ES2551512B1

ES2551512B1 - Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa e instalación para implementación de dicho procedimiento

Info

Publication number: ES2551512B1
Application number: ES201430719A
Authority: ES
Inventors: Sergio David GONZALEZ EGIDO
Original assignee: BIOSONOIL S L; BIOSONOIL SL
Current assignee: NEOLIQUID ADVANCED BIOFUELS AND BIOCHEMICALS, S.L.
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: ES2551512A1

Abstract

Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa e instalación para implementación de dicho procedimiento.#Permite obtener hidrocarburos consiguiendo una mejora del aprovechamiento por valorización de los residuos y/o la biomasa. El procedimiento comprende las etapas de:#procesamiento de los residuos y/o biomasa con calentamiento por aplicación de microondas y control de las reacciones de oxidación, para obtener hidrocarburos en estado gaseoso y un resto rico en coque; y separación de los hidrocarburos obtenidos. La instalación comprende un alimentador (1) de los residuos y/o biomasa, un reactor (8), conectado a la salida del alimentador (1), un aplicador de microondas (6) implementado en un tramo (81) transparente a las microondas del reactor (8), un recolector (10) de un resto rico en coque, y una columna de fraccionamiento (11) para separación de las fases condensables de los hidrocarburos en estado gaseoso procedentes del reactor (8).

Description

PROCEDIMIENTO PARA OBTENCIÓN DE HIDROCARBUROS A PARTIR DE RESIDUOS Y/O BIOMASA E INSTALACIÓN PARA IMPLEMENTACIÓN DE DICHO PROCEDIMIENTO

D E S C R I P C I Ó N

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OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa, y una instalación para implementación de dicho procedimiento.

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Se encuadra en el sector de la técnica de procesos de tratamiento de residuos y biomasa, más concretamente en el relativo a los sistemas térmicos y químicos para la transformación de materiales sólidos en materiales líquidos y gaseosos. También se encuadra dentro del sector de tecnologías para obtención de productos orgánicos.

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ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El tratamiento de residuos y su valorización energética está regulado por distinta normativa en los distintos niveles, desde la propia Unión Europea, pasando por los estados miembros y las comunidades autónomas, en el caso de España. 20

Uno de los aspectos más estudiados debido a su relevancia es la idoneidad de los distintos flujos de residuos como materia prima para su aprovechamiento energético. Esto es debido a que en los residuos hay una variedad de materiales con una composición variable en términos energéticos. Para el aprovechamiento de los residuos es necesario identificar las distintas 25 materias en los mismos dentro de las fracciones de materia orgánica, plásticos, papel y cartón, y otras fracciones susceptibles de aprovechamiento energético.

Dentro del tratamiento de residuos, la etapa correspondiente a la eliminación suele llevarse a cabo de distintas maneras, unas no conllevan aprovechamiento energético y otras sí, mediante 30 diversas tecnologías.

Las que no conllevan aprovechamiento energético suelen ser de forma mayoritaria la disposición en vertedero controlado, donde los distintos materiales presentes en los residuos

sufren transformaciones físicas, químicas y biológicas que generan productos contaminantes con un destacable impacto ambiental.

En relación a las tecnologías con aprovechamiento energético, puede enumerarse la incineración, que requiere grandes volúmenes de residuos (o biomasa) para procesamiento, y 5 grandes inversiones en sistemas de control y verificación ambiental.

Otras tecnologías, como la gasificación, presentan dificultades de manejo y control de los procesos, y generan a su vez una importante cantidad de residuos procedentes de los sistemas de lavado de gases. 10

Todas estas tecnologías generalmente generan energía eléctrica y térmica. En función de su eficiencia energética pueden clasificarse como instalaciones de valorización, pero su eficiencia eléctrica varía desde un 15 al 40 %.

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No obstante, la valorización energética parte de un estado de la materia a valorizar poco eficiente para la combustión, dado que se trata de sustancias principalmente en estado sólido y con una capacidad energética menor.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 20

La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento de obtención de líquidos, compuestos por hidrocarburos, a partir de materiales procedentes de residuos urbanos, industriales, agrícolas, ganaderos y forestales, así como otras fuentes que proporcionen unos sustratos orgánicos formados por polímeros. También se refiere a una instalación para la 25 puesta en práctica del procedimiento.

La utilización del procedimiento e instalación de la invención obtiene de los residuos y biomasa hidrocarburos que aportan un gran valor añadido a su aprovechamiento. La transformación de los residuos y biomasa en mezclas líquidas de hidrocarburos permite su utilización para la 30 obtención de energía a modo de combustibles a base de hidrocarburos simples y ramificados, o permite la obtención de otros productos químicos con interés en el mercado.

El procedimiento en sí comprende las etapas de:

-Procesamiento de los residuos y/o biomasa con calentamiento por aplicación de microondas y control de las reacciones de oxidación, lo cual produce el craqueo de los hidrocarburos existentes en otros de cadenas más cortas, obteniendo hidrocarburos en estado gaseoso y un resto rico en coque; y 5

-Separación de los hidrocarburos obtenidos.

De forma complementaria, el procedimiento puede implementar otra serie de etapas opcionales, tales como: la reintroducción o recirculación a la etapa de procesamiento de 10 parte o la totalidad del resto rico en coque y/o de los hidrocarburos obtenidos más pesados y/o fases gaseosas no condensables, para conseguir completar las reacciones y aumentar el rendimiento; la limpieza y homogenización de la materia a procesar; la preparación de la materia a procesar mediante la adecuación de humedad, pH o adición de aditivos activos al calentamiento con microondas; el calentamiento adicional; y/o el filtrado de los hidrocarburos 15 obtenidos.

La instalación para implementación del procedimiento de la invención comprende al menos: un alimentador de la materia a procesar (residuos y/o biomasa); un reactor donde se realiza la etapa de procesamiento; un aplicador de microondas implementado en un tramo del 20 reactor; un recolector del resto rico en coque; y una columna de fraccionamiento para condensación de hidrocarburos en estado gaseoso procedentes del reactor, en fases de hidrocarburos líquidos.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS 25

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo 30 siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista de la instalación para implementar el procedimiento de obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa.

Figura 2.- Muestra una vista en detalle de un aplicador de microondas dispuesto en el reactor de la instalación para implementar el procedimiento obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN 5

La invención comprende un procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa y una instalación para implementación de dicho procedimiento.

El procedimiento comprende las etapas de: 10

-procesamiento de los residuos y/o biomasa con calentamiento por aplicación de microondas y control de las reacciones de oxidación, provocando reacciones termoquímicas de craqueo de los polímeros, para obtener hidrocarburos en estado gaseoso y un resto rico en coque; y 15

-Separación de los hidrocarburos obtenidos.

Las reacciones de oxidación que tienen lugar en la etapa de procesamiento se realizan en condiciones de vacío y/o con incorporación de gas nitrógeno hasta condiciones de 20 inertización.

Para el desarrollo adecuado del conjunto de reacciones termoquímicas que constituyen la etapa de procesamiento, y que transforman la materia a procesar (residuos y/o biomasa) en hidrocarburos en estado gaseoso y resto rico en coque, se opera preferentemente en los 25 siguientes rangos: intercambio térmico superior a 150 ºC/segundo, temperatura comprendida entre 250 ºC y 450 ºC, tiempo de residencia bajo irradiación de microondas comprendido entre 0,5 y 15 segundos, irradiación de, al menos, 2142 KW/m3, potencia de aplicación de microondas de, al menos, 30 KW, preferentemente regulable, y frecuencia de microondas comprendida entre 300 MHz y 300 GHz (preferentemente de 915 MHz). Esto 30 produce las reacciones de craqueo, obteniendo hidrocarburos entre C5-C25. El control de esta etapa se realiza a través de balance de masas y balance energético.

El procedimiento adicionalmente comprende una etapa de enfriamiento del resto rico en

coque, para asegurar que su temperatura se sitúe por debajo de los 100ºC. La separación de hidrocarburos en estado gaseoso comprende una separación por fraccionamiento de las fases condensables contenidas en los mismos.

Como subproductos en la separación por fraccionamiento aplicada en la separación de 5 hidrocarburos en estado gaseoso procedentes de la etapa de procesamiento, se obtienen hidrocarburos pesados y alquitranes, que podrán ser reintroducidos en una etapa opcional del procedimiento al inicio de la etapa de procesamiento para completar las reacciones termoquímicas hasta los límites estequiométricos de la materia a procesar.

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Otros subproductos de la separación por fraccionamiento aplicada en la extracción de hidrocarburos en estado gaseoso procedentes de la etapa de procesamiento, son gases no condensables. Otra etapa opcional del procedimiento comprende la recirculación de dichos gases no condensables al inicio de la etapa de procesamiento para mejora de las reacciones y aporte de calor, y/o hacia un generador exterior no representado, como 15 comburente, pudiendo aprovechar la energía generada en el generador para alimentación de la instalación en la que se lleva a cabo el procedimiento.

Puede introducirse, previamente a la etapa de procesamiento, otra etapa opcional de limpieza y homogenización de la materia a procesar (residuos y/o biomasa), que servirá 20 para la extracción de elementos indeseables. Estos elementos son productos inertes tipo cristal o metales que pueden dañar la maquinaria involucrada en el manejo de los mismos.

Para un adecuado rendimiento es necesario que las condiciones de proceso no fluctúen de forma considerable durante las reacciones termoquímicas que tienen lugar en la etapa de 25 procesamiento. Por ello se puede implementar previamente a la etapa de procesamiento una etapa opcional de preparación de la materia a procesar, que comprende, al menos, la adecuación de humedad y/o pH. Se puede situar el contenido de humedad en valores comprendidos entre el 5% y el 20% en peso y el pH en valores superiores a 5. La adecuación de pH puede realizarse mediante adición de bases derivadas de calcio, potasio, 30 magnesio y/o mezclas de las mismas con otras sustancias alcalinas o alcalinotérreas.

Esta etapa opcional de preparación de la materia a procesar puede, además, comprender una introducción de aditivos activos al calentamiento por microondas, donde dichos aditivos

activos pueden comprender catalizadores en proporciones comprendidas entre un 2% y 30% en peso, y/o dopantes para microondas en proporciones comprendidas entre un 5%-20% en peso. Estos aditivos se dosifican de forma controlada en continuo, esto es, según van aportándose las materias a procesar. Como aditivos activos al calentamiento por microondas pueden utilizarse compuestos de óxidos de aluminio, alúmina, óxidos de hierro, 5 aluminato de calcio, óxidos de calcio, óxidos de níquel, óxidos de manganeso, hidrógeno, metano, etano, propano, ciclohexano, sulfuros de cobre y aluminosilicatos, carbón activo, alquitrán y/o coque.

Como apoyo a las reacciones se puede introducir, al menos, una etapa opcional de 10 calentamiento, antes y/o durante la etapa de procesamiento, dependiendo de la materia a procesar y del grado de humedad de la misma. Por ejemplo, se pueden precalentar los residuos y/o biomasa entrante a la etapa de procesamiento para ajustar su humedad, o se puede ayudar a mantener la temperatura de las reacciones termoquímicas una vez aplicado el calentamiento con microondas, para terminar la evaporación de los hidrocarburos en 15 estado gaseoso.

Otra etapa opcional que se puede introducir en el procedimiento comprende un filtrado de los hidrocarburos condensados resultantes del fraccionamiento de los hidrocarburos en estado gaseoso realizado en la etapa de separación de los hidrocarburos. 20

La instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y biomasa para implementar el procedimiento descrito comprende, al menos: un alimentador (1) de los residuos y/o biomasa, donde se dispone la materia a procesar, preferentemente tras ser limpiada y homogeneizada; un reactor (8) conectado a la salida del alimentador (1), donde 25 se lleva a cabo la etapa de procesamiento; un aplicador de microondas (6) dispuesto en un tramo (81) del reactor (8) transparente a las microondas como se ve en la figura 2; un recolector (10) de un resto rico en coque; y una columna de fraccionamiento (11) para separación de las fases condensables de los hidrocarburos en estado gaseoso procedentes del reactor (8), a la que se conecta el reactor (8) a través de unos conductos (7). 30

El alimentador (1) comprende una tolva (14) de residuos y/o biomasa y un conducto de alimentación (15) en su parte inferior que desemboca en el reactor (8), estando dotado dicho conducto de alimentación (15) de un primer sinfín (16) de impulsión.

El aplicador de microondas (6) comprende una carcasa (61) impermeable a las microondas (ver figura 2), que rodea el tramo (81) del reactor (8) transparente a las microondas, y unos atenuadores de microondas (62) en sus extremos para confinar las microondas en la zona prevista de actuación. Dicho aplicador de microondas (6) también comprende un generador 5 de microondas (3) y una guía de microondas (4), que conecta el generador de microondas (3) con la carcasa (61) a través de una ventana (5). La ventana (5) dispone de un cierre de cuarzo, y el tramo (81) del reactor (8) transparente a las microondas está materializado en cuarzo y/o alúmina. Los atenuadores de microondas (62) comprenden sendas láminas transversales atenuadoras de longitud comprendida entre 20 y 100 mm. 10

El reactor (8) tiene conformación cilíndrica y diámetro comprendido entre 150 y 300 milímetros, con una longitud comprendida entre 0,6 y 2 metros. En su interior se encuentran dispuestos unos segundos sinfines (25) de impulsión, ubicados en un tramo (82) del reactor (8) desprovisto del aplicador de microondas (6) para no interferir con éstas. 15

Entre el recolector (10) del resto rico en coque y el reactor (8) se disponen unos elementos de cierre (17), que servirán para independizar el interior del reactor del exterior y mantener de las condiciones de vacío/inertización necesarias para el adecuado transcurso de las reacciones de proceso. Estos elementos de cierre (17) comprenden tajaderas y/o válvulas. 20 El recolector (10) del resto rico en coque tiene configuración cilíndrica también, y está provisto de un tercer sinfín (18) de impulsión hacia una salida (22) del recolector (10). Para bajar la temperatura del resto rico en coque, el recolector (10) dispone de medios de enfriamiento (19), tales como una camisa de agua.

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La instalación puede comprender resistencias de calentamiento (20), que pueden estar aplicadas en el reactor (8) y/o en el alimentador (1) con el fin de aportar calor a la materia a procesar. También puede comprender una alimentación adicional (21) de aditivos activos al calentamiento por microondas, tal como un dosificador conectado al conducto de alimentación (15). 30

Además, la columna de fraccionamiento (11) puede disponer de un depósito (12) de acumulación de hidrocarburos pesados, que se pueden reintroducir en el reactor (8). Igualmente la columna de fraccionamiento (11) puede disponer de una salida (9) de gases

no condensables conectable al alimentador (1) y/o a un generador externo, no representado. Además, dicha columna de fraccionamiento (11) puede conectarse a través de conducciones (23) a un filtrador (13) de los productos condensados obtenidos en la misma.

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Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S

1.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa caracterizado por que comprende las etapas de:

-procesamiento de los residuos y/o biomasa con calentamiento por aplicación de 5 microondas y control de las reacciones de oxidación, para obtener hidrocarburos en estado gaseoso y un resto rico en coque; y

-separación de los hidrocarburos obtenidos.
2.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según 10 reivindicación 1 caracterizado por que la etapa de procesamiento se realiza en vacío y/o con incorporación de gas nitrógeno hasta condiciones de inertización, encontrándose controlada a través de balance de masas y balance energético.
3.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según 15 cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de procesamiento se realiza con intercambio térmico superior a 150 ºC/segundo, temperatura comprendida entre 250 ºC y 450 ºC, tiempo comprendido entre 0,5 y 15 segundos, potencia de aplicación de microondas de, al menos, 30 KW, frecuencia de aplicación de microondas comprendida entre 300 MHz y 300 GHz, e irradiación de, al menos 2142 KW/m3. 20
4.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende una etapa de enfriamiento del resto rico en coque.

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5.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de separación de hidrocarburos obtenidos comprende una separación por fraccionamiento de las fases condensables contenidas en los mismos.

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6.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según reivindicación 5 caracterizado por que comprende una etapa de reintroducción al inicio de la etapa de procesamiento de unos hidrocarburos pesados y alquitranes procedentes como subproducto de la separación por fraccionamiento aplicada a los hidrocarburos obtenidos.
7.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según reivindicaciones 5 o 6 caracterizado por que comprende una etapa de recirculación hacia la etapa de procesamiento y/o hacia un generador, de unos gases no condensables procedentes como subproducto de la separación por fraccionamiento aplicada a los 5 hidrocarburos obtenidos.
8.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende una etapa de limpieza y homogenización de los residuos y biomasa a procesar con extracción de 10 elementos inertes, previa a la etapa de procesado.
9.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende una etapa de preparación de los residuos y biomasa a procesar, previa a la etapa de procesado, que 15 comprende la adecuación de humedad a valores comprendidos entre el 5% y el 20%, el ajuste del pH a valores superiores a 5 y/o la introducción de aditivos activos al calentamiento por microondas.
10.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según 20 reivindicación 9 caracterizado por que la introducción de aditivos activos al calentamiento por microondas comprende la introducción, mediante dosificación controlada en continuo, de catalizadores en una proporción comprendida entre el 2% y el 30% en peso y/o de dopantes para microondas en una proporción comprendida entre el 5% y el 20%.

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11.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende, al menos, una etapa de calentamiento antes y/o durante de la etapa de procesamiento
12.-Procedimiento para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según 30 cualquiera de las reivindicaciones 5 a 11 caracterizado por que comprende una etapa de filtrado de los hidrocarburos obtenidos tras la separación por fraccionamiento aplicada a los hidrocarburos obtenidos.
13.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa caracterizada por que comprende:

-un alimentador (1) de los residuos y/o biomasa,

-un reactor (8), conectado a la salida del alimentador (1),

-un aplicador de microondas (6) implementado en un tramo (81) transparente a las 5 microondas del reactor (8),

-un recolector (10) de un resto rico en coque, y

-una columna de fraccionamiento (11) para separación de las fases condensables de los hidrocarburos en estado gaseoso procedentes del reactor (8).

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14.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según reivindicación 13 caracterizada por que el alimentador (1) comprende una tolva (14) de residuos y/o biomasa y un conducto de alimentación (15) dotado de un primer sinfín (16), y que desemboca en el reactor (8).

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15.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según reivindicaciones 13 o 14 caracterizada por que el aplicador de microondas (6) comprende una carcasa (61) impermeable a las microondas que rodea el tramo (81) transparente a las microondas del reactor (8), unos atenuadores de microondas (62) en los extremos de dicho tramo (81), un generador de microondas (3) y una guía de microondas (4), que conecta el 20 generador de microondas (3) con la carcasa (61) a través de una ventana (5).
16.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15 caracterizada porque el reactor (8) tiene conformación cilíndrica, y en su interior están dispuestos segundos sinfines (25) de 25 impulsión.
17.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16 caracterizada porque entre el recolector (10) del resto rico en coque y el reactor (8) se encuentran dispuestos unos elementos de cierre (17) 30 y mantenimiento de condiciones de vacío/inertización en el reactor (8).
18.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17 caracterizada porque el recolector (10) del resto

rico en coque tiene configuración cilíndrica y está provisto de un tercer sinfín (18) de impulsión hacia su salida (22), y de medios de enfriamiento (19).
19.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18 caracterizada porque comprende unas 5 resistencias de calentamiento (20) aplicadas en el reactor (8) y/o en el alimentador (1).
20.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19 caracterizada porque comprende una alimentación adicional (21) de aditivos activos al calentamiento por microondas. 10
21.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 20 caracterizada porque la columna de fraccionamiento (11) dispone de un depósito (12) de acumulación de hidrocarburos pesados y de una salida (9) de gases no condensables conectable al alimentador (1) y/o a un 15 generador externo.
22.-Instalación para obtención de hidrocarburos a partir de residuos y/o biomasa según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 21 caracterizada porque comprende un filtrador (13) de las fases condensables de los hidrocarburos separados en la columna de 20 fraccionamiento (11).