ES2302513T3 - Un procedimiento y una instalacion de produccion de gases combustibles a partir de gases procedentes de la conversion termica de una carga solida. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de producción de gases combustibles que comprende una conversión térmica de una carga sólida, particularmente mediante pirólisis, que genera residuos sólidos y gases brutos, una combustión de dichos residuos sólidos que produce gases de combustión y un craqueo térmico de los gases brutos para producir gases combustibles con la utilización de todos o parte de los gases de combustión para suministrar energía térmica a la operación de craqueo térmico de los gases brutos, caracterizado porque se mezclan los gases de combustión con aire fresco para obtener la temperatura deseada para la operación de craqueo térmico.

Description

Un procedimiento y una instalación de producción de gases combustibles a partir de gases procedentes de la conversión térmica de una carga sólida.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a una instalación de producción de gases combustibles a partir de gases procedentes de la conversión térmica de una carga sólida que contiene una fracción orgánica, tal como biomasa o residuos domésticos o industriales.

Los gases combustibles ricos producidos de este modo están desprovistos por un lado de productos pesados, como alquitranes y, por otro lado, de contaminantes minerales, en particular de sales alcalinas.

Estos gases combustibles pueden utilizarse ventajosamente en dispositivos o procedimientos de producción de energía tales como motores de gas, turbinas de gas, calderas o quemadores.

Por lo tanto es particularmente interesante combinar una etapa de conversión térmica, mediante pirólisis o termólisis, de una carga tal como se ha definido anteriormente con una operación de craqueo térmico de los gases procedentes de esta etapa de conversión para producir gases combustibles.

Los gases procedentes de la conversión de la carga mediante pirólisis (o mediante termólisis), denominadas en lo sucesivo en la descripción gases de pirólisis, están constituidos generalmente por una mezcla de vapor de agua, de gases incondensables como CO, CO_{2}, H_{2}, CH_{4}, C_{2}H_{x}, C_{3}H_{y}, NH_{3} y vapores de hidrocarburos más pesados que comprenden al menos 4 átomos de carbono.

Es posible convertir los vapores de hidrocarburos pesados mediante craqueo térmico de estos gases de pirólisis, para obtener, al final de esta operación, una gran mayoría de gases incondensables y combustibles.

Ya se conoce un procedimiento de producción de gases combustibles, particularmente en el documento US 4 300 915 que describe un procedimiento para producir dichos gases combustibles a partir de gases brutos resultantes de una operación de pirólisis de una carga, seguida de un tratamiento mediante craqueo térmico de solamente una parte de estos gases de pirólisis, craqueo que da como resultado la producción de dichos gases combustibles.

En este documento, se prevé que la otra parte de los gases de pirólisis se utilice para alimentar los quemadores que generarán la energía térmica necesaria para el tratamiento de craqueo.

Este procedimiento presenta el inconveniente de que solamente puede transformar una parte de los gases procedentes de la pirólisis y, debido a esto, el rendimiento global de la operación de craqueo disminuye.

El documento DE 199 40 001 describe un procedimiento y una instalación de producción de gases combustibles a partir de gases procedentes de la conversión de la carga por pirólisis.

La presente invención se propone remediar los inconvenientes mencionados anteriormente mediante un procedimiento y una instalación de producción de gases combustibles, gracias a los cuales la totalidad de los gases de pirólisis se transforma en gases combustibles.

De acuerdo con la invención, un procedimiento de producción de gases combustibles que comprende una conversión térmica de una carga sólida, particularmente mediante pirólisis, que genera residuos sólidos y gases brutos, una combustión de dichos residuos sólidos que produce gases de combustión y un craqueo térmico de los gases brutos para producir gases combustibles con la utilización de todos o parte de los gases de combustión para suministrar energía térmica a la operación de craqueo térmico de los gases brutos, se caracteriza porque se mezclan los gases de combustión con aire fresco para obtener la temperatura deseada para la operación de craqueo térmico.

Ventajosamente, puede desviarse una parte de los gases de combustión antes de su utilización para la operación de craqueo para aportar la energía necesaria para la operación de conversión térmica de la carga sólida.

Preferiblemente, pueden utilizarse los gases de combustión para alimentar al menos un medio de calentamiento para la operación de craqueo térmico de los gases brutos.

De manera ventajosa, puede regularse la temperatura y la velocidad de aumento de la temperatura en el medio de craqueo actuando sobre el caudal y la cantidad de los gases de combustión y/o de aire fresco.

Preferiblemente, pueden calentarse de manera indirecta los gases brutos durante la operación de craqueo térmico.

Como variante, pueden calentarse de manera directa los gases brutos durante la operación de craqueo térmico.

La invención también se refiere a una instalación de producción de gases combustibles a partir de una carga sólida que comprende un medio de conversión térmica de la carga, particularmente mediante pirólisis, un medio de combustión de los residuos sólidos procedentes de la pirólisis y un medio de craqueo térmico de los gases brutos procedentes de dicha pirólisis, un medio de transporte hacia el medio de craqueo de toda o parte de la energía térmica procedente del medio de combustión y un medio de calentamiento del medio de craqueo, caracterizada porque los medios de calentamiento reciben el suministro de aire fresco a través de un conducto de suministro de aire para obtener la temperatura deseada para la operación de craqueo.

El medio de transporte puede comprender un conducto de derivación del conducto de comunicación.

La instalación puede comprender, en el punto de derivación, un medio de regulación de los gases de combustión hacia el medio de conversión térmica y hacia el medio de craqueo.

Los medios de calentamiento pueden ser medios de calentamiento indirecto.

Como variante, los medios de calentamiento pueden ser medios de calentamiento directo.

Los medios de calentamiento pueden comprender al menos un medio de inyección de los gases de combustión al interior del medio de craqueo.

La instalación puede comprender medios de regulación asociados al medio de combustión para regular la combustión de los residuos sólidos en dicho medio de combustión.

Otras ventajas y características de la invención surgirán con la lectura de la siguiente descripción, que se da únicamente como ejemplo y a la que se adjuntan los dibujos, en los que:

- la figura 1 es un esquema que muestra los elementos de la instalación de producción de gases combustibles de acuerdo con la invención;

- la figura 2 es una vista en corte longitudinal de un reactor de craqueo térmico utilizado en la instalación de acuerdo con la invención;

- la figura 3 es una vista en corte longitudinal de una variante del reactor de la figura 2;

- la figura 4 es un esquema que muestra los elementos de una instalación de tratamiento de los gases combustibles producidos de acuerdo con la invención.

Nos referimos ahora a la figura 1 que es un esquema funcional que muestra los diferentes elementos constitutivos de una realización de la invención y en el que un horno de pirólisis 10 se asocia a un reactor de craqueo térmico 12 para la producción de gases combustibles.

El horno 10 es alimentado mediante un conducto 14 con una carga principalmente sólida que puede contener una fracción orgánica, tal como residuos urbanos y/o industriales o biomasa.

Este horno 10 es preferiblemente un horno rotatorio que es capaz de tratar cargas variadas tanto en tamaño como en composición y por lo tanto puede alimentarse con una carga principal como biomasa o mezclas de cargas sólidas que contienen materia orgánica, tales como residuos domésticos, residuos industriales banales o lodos de estaciones depuradoras.

La carga introducida en este horno puede tratarse antes de su introducción para adecuarla a las especificaciones del horno, tales como granulometría máxima o humedad y esto empleando técnicas convencionales tales como trituración, secado u otras.

Particularmente, estas especificaciones prevén utilizar una carga con una granulometría máxima inferior a 30 cm, preferiblemente inferior a 10 cm y una humedad que debe reducirse como máximo al 40% en peso, preferiblemente al 20% en peso, ya que el contenido de humedad de la carga influye sobre la reacción de craqueo térmico y por lo tanto influye sobre el rendimiento del reactor de craqueo.

Preferiblemente, se tratarán cargas cuya humedad inicial sea tal que la proporción de masa de agua/gases procedentes de la pirólisis se sitúe entre 0,1 y 10 ya que, en estos valores, el vapor de agua tiene un efecto positivo sobre el craqueo limitando e incluso impidiendo la formación de depósitos de residuos carbonados.

Este horno comprende un recinto 16, rotatorio en el caso de un horno rotatorio, rodeado por una envuelta externa fija cerrada 18 que proporciona un espacio de calentamiento anular cerrado 20 adaptado para recibir un fluido a alta temperatura para el calentamiento de la carga presente en este recinto.

Bajo el efecto de este fluido procedente de la conversión térmica realizada en el recinto en ausencia total de aire, como se realiza habitualmente mediante pirólisis, la carga sufre una degradación térmica que conduce, a la salida del horno, a la formación de una fase gaseosa, denominada en lo sucesivo gases brutos y de una fase sólida rica en carbono, llamada coque en lo sucesivo en la descripción.

A la salida del horno, los gases brutos se dirigen por un conducto 22 hacia el reactor de craqueo térmico 12 para la transformación de estos gases brutos en gases combustibles que se recuperarán mediante un conducto 24 dispuesto a la salida del reactor y el coque se envía mediante un conducto 26, que asegura una estanqueidad frente al exterior tal como mediante un ensamblaje de compuertas que forma una esclusa de aire (no representada), hacia un medio de combustión 28 que permite generar la energía calorífica necesaria para la operación de pirólisis de la carga introducida en el recinto 16 del horno 10 y que se transporta, en su totalidad o en parte, mediante un conducto de comunicación 30 al espacio de calentamiento anular 20 para salir a continuación por un conducto de evacuación 32.

El medio de combustión 28 puede ser un lecho fluidizado, un lecho fijo, un horno de tornillo, un horno de parrilla, un horno ciclón o cualquier otro dispositivo que permita quemar combustibles esencialmente sólidos.

Este medio de combustión 28 está alimentado con aire de combustión, que puede empobrecerse en O2 mezclándolo con humos reciclados u opcionalmente puede precalentarse, mediante un conducto 34 que comprende una compuesta de regulación 36 para regular la temperatura de combustión del coque y, debido a esto, la temperatura de los gases de combustión procedentes del medio de combustión 28.

A partir del medio de combustión 28 se aporta la energía necesaria para la operación de craqueo térmico de los gases brutos.

Más exactamente, esta energía, en forma de gases calientes, denominados en lo sucesivo gases de combustión, se transporta, en su totalidad o en parte, mediante un conducto de derivación 38 que sale de un punto de derivación 40 en el conducto 30. Este punto de derivación está previsto más arriba del espacio de calentamiento 20 y conduce a los medios de calentamiento 42 adaptados al reactor 12.

Los gases de combustión, una vez utilizados en los medios de calentamiento 42 del reactor, salen por un conducto 44 para ser evacuados de manera conocida por sí misma.

En función de la temperatura de los gases de combustión procedentes de los medios de calentamiento 42, estos pueden reutilizarse para aumentar el rendimiento térmico de la instalación. En particular, todos o parte de los gases procedentes del conducto 44 pueden utilizarse para calentar el recinto rotatorio 16 después de la introducción en la doble envuelta 18 y circulación por el espacio anular 20.

El punto de derivación 40 estará equipado con todos los medios conocidos, tales como una compuerta asociada a medios de control y de regulación (no representados), para permitir una regulación adecuada entre la energía térmica a proporcionar al horno 10 y al reactor 12.

De acuerdo con la figura 2, el reactor de craqueo 12 comprende una envuelta de material refractario en cuyo interior se disponen tubos 46, preferiblemente metálicos, por los que circulan los gases brutos procedentes del conducto 22. Estos tubos comunican por uno de sus extremos con el conducto 22 y por el otro extremo con el conducto 24.

Los medios de calentamiento que se alimentan con gases de combustión mediante el conducto 38 son al menos un medio de inyección de los gases de combustión, en este documento un difusor 42 que, en el ejemplo de realización descrito, están en número de dos dispuestos en la pared del reactor y que inyectarán los gases de combustión al interior del reactor para calentar los tubos 40, para obtener el craqueo de los gases brutos que circulan por estos tubos con la mejor tasa de conversión y esto teniendo en cuenta la velocidad de aumento de la temperatura y el tiempo de permanencia en el reactor.

Los medios de regulación de la temperatura de craqueo así como de la velocidad de aumento de la temperatura se realizan ventajosamente en forma de un conducto de suministro de aire fresco 48 y compuertas de regulación 50, 52 que están asociadas respectivamente a la entrada de los gases de combustión y a la entrada de aire fresco que también conduce a los difusores 42.

Teniendo en cuenta la temperatura deseada y la velocidad de aumento de la temperatura en el reactor de craqueo, los caudales y cantidades de gases de combustión y de aire freso inyectados por los difusores 42 en este reactor serán regulados por las compuertas de regulación 50, 52.

Para obtener la reacción de craqueo térmico, los gases de combustión, opcionalmente mezclados con aire fresco, calentarán la pared de los tubos 46, lo que se traducirá en un craqueo térmico de los gases brutos que circulan por estos tubos.

De este modo, teniendo en cuenta los parámetros de temperatura y de velocidad, los hidrocarburos pesados presentes en los gases brutos se convierten mediante craqueo térmico en gases ligeros y salen por el conducto 24 para someterse a un tratamiento posterior, como se explicará más exactamente en lo sucesivo en la descripción en relación con la figura 4.

Por supuesto, la disposición de los tubos (número, distribución, diámetro, etc.) asociada a los parámetros de temperatura y velocidad mencionados anteriormente se realizará para obtener la mejor tasa de conversión de los gases brutos, mientras se minimiza la formación de depósitos de residuos carbonados.

Es importante observar que el craqueo térmico de los gases brutos se realiza en el reactor de la figura 2, en ausencia de aire.

La figura 3 es una variante de acuerdo con la cual los gases brutos no circulan por los tubos, sino que penetran por el conducto 22 directamente al interior del volumen delimitado por la envuelta del reactor 12 y salen, después del craqueo térmico, por el conducto 24 en forma de una mezcla de gases combustibles y gases de combustión.

En esta variante, el reactor 12 comprende una envuelta de material refractario en cuyo interior penetran, por un lado, los gases brutos por el conducto 22 y, por otro lado, los gases de combustión por los difusores 42. Estos gases de combustión proceden del conducto 38 y opcionalmente están asociados al aire freso procedente del conducto 48, estando los caudales y cantidades de los gases de combustión y de aire fresco regulados, como se ha descrito anteriormente, por las compuertas de regulación 50, 52.

En el interior de esta envuelta los gases brutos y los gases de combustión (opcionalmente asociados al aire fresco) se mezclan y la energía térmica necesaria para la operación de craqueo térmico es proporcionada directamente por los gases de combustión.

De este modo, a la salida del reactor, el conducto 24 transportará una mezcla de gases combustibles procedentes del craqueo térmico y de gases de combustión.

Por supuesto, está mezcla se tratará a continuación mediante todos los medios apropiados para poder utilizar los gases combustibles que contiene.

A continuación nos remitiremos a la figura 4 que describe un ejemplo de tratamiento de los gases combustibles procedentes del reactor de craqueo 12 por el conducto 24 y de los gases de combustión que se hayan utilizado en los medios de calentamiento del horno de pirólisis 10 y que se evacuan por el conducto 32, como se ha descrito en relación con las figuras 1 y 2.

Los gases combustibles procedentes del conducto 24 son enfriados rápidamente por un intercambiador de calor 56 para interrumpir las reacciones químicas y después, a la salida del intercambiador, se dirigen por un conducto 58 hacia un medio de filtrado y de separación 60 para eliminar de ellos las partículas sólidas en suspensión y evacuarlas.

Las partículas sólidas se evacuan por un conducto 62 hacia un dispositivo de almacenamiento (no representado) y los gases combustibles depurados se utilizan, en el ejemplo representado, mediante un conducto 64, para alimentar un medio de producción de energía 66, tal como un motor o una turbina.

Por supuesto y sin alejarse del marco de la invención, puede preverse que el conducto 64 esté conectado a un dispositivo de almacenamiento de gases combustibles, almacenamiento que puede realizarse después de una operación de compresión de dichos gases depurados.

Con respecto a los gases de combustión que hayan sido utilizados para el calentamiento del horno 10 y evacuados por el conducto 32, estos gases se introducen en un medio de recuperación de calor 68. Los humos procedentes de este medio se evacuan a continuación por un conducto 70 hacia una chimenea 72, mientras que la energía (vapor, agua, calor, etc.) procedente de este medio de recuperación de calor se evacua hacia los medios o utilizaciones apropiados por un conducto 74.

El procedimiento de producción de gases combustibles se explicará a continuación en relación con la figura 1.

La carga se introduce (con o sin pretratamiento) por el conducto 14 en el recinto 16 del horno 10 por medio de un dispositivo (no representado) que permite asegurar el suministro y la estanqueidad al aire de dicho horno.

La carga, en el caso de un horno rotatorio, avanza al interior del recinto 16 y, bajo la acción del calor generado por los gases de combustión que circulan por el espacio de calentamiento anular 20, se le retira su humedad residual y después sufre una degradación térmica en ausencia total de aire (pirólisis).

Debe observarse que la circulación de los gases de combustión en el espacio de calentamiento anular 20 puede realizarse a contra corriente o a favor de corriente de la carga que circula por el recinto 16 y esto en función de los parámetros de velocidad de calentamiento y de temperatura buscados. La temperatura de los gases de combustión presentes en este espacio de calentamiento está comprendida entre 600ºC y 1400ºC y preferiblemente entre 800ºC y 1200ºC. El calentamiento de la carga se realiza mediante la transferencia energética por radiación y por convección de los gases de combustión con la pared metálica del recinto 16.

Esta operación de pirólisis se realiza a una temperatura comprendida entre 300ºC y 900ºC, preferiblemente entre 500ºC y 700ºC, a una presión cercana a la presión atmosférica. El tiempo de permanencia de la carga en el interior del horno está comprendido entre 30 y 180 minutos, preferiblemente entre 45 y 90 minutos.

Además, la velocidad de calentamiento está comprendida entre 5 y 50ºC/minuto para minimizar la formación de productos pesados.

A la salida del horno, la degradación de la carga forma, por un lado, el coque que se evacuará por el conducto 26 directa o indirectamente hacia el medio de combustión 28 y, por otro lado, los gases brutos que se dirigirán hacia el reactor de craqueo térmico 12.

El calor generado por la combustión del coque en el medio de combustión 28 se utilizará, por un lado, para el calentamiento del horno 10 mediante el conducto 30 y, por otro lado, para el calentamiento del reactor 12 mediante el conducto 38.

Los gases brutos sufrirán una operación de craqueo térmico en el reactor a una temperatura comprendida entre 800 y 1200ºC, de acuerdo con el dispositivo descrito en relación con la figura 2 o con la figura 3. Después, los gases combustibles que resultan de este craqueo, se evacuan por el conducto 24 para tratarlos de manera adecuada, como la descrita como ejemplo en relación con la figura 4.

De este modo, todos los gases brutos se transforman en gases combustibles y por consiguiente la valorización de la carga será tanto mayor en ellos.

Por supuesto la presente invención no se limita a los ejemplos descritos anteriormente, sino que abarca variantes cualesquiera.

Particularmente, puede preverse disponer de un separador de tipo ciclón 76 a la salida del horno 10 para separar mejor el coque de los gases brutos y de una tolva de almacenamiento 78 que permita regular el suministro de coque al medio de combustión 28 por medio de una compuerta de regulación 80.

Además, en relación con la figura 4, puede preverse un conducto de empalme 82 entre el intercambiador de calor 56 y el medio de recuperación de calor 68 para transferir a éste el calor recuperado durante el enfriamiento de los gases combustibles mediante el paso por este intercambiador.

Claims (13)

1. Procedimiento de producción de gases combustibles que comprende una conversión térmica de una carga sólida, particularmente mediante pirólisis, que genera residuos sólidos y gases brutos, una combustión de dichos residuos sólidos que produce gases de combustión y un craqueo térmico de los gases brutos para producir gases combustibles con la utilización de todos o parte de los gases de combustión para suministrar energía térmica a la operación de craqueo térmico de los gases brutos, caracterizado porque se mezclan los gases de combustión con aire fresco para obtener la temperatura deseada para la operación de craqueo térmico.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se desvía una parte de los gases de combustión antes de su utilización para la operación de craqueo, para aportar la energía necesaria para la operación de conversión térmica de la carga sólida.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se utilizan los gases de combustión para alimentar al menos un medio de calentamiento (42) para la operación de craqueo térmico de los gases brutos.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se regulan la temperatura y la velocidad de aumento de la temperatura en el medio de craqueo (12), actuando sobre el caudal y la cantidad de los gases de combustión y/o de aire fresco.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se calientan de manera indirecta los gases brutos durante la operación de craqueo térmico.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se calientan de manera directa los gases brutos durante la operación de craqueo térmico.

7. Instalación de producción de gases combustibles a partir de una carga sólida que comprende un medio de conversión térmica (10) de la carga, particularmente por pirólisis, un medio de combustión (28) de los residuos sólidos procedentes de la pirólisis y un medio de craqueo térmico (12) de los gases brutos procedentes de dicha pirólisis, un medio de transporte (38) hacia el medio de craqueo (12) de toda o parte de la energía térmica procedente del medio de combustión (28) y un medio de calentamiento (42) del medio de craqueo (12), caracterizada porque los medios de calentamiento (42) reciben el suministro de aire fresco a través de un conducto de suministro de aire (48) para obtener la temperatura deseada para la operación de craqueo.

8. Instalación de acuerdo con la reivindicación 7, en la que un conducto de comunicación (30) une el medio de conversión térmica (10) y el medio de combustión (28), caracterizada porque el medio de transporte comprende un conducto de derivación (38, 40) del conducto de comunicación (30).

9. Instalación de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque comprende, en el punto de derivación (40), un medio de regulación de los gases de combustión hacia el medio de conversión térmica (10) y hacia el medio de craqueo (12).

10. Instalación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque los medios de calentamiento (42) son medios de calentamiento indirecto.

11. Instalación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque los medios de calentamiento (42) son medios de calentamiento directo.

12. Instalación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque los medios de calentamiento comprenden al menos un medio de inyección (42) de los gases de combustión al interior del medio de craqueo (12).

13. Instalación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque comprende medios de regulación (34, 36; 78, 80) asociados al medio de combustión (28) para regular la combustión de los residuos sólidos en dicho medio de combustión.