ES2436844A1 - Procedimiento para la gasificación de materiales sólidos orgánicos y reactor empleado - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un procedimiento para gasificación de materiales sólidos orgánicos en un reactor (1) de lecho fluidizado con un cuerpo cilíndrico y fondo (2) con sección tronco-cónica invertida, mediante un flujo de gas que hace circular las partículas sólidas y que comprende las etapas de a) suministrar combustible mediante una entrada (3) para la alimentación del sólido orgánico, b) suministrar un agente catalizador y material inerte mediante una entrada (7), c) introducir un agente fluidificante mediante una entrada (6) situado en la caja de aire o plenum (12), d) distribuir el agente fluidificante a través de la base inferior (2') de la sección tronco cónica invertida, en la que se encuentra una parrilla distribuidora (10) dotada de una pluralidad de difusores de tipo tuyeré (11), y e) producir la salida de la corriente de producto por la parte superior del reactor (1).
Description
OBJETO DE LA INVENCIÓN
5 La presente invención se refiere a un procedimiento para gasificar materiales sólidos orgánicos en un reactor de lecho fluidizado con un cuerpo cilíndrico y un fondo con sección tronco-cónica invertida, mediante un flujo de gas que hace circular las partículas sólidas y que comprende las etapas de:
10 a.-) suministrar combustible mediante al menos una entrada para la alimentación del sólido orgánico, b.-) suministrar un agente catalizador o mezcla de este con material inerte mediante una entrada dispuesta a 60º de la entrada de alimentación del sólido orgánico de la etapa a), c.-) introducir un agente fluidificante mediante una entrada situada en la caja de aire o
15 plenum, d.-) distribuir el agente fluidificante a través de la base inferior de la sección tronco cónica invertida, en la que se encuentra una parrilla distribuidora dotada de una pluralidad de orificios de salida o difusores de tipo tuyeré, y e.-) producir la salida de la corriente de producto por la parte superior del reactor de forma
20 transversal a la sección cilíndrica del mismo, mediante un elemento de salida.
Adicionalmente, la invención se refiere a un aparato o reactor de gasificación para implementar el procedimiento mencionado anteriormente.
25 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (orgánico) es transformado en un gas combustible de bajo-medio poder calorífico, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente
30 gasificante (aire, oxígeno y/o vapor de agua o mezcla de alguno de los anteriores).
Cuando la gasificación está integrada en un ciclo combinado, el residuo sólido se transforma en gases combustibles de bajo-medio poder calorífico que son los que posteriormente se
queman en un motor de combustión interna, generador de vapor o turbina de gas generándose energía.
Está científicamente comprobado que el rendimiento energético de la combustión de gases puede ser en torno a un 10-15% superior al obtenido en la combustión de un sólido. Por otro lado, desde el punto de vista medioambiental, la gasificación es también una tecnología más limpia, ya que al llevarse a cabo en condiciones menos oxidantes, la producción de contaminantes tales como, NOx y SOx es menor.
Es conocido en el estado de la técnica, el proceso de gasificación de sólidos, como por ejemplo de residuos sólidos del tipo biomasa. Los dos tipos de reactores que se suelen emplear en el proceso de gasificación de residuos sólidos son fundamentalmente los de lecho móvil (en contracorriente y corrientes paralelas) y los de lecho fluidizado o lecho fluido.
Cada uno de ellos presenta una serie de ventajas e inconvenientes, por ejemplo el gasificador de lecho fluidizado permite más fácilmente el escalado del proceso, presenta una mayor capacidad de procesamiento y un mejor control de la temperatura del proceso que el gasificador de lecho móvil. Otra ventaja muy importante que presenta el lecho fluidizado frente al lecho móvil es que permite la adición de catalizadores en el lecho para llevar a cabo gasificaciones catalíticas.
Sin embargo, el lecho fluidizado también presenta una serie de inconvenientes, por ejemplo, se necesita una granulometría específica del material sólido a gasificar, es decir que generalmente se necesita una preparación (trituración y/o peletizado) previa del material sólido a alimentar puesto que para obtener una buena fluidización el tamaño de partícula debe ser lo más homogéneo posible.
Por otro lado, no todos los materiales sólidos fluidizan fácilmente, en ocasiones es necesario añadir otro sólido coadyuvante de la fluidización. Por último, otro inconveniente puede ser la pérdida de fluidización como consecuencia de las aglomeraciones y sinterización del lecho, determinado por las propiedades termoplásticas del material, así como por la temperatura de fusión de sus cenizas.
Adicionalmente en el estado de la técnica existen dos tipos principales de reactores de lecho fluidizado, uno de los cuales se basa principalmente en un lecho fluidizado burbujeante. El lecho fluidizado burbujeante consistente en partículas fluidizadas divididas de forma relativamente gruesa permanece en posición sostenida por un flujo de aire ascendente insuflado en el espacio del reactor. La velocidad del flujo de aire es normalmente del orden de 1 m/s. La concentración de materia sólida es baja en el flujo de gas por encima de un lecho fluidizado burbujeante claramente limitado. La temperatura del espacio de reactor encima del lecho fluidizado en un reactor de lecho burbujeante puede elevarse por suministro de aire adicional o reducirse inyectando agua de refrigeración en el flujo de gas. Para aumentar la conversión de carbón, las partículas de polvo presentes en el flujo de gas pueden separarse con un ciclón distinto, en el que las partículas se devuelven al fondo del espacio del reactor. Se describen "gasificadores Winkler" de este tipo en los documentos DE19548324 y DE2751911.
El segundo tipo principal de reactores de lecho fluidizado es un lecho circulante, en el que partículas sólidas fluidizadas sólidas se elevan junto con el flujo de aire insuflado en el reactor. La velocidad del flujo de aire, que normalmente es del orden de 5 m/s, es mayor y el tamaño de las partículas fluidizadas es menor que en un reactor de lecho burbujeante. Las partículas fluidizadas son arrastradas por el gas de producto en el ciclón, en el que las partículas y el residuo de carbonización derivado del combustible se separan y se devuelven al fondo del espacio del reactor. Para obtener el tiempo de retención requerido para la reacción de gasificación, se ha dado a los reactores de lecho fluidizado circulante una altura sustancialmente mayor que la de los reactores de lecho fluidizado burbujeante. Otras propiedades típicas de lechos fluidizados circulantes comprenden temperatura uniforme y viscosidad relativamente uniforme de la suspensión de materia sólida en el espacio del reactor, sin un lecho fluidizado claramente limitado característico de lechos fluidizados burbujeantes. Un procedimiento típico de gasificación de combustible basado en reactores de lecho fluidizado circulante se desvela en el documento FI62554.
Dentro del estado de la técnica se encuentra lo divulgado en la patente EP0889943, que se refiere un sistema de reactor de lecho fluidizado y a un método de accionamiento de dicho sistema. Dicho sistema comprende: una cámara de reactor de lecho fluidizado, un separador de partículas conectado a dicha cámara (para separar el material solido de los gases de escape) y un enfriador de gases que presenta superficies de enfriamiento conectado al separador de partículas. Según esta invención, se proporcionan medios para separar un flujo de material solido de lecho del material separado en el separador de partículas y para introducir dicho material del lecho separado en el enfriador de gas. Un flujo de material de lecho se separa del flujo principal de partículas solidas, antes o después de descargar dicho primer flujo de partículas solidas procedentes del separador de partículas. El flujo de partículas separado se introduce en el gas descargado a partir del separador durante o antes de enfriar dicho gas, de forma que dichas partículas desalojan mecánicamente los depósitos de las superficies enfriadas.
Otro sistema patentado, es el protegido en la patente EP1286113 que se refiere a un aparato para procesar material combustible, que comprende: un horno de gasificación de lecho fluidizado que tiene un medio de suministro de gas para suministrar en dicho horno de gasificación y para crear una corriente de circulación de un medio fluidizado dentro de dicho horno; medios para suministrar dicho material combustible en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado para ser gasificado en dicha corriente de circulación de dicho medio fluidizado creado por dicho gas de fluidización, generando de esta manera gas combustible y carbón vegetal; y un horno de fundición en el que dicho gas combustible y carbón vegetal descargados son introducidos desde dicho horno de gasificación de lecho fluidizado y para fundir ceniza para formar escoria fundida.
Un tercer documento de patente del estado de la técnica es la invención EP0433547 que se refiere a un aparato para gasificar combustibles sólidos, que consiste en un productor de gas con un silo de pre-carga un silo de carbonización o coquización y un silo de gasificación y un horno que es especialmente adecuado para gasificar productos de bajo coste tales como residuos de madera, y astillas, biomasas solidas en general, llantas, turba, lignito, hulla, y otros materiales, y ventajosamente, residuos urbanos sólidos.
Otro documento del estado del arte es la patente europea EP1432779 que se refiere a un procedimiento para gasificar un combustible en un flujo de gas ascendente en un reactor de lecho fluidizado, que contiene partículas de material fluidizado sólidas, que comprende el suministro de combustible, en el fondo del reactor y la conducción del gas de producto formado en la parte superior del reactor a un separador, por medio del cual las partículas sólidas se separan del gas y se devuelven al reactor, caracterizado porque el flujo de gas se usa para mantener en el reactor un lecho fluidizado burbujeante que contiene partículas de material fluidizado más gruesas que tienen un tamaño en el intervalo de 0, 2 a 1, 5 mm y por encima de éste un lecho circulante que contiene partículas de material fluidizado más finamente divididas que tienen un tamaño en el intervalo de 50 a 300 µm, y porque las partículas que se han separado del gas de producto para circulación se devuelven a la parte superior del lecho fluidizado burbujeante del reactor o por encima de éste.
Sin embargo, estos documentos del estado de la técnica presentan la desventaja de la complejidad de los reactores y de que mayoritariamente en ellos se producen una elevada cantidad de productos inquemados o residuos sólidos carbonosos (char) que son arrastrados del lecho antes de que se degraden por completo, disminuyendo así la conversión del carbono a gas, que se produce generalmente en el interior de los gasificadores con geometría cilíndrica, donde el tiempo de retención o permanencia del sólido en el interior del lecho de partículas inertes no es suficiente para lograr dicha degradación y depende mucho de las condiciones de operación, como son la velocidad de fluidización, la altura de lecho, la carga térmica del reactor, la capacidad de procesamiento de los combustibles sólidos, entre otros factores.
Este efecto puede minimizarse con el objeto de la presente invención, ya que se ha logrado aumentar el tiempo de retención del combustible sólido orgánico en el interior del lecho recirculándolo de forma sistemática. Además un ventaja clara de la presente invención es que como se consigue mayor tiempo de retención, y por consiguiente de degradación de sólidos carbonoso en el lecho, también ocurre mayor homogeneidad de la mezcla de material inerte del lecho/sólido carbonoso/catalizador, por lo que se obtiene un alto índice de conversión a gas y se minimiza la cantidad de material carbonoso arrastrado con la corriente de gas.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un reactor de gasificación de lecho fluidizado en el que intervienen una mezcla de partículas inertes, un catalizador y un sólido orgánico (materia prima a gasificar), este último, por efecto de la temperatura en presencia de un catalizador y en reacción con un agente gasificante (aire, oxígeno, vapor o una mezcla de estos componentes), se descompone para dar lugar a una mezcla de gases de medio/bajo poder calorífico, alquitranes y partículas sólidas carbonosas.
La corriente de producto (mezcla de gases, vapores y partículas sólidas que se arrastran del lecho) se evacúa por la parte superior del reactor después de permanecer durante un tiempo en su interior, y las escorias (aglomerados) formadas son extraídas con la ayuda de medios mecánicos de forma continua por la parte inferior del reactor.
El reactor objeto de la presente invención es de los que funciona haciendo fluidizar un lecho de partículas de material inerte a través de una corriente de un agente fluidizante (aire, oxígeno, vapor o una mezcla de estos componentes) que se introduce vía una parrilla distribuidora ubicada en la base inferior de la sección tronco cónica invertida del reactor, dotada de una pluralidad de orificios de salida o difusores de tipo “tuyère” (o tobera).
El material sólido orgánico, comúnmente llamado combustible sólido, es alimentado al interior del lecho por una o varias entradas, de forma preferida dos, donde por efecto de la temperatura y las reacciones químicas que se producen en presencia del catalizador, es descompuesto dando lugar a una corriente producto compuesta por: mezcla de gases, hidrocarburos condensables (alquitrán), residuos sólidos carbonosos (char), partículas del material inerte que componen el lecho y partículas de catalizador que son arrastradas hacia el exterior. Esta corriente de producto es evacuada por la parte lateral superior del gasificador, de forma transversal a la sección cilíndrica del reactor.
Este tipo de reactores, de lecho fluidizado burbujeante, son muy empleados por la versatilidad que poseen en cuanto a la diversidad de combustibles sólidos a gasificar, porque logra mejorar la mezcla entre material inerte y el combustible, por su elevado índice de transferencia de calor y por lograr altas velocidades de calentamiento, entre otras ventajas. Sin embargo, es cierto que habitualmente se producen una gran cantidad de inquemados o residuos sólidos carbonosos (char) que son arrastrados del lecho antes de que se degraden por completo, disminuyendo así la tasa de conversión del carbono a gas.
Este fenómeno se produce generalmente con sólidos, en el interior de gasificadores con geometría constante (cilíndrica/cuadrada o rectangular), donde el tiempo de retención o permanencia de dicho sólido en el interior del lecho de partículas inertes no es suficiente para lograr su degradación, lo que a su vez depende de las condiciones de operación, entre las que se encuentran la velocidad de fluidización, la altura del lecho, la carga térmica del reactor, la capacidad de procesamiento de los combustibles sólidos, entre otros. Al descomponerse y tener diferente granulometría y densidad, los sólidos son arrastrados con la corriente de gas que asciende hacia la salida debido a que el patrón de flujo es predominantemente ascendente.
Este efecto puede minimizarse modificando el patrón de flujo en la base del gasificador para favorecer que las partículas de combustible sólido, inmediatamente después que entran al reactor, describan una fuerte trayectoria descendente, logrando así un mayor tiempo de retención del sólido orgánico en el interior del lecho vía una mayor circulación en el mismo, distribuyéndose este tiempo de la siguiente forma:
Tiempo que transcurre desde la entrada del sólido orgánico hasta que llega a la parte inferior del lecho fluido,
Tiempo que transcurre desde que el sólido orgánico recorre la distancia desde la parte inferior hasta la parte superior del lecho y
Tiempo en que se degrada el sólido orgánico para ser arrastrado en forma de ceniza en la salida de la corriente de producto o gases.
De esta forma no se hace necesario tener que recurrir a lechos muy altos que provocan aumentos de los tamaños de burbuja que producen fenómenos de “slugging” (proceso que
5 se produce por incremento del caudal de gas en un lecho fluidizado, donde las burbujas crecen con la altura y coalescen formando “pisos” de lecho a lo largo de la zona de reacción), por lo que se ve disminuida la transferencia de calor y la conversión de carbono.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar una mejor
10 comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, las siguientes figuras, donde con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
15 Figura 1.- Es una vista frontal del reactor de gasificación objeto de la presente invención en donde:
- (1)
- Representa esquemáticamente el cuerpo cilíndrico del reactor,
- (2)
- Representa el fondo del reactor que comprende una sección tronco cónica invertida y
una base inferior (2’), 20 (3) Representa esquemáticamente la entrada del sólido orgánico,
- (4)
- Representa esquemáticamente la entrada de recirculación de los sólidos arrastrados del lecho,
- (5)
- Representa esquemáticamente la entrada de producto de inertización,
(6) Representa esquemáticamente la entrada del agente fluidizante, situada en la caja 25 de aire o plenum (12)
- (7)
- Representa esquemáticamente la entrada del catalizador y del material inerte,
- (8)
- Representa esquemáticamente la salida de aglomerados, y
- (9)
- Representa esquemáticamente la salida de la corriente de producto. (HL) Representa la altura de lecho efectiva
30 (B) Representa el ángulo � de inclinación de la sección tronco cónica. (h2) Representa la cota de entrada (3) de alimentación de sólido orgánico.
(h) Representa la altura de la sección tronco cónica.
Figura 2.- Es una vista desde abajo del reactor (1) de gasificación objeto de la presente invención, muestra el fondo (2) tronco-cónico invertido y la base inferior (2’) de la sección tronco cónica invertida.
5 Figura 3.- Muestra el esquema que ilustra el patrón de flujo de sólidos que representa la fluidodinámica de las partículas en el reactor (1) de lecho fluidizado con fondo (2) tronco cónico invertido y con placa distribuidora (10) de tipo tuyeré, según el procedimiento objeto de la presente invención.
10 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento para gasificar materiales sólidos orgánicos en un reactor (1) de lecho fluidizado con un cuerpo cilíndrico y un fondo (2) con sección tronco-cónica invertida mediante un flujo de gas que hace circular las partículas
15 sólidas que comprende las etapas de:
a.-) suministrar combustible mediante al menos una entrada (3) para la alimentación del sólido orgánico, b.-) suministrar un agente catalizador o mezcla de este con material inerte mediante una
20 entrada (7) dispuesta a 60º de la entrada (3) de alimentación del sólido orgánico de la etapa a), c.-) introducir un agente fluidificante mediante una entrada (6) situado en la caja de aire o plenum (12), d.-) distribuir el agente fluidificante a través de la base inferior (2`) de la sección tronco
25 cónica invertida, en la que se encuentra una parrilla distribuidora (10) dotada de una pluralidad de orificios de salida o difusores de tipo tuyeré (11), y e.-) producir la salida de la corriente de producto por la parte superior del reactor (1) de forma transversal a la sección cilíndrica del mismo, mediante un elemento de salida (9).
30 Adicionalmente, la invención también se refiere a un aparato consistente en un reactor (1) de gasificación para implementar el procedimiento descrito anteriormente.
Concretamente el reactor (1) de gasificación objeto de la presente invención se caracteriza porque está formado por una envolvente de configuración exterior cilíndrica, unida por su 35 parte inferior a un tronco de cono invertido, siendo la parte superior de mayor diámetro del tronco de cono, igual al diámetro del cilindro (Dcilindro). El reactor (1) objeto de la presente
invención es un reactor de lecho fluidizado de configuración cilíndrica con fondo (2) con sección tronco-cónica invertida, con una parrilla distribuidora (10) situada en la base inferior (2`) de la sección tronco-cónica invertida y dotada con una pluralidad de difusores de tipo “tuyère” (11).
Dicha parrilla distribuidora (10) no altera la carga térmica específica superficial (kW/m2), estando concebida dicha carga térmica para un reactor de gasificación de sección continua (Dcilindro) y de igual velocidad superficial. El reactor (1) objeto de la presente invención cumple por tanto con la siguiente relación:
Dcilindro/Dbase=1+tangente
Siendo el ángulo que forma la generatriz de la sección tronco-cónica con la generatriz de la sección cilíndrica.
El inventor ha determinado en base a su esfuerzo inventivo, que la geometría reivindicada mejora el patrón de circulación de sólidos en el interior de un gasificador con esta configuración, aumentando así el tiempo de retención del sólido en el interior del mismo. Es decir, se consigue que las partículas de sólido orgánico, a su entrada en el reactor (1) describan una trayectoria descendente al ser arrastradas por el material del lecho, hacia la zona del tronco de cono y se incorporen a la corriente del lecho desde la zona de entrada del agente fluidizante, disponiendo por tanto de mayor recorrido y de mayor tiempo de reacción, que si lo hiciesen desde mediados del lecho.
La figura 1 es una vista frontal del reactor de gasificación objeto de la presente invención en donde (1) representa esquemáticamente el cuerpo cilíndrico del reactor, (2) representa el fondo tronco-cónico invertido que comprende una sección o parte inferior del tronco del cono y una base inferior (2’), (3) representa esquemáticamente la entrada del sólido orgánico, que en una realización preferida pueden ser al menos dos entradas, (4) representa esquemáticamente la entrada de recirculación de los sólidos arrastrados del lecho, (5) representa esquemáticamente la entrada de producto de inertización, la que en una realización preferida pueden ser dos entradas, y en una realización más preferida pueden ser cuatro entradas. El producto de inertización puede ser seleccionado de entre nitrógeno o agua. (6) representa esquemáticamente la entrada del agente fluidizante, situada en la caja de aire o plenum (12). (7) representa esquemáticamente la entrada del catalizador o de una mezcla de este con el material inerte, de manera que sea posible reponer al proceso las sustancias consumibles, como es el catalizador y el material inerte que conforma el lecho.
(8) representa esquemáticamente la salida de aglomerados o escorias que se producen durante el proceso y (9) representa esquemáticamente la salida de la corriente de producto, la cual comprende una mezcla de gases, vapores y partículas sólidas que se arrastran del lecho.
5 La figura 2 es una vista desde abajo del reactor (1) de gasificación objeto de la presente invención, muestra el fondo (2) del tronco de cono invertido y la base inferior (2’) de dicho tronco de cono. En dicha base inferior (2`) se encuentra la parrilla distribuidora (10) dotada de una pluralidad de difusores de tipo “tuyeré” (11), por los que se introduce el agente gasificante al lecho. Dicho agente gasificante puede ser seleccionado de entre aire, oxígeno,
10 vapor o una mezcla de los elementos anteriores. Adicionalmente se muestran dos entradas
(3) de alimentación de sólido orgánico, situadas 120º entre ellas, dos entradas (5) de producto de inertización, una entrada (4) para la recirculación de productos arrastrados del lecho y la salida de aglomerados (8).
15 La figura 3 muestra el esquema que ilustra el patrón de flujo de sólidos que representa la fluidodinámica de las partículas en el reactor (1) de lecho fluidizado de fondo (2) tronco cónico invertido, con una entrada (3) de alimentación de sólido orgánico y parrilla distribuidora (10), según el procedimiento objeto de la presente invención.
20 De acuerdo a la ubicación de la parrilla distribuidora (10) y a sus difusores de tipo “tuyeré”(11), se genera una fuerte corriente ascendente en la zona central del lecho, proporcional al diámetro de la base inferior (2`) donde se encuentra ubicada dicha parrilla distribuidora (10), y una baja velocidad del lecho en la zona cercana a las paredes del reactor, con corrientes laterales del material del lecho fluidizado, como por ejemplo
25 partículas de arena, que describen por los laterales un retorno a la parte inferior del lecho, arrastrando consigo las partículas de sólido orgánico (biomasa, por ejemplo) que entran al reactor (1) de gasificación por la entrada (3), y experimentan un movimiento marcadamente descendente, estando la cota (h2) de dicha entrada (3) ubicada a una altura de la base mayor del cono (Dbase), igual en metros al seno del ángulo de la sección tronco cónica
30 invertida.
Así se observa, que con este arrastre de partículas sólidas orgánicas hacia la parte inferior del lecho se aumenta el tiempo de residencia del combustible sólido dentro del reactor, teniendo las partículas sólidas orgánicas mayor recorrido dentro del lecho, existiendo mayor
35 tiempo de reacción y con ello aumentando el rendimiento del proceso.
Según otra característica del reactor (1), en la sección tronco cónica no existen entradas de alimentación de sólidos y en cambio existen una o varias entradas (5), de forma preferida cuatro, a través de las cuales se introduce convenientemente vapor o nitrógeno de inertización para facilitar las condiciones de gasificación o el control de la temperatura del proceso que tiene lugar, según convenga.
Según otra característica del reactor (1), transversalmente a la sección cilíndrica existe al menos una entrada (3) para la alimentación del sólido orgánico combustible, en una realización preferida, pueden existir al menos dos entradas de combustible sólido dispuestas entre sí a 120º y otra entrada (4) que forma un ángulo agudo con la generatriz del cuerpo cilíndrico del reactor, dispuesta a 60º de cada una de las entradas de alimentación, cuando son al menos dos. A través de dicha entrada (4) se recirculan los sólidos arrastrados del lecho. Esta distribución de entradas (3) y (4) logra una mezcla homogénea en el interior del lecho y hace que las fuerzas sobre las paredes del reactor de gasificación que generan vibraciones queden compensadas.
Según otra característica del reactor (1), este comprende una entrada (7) situada a una altura mayor o igual que la altura del lecho efectiva (HL) y que está destinada para introducir un agente catalizador o mezcla de este con material inerte que compone el lecho fluido, a efectos de mantener constante la altura y las condiciones del lecho.
En una realización preferida, el volumen ocupado por la sección tronco-cónica, con relación al volumen total de lecho de partículas es equivalente en porcentaje al ángulo de la sección tronco cónica medida en grados.
Según otra realización preferida, la altura (h) de la sección tronco-cónica es igual al radio (Rbase) de la base inferior (2`) del tronco de cono: Rbase=h
Según otra realización preferida, la cota (h2) de la entrada (3) de alimentación de sólido orgánico, medida en metros desde la unión de la sección cilíndrica con la sección troncocónica, es igual al seno del ángulo , medido en grados: h2= sen .
Según otra realización preferida, en la que especialmente se alcanzan los resultados esperados, concretamente el aumento del tiempo de retención del sólido combustible en el interior del reactor (1) de gasificación, debido a la modificación del patrón de flujo de sólidos orgánicos con dicha geometría, se ha podido comprobar que la altura del lecho efectiva (HL) tiene la siguiente relación con el ángulo y con el radio (Rcilindro) de la sección cilíndrica del reactor: HL=Rcilindro x tangente
Según otra realización preferida, la relación entre la altura de lecho efectiva (HL) y el diámetro (Dbase) de la base del reactor (1) de gasificación es mayor que la unidad:
HL/Dbase >1
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE
La realización preferente que se indica a continuación, se proporciona con fines ilustrativos y no limitativos, con la finalidad de una mejor comprensión de la invención.
Para el objeto de la presente invención se muestra un ejemplo comparativo para valorar el
10 rendimiento del proceso del reactor (1) de gasificación objeto de la presente invención frente a un reactor de gasificación cilíndrico que no posee fondo con sección tronco-cónica invertida.
Se empleó el mismo material de partida, en este caso biomasa, se mantuvieron las mismas
15 condiciones de trabajo en ambos reactores y los resultados obtenidos se ilustran en la siguiente tabla:
De los resultados mostrados anteriormente, es conveniente resaltar que del análisis realizado en la corriente de producto, concretamente el gas, se obtuvo una mayor concentración de CO2, cuando el proceso se realizó en el reactor (1) de gasificación objeto de la presente invención, resultado de una mayor combustión de carbono, así como en los residuos sólidos extraídos se observó una reducción del 50% aproximadamente del carbono fijo, así como una reducción del 50% en los alquitranes condensados.
Es un objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento para gasificar materiales sólidos orgánicos en un reactor (1) de lecho fluidizado con un cuerpo cilíndrico y un fondo (2) con sección tronco-cónica invertida, mediante un flujo de gas que hace circular las partículas de material fluidizado sólidas que comprende las etapas de:
a.-) suministrar combustible mediante al menos una entrada (3) para la alimentación del sólido orgánico, b.-) suministrar un agente catalizador o mezcla de este con material inerte mediante una entrada (7) dispuesta a 60º de la entrada de alimentación del sólido orgánico de la etapa a), c.-) introducir un agente fluidificante mediante una entrada (6) situado en la caja de aire o plenum (12), d.-) distribuir el agente fluidificante a través de la base inferior (2`) de la sección tronco cónica invertida, en la que se encuentra una parrilla distribuidora (10) dotada de una pluralidad de orificios de salida o difusores de tipo tuyeré (11), y e.-) producir la salida de la corriente de producto por la parte superior del reactor (1) de forma transversal a la sección cilíndrica del mismo, mediante un elemento de salida (9).
De forma preferida, el suministro del sólido orgánico se realiza mediante al menos dos entradas (3), distribuidas radialmente a 120º entre sí.
De forma preferida, el procedimiento anteriormente citado adicionalmente comprende la etapa de suministrar mediante al menos dos entradas de agente (5) de inertización, en la que el agente de inertización es seleccionado de entre nitrógeno, vapor o una mezcla de los anteriores.
De forma preferida, en el procedimiento anteriormente citado, el agente fluidificante es seleccionado de entre aire, oxígeno, vapor o una mezcla de los anteriores.
De forma preferida, el procedimiento anteriormente citado adicionalmente comprende la etapa de recirculación de los sólidos arrastrados del lecho, a través de una entrada (4).
De forma preferida, en el procedimiento anteriormente citado, el radio (Rbase) de la base inferior (2`) del reactor de gasificación es igual a la altura (h) de la sección tronco-cónica: Rbase= h.
De forma preferida, en el procedimiento anteriormente citado la cota (h2) de la entrada (3) de alimentación de sólido orgánico, medida en metros desde la unión de la sección cilíndrica con la sección tronco-cónica, es igual al seno del ángulo medido en grados: h2= sen .El ángulo de forma preferida tiene una inclinación entre 12-20 grados. De forma preferida, en el procedimiento anteriormente citado los diámetros mayor (Dcilindro) y menor (Dbase) de la sección tronco-cónica guardan una relación igual a:
Dcilindro/Dbase = 1+ tangente
De forma preferida, en el procedimiento anteriormente citado el volumen de lecho ocupado en la sección cilíndrica por encima de la cota (h2) de la entrada (3) de alimentación de sólido orgánico es igual al volumen ocupado por la sección tronco-cónica.
De forma preferida, en el procedimiento anteriormente citado la relación entre la altura de lecho efectiva (HL) y el diámetro de la base (Dcilindro) de la sección cilíndrica del reactor (1) es mayor la que la unidad:
HL/Dcilindro>1.
Adicionalmente, la altura de lecho efectiva (HL) guarda la siguiente relación con el ángulo de inclinación de la sección tronco cónica y el radio (Rcilindro) de la sección cilíndrica:
HL= Rcilindro x tangente
De acuerdo con un aspecto importante, la presente invención se refiere a un reactor (1) de gasificación para implementar el procedimiento anteriormente citado que tiene la característica de que es de lecho fluidizado de configuración cilíndrica con fondo (2) cónico invertido con una parrilla distribuidora (10) dotada de una pluralidad de orificios de salida o difusores de tipo tuyeré (11), situada en la base inferior (2`) de la sección tronco-cónica invertida.
Según otro aspecto, el reactor (1) de gasificación anteriormente citado comprende las siguientes entradas de material:
al menos una entrada (3) de alimentación de sólidos orgánicos,
una entrada (4) para recirculación de sólidos arrastrados del lecho, una entrada (7) para el catalizador y el material inerte, situada a una altura igual o mayor que la altura de lecho efectiva (HL), al menos dos entradas (5) de agente de inertización, en una realización 5 preferida cuatro entradas, en la que el agente de inertización es seleccionado de entre nitrógeno, vapor o una mezcla de los anteriores, una entrada (6) de agente fluidificante, en la que el agente fluidificante es seleccionado de entre aire, oxígeno, vapor o una mezcla de los anteriores.
10 Según otro aspecto, el reactor (1) de gasificación anteriormente citado comprende las siguientes salidas de material:
una salida de aglomerados (8), y una salida de corriente de productos (9).
Claims (15)
- REIVINDICACIONES1.- Un procedimiento para gasificación de materiales sólidos orgánicos en un reactor (1) de lecho fluidizado con un cuerpo cilíndrico y un fondo (2) con sección tronco-cónica invertida, mediante un flujo de gas circulante que contiene partículas de material fluidizado sólidas caracterizado porque comprende:a.-) suministrar combustible mediante al menos una entrada (3) para la alimentación del sólido orgánico, b.-) suministrar un agente catalizador o mezcla de este con material inerte mediante una entrada (7) dispuesta a 60º de la entrada (3) de alimentación del sólido orgánico de la etapa a), c.-) introducir un agente fluidificante mediante una entrada (6) situado en la caja de aire o plenum (12), d.-) distribuir el agente fluidificante a través de la base inferior (2`) de la sección tronco cónica invertida, en la que se encuentra una parrilla distribuidora (10) dotada de una pluralidad de orificios de salida o difusores de tipo tuyeré (11), y e.-) producir la salida de la corriente de producto por la parte superior del reactor (1) de forma transversal a la sección cilíndrica del mismo, mediante un elemento de salida (9).
- 2.- Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende la etapa de suministrar mediante al menos dos entradas (5) de agente de inertización, el cual es seleccionado de entre nitrógeno, vapor o una mezcla de los anteriores,
- 3.- Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque el agente fluidificante es seleccionado de entre aire, oxígeno, vapor o una mezcla de los anteriores.
- 4.- Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende la etapa de recirculación de sólidos arrastrados del lecho, a través de una entrada (4).
- 5.- Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque el volumen ocupado por la sección tronco-cónica, con relación al volumen total de lecho de partículas es equivalente en porcentaje al ángulo de la sección tronco cónica medido en grados.
- 6.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el radio (Rbase) de la base inferior (2`) del reactor de gasificación es igual a la altura (h) de la sección tronco-cónica: Rbase= h.
- 7.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la cota (h2) de la entrada (3) de alimentación de sólido orgánico, medida en metros desde la unión de la sección cilíndrica con la sección tronco-cónica, es igual al seno del ángulo , medido en grados: h2= sen .
- 8. Procedimiento según reivindicación anterior caracterizado porque el ángulo tiene una inclinación entre 12- 20 grados.
- 9.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los diámetros mayor (Dcilindro) y menor (Dbase) de la sección tronco-cónica guardan unarelación igual a: Dcilindro/Dbase = 1+ tangente .
- 10.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el volumen de lecho ocupado en la sección cilíndrica por encima de la cota (h2) de la entrada (3) de alimentación de sólido orgánico es igual al volumen ocupado por la sección tronco-cónica.
- 11.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la altura del lecho efectiva (HL) tiene la siguiente relación con el ángulo ( ) de la sección tronco-cónica y con el radio (Rcilindro) de la sección cilíndrica del reactor: HL=Rcilindro x tangente .
- 12.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la relación entre la altura de lecho efectiva (HL) y el diámetro de la base (Dcilindro) de la sección cilíndrica del reactor (1) es mayor la que la unidad: HL/Dcilindro>1.
- 13.- Reactor de gasificación para implementar el procedimiento de reivindicaciones 1 a 12 caracterizado porque es de lecho fluidizado de configuración cilíndrica con fondo (2) con sección tronco-cónica invertida, con una parrilla distribuidora (10) situada en la base inferior (2`) de la sección tronco-cónica invertida y dotada con una pluralidad de difusores de tipo “tuyère” (11).
- 14. Reactor de gasificación según la reivindicación 13 caracterizado porque comprende lassiguientes entradas de material: al menos una entrada (3) de alimentación de sólidos orgánicos,una entrada (4) para recirculación de sólidos arrastrados del lecho, una entrada (7) para el catalizador o mezcla de este con material inerte, situada a una altura igual o mayor que la altura de lecho efectiva (HL), al menos dos entradas (5) de agente de inertización, en la que el agente de 5 inertización es seleccionado de entre nitrógeno, vapor o una mezcla de los anteriores, una entrada (6) de agente fluidificante, en la que el agente fluidificante es seleccionado de entre aire, oxígeno, vapor o una mezcla de los anteriores.10 15. Reactor de gasificación según la reivindicación 13 caracterizado porque comprende lassiguientes salidas de material: una salida de aglomerados (8), y una salida de corriente de productos (9).15 16. Reactor de gasificación según la reivindicación 13 caracterizado porque la cota (h2) de la entrada (3) de alimentación de sólido orgánico, medida en metros desde la unión de la sección cilíndrica con la sección tronco-cónica, es igual al seno del ángulo , medido en grados: h2= sen .20 17. Reactor de gasificación según la reivindicación 13 caracterizado porque el ángulo tiene una inclinación entre 12- 20 grados.OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCASN.º solicitud: 201331380ESPAÑAFecha de presentación de la solicitud: 23.09.2013Fecha de prioridad:INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA51 Int. Cl. : B01J8/24 (2006.01) C10J3/56 (2006.01)DOCUMENTOS RELEVANTES
- Categoría
- 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
- A
- LEE J M et al. "Catalytic coal gasification in an internally circulating fluidized bed reactor with draft tube". APPLIED THERMAL ENGINEERING, 01.11.1998 VOL: 18 No: 11 Págs: 1013-1024, puntos 1 y 2, fig 1. 1-17
- A
- US 2010040510 A1 (RANDHAVA SARABJIT S et al.) 18.02.2010, párrafos [8-13,49-52]; figuras 1,12. 1-17
- A
- US 2619415 A (HEMMINGER CHARLES E) 25.11.1952, figura 1; columna 4, líneas 31-55. 1-17
- 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 20.12.2013
- Examinador I. González Balseyro Página 1/4
INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICANº de solicitud: 201331380Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B01J, C10J Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos debúsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTUS, TXTEP, TXTGB, XPESPInforme del Estado de la Técnica Página 2/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 201331380Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 20.12.2013Declaración- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-17 SI NO
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-17 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 3/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 2013313801. 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
- LEE J M et al. "Catalytic coal gasification in an internally circulating fluidized bed reactor with draft tube". APPLIED THERMAL ENGINEERING, 01.11.1998 VOL: 18 No: 11 Págs: 1013-1024, puntos 1 y 2, fig 1. 01.11.1998
- D02
- US 2010040510 A1 (RANDHAVA SARABJIT S et al.) 18.02.2010
- D03
- US 2619415 A (HEMMINGER CHARLES E) 25.11.1952
- 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 declaraciónEl objeto de la invención es un procedimiento de gasificación de materiales sólidos orgánicos y el reactor de lecho fluidizado para llevarlo a cabo.El documento D01 divulga un proceso de gasificación de un material carbonoso en lecho fluidizado donde se introduce aire y oxígeno a través de un distribuidor de campanas situado en la parte inferior de la sección troncocónica invertida, y vapor de agua a través de la pared cónica. Este proceso no contempla la adición del catalizador de forma independiente a la alimentación por una entrada dispuesta a 60º de la de la alimentación tal y como se recoge en la solicitud. (Ver puntos 1 y 2, fig 1).El documento D02 divulga un proceso de gasificación de biomasa en lecho fluidizado con sucesivos lechos de expansión donde la biomasa se alimenta en la zona inferior del lecho, así como el oxígeno y el vapor de agua. Este proceso no menciona la necesidad de un distribuidor de los gases de fluidización. (Ver párrafos [8-13, 49-52], fig 1 y 12).El documento D03 divulga un proceso de gasificación de un material carbonoso en un reactor de lecho fluidizado con fondo cónico donde la alimentación se introduce en el mismo a través de una línea que forma ángulo con la generatriz del reactor. El gas de fluidización se alimenta por la parte inferior del mismo y se distribuye gracias a un plato perforado situado en la base de la zona cilíndrica del reactor a diferencia de la solicitud que sitúa el plato distribuidor en la base inferior de la sección troncocónica. (Ver fig 1, columna 4 líneas 31-55).Ninguno de los documentos D01-D03 citados o cualquier combinación relevante de los mismos revela un proceso de gasificación de material carbonoso y un reactor para llevarlo a cabo con las características recogidas en las reivindicaciones 1 y 13 de la solicitud, consiguiéndose de esta manera un incremento del tiempo de residencia de la materia en el lecho dando lugar a una mayor conversión a gas.Por lo tanto, se considera que la invención recogida en las reivindicaciones 1-17 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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| ES201331380A ES2436844B1 (es) | 2013-09-23 | 2013-09-23 | Procedimiento para la gasificaci�n de materiales sólidos orgánicos y reactor empleado |
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