ES2477120B1 - Procedimiento para la gasificacion de biomasa, dispositivo para aplicar dicho procedimiento - Google Patents

Procedimiento para la gasificacion de biomasa, dispositivo para aplicar dicho procedimiento Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la gasificación de biomasa que comprende la recirculación del calor del gas final de tal modo que este es cedido al gas inicial, al fluido que permite la gasificación inicial y que puede ser un metal fundido y a los fluidos reactantes que se introducen junto con la materia prima para la gasificación inicial.

Description



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PROCEDIMIENTO PARA LA GASIFICACION DE BIOMASA, DISPOSITIVO PARA APLICAR DICHO PROCEDIMIENTO.
La invención comprende A) Un procedimiento para la obtención de gas preferiblemente a
5 partir de biomasa, entendiendo como biomasa todo material orgánico, que tiene o tuvo vida, así como cualquier derivado del mismo B) Un dispositivo para la aplicación del procedimiento que se pretende y C) el gas finalmente obtenido.
Durante el procedimiento de descomposición físico-química de la materia orgánica por calor
10 (pirólisis), a la biomasa inicial se le añade temperatura, presión y una serie de fluidos reactantes de tal modo que se obtiene ya un gas si bien resulta necesario someterlo a la acción de una antorcha de plasma para elevar su temperatura hasta al menos 1200º de tal forma que ésta destruya las moléculas largas y pesadas que trae dicho gas de la biomasa y que, sin el nivel de temperatura que proporciona la antorcha, no se han podido quebrar en
15 moléculas más cortas hasta llegar a hidrógeno y monóxido de carbono.
Para aumentar la temperatura de la biomasa y del gas resultante de ésta, el procedimiento objeto de la presente comprende la reutilización del calor que desprende el gas final que de este modo se utiliza para calentar la materia prima, entendiendo como tal la biomasa y los
20 fluidos reactantes.
El calor del gas obtenido puede actuar sobre la biomasa y/o la materia prima por medio de diferentes vías que pueden concurrir.
25 1. Por recirculación del propio gas final por las paredes del conducto por el que discurre la biomasa y/o la materia prima provocándose directa o indirectamente el intercambio de calor entre el gas y la biomasa.
2. Por recirculación, por las paredes del conducto por el que discurre la biomasa y/o la 30 materia prima, de un fluido que previamente ha tomado calor del gas final obtenido.
3. Por introducción, en el conducto por el que discurre la biomasa, de al menos uno de los fluidos reactantes (agua, vapor de agua, oxigeno, aire o dióxido de carbono) que previamente ha tomado calor del propio gas obtenido o de un fluido previamente
35 calentado por este.
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ANTECEDENTES
Los sistemas convencionales de gasificación de biomasa con plasma combinan un grado bajo de pirolisis con un grado alto de gasificación con oxígeno puro o aire, asistido por vapor
5 de agua o dióxido de carbono lo que genera un gas de síntesis usable para combustión o para producir combustibles y también se genera mucho calor que generalmente se emplea en generar más electricidad o para aplicarlo en secar o calentar ambientes.
Otros sistemas, son los sistemas de plasma gasificación sin oxigeno o aire. Estos sistemas
10 consumen mucha energía y para minimizarla se le inyecta el oxígeno apenas necesario para que la biomasa se oxide parcialmente y eleve su temperatura hasta poder gasificar.
El estado actual de la ciencia ha luchado, sin mucho éxito, por lograr traspasar la energía de gasificación de la biomasa saliente a la biomasa entrante. Si lo anterior se lograra realizar
15 con alta eficiencia, entonces a la antorcha de plasma se le dejaría únicamente el trabajo de suplir la energía perdida en dicho traspaso y de mantener la temperatura a 1200º centígrados de forma que ésta destruya las moléculas largas y pesadas que trae el gas de la biomasa y que la gasificación, sin este nivel de temperatura, no puede quebrar en moléculas más cortas para poder llegar a hidrógeno y monóxido de carbono.
20 Para lo anterior, se han construido equipos con sistemas de recuperación de calor que tratan de pasar el calor saliente del reactor de plasma a la biomasa, teniendo que afrontar dos problemas.
25 El primer problema es que la construcción actual de los intercambiadores de calor de doble cámara, para transferir calor de un gas a un sólido granulado como el de biomasa, no son eficientes.
El segundo problema es que si se usa una sola cámara inyectando aire o algún gas que
30 aporte calor junto con la materia prima, los gases de descomposición de la esta materia prima se mezclan con los gases calientes que circulan para calentarla y esto conlleva a la necesidad de hacer una futura y costosa separación de gases, o bien a resignarse a obtener un gas final muy pobre en su contenido energético.
35 Conllevando los dos problemas expuestos anteriormente, el estado actual de la ciencia ha consistido en aplicar una parte del calor saliente de los gases que circulan por el reactor de plasma, a precalentar en forma separada: la materia prima, el vapor de agua y el oxígeno o gas reactante, para llevar dicha materia prima a temperatura de gasificación; otra parte del calor para elevar la temperatura al gas que luego es sometido a la antorcha de plasma para poder optimizar el proceso de gasificación; y el calor restante, se usa para brindar servicios
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5 de secado o calentamiento de ambientes.
Si se lograra eficientemente trasladar casi en su totalidad el calor de alta temperatura del gas final directamente a la biomasa, contribuiría a que se generara mayor cantidad de hidrógeno a que si la oxidación parcial se realizara con oxígeno puro o del aire; a esta
10 cantidad de calor de alta temperatura junto sólo le haría falta otra cantidad minoritaria que le podría aportar la antorcha de plasma para facilitar la deseada oxidación parcial de la materia prima con el oxígeno del vapor de agua.
Es conocido que lo anterior sucede sólo a temperaturas mayores a los 1.150 grados
15 centígrados con exposición a rayos ultravioleta y que esto es fácilmente alcanzable con la ayuda de la antorcha de plasma.
También se conoce que este hidrógeno que se liberaría del vapor de agua, enriquecería el gas de síntesis en su contenido energético y que tendría la capacidad de duplicar el ratio
20 molar de hidrógeno a monóxido de carbono (H/CO) que generan los sistemas convencionales que usan como reactante principal el oxígeno puro o del aire.
Lograr eficientemente trasladar casi en su totalidad la cantidad de calor de alta temperatura del gas final a la biomasa para lograr en ella una oxidación parcial de bajo costo y un gas de
25 síntesis enriquecido con hidrógeno, es precisamente lo que se logra con el procedimiento innovador que presenta esta patente y que se explica a continuación.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
30 El procedimiento objeto del presente comprende las siguientes fases:
Una fase inicial en donde la biomasa se introduce en un reactor al que llamaremos unidad 1 para iniciar el proceso de pirolisis de la materia prima, proceso mediante el cual se descompone la materia a gas, todo ello por acción del calor proveniente de, al menos, una
35 fuente de calor Esta unidad 1 cuenta con chaqueta doble de forma que también actúa como intercambiadora de calor tomando el calor directa o indirectamente del gas saliente del proceso de gasificación.
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5 El gas saliente o un fluido que ha tomado el calor de este, circula entre la doble chaqueta del reactor y contribuye a elevar la temperatura de las materias primas que discurren por el interior del reactor y que absorben calor.
Además del calor derivado del gas final, las materias primas pueden tomar calor tanto de un 10 lecho de un fluido no volátil como de de los fluidos reactantes inyectados.
El fluido no volátil, para traspasar eficientemente el calor, conviene que esté en agitación horizontal y vertical en forma simultánea, para lo cual puede incluirse un agitador en el reactor, habiéndose realizado pruebas con metales fundidos, por ejemplo estaño, o una
15 aleación de éste con otro material, obteniéndose buenos resultados.
En relación a los fluidos reactantes son preferibles el agua, vapor de agua, oxigeno, aire, dióxido de carbono, que previamente han tomado calor, directa o indirectamente, del propio gas final.
20 Durante esta primera fase la materia prima se eleva a una temperatura entre 250º y 900º
Una fase posterior en donde se somete al gas obtenido en la fase antes descrita, a la acción de rayos ultravioletas por acción de una antorcha de plasma, elevando la temperatura del
25 mismo hasta una temperatura entre 1150º y 1250º centígrados, obteniéndose gas de síntesis. Esta fase se desarrolla en al menos un segundo reactor (9) al que denominaremos unidad 2.
Tras la salida del gas de síntesis de la unidad 2 se utiliza su calor para calentar la unidad 1
30 así como para calentar los fluidos reactantes que serán finalmente inyectados en este primer reactor.
La inyección de los fluidos reactantes en el reactor contribuye a favorecer la oxidación parcial de los gases provenientes de la materia prima inicial, aportar presión en el interior de
35 las unidades y generar turbulencia.
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En el procedimiento pueden intervenir dos o más reactores y si son más de dos reactores pueden estar dispuestos e interconectados en serie o en paralelo al primero, o en combinación de ambas disposiciones.
5 BREVE EXPLICACION DE LA FIGURA
La FIGURA 1 muestra, en esquema, el procedimiento objeto de la presente apreciándose la entrada de la biomasa por una boca de alimentación (1) del reactor (15) que alberga un contenedor de un fluido no volátil (2) a cuya atmósfera interior se le adicionan fluidos
10 reactantes (3) previamente calentados en un intercambiador de calor (4).
La biomasa, al gasificar, genera residuos sólidos (5) que flotan y se eliminan por gravedad a través de un conducto (6).
15 El gas obtenido de la gasificación de la biomasa es conducido (7) a un intercambiador de calor (8) tras el cual es conducido a al menos un segundo reactor (9), y dicho segundo reactor alberga un contenedor con un fluido no volátil (10) contribuyendo a calentar el gas que es sometido a la acción de una antorcha de plasma (11). Existe la opción de que, el intercambiador de calor (8) se ubique dentro del mencionado reactor (9)
20 El contenedor de metal fundido (10) recibe los residuos sólidos (5) que, por gravedad son eliminados a través de un conducto que comunica con el exterior (12).
Tras ser sometido a la acción de la antorcha de plasma (11), el gas resultante es un gas de
25 síntesis de alta temperatura que es conducido (13) al intercambiador de calor (8) donde cede temperatura al gas obtenido de la biomasa en una etapa anterior (7)
Tras su paso por el intercambiador de calor (8), el gas de síntesis es conducido (14) al reactor (15) en donde cede parcialmente su temperatura tras lo cual es conducido (16) al 30 intercambiador de calor (4) en donde cede parcialmente su temperatura a los fluidos reactantes (3). Existe la opción de que, por en medio del intercambiador de calor (4) pueda discurrir la materia prima para precalentarse, previo a descargarse a la boca de alimentación
(1) del reactor (15).
35 Tras su paso por el intercambiador de calor (4) el gas final, de síntesis, es conducido (17) a una unidad de análisis (18) que supone la última etapa del procedimiento.
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DESCRIPCION DE UN MODO DE LLEVAR A CABO LA INVENCION
Se describe aquí una forma de llevar a cabo la invención que no es única sino una de las maneras de poderla ejecutar. 5 Las magnitudes de temperatura se ofrecen en grados centígrados.
La patente que se pretende comprende un procedimiento para la gasificación de biomasa, dispositivo para aplicar dicho procedimiento y gas obtenido de esa forma. 10 En cuanto al procedimiento comprende las siguientes etapas:
En una primera etapa se introduce la biomasa en un reactor (15) poniéndola en contacto con unos reactantes (3) que se encuentran a aproximadamente 500º y un fluido no volátil (2) a 15 una temperatura también cercana a los 500º.
Los fluidos reactantes son preferiblemente agua, vapor de agua, oxigeno, aire, o dióxido de carbono o una mezcla de 2 o más de ellos en donde al menos 1 de estos ha sido previamente calentado en un intercambiador de calor (4).
20 La biomasa junto con al menos 1 de los reactantes constituye la materia prima.
La materia prima, en contacto con el fluido no volátil (2) gasifica y genera residuos sólidos (5).
25 De las pruebas realizadas ha dado buen resultado, como fluido no volátil, a alta temperatura, el estaño fundido; sin que se descarte la posibilidad de utilizar otros materiales.
El gas obtenido de la gasificación de la materia prima, al que llamaremos gas inicial, a una
30 temperatura aproximada de 500º, es conducido (7) a un intercambiador de calor (8) en donde se consigue elevar su temperatura hasta aproximadamente 900º gracias a que la toma, directa o indirectamente, de la temperatura del gas final.
Tras pasar por el intercambiador de calor (8) el gas inicial es conducido a un segundo 35 reactor (9) que alberga un contenedor de un fluido no volátil a temperatura elevada.
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En su paso por dicho reactor (9), el gas inicial es sometido a la acción de una antorcha de plasma que eleva la temperatura del mismo desde aproximadamente 900º hasta aproximadamente 1200º, favoreciéndose que se destruyan las moléculas largas y pesadas que trae el gas inicial y que, sin el nivel de temperatura que proporciona la antorcha, no se
5 han podido quebrar en moléculas más cortas hasta llegar a hidrógeno y monóxido de carbono.
Al gas así obtenido lo denominaremos gas final, y es un gas de síntesis enriquecido pues debido a la adición de los fluidos reactantes, especialmente del vapor de agua, se libera
10 hidrógeno y se enriquece el gas de síntesis en su contenido energético ya que aproximadamente duplica el ratio molar de hidrógeno a monóxido de carbono (H/CO) que generan los sistemas convencionales que usan como reactante principal el oxígeno puro o del aire.
15 El gas final sale del reactor (9) a una temperatura aproximada de 1200º es conducido (13) al intercambiador de calor (8) en donde cede aproximadamente 300º de su temperatura para después ser conducido (14) al reactor (15) en donde cede aproximadamente 400º siendo con posterioridad dirigido (16) al intercambiador de calor (4) para precalentar los fluidos reactantes antes de su entrada en el reactor (15).
20 A su salida (17) del intercambiador (4) el gas final es sometido a los siguientes controles:
a) Análisis del gas resultante para determinar, al menos, su ratio molar de hidrógeno/monóxido de carbono y de monóxido de carbono/dióxido de 25 carbono de forma que:
i. En caso de variar el ratio molar de hidrógeno/monóxido de carbono en el gas final se procede a variar en sentido contrario la velocidad de alimentación del agente oxidante utilizado: agua o vapor de agua,
30 dióxido de carbono y oxígeno en el proceso hasta obtener el ratio fijado.
ii. En caso de variar el ratio molar de monóxido de carbono/dióxido de carbono en el gas final se varía, en el mismo sentido, la velocidad de
35 alimentación del agente oxidante utilizado: agua o vapor de agua, dióxido de carbono y oxígeno hasta obtener el ratio fijado.
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b) Análisis de la velocidad de producción de gas de síntesis final en donde si se varía la velocidad de producción deseada del gas de síntesis final, el medidor digital de composición de gases ordena variar en dirección contraria y en
5 forma proporcional, la velocidad de alimentación de todos los componentes de la materia prima y reactantes: material orgánico, agua o vapor de agua, oxígeno y/o dióxido de carbono; también del gas ionizado que genera el arco eléctrico para formar la antorcha de plasma y la electricidad que alimenta el plasma.
10 c) Detección de la temperatura en el sistema intercambiador de calor de tal forma que si se varía la temperatura, también varía en dirección contraria el ingreso de oxígeno o reactante oxidante a dicha unidad hasta obtener el nivel de temperatura fijado.
15 El residuo sólido existente sobre la superficie del metal fundido (10) vierte a través del conducto (12) al exterior en donde puede ser utilizado como fertilizante.

Claims (8)



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    imagen2
    REIVINDICACIONES
    1.- PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE GAS A PARTIR DE BIOMASA
    iniciándose mediante pirolisis del tipo de los que comprenden una etapa inicial de calentamiento de la biomasa hasta su gasificación con una etapa de oxidación parcial y exposición de los gases a rayos ultravioleta por acción de una antorcha de plasma caracterizado porque comprende:
    1. Una primera fase en donde la biomasa, que puede estar previamente precalentada, es introducida en un reactor comprendiendo esta fase a su vez:
    a) Precalentamiento de al menos uno de los siguientes fluidos reactantes: agua, vapor de agua, oxigeno, aire, dióxido de carbono o hidrógeno.
    b) Aumento de la presión en el interior del intercambiador mediante la introducción de, al menos, uno de los fluidos reactantes señalados mezclándose con la biomasa y constituyendo la materia prima.
    c) Pirolisis de los gases provenientes de la biomasa.
    d) Elevación de la temperatura de la materia prima hasta una temperatura entre 250º y 900º centígrados.
  2. 2.
    Una segunda fase en donde la temperatura del gas proveniente de la materia prima se eleva entre los 1150º y los 1250º centígrados bajo sometimiento a la acción de rayos ultravioletas, por acción de una antorcha de plasma generándose gas de síntesis.
  3. 3.
    Una tercera fase en donde el gas resultante de la segunda fase es sometido a un proceso de enfriamiento transmitiendo su calor de forma directa o indirecta tanto a la materia prima en estado sólido o gaseoso como a los fluidos reactantes.
  4. 4.
    Una cuarta fase, opcional, que comprende al menos una de las siguientes operaciones:
    imagen3
    imagen4
    a) Análisis del gas resultante para determinar, al menos, su ratio molar de hidrógeno/monóxido de carbono y de monóxido de carbono/dióxido de carbono de forma que:
    5 i. En caso de variar el ratio molar de hidrógeno/monóxido de carbono en el gas final se procede a variar en sentido contrario la velocidad de alimentación del agente oxidante utilizado: agua o vapor de agua, dióxido de carbono y oxígeno en el proceso hasta obtener el ratio fijado.
    10
    ii. En caso de variar el ratio molar de monóxido de carbono/dióxido de carbono en el gas final se varía, en el mismo sentido, la velocidad de alimentación del agente oxidante utilizado: agua o vapor de agua, dióxido de carbono y oxígeno hasta obtener el ratio fijado.
    15 b) Análisis de la velocidad de producción de gas de síntesis final en donde si se varía la velocidad de producción deseada del gas de síntesis final, el medidor digital de composición de gases ordena variar en dirección contraria y en forma proporcional, la velocidad de alimentación de todos los componentes
    20 de la materia prima y reactantes: material orgánico, agua o vapor de agua, oxígeno y/o dióxido de carbono; también del gas ionizado que genera el arco eléctrico para formar la antorcha de plasma y la electricidad que alimenta el plasma.
    25 c) Detección de la temperatura en el sistema intercambiador de calor principal de tal forma que si se varía la temperatura, también varía en dirección contraria el ingreso de oxígeno o reactante oxidante a dicha unidad hasta obtener el nivel de temperatura fijado.
    30 2.-PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE GAS A PARTIR DE BIOMASA según reivindicación 1 caracterizado por que la materia prima, preferiblemente durante la primera fase, entra en contacto con un fluido no volátil caliente.
  5. 3.- PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE GAS A PARTIR DE BIOMASA según
    35 reivindicación 2 caracterizado por que el fluido no volátil se encuentra en estado de agitación horizontal y vertical en forma simultánea.
    imagen5
    imagen6
  6. 4.-PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE GAS A PARTIR DE BIOMASA según reivindicación anterior caracterizado porque el fluido no volátil es un metal.
    5 5.-PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE GAS A PARTIR DE BIOMASA según reivindicación anterior donde el fluido no volátil comprende estaño.
  7. 6.-DISPOSITIVO PARA LA APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO PARA OBTENCION DE GAS A PARTIR DE BIOMASA caracterizado porque comprende al menos un reactor que a
    10 su vez comprende:
    a) Un contenedor exterior (15) con al menos una entrada y una salida conectadas entre si de tal modo que se genere un circuito por el que pueda discurrir al menos un gas o fluido.
    15 b) Un contenedor interior (5) que alberga un fluido no volátil a elevada temperatura en estado de agitación horizontal y vertical en forma simultánea, en donde dicho contenedor posee una boca de alimentación (1) por donde la materia prima es llevada desde el exterior hasta su contacto con el fluido (2), una entrada por donde
    20 son introducidos desde el exterior del reactor los fluidos reactantes (3), una salida en un punto superior a la superficie del fluido, por donde escapa al exterior del reactor el gas inicial, y una salida a poca altura de la superficie del fluido, por donde vierten al exterior, a través del oportuno conducto (6), los residuos sólidos que resultan tras la gasificación de la materia prima.
    25 7.-DISPOSITIVO PARA LA APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO PARA OBTENCION DE GAS A PARTIR DE BIOMASA caracterizado por que comprende al menos un agitador para el fluido no volátil.
    30 8.-DISPOSITIVO PARA LA APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO PARA OBTENCION DE GAS A PARTIR DE BIOMASA caracterizado por que comprende al menos una fuente de calor.
  8. 9.- DISPOSITIVO PARA LA APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO ANTES DESCRITO
    35 según la reivindicación anterior, caracterizado por comprender uno o más reactores del mismo tipo, donde si son más de dos reactores pueden estar dispuestos e interconectados en serie o en paralelo al primero, o en combinación de ambas disposiciones.
    imagen7
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