ES2405843A2

ES2405843A2 - Método y sistema integrado para producir energía eléctrica y un fertilizante

Info

Publication number: ES2405843A2
Application number: ES201190073A
Authority: ES
Inventors: Charles William Douglas Blandy
Original assignee: Industrial Ecosystems Pty Ltd
Current assignee: Industrial Ecosystems Pty Ltd
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2013-06-04
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: ES2405843B1; ES2405843R1; NZ597135A; AU2010256286A1; US20120125062A1; ZA201109303B; AU2010256286B2; WO2010139028A1; CA2765859A1; US8758472B2

Abstract

Método y sistema integrado para producir energía eléctrica y un fertilizante. La presente invención se refiere a un método y a un sistema para producir energía eléctrica y un fertilizante. El método comprende las etapas de: (a) quemar biomasa para producir energía para la generación de energía eléctrica y gas de escape; (b) producir un licor a partir de los compuestos extraídos del gas de escape; y (c) producir un fertilizante compostando materiales orgánicos en presencia del licor.

Description

MÉTODO Y SISTEMA INTEGRADO PARA PRODUCIR ENERGÍA ELÉCTRICA Y UN FERTILIZANTE

Campo de la Invención

La presente invención se refiere a un método y a sistema integrado para producir energía eléctrica y un fertilizante. Más particularmente, la presente invención se refiere a un método y a un sistema integrado para producir energía eléctrica a partir de combustión de biomasa y un fertilizante que comprende constituyentes orgánicos e inorgánicos.

Antecedentes de la Invención

En esta memoria descriptiva, cuando se hace referencia o se analiza un documento, acta o artículo de conocimiento, esta referencia o análisis no es una admisión de que el documento, acta o artículo de conocimiento o cualquier combinación de los mismos en la fecha de prioridad era:

(i) parte del conocimiento común general; o

(ii) conocido que sea relevante para intentar resolver cualquier problema con el que esté relacionada esta memoria descriptiva.

La Solicitud de Patente Internacional WO 2007131301 publicada por el solicitante describe un sistema integrado de generación de energía y producción de un fertilizante orgánico. El calor residual co-generado de la combustión de biomasa se re-utiliza beneficiosamente para facilitar el compostaje de materiales orgánicos a lo largo de un ciclo de producción de doce meses.

Sería ventajoso adaptar el proceso descrito en el documento WO 2007131301 para obtener productos fibrosos de alto contenido en carbono, tales como paja de trigo, para uso como toda o parte de la materia prima en la producción del fertilizante orgánico. Sería ventajoso también minimizar o incluso eliminar la necesidad de obtener por separado componentes fertilizantes inorgánicos tales como oxígeno DAP, MAP superfosfato amoniacal, carbamato de amoniaco y posiblemente urea para su uso en el proceso.

La Solicitud de Patente de Estados Unidos Publicada Nº 2002/0010382 describe un proceso para incinerar material combustible, tal como residuos municipales y/o biomasa. La corriente efluente resultante de la combustión del material se absorbe de sus componentes medioambientalmente peligrosos en un lecho absorbente antes de purgar la corriente sustancialmente sin contaminantes a la atmósfera. El lecho absorbente se reactiva también con un agente de reactivación tal como dióxido de carbono o aire, con el agente de reactivación que lleva el contaminante reciclándolo a la cámara de combustión para descomponer por combustión.

La Solicitud de Patente Internacional Publicada Nº WO 2005/005786 describe un proceso para generar electricidad y producir un fertilizante. El proceso implica incinerar un material de biomasa para crear electricidad y producir ácido nítrico a partir de compuestos nitrogenosos extraídos de gases de escape producidos durante la combustión de la biomasa. Los fertilizantes basados en nitrógeno, tales como nitrato de amonio y nitrato cálcico, se producen haciendo reaccionar el ácido nítrico con una base fertilizante adecuada tal como amoniaco acuoso y carbonato de calcio respectivamente.

La Solicitud de Patente de Estados Unidos Publicada Nº 2008/0041284 describe un método para co-producir energía eléctrica y urea a partir de una material carbonoso tal como carbón vegetal, lignita, turba o biomasa. El material carbonoso se piroliza para producir un gas rico en materia prima y un producto carbonoso. El producto carbonoso se gasifica después con aire para producir un gas pobre en materia prima que a su vez se quema con aire para generar energía eléctrica. El gas rico producido a partir de la gasificación de aire se limpia para producir monóxido de carbono e hidrógeno. Finalmente, el hidrógeno se sintetiza con nitrógeno y dióxido de carbono capturado del gas de escape de la combustión del gas pobre para producir urea y agua.

La Solicitud de Patente de Estados Unidos Publicada Nº 2008/0040975 describe un proceso para maximizar el proceso del valor de un material carbonoso tal como carbón bituminoso, lignito, turba, coke o biomasa. El proceso implica pirolizar la materia carbonosa para producir un primer gas y una materia carbonosa caliente. La materia carbonosa caliente se divide en dos corrientes, dirigiéndose la primera a un gasificador para gasificarla para producir un segundo gas. La segunda corriente carbonosa se divide adicionalmente en dos sub-corrientes, calentando la primera para crear una sub-corriente de carbón activado o caliente. La urea se produce combinando el carbón activado caliente con los gases de escape producidos de la combustión del segundo gas. Finalmente, la urea se combina con la segunda sub-corriente de carbón activado para producir un fertilizante de urea mejorado.

Sumario de la Invención

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un método para producir energía eléctrica y un fertilizante, que comprende las etapas de:

quemar la biomasa para producir energía para la generación de energía eléctrica y un gas de escape;

producir un licor a partir de los compuestos extraídos del gas de escape; y

producir un fertilizante compostando los materiales orgánicos en presencia del licor.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporciona un sistema integrado para producir energía eléctrica y un fertilizante, comprendiendo el sistema:

una instalación de combustión de biomasa para que quemar la biomasa para producir energía para obtener energía eléctrica y un gas de escape; y

una instalación de compostaje para producir compost a partir de materiales orgánicos,

en la que se produce un licor a partir de compuestos extraídos del gas de escape y se dirige a la instalación de compostaje para producir un fertilizante compostando materiales orgánicos en presencia del licor.

Las realizaciones de la presente invención proporcionan un método y un sistema integrado en el que los gases relacionados con el fertilizante se separan de los gases de escape de la combustión de biomasa y se usan en la producción de un licor, que a su vez se re-utiliza beneficiosamente en la producción de fertilizante en una instalación de compostaje. A diferencia de las instalaciones de generación de energía y fertilizante analizadas anteriormente, la presente invención implica reciclar los gases de escape para ayudar en la producción de un fertilizante orgánico en una instalación de compostaje.

El licor ayuda a compostar los materiales orgánicos en un compost “húmico” de alta calidad y contribuye también a los componentes fertilizantes inorgánicos para producir un fertilizante de alta calidad que comprende constituyentes tanto orgánicos como inorgánicos. Además, en lugar de buscar por separado la fuente de los componentes fertilizantes inorgánicos, tal como a partir de gas natural, la presente invención proporciona un proceso autosuficiente, integrado, que tiene, como única entrada, biomasa y como salida, energía eléctrica y un fertilizante orgánico/inorgánico.

La capacidad para fabricar un licor rico en nitrógeno a partir de los gases de escape permite que las materias primas orgánicas con bajos niveles de nitrógeno se composten más fácilmente y de manera más flexible que en cualquier otro caso.

La introducción del licor ayuda en el proceso de compostaje y permite la producción de fertilizantes a partir de una amplia diversidad de materiales orgánicos que es la práctica actual. En particular, la introducción del licor permite que la paja de los granos de cereales, tal como trigo, se composte eficazmente y el contenido de carbono se transforme en un fertilizante.

Dicho fertilizante puede optimizarse para el suelo al cual se aplica y para el cultivo particular que va a cultivarse. Por ejemplo, el licor puede contener urea, amoniaco, carbamato de amonio y agua. Como saben los expertos en la materia, la urea contiene aproximadamente un 47% de nitrógeno y el amoniaco un 83% de nitrógeno. Un licor adecuado puede fabricarse a partir de 32,5% de urea, 28,9% de amoniaco, 18,1% de carbamato de amonio y 20,5% de agua. El licor puede mezclarse con el carbono en la paja de trigo u otra biomasa carente de nitrógeno para facilitar el compostaje eficaz.

En una realización preferida, en el caso de la paja de trigo, para iniciar un proceso de compostaje eficaz, se recomienda una proporción en peso de aproximadamente 30:1 de carbono frente nitrógeno.

La capacidad para compostar cantidades significativas de biomasa de alto contenido en lignina puede producir también mayores cantidades de humus que las que se encuentran en los compost fabricados de materiales más fácilmente compostables tales como residuos vegetales.

El componente orgánico clave del fertilizante producido realizando de forma práctica el método de acuerdo con la invención es humus (ácido húmico). Como saben los expertos en la materia, el humus es el nutriente clave que contiene carbono deseado por las plantas para ayudar en su crecimiento. Cuanto mayor sea la cantidad de ácido húmico, más eficazmente digerirán las plantas los nutrientes de carbono. Otra ventaja de las realizaciones preferidas de la invención es que la conversión mejorada de la materia orgánica a través del compostaje húmico da como resultado un fertilizante orgánico con más humus que requiere menos componentes inorgánicos, tal como fósforo. De hecho, parece que sólo se requiere de entre el 25% a aproximadamente el 50% de la cantidad normal de fósforo en fertilizante DAP y MAP cuando se combina con un compost de humus de alta calidad producido de acuerdo con la invención.

La presencia del licor en el compost también proporciona una proporción de carbono -nitrógeno eficaz para un compostaje óptimo a lo largo de largos periodos de compostaje tal como para optimizar la producción de ácido húmico en el compost. Sin embargo, el uso de compostaje en el recipiente tendrá la capacidad de acortar y también mejorar el control del proceso de compostaje en las etapas tempranas del proceso.

Los sistemas y métodos de acuerdo con realizaciones preferidas de la presente invención tienen el beneficio adicional de reducir el volumen neto de dióxido de carbono atmosférico, ya que parte del dióxido de carbono retirado de la atmósfera por la biomasa creciente no se reintroduce en la atmósfera por combustión de biomasa, sino que en lugar de ello se usa en la producción de un licor que se reutiliza de la manera descrita anteriormente y finalmente se entierra en el suelo.

Otros beneficios económicos surgen de la naturaleza negativa del dióxido de carbono de la presente invención mediante la concesión de créditos de carbono comerciable. La producción de energía eléctrica a partir de biomasa también atrae créditos de carbono y no aumenta el nivel de dióxido de carbono en la atmósfera cuando se usan materiales carbonados tales como paja de trigo, residuos vegetales de jardines, estiércol y compost reciclado que tienen un ciclo de crecimiento anual de menos de un año.

Preferentemente, el sistema incluye una instalación de producción de fertilizante inorgánico, en la que el licor se dirige tanto a la instalación de compostaje como a la instalación de fertilizante inorgánico.

Típicamente, el licor incluye uno o más de amonio, amoniaco, carbamato de amonio, urea y agua.

Óptimamente, cada uno de amonio, carbamato de amonio y urea se producen, al menos parcialmente, a partir de compuestos nitrogenados extraídos del gas de escape. Como se analiza a continuación, el componente de hidrógeno del amoniaco, carbamato de amonio y/o urea puede producirse adecuadamente a partir de la electrolisis de agua.

Además, cada uno de amoniaco, carbamato de amonio y urea puede producirse a partir de compuestos nitrogenados y dióxido de carbono extraído del gas de escape.

El gas residual a partir de la generación de energía por biomasa contiene dióxido de carbono en el intervalo del 10-20% frente a menos del 1% en el aire normal. Por tanto, el acceso a dicho dióxido de carbono es muy deseable en la fabricación de carbamato de amonio y urea. Dichos gases residuales contienen también grandes cantidades de nitrógeno y algo de oxígeno, que, por sí mismos, también son deseables como gases o como gases de suministro para la producción de otros componentes.

De acuerdo con una realización, la urea se produce a partir de compuestos nitrogenosos extraídos del gas de escape por:

obtención de dióxido de carbono y nitrógeno a partir del gas de escape; obtención de una fuente de hidrógeno; y producción de urea a partir de dióxido de carbono, nitrógeno e hidrógeno.

Opcionalmente, el hidrógeno puede obtenerse a partir de la utilización de energía eléctrica para electrolizar agua y de esta manera generar hidrógeno.

Los aumentos en cuanto a la eficacia se realizan suministrando el hidrógeno necesario de la electrólisis del agua dirigida por energía eléctrica a partir de la fuente de energía de generación de carbono negativa de la presente invención.

Opcionalmente, la materia carbonosa puede crearse en la instalación de producción de biomasa por pirolisis de la biomasa y hacerla reaccionar con agua para fabricar monóxido de carbono e hidrógeno. Aún adicionalmente, el monóxido de carbono puede hacerse reaccionar con más agua para fabricar dióxido de carbono y más hidrógeno. De esta manera el gas acuoso puede usarse como fuente complementaria de dióxido de carbono e hidrógeno.

Preferentemente, los componentes del fertilizador inorgánico se producen a partir de amoniaco, licor amoniacal y productos fosforosos (preferentemente superfosfato triple) para fabricar fosfatos amoniacados, DAP y/o MAP y después combinarlos con el compost húmico para producir un fertilizante que comprenda constituyentes tanto orgánicos como inorgánicos.

De acuerdo con esta realización, los componentes del fertilizante inorgánico se producen en forma de polvo para permitir una producción conveniente de un fertilizante granulado.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona un fertilizante producido por el método de acuerdo con un primer aspecto de la presente invención o por el sistema de acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención.

Breve Descripción de los Dibujos

La invención se explicará ahora adicionalmente e se ilustrará por referencia al dibujo adjunto, en el que la Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra esquemáticamente las etapas del proceso y los componentes de una realización de la presente invención.

Descripción Detallada de los Dibujos

Volviendo a la Figura 1, se ilustra un método para la producción integrada de energía eléctrica y un fertilizante de alta calidad que comprende constituyentes inorgánicos y nutrientes orgánicos.

El material orgánico residual 10 tal como paja de trigo se recoge, se seca y se almacena. Parte del material orgánico se quema para generar energía eléctrica en un generador de energía 12. A su vez, la mayor parte o toda la energía generada se vende a los consumidores.

Como combustión de biomasa puede considerarse sustancialmente carbono neutro (es decir, carbono en igual producción de carbono y por lo tanto no hay carbono neto que se introduzca en la atmósfera), el generador de energía se titula créditos de carbono verde 14 bajo un régimen de comercio de carbono aplicable.

El calor residual y los gases residuales 16 (es decir los gases de escape) se producen como un subproducto de combustión de biomasa. Como se describe en la Solicitud de Patente Internacional del Solicitante WO 2007/131301 (cuyos contenidos se incorporan por referencia en el presente documento) el calor residual 16 se redirige a una planta de compostaje de fertilizante 18 para ayudar en la producción de un producto fertilizante granulado que comprende constituyentes inorgánicos y nutrientes orgánicos.

Un licor que contiene amoniaco, carbamato de amonio, urea y agua se produce partir del gas de escape de una manera descrita a continuación y suministrado a la planta de compostaje 18 en una forma líquida o a una instalación de producción distinta 22 en forma cristalina. En la instalación de producción 22 se fabrica, por compostaje de materiales orgánicos, en presencia del licor, un producto fertilizante que comprende nutrientes orgánicos y roca de fosfato.

En la instalación 24 se almacena una fuente distinta de roca de fosfato, superfosfato y/o superfosfato doble o triple y se proporciona a la instalación de producción 22 para su uso en la producción del producto fertilizante.

La amoniación se realiza simplemente pulverizando un peso o volumen medido de solución de amoniación en una cantidad pesada de material sólido y mezclando en una o dos mezcladoras discontinuas rotatorias de barril. A medida que se descarga de la mezcladora, la mezcla se calienta y se advierte húmeda. Tras la cocción se vuelve seca y friable. Los productos amoniacados se curan rápidamente y son fáciles de manipular.

El producto fertilizante se granula en una planta de granulado 26 y se comercializa a los clientes 28, los cuales, a su vez, utilizan el fertilizante en pastos 30 según se requiera.

En el compostaje de materias primas de alto contenido en carbono, tales como paja de trigo y residuos de madera, es esencial que tengan una flexibilidad de procesamiento máxima. Estas tienen proporciones de carbono natural frente a nitrógeno en el intervalo de aproximadamente 60-100:1 (como frente a 30:1 o un intervalo menos básico para iniciar el proceso de compostaje). La paja de trigo y el residuo de madera son, por lo tanto, muy difíciles de compostar sin acceso a una fuente adicional significativa de nitrógeno tal como urea.

También es deseable producir un producto fertilizante orgánico granulado, compostado a largo plazo que tenga la mayor cantidad práctica de carbono compostado, que por consiguiente contenga cantidades significativas de ácido húmico por tonelada. Esto es porque el ácido húmico procedente de compostaje a largo plazo tiene mucho mayor impacto sobre el crecimiento positivo de las plantas e impacto de reducción invernadero en comparación con un producto compostado a corto plazo con sólo pequeñas cantidades de humus (ácido húmico). Por ejemplo, la paja de trigo tiene un contenido de carbono de aproximadamente el 47% en peso (base seca) frente a los residuos vegetales de jardines con un contenido de

carbono en el intervalo de aproximadamente el 15-25% (base seca).

Ejemplos

5 A continuación se muestran ejemplos de la proporción aproximada C:N

(base seca) de diversos materiales.

Producto: Proporción C:N

Estiércol de vaca: 10-15 (reciente):1

Residuo vegetal: 15:1

Recortes de hierba: 20:1

Hojas de árbol: 50:1

Paja: 80:1

Madera/Papel: 100+:1

Microorganismos en suelo: 4-9:1

(similar a seres humanos y animales como ganado)

10 Otro criterio de procesamiento de compost crítico es un medio “aerobio”. Un compost típico que huele significa una ausencia de aire (es decir un proceso anaerobio). Esto significa también una ralentización del proceso de compostaje, puesto que el olor se debe al escape de compuestos gaseosos de nitrógeno y a un aumento correspondiente en la proporción C:N. Por tanto la velocidad del

15 compostaje y la calidad del producto compostado se ven afectadas negativamente si hay aire insuficiente. Además, es deseable tener la capacidad de procesar más productos residuales fibrosos y verdes huecos como paja de trigo y residuos de madera porque su estructura puede mantener más aire en circulación a través de los montones de procesamiento de compost.

20 De acuerdo con la presente invención, el proceso descrito en el documento WO 2007/131301 puede modificarse para que incluya una fuente de nitrógeno previsible en el sitio en forma de urea. Esto permite que la planta de compostaje 18 maximice la cantidad de ácido húmico a través del proceso de compostaje. Como

25 se ha indicado anteriormente, el ácido húmico tiene un impacto crítico para ayudar a crecer a las plantas.

Otra planta de granulado de fertilizante orgánico-inorgánico 22 requiere flexibilidad para producir combinaciones óptimas de “C” (ácido húmico en particular), más “N”, “P” y “K”. Con suficiente “C” (ácido húmico), la cantidad de “P” puede reducirse. También se puede usar superfosfato, superfosfato doble o triple o fosfato de roca “P” (impacto residual de CO2 de cero a bajo). Un proceso de compostaje a largo plazo (3-12 meses) es necesario cuando se busca procesar materiales altamente fibrosos tales como paja de trigo, aunque el compostaje y la maduración en recipiente tienden a tardar menos. En cualquier caso, se necesita tiempo para degradar las fibras de manera que el compost pueda granularse fácilmente y, como se ha dicho anteriormente, para maximizar el ácido húmico y reducir la cantidad de “P” necesaria para el crecimiento de las plantas en una cantidad del 50% hasta el 75%, como se muestra en los experimentos de ensayo de invernadero y de campo del solicitante.

Un factor adicional es el pH ideal para el crecimiento de las plantas, que está en el intervalo de 6-7, aunque, si fuera necesario, las plantas pueden soportar un intervalo de pH algo mayor (8-8,5).

Otro factor está relacionado con los microorganismos que efectúan el proceso de compostaje -dichos microorganismos necesitan un contenido de agua de procesamiento de aproximadamente 50-60% con una temperatura de hasta 70ºC (bacteria termófilas). Esta es la temperatura que destruye la mayor parte de la maleza en compostaje a alta temperatura y a largo plazo. La capacidad para mantener una temperatura de aproximadamente 70ºC en invierno es una característica existente del proceso descrito en el documento WO 2007/131301.

El elemento “K” tiene también un impacto beneficioso sobre el crecimiento de las plantas. Adicionalmente, debe observarse que el proceso de generación de energía verde del solicitante quemando paja de trigo o residuos de madera para proporcionar energía eléctrica crea un producto de ceniza residual que es rico en calcio (Ca) y potasio (K). Esto puede añadirse al producto acabado 26 de fertilizante orgánico-inorgánico.

Un proceso de compostaje a largo plazo aumenta significativamente la capacidad del producto compostado rico en ácido húmico de absorber agua. Por ejemplo, 45,36 kilos (100 libras) de compost de humus a largo plazo puede absorber hasta dos veces su peso de agua. Esta capacidad ayuda a proteger el medio de crecimiento de las plantas durante periodos de escasas precipitaciones y sequía.

El licor que contiene amoniaco, carbamato de amonio, urea y agua de los gases residuales, agua y energía verde generado por el generador de energía 12 proporciona una fuente previsible “N” (misma fabricación en el mismo sitio) para ayudar en el compostaje a largo plazo de materias brutas tal como paja de trigo o que tiene una proporción C:N de 80:1 pero que necesita la nueva fuente de “N” para establecer la proporción C:N requerida de 30:1 necesaria para iniciar y mantener el proceso de compostaje usando una materia prima tal como paja de trigo.

De acuerdo con la presente invención, en el compostaje se usa licor amoniacal y el licor de urea amoniacal se usa para añadir más “N” al producto fertilizante compostado final. Si está disponible, la paja de trigo puede mezclarse con otras materias primas tales como residuos vegetales, estiércol vacuno/porcino, residuos procedentes de mataderos, desperdicios procedentes de alimentos y producto compostado existente.

Además, el proceso de compostaje tiene como objetivo dirigir la cantidad óptima de carbono húmico en el producto acabado a aproximadamente el 26% (es decir hasta el 40% en una base seca) o mayor y preferentemente aproximadamente el 30-39% en una base seca). Esto es más difícil de conseguir sin el uso de materiales tales como paja para compostaje.

Producción de licor a partir de gases de escape en la central eléctrica

Como saben los expertos en la materia, la urea, el carbamato de amonio y el amoniaco requieren los siguientes elementos básicos en su fabricación:

•: dióxido de carbono;

•: nitrógeno; e

•: hidrógeno.

De acuerdo con la presente invención, a partir de gases de escape, producidos durante la combustión de biomasa en el generador de energía 12 que funciona con biomasa, se obtiene dióxido de carbono, algo de oxígeno, posiblemente algo de óxido nitroso y componentes de nitrógeno.

El componente de hidrógeno se obtiene a partir de la electrólisis del agua realizada también en el generador de energía 12 que funciona con biomasa, como se describe a continuación. Cualquier oxígeno que no se use en el proceso de electrólisis puede reciclarse al quemador (no mostrado) en el generador de energía 12 que funciona con biomasa para producir más dióxido de carbono de lo que es posible a partir de aire solo. Esto contribuye a aumentar globalmente la eficacia del proceso.

Además o como alternativa, el oxígeno puede reciclarse en parte a la planta de compostaje 18 (en particular donde se realiza el compostaje en recipiente) para añadir adicionalmente la eficacia del proceso.

El gas de escape de la combustión de biomasa puede tener también algo de oxígeno que se retira 95% -98% de la etapa de procesamiento de gas de escape analizada más adelante.

La eficacia energética puede aumentar de aproximadamente el 35% si los gases de escape salen del generador de energía 12 a una temperatura de aproximadamente 450-800ºC y se dirigen a una segunda planta de energía 20 de menor temperatura. La energía se genera en una planta de energía 20 mediante el uso de un generador de vapor (no mostrado). Los expertos en la materia apreciarán que es posible aumentar la eficacia energética aproximadamente un 15%-25% mediante esta reutilización eficaz del gas de escape, que obvia la necesidad de quemar biomasa adicional.

El calor residual a partir de la segunda planta de energía 20 es también muy útil en la producción de un producto fertilizante granulado en la planta de compostaje 18.

Las ecuaciones básicas para producir urea y carbamato de amonio son las siguientes:

(1): Producción de amoníaco

N2 (g) + 3 H2 (g) ! 2NH3 (g)

(2): producción de carbamato CO2 (g) +2 NH3 (g) !NH4CO2NH2 (l) + salida de calor

(3): producción de urea NH4CO2NH2 ! (entrada de calor) NH2CONH2 (g) + H2O

El NH4CO2NH2 líquido es carbamato de amonio y es un componente principal del licor preferido para la realización práctica de la presente invención (es decir, es una mezcla líquida de carbamato de amonio, urea, amoníaco y agua).

Producción de dióxido de carbono

El proceso para limpiar el gas de escape de la combustión de biocombustible es el siguiente

(a) biomasa + aire ! salida de calor más gas de escape (principalmente CO2, N2, algo de O2) y otros óxidos de nitrógeno. El gas de escape tiene aproximadamente del 10% al 20% de dióxido de carbono más algo de O2 y aproximadamente un 80% de nitrógeno. El dióxido de carbono se absorbe y se concentra haciendo reaccionar el gas

de escape con carbonato sódico de la siguiente manera: Na2CO3 + CO2 H2O !∀ 2NaHCO3

La reacción se fuerza hacia la derecha aumentando la presión parcial del gas de escape que contiene dióxido de carbono y de esta manera concentrándolo por encima del 99% de dióxido de carbono.

La solución de bicarbonato sódico se lleva a ebullición y surge el dióxido de carbono

2NaHCO3 ! NaCO3 + CO2 + H2O

Producción de nitrógeno

A continuación se describen las claves principales en su producción:

(1): gas de escape !KOH lavado para retirar cualquier dióxido de carbono residual.

(2): gas de escape residual comprimido a 200 atmósferas en cuatro etapas y enfriado con agua de refrigeración y mediante refrigeración con amoniaco a aproximadamente -30 °C (cualquier humedad es por tanto agua sólida y se retira).

(3): El gas que sale de la cuarta etapa de compresión está a 170 °C y es agua enfriada aproximadamente de 10 a 30 °C y normalmente se enfriará adicionalmente a aproximadamente -30 °C por refrigeración de amoniaco.

(4): El producto de la etapa (3) entra en un licuador de gas combinado y separador de columna cubierta de burbujas. Esto separa, por separación líquida, cualquier exceso de oxígeno y el gas restante es N2 al 98% o mejor y aproximadamente O2 al 2% o menor , a medida que N2 hierve a 195,8 °C y el O2 a 183 °C.

Hidrógeno

De acuerdo con la invención, la fabricación de hidrógeno también puede ser mediante el método de agua gaseosa o de vapor de hierro o la electrólisis de agua.

Por ejemplo, el método de agua gaseosa es:

CO (g) + H2O ! CO2 (g) + H2 (g)

El método electrolítico es H2 a partir de agua:

2 H2O (l) ! (electrolizado a) 2 H2 + O2.

Se prefiere el método electrolítico.

Una célula electrolítica comercial típica (no mostrada) produce H2 y O2 por separado en una solución de hidróxido sódico a aproximadamente el 15% (NaOH) a una temperatura de 60 ºC a 70 ºC. El H2 es aproximadamente un 99,7% puro.

Se necesitan aproximadamente 1000 amperios para producir 0,0830 libras de H2, equivalente a 37,65 gramos.

Esto significa que 2,2 kWh producen 0,083 libras de H2 (37,65 g) a una tensión de 2,2 voltios/celda.

De esta manera una energía en MW por año produce aproximadamente 150 toneladas por año de hidrógeno.

Si la celda electrolítica puede tener su temperatura aumentada, entonces la energía necesaria para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua disminuye correspondiente. Dicho aumento de temperatura significa que puede proporcionarse mediante el calor residual 16 del generador de energía 12. A su vez, esto posibilita el consumo práctico mínimo de energía para la producción de hidrógeno y oxígeno en la reacción de electrolisis.

El oxígeno producido se recicla principalmente al aire que va al generador de energía 16 para quemar la biomasa para producción de electricidad. Esto enriquece el CO2 en el gas de escape y por tanto es beneficioso para el fertilizante global y el proceso de generación de energía a medida que se produce más CO2.

El aumento adicional en la eficacia de generación de energía puede conseguirse si los gases residuales se reciclan de vuelta al generador de energía 16 junto con el oxígeno reciclado de la reacción de electrolisis. Este efecto de proceso se explica por el hecho de que los gases residuales típicamente contienen sólo pequeñas cantidades de oxígeno, aunque salen del generador de energía 12 a una temperatura elevada de aproximadamente 400˚C a 800˚C. Aunque se quema más biomasa por los gases residuales aumentados en oxígeno, la elevada temperatura significa que la cantidad de biomasa requerida por megavatio hora se reduce mucho.

Producción de urea frente a hidrógeno

Como un ejemplo, para producir 3.000 toneladas de urea seca ((NH2) CO (NH2)), se requieren aproximadamente 200 toneladas de hidrógeno. Se producen aproximadamente 1600 toneladas de amoníaco haciendo reaccionar nitrógeno con hidrógeno (es decir, N2 + 3H2 ! 2NH3) a partir de esta cantidad de hidrógeno. El peso molecular de la urea es de 60 siendo el del CO2 de aproximadamente 28/60 (es decir, 47%) en peso. Por tanto, 1.600 toneladas de amoníaco son equivalentes a 3000 toneladas de urea. Por tanto, 6.000 toneladas de urea son equivalentes a

3.200 toneladas de amoníaco y 2.800 toneladas de nitrógeno.

Sin embargo, el producto preferido para la realización práctica de la presente invención, es un licor de carbamato de amonio, que es una combinación de NH4CO2NH2, urea, amoniaco y agua.

Para fabricar 100.000 toneladas de compost acabado, aproximadamente el 50% de este carbono inicial se pierde como CO2 en el proceso de compostaje. Por tanto, se requieren aproximadamente 150.000 toneladas de paja de trigo, que contiene aproximadamente el 47% de carbono (es decir, 70.500 toneladas de carbono) y de esta manera necesita aproximadamente 2.400 toneladas de N o

5.200 toneladas o menos de licor de carbamato de amonio, como se ha descrito anteriormente, debido al hecho de que el licor tiene un porcentaje mayor de nitrógeno y ya está en el producto en forma líquida.

La fabricación de amoniaco

Como saben los expertos en la materia, existen numerosos procesos para fabricar amoniaco, aunque para la realización práctica de la presente invención, es adecuado el proceso de la Nitrogen Engineering Corporation. Este usa una temperatura de 500 °C y una presión de 200-300 atmósferas con un catalizador de hierro doblemente promovido para una conversión del 20-22% a amoníaco.

El gas residual se recircula. Puede usar hidrógeno a partir de celdas electrolíticas. La reacción es muy exotérmica de manera que el diseño del convertidor controla la temperatura para la conversión del 20-22%.

La reacción clave es: N2 (g) + 3H2 (g) ! 2NH3 más calor

Los gases residuales pasan a través de una caldera de calentamiento de residuos que puede usarse para generar vapor para la generación de energía.

Producción de productos fósforos

El superfosfato se fabrica haciendo reaccionar fosfato de roca con ácido sulfúrico y agua, siendo la fórmula pertinente:

2[(CaF) Ca4 (PO4)3] + 7H2O4 + 3H2O ! 3CaH4 (PO4) + 2H2O + 2HF + 7CaSO4

Un producto de mayor calidad es el superfosfato doble o triple:

(CaF) Ca4 (PO4)3 + 7 H3PO4 ! 5CaH4 (PO4) H2O + HF

El calor residual para la fabricación de ácido sulfúrico puede usarse para fabricar vapor y energía.

Superfosfato amoniacal

El superfosfato o el superfosfato doble o triple puede amoniacarse para producir un fertilizante con propiedades de estabilidad química, uniformidad de textura y resistencia a humedad deseables. Demasiado amoníaco provoca que el superfosfato vuelva a formas insolubles.

Por tanto, uno de los resultados preferidos es la combinación de superfosfato, superfosfato doble o triple, con licor constituido por la siguiente composición:

Urea 32,07% (es decir, (NH2) CO (NH2)

NH3 28,9%

Carbamato de amonio 18,1% (es decir, (NH4) CO2 (NH2))

H2O 20,5%.

La amoniación se produce simplemente pulverizando un peso o un volumen medido de la solución de amoniaco anterior en una cantidad pesada de material sólido (superfostato, superfosfato doble o triple) y mezclando en una mezcladora discontinúa rotatoria de 1-2 toneladas. La mezcla se descarga de la mezcladora, el material descargado se advierte húmedo y templado, pero al enfriarse se vuelve seco y friable y se cura rápidamente y puede pulverizarse antes de granularlo.

La capacidad de fabricar una diversidad de fertilizantes inorgánicos mediante la realización práctica de la presente invención, junto con gas residual, algo de agua y algo de polvo en el sitio, más algo de superfosfato comprado (tal como superfosfato doble o triple) junto con potasio de la ceniza de la biomasa de la central eléctrica de ceniza proporciona la capacidad de producir un fertilizante inorgánico que es aproximadamente un 70% verde o más (es decir, no hay huellas de carbono), más material orgánico (100% verde) que finalmente se entierra en forma de gránulo para producir una huella de carbono negativa.

La producción óptima de ácido húmico permite ahorrar aproximadamente un 50% o más (posiblemente un 75%) del P tradicional en DAP o MAP. Esto tiene amplias implicaciones para preservar la calidad del suelo y para mejorar la eficacia del fertilizante.

Lo que es más importante, la presente invención ofrece una capacidad mejorada para optimizar mejor la liberación lenta y rápida de N, P y K, como se describe en la Solicitud de Patente del Solicitante WO 2007131301, de lo que es posible mediante los fertilizantes inorgánicos en solitario. La flexibilidad conseguida en el sitio permite una optimización mucho mayor del fertilizante orgánico/inorgánico granulado que sólo depende del DAP y/o MAP y/o superfosfatos adquiridos en combinación con el proceso del solicitante y de los nutrientes de carbono de granulados a partir de biomasa.

La capacidad de fabricar licor de urea amoniacal mediante gases residuales significa que el compostaje de biomasa a una escala muy grande, tal como trigo u otros granos de paja, puede garantizarse generalmente en cualquier momento debido a la disponibilidad de nitrógeno con huella de carbono cero, y particularmente en áreas con poco residuo vegetal o residuo vacuno o porcino. La capacidad de producir un compost de alta calidad con la correcta cantidad de nitrógeno significa que la calidad del producto fertilizado granulado orgánico/inorgánico puede realizarse muy eficazmente y esto a su vez proporciona a los granjeros muchas prestaciones y confianza añadidas.

La capacidad de fabricar también superfosfato amoniacal usando el mismo licor que comprende urea, amoníaco, carbamato de amonio y agua, producido a partir de los mismos gases residuales en su producción significa también que el 70% o más del fertilizante orgánico/inorgánico es “verde”.

El proceso de fertilizante integrado usando gases residuales de la central eléctrica tiene una capacidad mejorada de optimizar el C (humus), N, P, K y elementos traza que la planta requiere para el crecimiento óptimo en particular áreas de tierra, patrones de precipitaciones variables y liberación lenta y rápida óptima de C (humus), N, P, K para el crecimiento óptimo de las plantas.

Los sistemas integrados y los métodos de la presente invención tienen los siguientes efectos beneficiosos:

1.: Maximizar el compostaje y procesamiento de materiales fibrosos con alto contenido en carbono en “compost húmico” mediante el acceso, en el sito, a una fuente muy previsible y a fuente de nitrógeno asequible que es independiente de otras fuentes residuales verdes (no combinado con P) y no usa gas natural (lo que crea gases invernadero contaminantes adicionales).

2.: Producir un producto fertilizante orgánico que puede tener hasta el 50% más que el contenido de carbono/humus en comparación con un producto de restos vegetales reciclado en solitario. Por ejemplo, un producto de paja de trigo 100% compostado a largo plazo, puede tener un contenido de carbono del 39% más

(base seca) frente a un contenido de carbono residual verde de dicho 15%. Las mezclas de paja, restos vegetales y compost reciclado producen los mejores resultados. Si ambos productos acabados tienen una proporción C: N acabada de aproximadamente 15:1 (suponiendo que el proceso comienza a una proporción C: N de 30 y se reduce con el tiempo), entonces la cantidad de C húmico y N en el compost de paja de trigo (dependiendo del tiempo) puede ser significativamente mayor que la del producto de restos vegetales (en una base seca).

3.: Maximizar la cantidad de ácido húmico en el compost tiene una importancia técnica significativa ya que la eficacia de la planta para su uso en “P” fosforoso mejora significativamente y los ensayos de campo y en macetas han demostrado que puede conseguirse una reducción de al menos el 50% y posiblemente el 75% de P y DAP y fertilizantes inorgánicos MAP.

4.: Maximizar la flexibilidad en la optimización del C húmico, N, P, K del fertilizante orgánico/inorgánico granulado acabado con una cantidad muy pequeña a cero y preferentemente un impacto medioambiental verde positivo. Un producto fertilizante verde con un 24% más de contenido de nutriente "C" tiene un 150% del potencial de crédito invernadero de uno con un contenido “C” húmico del 15% cuando este carbono se entierra en el suelo. El 24% más de nutrientes “C” (base seca) en grandes cantidades a partir de muchos residuos orgánicos no puede crearse sin acceso a un gran proceso de impacto medioambiental cero diseñado para suministrar fuentes previsibles, flexibles a gran escala adicionales de “N” para la producción de fertilizante. El enterramiento del “N” verde también tiene un impacto medioambiental beneficioso a diferencia de “N” en DAP y MAP fabricado a partir de gas natural.

La palabra “que comprende” y formas de la palabra “que comprende” como se usa en esta descripción y en las reivindicaciones no limitan la invención reivindicada para excluir ninguna de las variantes o adiciones. Las modificaciones y mejoras de la invención serán fácilmente evidentes para los expertos en la materia. Se pretende que dichas modificaciones y mejoras estén dentro del alcance de esta invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir energía eléctrica y un fertilizante, comprendiendo el método las etapas de: quemar biomasa para producir energía para la generación de energía eléctrica y un gas de escape;

producir un licor a partir de compuestos extraídos del gas de escape; y producir un fertilizante compostando materiales orgánicos en presencia del licor.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el licor incluye uno

o más compuestos nitrogenosos en fase líquida.
3.

Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los compuestos nitrogenosos incluyen amoníaco, carbamato de amonio y urea.
4.

Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el licor incluye agua.
5.

Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los materiales orgánicos incluyen la paja de cultivos de cereales.
6.

Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el carbón húmico comprende aproximadamente del 26 al 40% del fertilizante en una base de peso seco.
7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la etapa de producir un licor incluye:

extraer dióxido de carbono y nitrógeno del gas de escape;

obtener una fuente de hidrógeno; y

producir urea y carbamato de amonio en fase líquida a partir de dióxido de

carbono, nitrógeno e hidrógeno.
8.

Un método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la etapa de obtener una fuente de hidrógeno incluye utilizar la energía eléctrica para electrolizar agua y de esta manera generar hidrógeno y oxígeno.
9.

Un método de acuerdo con la reivindicación 8, que incluye adicionalmente la etapa de utilizar el oxígeno en la etapa de compostaje de los materiales orgánicos en presencia del licor.
10.

Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la etapa de combustión incluye pirolizar la biomasa para producir un material carbonoso.
11.

Un método de acuerdo con la reivindicación 10, que incluye adicionalmente la etapa de hacer reaccionar el material carbonoso con agua para producir monóxido de carbono e hidrógeno.
12.

Un método de acuerdo con la reivindicación 11, cuando es dependiente de la reivindicación 7, en el que la etapa de obtener una fuente de hidrógeno incluye utilizar el hidrógeno producido en la reacción de la materia carbonosa con agua.
13.

Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que incluye adicionalmente las etapas de: producir componentes fertilizantes inorgánicos a partir de compuestos extraídos del gas de escape; y

producir un fertilizante combinado que comprende constituyentes orgánicos e inorgánicos combinando los componentes de fertilizante orgánico con el fertilizante producido compostando los materiales orgánicos en presencia del licor.
14.

Un método de acuerdo con la reivindicación 13, en el que los componentes del fertilizante orgánico incluyen uno cualquiera o más de amoníaco, licor amoniacal, DAP, MAP y superfosfato triple.
15.

Un método de acuerdo con la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en el que los componentes del fertilizante inorgánico se producen en forma de polvo y la etapa de producir un fertilizante combinado incluye producir gránulos que comprenden componentes fertilizantes inorgánicos en forma de polvo y el fertilizante producido compostando los materiales orgánicos en presencia del licor.
16.

Un sistema integrado para producir energía eléctrica y fertilizante, comprendiendo el sistema:

una instalación de combustión de biomasa para quemar biomasa para producir energía para energía eléctrica y gas de escape; y

una instalación de compostaje para producir compost a partir de materiales orgánicos, en el que se produce un licor a partir de compuestos extraídos del gas de 5 escape y se dirige hacia la instalación de compostaje para producir un fertilizante

compostando materiales orgánicos en presencia del licor.
17. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16, en el que los materiales

orgánicos incluyen la paja de cultivos de cereales. 10
18. Un fertilizante producido realizando las etapas del método o del sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.