manera ventajosa dentro de la caldera de calor perdido 113. Al menos una parte del vapor generador allí se puede alimentar entonces de nuevo como vapor de proceso 109 al proceso. Después de la utilización del calor perdido, el gas producto bruto entra en la fase de purificación y de acondicionamiento 114, cuyo modo de actuación está adaptado al objeto de aplicación siguiente del gas producto y es conocido en sí. En la fase de purificación 114 está contenido al mismo tiempo un acondicionamiento del condensado acuoso, obtenido allí, en general, a través de la refrigeración del gas producto. El ventilador 116 asume el ajuste de la presión en el reactor de pirolisis 104 -con preferencia una baja tensión ligera- así como el transporte del gas producto y sus precursores. Detrás del ventilador 115, la corriente de gas producto purificada 116 abandona la instalación. La corriente de condensado 153, dado el caso acondicionada, se puede alimentar ahora a la caldera de calor perdido 113 como agua de alimentación o se puede evaporar en la combustión 105, de manera que, en principio, es posible una conducción libre de agua residual de todo el proceso. Una posibilidad para alimentar el condensado a la combustión consiste en alimentar el condensado a la fase de separación 121 descrita más adelante y en evaporarlo bajo la refrigeración del portador de calor o del residuos que contiene carbono, y en conducir los vapores a la combustión. Si el calor sensible debe utilizarse en gran medida y, dado el caso, debe cederse vapor a consumidores externos (entre los que se cuenta también el acondicionamiento exterior o, dado el caso, el acondicionamiento interno de la substancia de aplicación en el transportador 102), entonces se recomienda el empleo exclusivo de agua limpia 154 como agua de alimentación, mientras que el condensado 153 es desechado lo más completamente posible o
"quemado".
A continuación, se sigue adicionalmente el camino del medio portador de calor y del coque de pirolisis. La mezcla, formada por medio portador de calor y coque de pirolisis, entra a través de la unidad de esclusa y de transporte 120 en la fase de separación 121. Su modo de actuación -mecánico a través de cribado o aventado o magnético- se ha descrito ya más arriba. A continuación, la corriente de coque de pirolisis 122 separada llega -mejor sin demora- a la combustión 105. Allí se quema con el aire de la combustión 115 para formar un gas de escape caliente, que es transportado a través del conducto de gas caliente 123 hacia la zona de calefacción 117 del medio portador de calor (precalentador). Las posibilidades de desacoplar entre sí la temperatura en el producto combustible y la temperatura del gas de humo a través de exceso de aire o a través del retorno de gases de humo, así como a través de la combustión escalonada, para que, a pesar de la temperatura necesaria del gas de humo, se pueda extraer la ceniza en seco, se presuponen conocidas y, por lo tanto, no se describen en detalle a continuación. Hay que mencionar todavía la corriente de ceniza / escoria 156, que abandona la combustión hacia el exterior y que se refrigera, dado el caso, por este camino.
El medio portador de calor es transportado con el órgano de transporte 124 directamente hacia el precalentador 117. El órgano de transporte debe estar diseñado para el transporte cuidadoso desde el punto de vista mecánico de material caliente reduciendo al mínimo las pérdidas de calor. En primer término se piensa en este caso en el empleo de un elevador de cangilones, de un transportador de cadenas tubulares o de un ascensor de cubetas.
En la presente forma de realización según la invención, el precalentador 117 está dispuesto directamente por encima del reformador 107 y está separado de éste en el lado del gas por medio de la esclusa 118. Esta última debe ser lo más hermética posible al gas, para que no se produzca ninguna mezcla de gas de humo y gas producto. Con respecto al tipo de construcción, no existen requerimientos especiales para la esclusa 118. De una manera similar al reformador 107, el gas de escape circula a través del precalentador desde abajo hacia arriba a contracorriente al medio portador de calor. Este entra con la temperatura del zócalo del proceso de aproximadamente 500ºC por arriba en el precalentador 117. Esta temperatura del zócalo resulta a partir de la temperatura final de pirolisis menos una reducción de la temperatura en virtud de pérdidas de calor. Si se realiza el precalentador 117 suficientemente grande (lo mismo se aplica de una manera similar para el reformador 107), entonces pueden trabajar de forma casi discrecionalmente discontinua el transporte 124, así como los órganos de esclusa 118 y 108.
El gas de escape abandona el precalentador 117 con una temperatura que está insignificantemente por encima de la temperatura del zócalo. En general, la cantidad de gas de escape es claramente mayor que la del gas producto. Por lo tanto, se ruega encarecidamente la utilización del calor perdido del gas de escape después de abandonar el precalentador. Esto se lleva a cabo con preferencia a través del precalentamiento del aire de la combustión en el precalentador de aire (LUVO) 125, puesto que de esta manera el calor recuperado después de la combustión está disponible de nuevo para ser utilizado energéticamente por encima de la temperatura del zócalo de aproximadamente 500ºC. Este tipo de desplazamiento del calor por la vía de la generación de vapor no se puede representar o sólo con un gasto desproporcionadamente grande. Después del LUVO 125 están dispuestos la fase de purificación 126, conocida en sí en su modo de actuación y que debe configurarse en función de la substancia de aplicación y de las limitaciones aplicables para las emisiones, y el soplante aspirador 127. El gas de escape purificado 157 es cedido, en general, al medio ambiente, pudiendo retornarse una corriente parcial 158 a la combustión 105 con objeto de un mejor control de la temperatura.
La figura 2 muestra de forma simplificada el núcleo de la técnica del procedimiento de la instalación en el circuito en paralelo del lado del portador de calor de la segunda zona de reacción (reformador) y el reactor de pirolisis. El camino de la substancia de aplicación 201 a través del reactor de pirolisis 202 y la fase de separación 203 hacia la combustión 204 (aire de la combustión 251) se mantiene esencialmente igual. No obstante, aquí el reformador 205 se encuentra junto al reactor de pirolisis aproximadamente a la misma altura, y el precalentador 206, que representa la zona de calefacción, se encuentra sobre el reactor de pirolisis 202 y el reformador 205. A partir del precalentador 206, a través de las dos tolvas de descarga indicadas aquí y de las esclusas de dosificación 207 y 208, que pueden ser accionadas de una manera independiente una de la otra, se transporta el medio portador de calor calentado al máximo en paralelo al reformador 207 y al reactor de pirolisis 202. El medio portador de calor que abandona el reformador 205 no es conducido sobre la fase de separación. El medio portador de calor que pasa a través del reactor de pirolisis 202 y que es separado en la fase de separación 203 desde el coque de pirolisis y el medio portador de calor que pasa a través del reformador son llevados, sin embargo, en el órgano de transporte en común al precalentador 206. No obstante, con respecto a la corriente de gas producto bruto 210 y a la corriente de gases de escape 211 después del precalentador 206, todo es exactamente como en el circuito en serie representado en la figura 1, de manera que en este lugar se puede interrumpir la representación del circuito en paralelo.
La figura 3 muestra de forma muy simplificada un caso de aplicación especial del procedimiento según la invención en el ejemplo del circuito en serie mostrado en la figura 1, funcionando este caso de aplicación de una manera correspondiente en el circuito en paralelo mostrado en la figura 2. En este caso, la substancia de aplicación 200 entra, como es habitual, en el reactor de pirolisis 301 y lo atraviesa bajo la formación de coque de pirolisis. No obstante, éste es separado aquí en la fase de separación 302 del medio portador de calor y es extraído del proceso como coque 304 reutilizable a través de la fase de refrigeración y de acondicionamiento 303 y es utilizado en delante de una manera discrecional. La fase 303 puede ser en este caso, por ejemplo, un depósito de intercambio que está a vacío, pero también una instalación de extinción y secado de coque. La combustión 305 se quema ahora con al menos una de las substancias siguientes con la finalidad de la calefacción del medio portador de calor: un combustible externo 306 o una corriente parcial de gas producto 307 o una corriente parcial de coque de pirolisis 308. Pero el combustible 306 puede ser también una corriente parcial de la substancia de aplicación 300, si ésta se puede quemar. Esto es especialmente importante para el arranque de una instalación de acuerdo con el procedimiento según la invención. En otro caso, se contemplan una pluralidad de combustibles gaseosos, líquidos o sólidos: si debe utilizarse, por ejemplo, el gas producto como medio de reacción en un proceso metalúrgico, entonces se puede emplear eventualmente gas de alto horno o cualquier otro gas débil como combustible 305. En los casos descritos en la figura 3, el lugar de la combustión 305 no está ya forzosamente en la proximidad directa de la fase de separación 302, sino que se puede colocar, por ejemplo, en la proximidad inmediata de la zona de calefacción 309. El reformador 310 no está afectado por ello, como tampoco la calidad del gas producto 311 y el tratamiento posterior del gas de escape 312. En la figura 3 se muestra, además, la instalación de transporte para el medio portador de calor 313, la esclusa de carga para la substancia de aplicación 320, la esclusa entre el reformador y el reactor de pirolisis 321, la esclusa de extracción desde el reactor de pirolisis 322, la esclusa entre la zona de calefacción y el reformador 323, la corriente de aire de la combustión 351 así como la corriente de vapor del proceso 352.
Ejemplo de realización
En el dispositivo según la figura 1 se gasificaron 200 kg/h (atro) de madera, es decir, 86 kg/h de madera secada al aire con 30% de humedad. La madera contenía 2% de ceniza (libre de agua) y estaba constituida esencialmente por 50% de carbono, 6% de hidrógeno, 42% de oxígeno y 1,9% de nitrógeno, calculado libre de agua y de ceniza. El valor calorífico inferior era 18,0 MJ/kg en el estado libre de agua. La potencia térmica del gasificador era, por lo tanto, 1.000 kW. La pirolisis se realizó a 550ºC y la reforma se realizó con vapor de agua a 950ºC. La presión de trabajo era presión atmosférica.
Como medio portador de calor se utilizaron bolas de acero con un tamaño del grano de aproximadamente 10 mm. El medio portador de calor se calentó en primer lugar de 500 a 950ºC. En virtud de la potencia térmica necesaria de 251 kW para la pirolisis y la reforma, así como para la cobertura de las pérdidas de calor, la cantidad de circulación del medio portador de calor era 4.300 kg/h, es decir, 21,5 veces la entrada de madera. El reactor de pirolisis era una caja de mampostería con una altura cilíndrica interior de 1,3 m y un diámetro interior de 0,9 m, de manera que estaba con seguridad a la disposición del lecho fluidizado de pirolisis un tiempo de residencia de 0,5 horas. En la pirolisis se convirtió la madera de tal forma que un 20% en masa de la substancia seca de la madera permanecía como coque de pirolisis, es decir, 42 kg/h. Éste tenía un porcentaje de ceniza de 9,5% y contenía, sobre la base libre de agua y de ceniza, 92,2% de carbono, 2,6% de hidrógeno y 5,2% de oxígeno. El valor calorífico era 29,1 MK/kg. La reforma se desarrolló a 950ºC en un montón portador de calor de 0,9 m de altura cilíndrica interior y 0,7 m de diámetro interior, de manera que se mantuvo con seguridad un tiempo de residencia del gas de 0,5 segundos. De esta manera, se obtuvo el siguiente gas producto:
Valor calorífico 9,10 MJ/kg, seco
Hidrógeno 59,7% vol. tr.
Monóxido de carbono 17,0% vol. tr.
Metano 1,4% vol. tr.
Dióxido de carbono 21,9% vol. tr.
Vapor de agua 24,8% vol.
Cantidad 402 Nm^{2}/h
Corriente de entalpía química 765 kW
La corriente de entalpía del coque de pirolisis en la combustión era 341 kW. De esta manera se generó el calor para la reforma, la pirolisis, la evaporación del agua residual a partir de la refrigeración del gas producto y la cobertura de las pérdidas de calor y se calentó el aire de la combustión necesario en la combustión a 350ºC. El grado de actuación de la combustión era 80,1%, por lo que la pérdida de gas de escape era 68 kW. El calor sensible del gas producto era 168 kW, con lo que se pudieron generar aproximadamente 145 kg/h de un vapor saturado con baja presión, 50 kg/h de los cuales se necesitan como vapor del proceso en la reforma, mientras que el resto se puede utilizar de otra manera.
[1] US-PS 4.568.362
[2] DE-PS 197 55693
[3] M. Stenseng, A. Jensen, K. Dam-Johansen, M. Gronli: Experimental Investigation and Kinetic Modelling of Biomass Pryrolysis. Proc. 2^{nd} Olle Lindström Symposium, Stocolmo 8-11 de Junio de 1999, 97-104.
Lista de signos de referencia
101
- Substancia de aplicación
102
- Instalación de transporte para la substancia de aplicación
103
- Esclusa
104
- Reactor de pirolisis
105
- Combustión
106
- Esclusa
107
- Segunda zona de reacción (reformador)
108
- Segundo conducto para volátiles
109
- Vapor de proceso alimentado
110
- Medio portador de calor
111
- Catalizador
112
- Corriente de gas producto
113
- Caldera de calor perdido
114
- Fase de purificación y de acondicionamiento
115
- Ventilador
116
- Corriente de gas producto purificado
117
- Zona de calefacción (precalentador)
118
- Esclusa
120
- Unidad de esclusa y transporte
121
- Fase de separación
122
- Corriente de coque de pirolisis
123
- Conducto de gas caliente
124
- Órgano de transporte
125
- Precalentador de aire (LUVO)
126
- Fase de purificación
127
- Soplante aspirador
151
- Calor de baja temperatura
152
- Vapores
153
- Corriente de condensado
154
- Agua fresca
155
- Aire de la combustión
156
- Corriente de ceniza / escoria
157
- Gas de escape purificado
158
- Corriente parcial de gases de escape purificados
201
- Substancia de aplicación
202
- Reactor de pirolisis
203
- Fase de separación
204
- Combustión
205
- Reformador
206
- Precalentador
207
- Esclusa de dosificación
208
- Esclusa de dosificación
209
- Órgano de transporte
210
- Corriente de gas producto bruto
211
- Corriente de gases de escape
251
- Aire de la combustión
300
- Substancia de aplicación
301
- Reactor de pirolisis
302
- Fase de separación
303
- Fases de refrigeración y de acondicionamiento
304
- Coque utilizable
305
- Combustión
306
- Combustible externo
307
- Gas producto
308
- Corriente parcial de coque de pirolisis
309
- Zona de calefacción (precalentador)
310
- Reformador
311
- Gas producto
312
- Gas de escape
313
- Instalación de transporte para el medio portador de calor
320
- Esclusa de carga para la substancia de aplicación
321
- Esclusa entre el reformador y el reactor de pirolisis
322
- Esclusa de extracción desde el reactor de pirolisis
323
- Esclusa entre la zona de calefacción y el reformador
351
- Corriente de aire de la combustión
352
- Corriente de vapor de proceso

Claims (15)

1. Procedimiento para la producción de un gas producto con alto valor calorífico a partir de substancias orgánicas o mezclas de substancias, en el que un medio portador de calor conducido en el circuito recorre una zona de calefacción, una zona de reacción, una zona de pirolisis y una fase de separación y a continuación es retornado a la zona de calefacción,
-
siendo disociadas las substancias orgánicas o mezclas de substanciasen la zona de pirolisis a través de contacto con el medio portador de calor caliente en un residuo sólido que contiene carbono y gases de pirolisis como fase volátil,
-
siendo separado el residuo sólido que contiene carbono, después de pasar a través de la zona de pirolisis, en la fase de separación desde el medio portador de calor
-
y siendo mezclados los gases de pirolisis con vapor de agua como medio de reacción y siendo recalentado en la zona de reacción a través del intercambio de una parte del calor que aparece en el medio portador de calor caliente de tal manera que se obtiene un gas producto con alto valor calorífico,
caracterizado porque
-
el vapor de agua es añadido a la mezcla de gases de pirolisis en la zona de pirolisis,
-
porque todo el residuo sólido, que contiene carbono, es alimentado a una combustión especial y es quemado allí,
-
y porque los gases de escape calientes de esta combustión son conducidos a través de un montón del medio portador de calor, que se encuentra en la zona de calefacción, siendo cedida una gran parte del calor sensible de una manera definida al medio portador de calor.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el vapor de agua se añade a la mezcla de los gases de pirolisis en la zona de pirolisis en la proximidad a la descarga de la mezcla desde el medio portador de calor y al residuo sólido que contiene carbono.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque una parte de los gases de pirolisis o del gas producto se quema en la combustión para el residuo que contiene carbono o en una combustión separada y el calor liberado en este caso es utilizado en la zona de pirolisis o en la zona de reacción.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la reacción de los gases de pirolisis se realiza con el valor de agua en presencia de un catalizador.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el medio portador de calor está constituido por substancias combustibles, como arena, grava, gravilla, aluminosilicato, corindón, gres rojo, cuarcita o cordierita.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el medio portador de calor está constituido por cuerpos moldeados de metal, entre ellos con preferencia de materiales magnéticos o materiales cerámicos no metálicos, también materiales de sinterización o gránulos de minerales de hierro.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la totalidad del medio portador de calor empleado está constituido al menos en parte por un material activo catalíticamente en la zona de reacción.
8. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y 6, caracterizado porque la separación del medio portador de calor del residuo sólido, que contiene carbono, se lleva a cabo después de abandonar la zona de pirolisis.
9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la separación del medio portador de calor del residuo sólido, que contiene carbono, se realiza después de abandonar la zona de pirolisis, con la ayuda de una aventadora, siendo utilizado como medio de cribado con preferencia aire, aquí de nuevo con preferencia aire de la combustión para la calcinación, o gas de escape, aquí de nuevo con preferencia gases de escape retornados desde la combustión.
10. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el transporte de al menos uno de los medios siguientes se realiza de forma discontinua o por cargas: substancia orgánica, medio portador de calor, residuo sólido, que contiene carbono, mezcla de medio portador de calor y residuo sólido, que contiene carbono, al abandonar la zona de pirolisis.
11. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el calor sensible del gas producto y de los gases de escape de la combustión se utiliza al menos en parte para la generación del vapor de agua como medio de reacción o para el calentamiento previo del aire para la combustión.
12. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el calor sensible del gas producto y de los gases de escape de la combustión se utiliza directa o indirectamente al menos en parte para el secado previo y el calentamiento de la substancia orgánica.
13. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el medio portador de calor se divide, después de circular a través de la zona de calefacción, en una parte, que circula a través de la zona de reacción, y en una parte, que se emplea directamente en la zona de pirolisis, y el medio portador de calor, que ha recorrido la zona de reacción, es transferido a la zona de pirolisis o es añadido al medio portador de calor restante después de la zona de pirolisis.
14. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque además del medio portador de calor, se conduce una substancia sólida fuertemente básica, con preferencia óxido de calcio, hidróxido de calcio, carbonato de calcio a través de la zona de pirolisis, que se separa a continuación igualmente desde el medio portador de calor y se conduce o bien a través de la combustión o directamente hacia el exterior.
15. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas producto es refrigerado y el condensado que se obtiene de esta manera es purificado y es utilizado de nuevo para la generación del vapor de agua o es conducido a la combustión o al medio portador de calor o al residuo sólido, que contiene carbono, con objeto de la evaporación y combustión de las porciones combustibles contenidas en el mismo.
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