ES2390146B1 - Sistema para gasificar biomasa combustible y procedimiento de gasificación de biomasa combustible - Google Patents

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Abstract

Sistema para gasificar biomasa combustible y procedimiento de gasificación de biomasa combustible.#Comprende un reactor (1) de lecho móvil en corrientes paralelas o ?down draft?, estando provisto dicho reactor (1) de una parrilla (2) de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación, y se caracteriza por el hecho de que dicha parrilla (2) está montada desplazable verticalmente en el interior de una cámara (3) del reactor (1) destinada a la reducción de los productos procedentes de la zona de oxidación del mismo reactor (1), comprendiendo dicho sistema medios de control para accionar dicha parrilla (2) en función de la velocidad y temperatura de salida del gas, permitiendo dicha parrilla (2) desplazable y dichos medios de control la ampliación o reducción de la capacidad de dicha cámara (3) para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad de salida del gas.

Description

Sistema para gasificar biomasa combustible y procedimiento de gasificación de biomasa combustible
La presente invención se refiere a un sistema y proceso de gasificación de biomasa combustible que emplean un reactor de lecho móvil en corrientes paralelas o “downdraft”.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La gasificación es un proceso termoquímico por el que la biomasa, o materia orgánica, se transforma en un gas combustible mediante una oxidación parcial a alta temperatura.
Cuando el combustible de biomasa entra a un reactor para su gasificación, primero se calienta y se seca. Una vez la temperatura es superior a 400ºC tiene lugar la pirolisis dando lugar a un residuo carbonoso o char formado por carbono principalmente y gases condensables y no condensables. Cuando la temperatura del char supera los 700ºC tienen lugar las reacciones de gasificación en las que el char reacciona con oxígeno, vapor de agua, dióxido de carbono e hidrógeno, y los gases reaccionan entre sí para producir la mezcla final de gas.
Para que tengan lugar las reacciones de gasificación es necesario introducir un agente gasificante, generalmente aire o oxígeno, que es el responsable de generar el calor necesario para el proceso global de gasificación. La introducción del agente gasificante se lleva a cabo en la zona de oxidación del reactor que es la zona que está provista de toberas de inyección de aire u oxígeno.
Bajo las toberas de inyección de aire u oxígeno, se halla la zona de reducción del reactor en la que finalizan las reacciones de gasificación con la formación de un gas que tiene como constituyentes principales monóxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua e hidrocarburos o alquitranes (tars).
Las principales aplicaciones de la gasificación se basan en la producción de calor para usos industriales y en la producción de energía eléctrica. Para la producción de calor es necesario, además del reactor, un quemador del gas producido. En cambio, para la producción de energía eléctrica es necesario, además del reactor, un grupo electrógeno en el que el gas producido se utiliza como combustible.
Cuando se desea aprovechar el gas producido para la producción de energía eléctrica, resulta imprescindible llevar a cabo una limpieza exhaustiva del gas a la salida del reactor para reducir en lo máximo posible el contenido de partículas sólidas y sobretodo de alquitranes. Para ello el gas es filtrado, normalmente mediante ciclones, y después enfriado mediante intercambiadores hasta llegar a temperaturas de condensación que permiten una limpieza por arrastre de partículas.
El proceso de gasificación se puede llevar a cabo en un reactor de lecho móvil en corrientes paralelas
o “downdraft”. La principal característica de este tipo de reactor es que todos los productos procedentes de la zona de pirolisis son forzados a pasar por la zona de oxidación. De esta forma, una gran proporción de hidrocarburos y alquitranes (tars) pasan a hidrocarburos ligeros y a gases de peso molecular bajo como son el monóxido de carbono y el metano, por lo que el gas obtenido en este tipo de reactor es muy interesante para su uso en motores de combustión interna.
Sin embargo, la reducción del contenido de partículas y alquitranes del gas producido en la gasificación sigue siendo uno de los objetivos principales de todos los sistemas de gasificación de biomasa conocidos, incluidos los sistemas que emplean reactores como los citados de tipo “downdraft”.
Es conocido que los reactores de lecho móvil en corrientes paralelas o “downdraft” están provistos de una parrilla de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas o residuos procedentes del proceso de gasificación. También es conocido que para evitar altos contenidos de alquitrán en el gas final es necesario agitar el carbón o char que se encuentra encima de la parrilla haciendo girar la parrilla, ya que de este modo se deshacen solapamientos del carbón con cenizas que incrementan la velocidad del gas, dificultando el craqueo de hidrocarburos y con ello la eliminación del alquitrán generado durante el proceso.
Sin embargo, la agitación del char o carbón que se encuentra sobre la parrilla presenta el inconveniente de que favorece la caída de carbón o char a través de los orificios de la parrilla, lo que supone una pérdida nada despreciable de rendimiento del sistema de gasificación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo de la presente invención es resolver los inconvenientes mencionados, desarrollando un sistema y proceso de gasificación de biomasa combustible que presenta la ventaja de que asegura la eliminación de alquitranes del gas final obtenido sin que se produzcan pérdidas del rendimiento de gasificación.
De acuerdo con este objetivo, según un primer aspecto la presente invención proporciona un sistema de gasificación de biomasa combustible que comprende un reactor de lecho móvil en corrientes paralelas o “downdraft” provisto de una parrilla de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación. El sistema se caracteriza por el hecho de que dicha parrilla está montada desplazable verticalmente en el interior de una cámara de reducción del reactor dispuesta bajo la zona de oxidación del mismo reactor, comprendiendo dicho sistema medios de procesamiento y control para accionar dicha parrilla en función de la velocidad o temperatura de salida del gas, permitiendo dicha parrilla desplazable y dichos medios de control la ampliación o reducción de la capacidad de dicha cámara para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad de salida del gas.
En el sistema de la presente invención, cuando se detecta un incremento de la velocidad del gas ocasionado por problemas de solapamiento del carbón con cenizas, la parrilla puede desplazarse verticalmente hacia arriba reduciendo la capacidad de la cámara de reducción lo que permite deshacer los solapamientos sin agitación del carbón o char. De este modo, la velocidad del gas de salida se mantiene sustancialmente constante asegurando el craqueo de hidrocarburos volátiles y la eliminación del alquitrán.
El sistema reivindicado presenta la ventaja, a diferencia de los sistemas del estado de la técnica, de que al desplazarse la parrilla del reactor verticalmente, el carbón o char no resulta agitado, por lo que la pérdida de carbón a través de los orificios de la parrilla es mínima. Gracias a ello, los problemas de eliminación de alquitrán ocasionados por los solapamientos de cenizas pueden solucionarse sin que se traduzcan en una pérdida de rendimiento del proceso.
Otra ventaja del sistema de la presente invención radica en el hecho de que permite mantener sustancialmente constante la reactividad del combustible lo que redunda también en la eliminación del contenido de alquitranes del gas de salida, ya que una baja reactividad favorece la formación de hidrocarburos volátiles en la zona de reducción del reactor.
Así, en el sistema de la presente invención, cuando se detecta un incremento de la velocidad del gas ocasionado por una falta de reactividad del combustible (causada por ejemplo, por la heterogeneidad en el tipo o tamaño de biomasa), la parrilla puede desplazarse verticalmente hacia abajo o hacia arriba reduciendo o aumentando la capacidad de la cámara de reducción para favorecer una mayor reactividad de dicho combustible. Una vez alcanzada la reactividad deseada, la parrilla puede desplazarse hacia abajo ampliando la capacidad de la cámara para mantener constante la temperatura y la velocidad de salida del gas.
Según una realización preferida, dicha cámara de reducción presenta una configuración sustancialmente cilíndrica y la zona de oxidación del reactor incluye una cámara de oxidación de configuración troncocónica, siendo el diámetro del cuello de dicha cámara de oxidación inferior al diámetro de la cámara de reducción que aloja la parrilla.
Al ser el diámetro de la cámara de reducción superior al diámetro del cuello de la cámara de oxidación, la velocidad del gas en la cámara de reducción disminuye de forma acusada favoreciendo de forma muy significativa el craqueo de hidrocarburos volátiles y, con ello, la eliminación de alquitrán.
Preferiblemente, el cuello de dicha cámara troncocónica de oxidación está dispuesto de modo que penetra en el interior de la cámara cilíndrica de reducción del reactor que aloja la parrilla.
Se ha observado que al penetrar el cuello en el interior de la cámara se favorece la formación en la cámara de reducción de zonas de acumulación de volátiles para su craqueo.
En efecto, al penetrar el cuello de la cámara troncocónica en la zona de reducción y ser la superficie de la zona de reducción el doble que la superficie del cuello, esto impide que los gases se desplacen por el lugar más fácil que es la pared del cilindro de la cámara de reducción, sin ser craqueados.
Ventajosamente, el diámetro del extremo superior de la cámara troncocónica de oxidación es sustancialmente el doble del diámetro del cuello de la misma cámara, formando los lados de dicha cámara troncocónica un ángulo a con la vertical que está comprendido entre 20º y 40º.
Otra vez ventajosamente, dicho reactor incluye una zona de pirolisis provista de una cámara de configuración troncocónica.
Se ha observado que esta configuración favorece el desplazamiento uniforme de la columna de combustible.
Preferiblemente, dicha cámara de reducción está dispuesta en el interior de una cámara de recogida de cenizas, estando provista dicha cámara de cenizas de un conducto de salida de gas situado en una posición superior a la parrilla.
Al estar el conducto de salida de gas en una posición superior a la parrilla, se produce en la cámara de cenizas un efecto ciclón que favorece la separación de las partículas de ceniza del gas.
Preferiblemente, el reactor incluye una segunda parrilla montada rotatoria con respecto a la primera parrilla, siendo susceptible dicha segunda parrilla de desplazarse también verticalmente junto a dicha primera parrilla en el interior de dicha cámara de reducción.
Esta segunda parrilla rotatoria posibilita una limpieza más eficaz de la parrilla inferior a través de la que caen las cenizas.
Ventajosamente, el diámetro de los orificios de dicha segunda parrilla rotatoria es superior al diámetro de los orificios de la primera parrilla.
Se ha observado que de este modo se produce un efecto cizalla que favorece la limpieza de la parrilla inferior.
Otra vez ventajosamente, la configuración de las parrillas es sustancialmente cónica o troncocónica.
De este modo, las superficies inclinadas de esta configuración facilitan la caída del residuo cuando estas parrillas son extraídas de la cámara de reducción para su limpieza.
Preferiblemente, dicho reactor incluye un conducto vertical unido solidario a dicha segunda parrilla, comprendiendo el extremo superior de dicho conducto una pluralidad de conductos laterales provistos de orificios para introducir un agente gasificante en la cámara de reducción.
Otra vez preferiblemente, dicho sistema comprende por lo menos dos cilindros fluido dinámicos asociados a dichos medios de control para accionar dicha primera parrilla, permitiendo la carrera de dichos cilindros el descenso de la parrilla hasta una posición exterior a la cámara de reducción para llevar a cabo la limpieza total de dicha cámara.
Ventajosamente, dichos cilindros fluido dinámicos están dispuestos suspendidos verticalmente en el bastidor del reactor, estando unido el extremo inferior de cada uno de dichos émbolos a una barra horizontal unida solidariamente a un perfil que incluye una estructura de soporte de las dos parrillas.
Según una realización del sistema en la que se desea aprovechar el gas de salida del reactor para producir energía eléctrica mediante un grupo electrógeno, dicho sistema comprende un dispositivo para filtrar el gas procedente del reactor, incluyendo dicho dispositivo;
-
un primer conducto dispuesto sustancialmente vertical que comprende en su interior una pluralidad de filtros de mangas provistos de un material textil filtrante resistente a altas temperaturas, siendo conducido el gas en el interior de dicho conducto desde una entrada inferior hasta una salida superior,
-
un segundo conducto en el que se aloja de manera coaxial dicho primer conducto, estando provisto dicho segundo conducto de una entrada superior de gas, definiendo ambos conductos un espacio a través del que circula el gas desde dicha entrada superior hasta la entrada inferior de dicho primer conducto, y
-
un tercer conducto exterior de refrigeración en el que se aloja de manera coaxial dicho segundo conducto, definiendo ambos conductos un espacio a través del que circula aire del exterior desde una entrada inferior hasta una salida superior del dispositivo, llevándose a cabo mediante dicho aire un intercambio térmico con el gas antes de que este sea filtrado por dichos filtros de mangas.
Gracias a estas características se obtiene un dispositivo de filtrado que presenta la ventaja de que enfría de un modo muy eficaz el gas de salida del reactor hasta valores que permiten el empleo de filtros de mangas que resultan mucho más eficaces que los ciclones para separar partículas sólidas.
Ventajosamente, dicho reactor comprende una cámara de admisión de aire procedente del tercer conducto de refrigeración del dispositivo de filtrado del gas, estando situada dicha cámara alrededor de la zona de oxidación del reactor e incluyendo dicha cámara un conducto para suministrar dicho aire a un número impar de toberas de entrada de aire de dicha zona de oxidación. El número impar de toberas oscilará de 3 a 15 según el tamaño del reactor.
Esta cámara permite el calentamiento del aire de refrigeración del dispositivo de filtrado para aprovecharlo como agente gasificante. De este modo, se obtiene un sistema con una elevada eficiencia energética.
Preferiblemente, dicho sistema comprende por lo menos un dispositivo de intercambio térmico para enfriar y limpiar el gas procedente del reactor, incluyendo dicho dispositivo;
-
por lo menos un primer conducto dispuesto sustancialmente vertical por el que circula en su interior aire o agua para enfriar el gas,
-
un segundo conducto en el que se aloja de manera coaxial dicho primer conducto, estando provisto dicho segundo conducto de una entrada y salida de gas, definiendo ambos conductos un espacio a través del que circula el gas desde dicha entrada hasta dicha salida para ser enfriado, siendo recogidos por gravedad los líquidos de condensación en la base de dicho segundo conducto, y
-
un cierre hidráulico conectado a la base de dicho segundo conducto para permitir la purga en continuo de dichos líquidos de condensación.
Gracias a estas características se obtiene un dispositivo para enfriar y filtrar el gas que es muy fácil de manejar y mantener, ya que los jugos piroleñosos o líquidos de condensación se concentran en la base del dispositivo desde donde pueden ser purgados en continuo.
Otra vez preferiblemente, dicho sistema comprende un dispositivo para eliminar alquitrán provisto de un ventilador centrífugo de álabes para aspirar el gas, permitiendo dicho ventilador la separación de partículas de alquitrán al impactar dicho gas con los álabes de dicho ventilador.
Ventajosamente, dicho dispositivo desalquitranador comprende unas cubetas dispuestas en cascada en el interior de un conducto que conduce el gas desde una entrada superior a la que está acoplada dicho ventilador hasta una salida inferior que recoge el gas limpio.
El gas impacta contra las planchas de las cubetas lo que origina un choque de las partículas de agua y alquitrán produciéndose la separación de dicho alquitrán, que desciende por gravedad y ayudado también por la velocidad del gas, hasta un deposito inferior.
De este modo, las partículas de alquitrán que todavía puede contener el gas después de ser filtrado y enfriado son separadas de un modo muy eficiente, obteniéndose un gas con unas condiciones óptimas para utilizar como combustible en un grupo electrógeno.
Según un segundo aspecto, la presente invención proporciona un proceso de gasificación de biomasa combustible mediante un reactor de lecho móvil en corrientes paralelas o “down draft” provisto de una parrilla de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación. Este proceso se caracteriza por el hecho de incluye la etapa de ampliar o reducir la capacidad de una cámara de reducción de gases del reactor para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad del gas de salida del reactor, llevándose a cabo dicha etapa mediante el desplazamiento vertical de dicha parrilla en el interior de dicha cámara en función de la velocidad y temperatura del gas.
El proceso reivindicado presenta la ventaja de que permite controlar los problemas de temperatura y velocidad del gas ocasionados por los solapamientos de cenizas o por la falta de reactividad de combustible de un modo muy cómodo, sin que el carbón o char del interior de la cámara de reducción resulte agitado y se derive en una pérdida de carbón y, por lo tanto, de rendimiento.
Así, gracias al proceso reivindicado, la velocidad y temperatura del gas de salida se mantiene sustancialmente constante asegurando el craqueo de hidrocarburos volátiles y la eliminación del alquitrán.
Preferiblemente, dicho reactor incluye una segunda parrilla montada rotatoria con respecto a dicho primera parrilla, y dicho proceso incluye la etapa de girar alternativamente dicha segunda parrilla en función de la temperatura y velocidad de salida del gas, llevándose a cabo dicho movimiento rotatorio antes o después de desplazar verticalmente dichas dos parrillas en el interior de dicha cámara de reducción.
La rotación alternativa de la segunda parrilla facilita la limpieza eficaz de la primera parrilla, lo cual contribuye en el mantenimiento de una temperatura y velocidad del gas constante.
Según una realización preferida del proceso en el que se desea aprovechar el gas de salida del reactor como combustible en un grupo electrógeno (sistema diesel o sistema Otto) para producir energía eléctrica, dicho proceso comprende las etapas de;
a) enfriar el gas de salida del reactor hasta una temperatura comprendida entre 300ºC y 550ºC,
b) filtrar en un filtro de mangas el gas enfriado de la etapa a) para separar partículas sólidas,
c) limpiar el gas filtrado de la etapa b) enfriando dicho gas hasta una temperatura comprendida entre 80ºC y 100ºC en un primer dispositivo de intercambiado térmico provisto de medios para recoger los líquidos de condensación de dicho gas,
d) limpiar el gas de la etapa c) enfriando dicho gas hasta una temperatura comprendida entre 30ºC y 40ºC en un segundo dispositivo intercambiador térmico también provisto de medios para recoger los líquidos de condensación,
e) limpiar el gas de la etapa d) haciendo impactar a alta velocidad dicho gas en los alabes de la turbina de aspiración de un ventilador centrífugo para separar el alquitrán y, adicionalmente, haciendo impactar el gas en unas cubetas dispuestas en cascada en el interior de un conducto.
El proceso reivindicado presenta la ventaja de que el enfriamiento y limpieza del gas se lleva a cabo de un modo progresivo, lo que facilita una recogida escalonada de las partículas y líquidos de condensación que se traduce en una mejora del mantenimiento de la instalación.
La temperatura que favorece la máxima eliminación del alquitrán por impacto es la de 30 – 40ºC por esta razón se ha dispuesto el desalquitranador después de los dispositivos intercambiadores térmicos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
En dichos dibujos,
las figuras 1 y figuras 2 son dos secciones longitudinales esquemáticas del reactor del sistema de la presente invención que muestran dos posiciones de las parrillas en el interior de la cámara de reducción.
la figura 3 muestra un detalle del reactor de la figura 1.
la figura 4 muestra una vista en perspectiva del conjunto de la primera y segunda parrilla y los conductos de entrada de aire.
la figura 5 muestra una sección longitudinal esquemática de la segunda parrilla rotatoria y de los conductos de entrada de aire.
las figuras 6 y 7 muestran dos secciones longitudinales esquemáticas del dispositivo para filtrar el gas a alta temperatura.
la figura 8 muestra una sección longitudinal esquemática de un primer dispositivo de intercambio térmico para enfriar y limpiar el gas.
la figura 9 muestra una sección longitudinal esquemática de un segundo dispositivo de intercambio térmico para enfriar y limpiar el gas.
la figura 10 muestra una sección longitudinal esquemática del dispositivo para eliminar alquitrán provisto del ventilador centrífugo.
DESCRIPCION DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
Tal y como puede verse en las figuras 1 y 2, el sistema de la presente invención emplea un reactor 1 de lecho móvil en corrientes paralelas o “down draft” que incluye una parrilla 2 de sostén de la biomasa a través de cuyos orificios caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación.
A diferencia de otros reactores del estado de la técnica, la parrilla 2 está montada desplazable verticalmente en el interior de una cámara 3 de reducción de configuración cilíndrica que está situada bajo la cámara 4 de oxidación de configuración troncocónica del mismo reactor 1 que está provista de toberas 5 para la entrada de agente gasificante. Sobre la cámara 4 de oxidación se halla la cámara 6 de pirolisis que posee igualmente una configuración troncocónica para facilitar el desplazamiento uniforme de la columna de biomasa.
La figura 3 muestra un detalle del interior del reactor 1 en el que se aprecia el diámetro inferior del cuello 4a de la cámara 4 de oxidación dispuesto en el interior de la cámara 3 de reducción. Gracias a ello, la velocidad del gas después de pasar por el cuello 4a disminuye de forma acusada favoreciendo de forma muy significativa el craqueo de hidrocarburos volátiles y, con ello, la eliminación de alquitrán en la cámara 3 de reducción.
Tal y como puede verse en las figuras 1 y 2, la cámara 3 de reducción que aloja la parrilla 2 está dispuesta en el interior de una cámara 7 que recoge las cenizas que pasan por los orificios 3 de la parrilla 2. Esta cámara 7 posee un conducto de salida de gas que está situado en una posición superior a la parrilla 2 favoreciendo un efecto ciclón que facilita la separación de partículas.
El sistema de la presente invención presenta la ventaja de que el reactor 1 incluye, además de la parrilla 2, una segunda parrilla 8 montada rotatoria con respecto a la primera parrilla 2, siendo susceptible dicha segunda parrilla 8 de desplazarse también verticalmente junto a la primera parrilla 2 en el interior de la cámara 3 de reducción.
Tal y como puede verse en detalle en la figura 5, la segunda parrilla 8 rotatoria está unida solidaria a un conducto 9 de entrada de aire que posee una pluralidad de conductos 10 laterales provistos de orificios 11 para introducir dicho aire en la cámara 3 de reducción. El conducto 9 de entrada de aire se extiende verticalmente hasta la base del reactor 1 donde está asociado a un medio de accionamiento (no representado) que lo hace girar para hacer rotar dicha parrilla 8 y conductos 10 laterales.
En la realización que se describe, los orificios 12 de la parrilla 8 rotatoria poseen un diámetro que es superior al diámetro que poseen los orificios de la primera parrilla 2, ya que se ha observado que de este modo se produce un efecto cizalla que favorece la limpieza de la parrilla 2 inferior.
Para poder desplazar verticalmente ambas parrillas 2, 8 en el interior de la cámara 3 de reducción, se ha previsto un par de cilindros neumáticos que están dispuestos suspendidos verticalmente a ambos lados del bastidor 13 del reactor 1.
El extremo libre inferior del émbolo de cada uno de dichos cilindros está unido a una barra horizontal que está unida por uno de sus extremos a un perfil 14 que incluye una estructura 15 de soporte de las dos parrillas 2 y 8. Este perfil 14 aloja de forma coaxial el conducto 9 de entrada de aire al que está unido solidario la parrilla 8 rotatoria.
Al accionar los cilindros neumáticos, el émbolo de cada uno de dichos cilindros se desplaza verticalmente junto con las barras accionando el perfil 14 que incluye la estructura 15 de soporte de las parrillas 2 y
8. De este modo, dichas parrillas 2 y 8 pueden ser desplazadas verticalmente en el interior de la cámara 3 de reducción para ampliar o reducir la capacidad de dicha cámara 3.
En la realización que se describe, la carrera de los cilindros neumáticos se ha diseñado para permitir el descenso de la parrilla 2 hasta una posición exterior a la cámara 3 de reducción que permite llevar a cabo la limpieza total de dicha cámara 3.
Los cilindros neumáticos se accionan mediante un sistema electrónico que consta de un potenciómetro de 4 a 20 mA en el que los 4 mA corresponden a émbolos totalmente cerrados, los 20 mA corresponden a émbolos totalmente abiertos y los 12 mA a émbolos parcialmente abiertos que se corresponde con el punto “0”, o punto normal de funcionamiento en el que la parrilla 2 está en el interior de la cámara 3 en su punto más bajo.
El potenciómetro está asociado a un controlador electrónico (PLC) que controla, entre otros parámetros, la velocidad y la temperatura del gas de salida del reactor 1. De este modo, las parrillas 2 y 8 pueden ser accionadas por dichos cilindros en función de la temperatura y velocidad de salida del gas.
Tal y como se ha comentado en la descripción de la invención, cuando se desea aprovechar el gas para producir energía eléctrica, es necesario someter el gas que sale del reactor 1 a un proceso exhaustivo de limpieza. En la realización que se describe, para llevar a cabo dicha limpieza se ha previsto un nuevo dispositivo 16 de filtrado a alta temperatura y dos dispositivos 17,18 de intercambio térmico para enfriar y limpiar el gas una vez filtrado.
Tal y como puede verse en las figuras 6 y 7 el dispositivo 16 de filtrado incluye un primer conducto 17 dispuesto sustancialmente vertical que comprende en su interior una pluralidad de filtros 18 de mangas provistos de un material textil filtrante resistente a altas temperaturas a través de los que pasa el gas desde una entrada 19 inferior hasta una salida 20 superior del conducto 17.
El conducto 17 que posee los filtros 18 de mangas está alojado de manera coaxial en el interior de un segundo 21 conducto de modo que ambos conductos 17, 21 definen un espacio 22 a través del que circula el gas desde una entrada 23 superior hasta la entrada 19 inferior de dicho primer 17 conducto.
Para poder refrigerar el gas que circular por el espacio 22, se ha previsto un tercer 24 conducto exterior de refrigeración en el que se aloja de manera coaxial dicho segundo 21 conducto de modo que ambos conductos 21, 24 definen un espacio 25 a través del que circula aire del exterior desde una entrada 26 inferior hasta una salida 27 superior del dispositivo 16, llevándose a cabo mediante dicho aire un intercambio térmico con el gas antes de que este sea filtrado por dichos filtros 18 de mangas.
Gracias a estas características se obtiene un dispositivo de filtrado que presenta la ventaja de que enfría de un modo muy eficaz el gas de salida del reactor hasta una temperatura comprendida entre 300ºC y 450ºC que permite el empleo de filtros 18 de mangas que resultan mucho más eficaces que los ciclones para separar partículas sólidas.
Además, el aire procedente del conducto 24 de refrigeración puede aprovecharse para emplear como agente gasificante en el reactor 1. Para ello, se ha previsto en el reactor una cámara 28 de admisión que recibe el aire de este conducto 24 y lo calienta en la zona de oxidación, antes de ser suministrado a las toberas 5 de inyección.
A la salida del dispositivo 16 de filtrado, el gas entra a un primer dispositivo 17 intercambiador térmico que enfría el gas hasta una temperatura comprendida entre 80ºC y 100ºC mediante una pluralidad de conductos refrigerantes 29 dispuestos sustancialmente verticales por los que circula en su interior agua (ver figura 8).
Estos conductos 29 refrigerantes están alojados de manera coaxial en el interior de un segundo conducto 30 que está provisto de una entrada 31 y salida 32 de gas, definiendo los conductos 29, 30 un espacio 33 a través del que circula el gas desde dicha entrada 31 hasta dicha salida 32 para ser enfriado, siendo recogidos por gravedad los líquidos de condensación en la base 34 de dicho segundo 30 conducto.
En la mencionada base 34 se ha diseñado un cierre 35 hidráulico para permitir la purga en continuo de dichos líquidos de condensación a través de un desagüe 36.
En la realización que se describe, se ha prevista un segundo dispositivo 18 de intercambio térmico que enfría el gas hasta una temperatura comprendida entre 30ºC y 40ºC mediante un conducto refrigerante 37 dispuesto sustancialmente vertical por el que circula en su interior aire (ver figura 9).
El conducto refrigerante 37 está alojado de manera coaxial en el interior de un segundo conducto 38 que está provisto de una entrada 39 y salida 40 de gas, definiendo los conductos 37, 38 un espacio 41 a través del que circula el gas desde dicha entrada 39 hasta dicha salida 40 para ser enfriado, siendo recogidos por gravedad los líquidos de condensación en la base 42 de dicho segundo 38 conducto.
En la mencionada base 42, se ha diseñado un cierre 43 hidráulico para permitir la purga en continuo de dichos líquidos de condensación a través de un desagüe 44.
A la salida de este último dispositivo 18 intercambiador térmico y para completar la limpieza del gas, se ha previsto el dispositivo 45 para eliminar alquitrán que muestra la figura 10.
Este dispositivo 45 incluye un ventilador 46 centrífugo de alabes para aspirar el gas, por ejemplo un ventilador 46 centrífugo de 3000 rpm, con un caudal nominal de entrada de fluido superior al del gas que circula por el sistema para permitir que dicho gas impacte a alta velocidad varias veces con los alabes del ventilador 46. De este modo, el alquitrán que lleva el gas puede ser separado por impacto y recogido por gravedad a través de unas cubetas 47 dispuestas en cascada en el interior de un conducto 48 que conduce el gas desde una entrada superior 49 a la que está acoplado el ventilador 46 hasta una salida 50 inferior que recoge el gas limpio. Tal y como puede verse en la figura 10, en este caso, también se ha previsto un cierre 51 hidráulico en la base 52 del conducto 48 para permitir la purga continuo del alquitrán.
A la salida del dispositivo 45 desalquitranador, el gas pasa por un filtro convencional de alta eficiencia y, seguidamente, por un secador convencional frigorífico para eliminar el vapor de agua. A continuación el gas es comprimido en un depósito mediante la soplante del propio sistema hasta adquirir una presión de 350 mbar para llegar a una temperatura comprendida entre 40ºC y 50ºC, que es la óptima para su entrada al grupo electrógeno.
A continuación se describe un ejemplo de funcionamiento del sistema en el que se incluye un proceso para controlar los problemas de temperatura y velocidad del gas ocasionados por los solapamientos de cenizas o por la falta de reactividad de combustible.
En el ejemplo que se describe, al iniciar un ciclo de funcionamiento, la parrilla 2 se encuentra en la cámara 3 de reducción en su punto más bajo en unas condiciones estables de funcionamiento que previamente se han programado. Si el reactor 1 se desestabiliza aumentado la velocidad del gas de salida, llegado un valor de depresión predeterminado, el controlador electrónico (PLC) dará orden de efectuar un movimiento rotatorio de la parrilla superior 8 que permitirá la limpieza de la parrilla 2 inferior. Si en un periodo de tiempo corto dicha parrilla 8 superior efectúa varios movimientos alternativos, el controlador electrónico determinará que hay un problema de solapamientos o falta de reactividad del combustible. Acto seguido, subirá las dos parrillas 2 y 8 unos cuantos centímetros para deshacer los solapamientos. Si pasado un tiempo predeterminado, la velocidad del gas sigue siendo alta, el controlador electrónico dará orden de subir otra vez las dos parrillas 2 y 8 unos cuantos centímetros más, y así sucesivamente, hasta crear un punto de estabilidad. Llegado este momento, si la temperatura del gas de salida sube demasiado o la velocidad del gas es baja, el controlador dará orden de descender las parrillas 2 y 8 hasta volver a encontrar la estabilidad programada. Si llegado un punto no se encuentra la estabilidad, el controlador dará la orden de descender las parrillas 2 y 8 hasta el exterior de la cámara 3 de reducción para efectuar la limpieza de la zona de reducción. Opcionalmente, si es por problema de solapamiento, la estabilidad puede favorecerse insuflando aire que entrará, después de abrir el PLC una electroválvula, por los conductos 10 que forman el hexágono encima de las dos parrillas 2, 8.
Tal y como se ha comentado en la descripción de la invención, a diferencia del estado de la técnica, en el proceso reivindicado la velocidad y temperatura del gas de salida se mantiene sustancialmente constante asegurando el craqueo de hidrocarburos volátiles y la eliminación del alquitrán sin que ello se derive en una pérdida de rendimiento.
A pesar de que se ha descrito y representado una realización concreta de la presente invención, es
evidente que el experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o substituir los detalles por otros
técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (21)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema para gasificar biomasa combustible que comprende un reactor (1) de lecho móvil en
    corrientes paralelas o “down draft”, estando provisto dicho reactor (1) de una parrilla (2) de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación, caracterizado por el hecho de que dicha parrilla (2) está montada desplazable verticalmente en el interior de una cámara (3) del reactor (1) destinada a la reducción de los productos procedentes de la zona de oxidación del mismo reactor (1), comprendiendo dicho sistema medios de procesamiento y control para accionar dicha parrilla (2) en función de la velocidad y temperatura de salida del gas, permitiendo dicha parrilla (2) desplazable y dichos medios de control la ampliación o reducción de la capacidad de dicha cámara (3) para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad de salida del gas.
  2. 2.
    Sistema según la reivindicación 1, en el que dicha cámara (3) de reducción presenta una configuración sustancialmente cilíndrica y la zona de oxidación del reactor (1) incluye una cámara (4) de oxidación de configuración troncocónica, siendo el diámetro del cuello (4a) de dicha cámara (4) de oxidación inferior al diámetro de la cámara (3) de reducción que aloja la parrilla (2).
  3. 3.
    Sistema según la reivindicación 2, en el que el cuello (4a) de dicha cámara (4) troncocónica de oxidación está dispuesto de modo que penetra en el interior de la cámara (3) cilíndrica de reducción del reactor (3) que aloja la parrilla (2).
  4. 4.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, en el que el diámetro del extremo superior de la cámara (4) troncocónica de oxidación es sustancialmente el doble del diámetro del cuello (4a) de la misma cámara (4), formando los lados de dicha cámara (4) troncocónica un ángulo a con la vertical comprendido entre 20º y 40º.
  5. 5.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que dicho reactor (1) incluye una zona de pirolisis provista de una cámara (6) de configuración troncocónica.
  6. 6.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha cámara (3) de reducción está dispuesta en el interior de una cámara (7) de recogida de cenizas, estando provista dicha cámara (7) de cenizas de un conducto de salida de gas situado en una posición superior a la parrilla (2) para facilitar la caída de partículas.
  7. 7.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una segunda parrilla (8) montada rotatoria con respecto a la primera parrilla (2), siendo susceptible dicha segunda parrilla (8) de desplazarse también verticalmente junto a dicha primera parrilla (2) en el interior de dicha cámara (3) de reducción.
  8. 8.
    Sistema según la reivindicación 7, en el que dicho reactor (1) incluye un conducto (9) vertical unido solidario a dicha segunda parrilla (8), comprendiendo el extremo superior de dicho conducto (9) una pluralidad de conductos (10) laterales provistos de orificios (11) para introducir un agente gasificante en la cámara (3) de reducción.
  9. 9.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, en el que el diámetro de los orificios (12) de dicha segunda parrilla (8) rotatoria es superior al diámetro de los orificios de la primera parrilla (2).
  10. 10.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que la configuración de las parrillas (2, 8) es sustancialmente cónica o troncocónica.
  11. 11.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un par de cilindros fluido dinámicos asociados a dichos medios de control para accionar dicha primera parrilla (2), permitiendo la carrera de dichos cilindros el descenso de la parrilla (2) hasta una posición exterior a la cámara (3) de reducción para llevar a cabo la limpieza total de dicha cámara (3).
  12. 12.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo (16) para filtrar el gas procedente del reactor (1), incluyendo dicho dispositivo (16) ;
    -
    un primer conducto (17) dispuesto sustancialmente vertical que comprende en su interior una pluralidad de filtros (18) de mangas provistos de un material textil filtrante resistente a altas temperaturas, siendo conducido el gas en el interior de dicho conducto (17) desde una entrada (19) inferior hasta una salida (20) superior,
    -
    un segundo conducto (21) en el que se aloja de manera coaxial dicho primer conducto (17), estando provisto dicho segundo conducto (21) de una entrada (23) superior de gas, definiendo ambos conductos (17, 21) un espacio (22) a través del que circula el gas desde dicha entrada (23) superior hasta la entrada (19) inferior de dicho primer conducto (17), y
    -
    un tercer conducto (24) exterior de refrigeración en el que se aloja de manera coaxial dicho segundo conducto (21), definiendo ambos conductos (21, 24) un espacio (25) a través del que circula aire del exterior desde una entrada (26) inferior hasta una salida (27) superior del dispositivo (16), llevándose a cabo mediante dicho aire un intercambio térmico con el gas antes de que este sea filtrado por dichos filtros (18) de mangas.
  13. 13.
    Sistema según la reivindicación 12, en el que dicho reactor (1) comprende una cámara (28) de admisión de aire procedente de dicho tercer conducto (24) de refrigeración del dispositivo (16) de filtrado del gas, estando situada dicha cámara (28) alrededor de la zona de oxidación del reactor (1) e incluyendo dicha cámara (28) un conducto para suministrar dicho aire a un número impar de toberas (5) de entrada de aire de dicha zona de oxidación.
  14. 14.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo (17, 18) de intercambio térmico para enfriar y limpiar el gas procedente del reactor (1), incluyendo dicho dispositivo;
    -
    por lo menos un primer conducto (29, 37) dispuesto sustancialmente vertical por el que circula en su interior aire o agua para enfriar el gas,
    -
    un segundo conducto (30, 38) en el que se aloja de manera coaxial dicho primer conducto (29,37), estando provisto dicho segundo conducto (30, 38) de una entrada (31, 39) y salida (32, 40) de gas, definiendo ambos conductos (29,27,30,38) un espacio (33, 41) a través del que circula el gas desde dicha entrada (31,39) hasta dicha salida (32, 40) para ser enfriado, siendo recogidos por gravedad los líquidos de condensación en la base (34, 42) de dicho segundo conducto (30, 38), y
    -
    un cierre hidráulico (35, 43) conectado a la base (34, 42) de dicho segundo conducto (30, 38) para permitir la purga en continuo de dichos líquidos de condensación.
  15. 15. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 14, que comprende un dispositivo (45) para eliminar alquitrán provisto de un ventilador (46) centrífugo de álabes para aspirar el gas, permitiendo dicho ventilador
    (46) la separación de partículas de alquitrán al impactar dicho gas con los álabes de dicho ventilador (46).
  16. 16.
    Sistema según la reivindicación 15, en el que dicho dispositivo (45) comprende unas cubetas (47) dispuestas en cascada en el interior de un conducto (48) que conduce el gas desde una entrada (49) superior a la que está acoplada dicho ventilador (46) hasta una salida (50) inferior que recoge el gas limpio.
  17. 17.
    Proceso de gasificación de biomasa combustible mediante un reactor (1) de lecho móvil en corrientes paralelas o “down draft”, estando provisto dicho reactor (1) de una parrilla (2) de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación, caracterizado por el hecho de incluye la etapa de ampliar o reducir la capacidad de una cámara (3) de reducción de gases del reactor (1) para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad del gas de salida del reactor (1), llevándose a cabo dicha etapa mediante el desplazamiento vertical de dicha parrilla (2) en el interior de dicha cámara (3) en función de la velocidad y temperatura del gas.
  18. 18.
    Proceso según la reivindicación 17, que incluye la etapa de girar alternativamente una segunda parrilla (8) sobre dicha primera parrilla (2), llevándose a cabo dicho movimiento rotatorio antes o después de desplazar verticalmente dichas dos parrillas (2, 8).
  19. 19. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 18, que incluye las etapas de;
    a) enfriar el gas de salida del reactor (1) hasta una temperatura comprendida entre 300ºC y 550ºC,
    b) filtrar en un filtro (18) de mangas el gas enfriado en la etapa a) para separar partículas sólidas,
    c) limpiar el gas filtrado de la etapa b) enfriando dicho gas hasta una temperatura comprendida entre 80ºC y 100ºC en un primer dispositivo (17) intercambiador térmico provisto de medios (35, 36) para recoger los líquidos de condensación de dicho gas,
    d) limpiar el gas de la etapa c) enfriando dicho gas hasta una temperatura comprendida entre 30ºC y 40ºC en un segundo dispositivo (18) intercambiador térmico también provisto de medios (43, 44) para recoger los líquidos de condensación,
    e) limpiar el gas de la etapa d) haciendo impactar a alta velocidad dicho gas en los álabes de la turbina de aspiración de un ventilador (46) centrífugo para separar el alquitrán y, adicionalmente, haciendo impactar el gas en unas cubetas (47) dispuestas en cascada en el interior de un conducto (48).
    ES 2 390 146 A1
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201130201
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 15.02.2011
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    ES 2143251 T3 (VERWERTUNG UND ENTSORGUNG VON) 01.05.2000, 1-19
    columna 1, líneas 5-10; columna 2, líneas 50-65; columna 4, líneas 23-30.
    A
    ES 2206056 A1 (GONZALO CALLEJO ALBERTO IGNACI; SANCHEZ CEBRIAN JOSE LUIS) 1-19
  20. 01.05.2004, columna 1, líneas 1-15; columna 3, líneas 1-5,42-52.
    A
    US 4583992 A (BUCK ROGERS MFG CO INC) 22.04.1986, 1-19
    figuras 1,10.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 23.10.2012
    Examinador I. González Balseyro Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201130201
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD C10J3/00 (2006.01)
    C10B53/02 (2006.01) B01J19/18 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    C10J, C10B, B01J
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTUS, TXTEP1, TXTGB1, XPESP
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201130201
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 23.10.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-19 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-19 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201130201
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    ES 2143251 T3 (VERWERTUNG UND ENTSORGUNG VON) 01.05.2000
    D02
    ES 2206056 A1 (GONZALO CALLEJO ALBERTO IGNACI; SANCHEZ CEBRIAN JOSE LUIS) 01.05.2004
    D03
    US 4583992 A (BUCK ROGERS MFG CO INC) 22.04.1986
  21. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención es un sistema y proceso para gasificar biomasa en un reactor en equicorriente que tiene una parrilla móvil que permite su desplazamiento vertical para ajustar el volumen de la cámara de reducción según las necesidades del proceso.
    El documento D01 divulga un procedimiento y un dispositivo para la producción de gas combustible mediante gasificación de productos que tienen carbono. Dicho dispositivo tiene una parrilla oblicua móvil para la descarga de la ceniza. (Ver columna 1, líneas 5-10; columna 2, líneas 50-65; columna 4, líneas 23-30).
    El documento D02 divulga un proceso y un dispositivo de gasificación de biomasa donde el reactor de lecho móvil tipo “downdraft” consta de una parrilla giratoria que sirve de soporte a la biomasa y permite el paso de las cenizas a través de las ranuras o agujeros de la misma, así como de un sistema de paletas giratorias que empujan las cenizas a una tolva. (Ver columna 1, líneas 1-15; columna 3, líneas 1-5, 42-52).
    El documento D03 divulga un proceso y un dispositivo de gasificación de biomasa donde la biomasa se encuentra soportada en una parrilla giratoria con ranuras. (Ver figuras 1 y 10).
    Ninguno de los documentos D01-D03 citados o cualquier combinación relevante de los mismos revelan un sistema y un proceso de gasificación de biomasa en un reactor en equicorriente que tenga una parrilla con movimiento vertical con la ventaja de poder ajustar el volumen de la cámara de reducción a las necesidades del proceso.
    Por lo tanto, se considera que la invención recogida en las reivindicaciones 1-19 cumple los requisitos de novedad y actividad inventiva, según lo establecido en los Artículos 6.1 y 8.1 de la Ley de Patentes.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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