ES2608598A1 - Procedimiento e instalación para la hidrólisis térmica de materia orgánica en régimen estacionario y con recuperación total de energía - Google Patents

Procedimiento e instalación para la hidrólisis térmica de materia orgánica en régimen estacionario y con recuperación total de energía Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la hidrólisis térmica de materia orgánica en régimen estacionario, con doble explosión de vapor y con recuperación total de energía, que consta, como mínimo, de las etapas de 1) alimentación, presurización escalonada e inyección secuencial de vapores de niveles de presión bajo, medio y alto; 2) primera etapa de hidrólisis mediante las operaciones consecutivas de explosión de vapor con producción de vapor de nivel de presión media y reacción térmica; 3) segunda etapa de hidrólisis consistente en explosión de vapor y producción de vapor de presión baja. Una instalación para la puesta en práctica del procedimiento, que comprende bombas para la presurización escalonada, mezcladores fluido-vapor, válvulas, mezcladores, elementos de descompresión, tanques, tuberiado y sistemas de instrumentación y control.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento e instalacion para la hidrolisis termica de materia organica en regimen estacionario y con recuperation total de energfa
Sector tecnico de la invention
La invencion, que incluye un procedimiento y la instalacion para su puesta en practica, se aplica al campo del tratamiento de materia organica, incluyendo lodos de depuradoras de aguas residuales, residuos domesticos e industriales y cualquier otra materia. Encuentra especial aplicacion como tratamiento previo a la digestion anaerobia de solidos.
Antecedentes de la invencion
En diferentes procesos industriales es preciso modificar la estructura fisica y quimica de los solidos, para lo que se recurre a realizar un pre-tratamiento. En el caso particular de la digestion anaerobia de solidos, la etapa de hidrolisis (solubilization, licuefaccion) limita la cinetica global del proceso. Para mejorar la cinetica de la etapa de hidrolisis se aplican como tratamiento previo a la digestion anaerobia diferentes procesos fisicos, quimicos y biologicos, con la consiguiente mejora del proceso global de metanizacion. El proceso de hidrolisis termica se basa en someter al solido a elevadas temperaturas y presiones durante periodos de tiempo relativamente largos, normalmente superiores a 30 minutos. Posteriormente, aprovechando la elevada presion, la masa caliente puede someterse a un proceso de descompresion subita o proceso flash, para asi conseguir el llamado efecto de explosion de vapor que genera rotura de la estructura de los solidos. Otros procesos utilizan cambiadores de calor para recuperar la energia de la masa caliente.
Todas las tecnologias que recuperan energia recirculando y condensando el vapor producido en la etapa de flash para calentar la alimentation que llega a la etapa de hidrolisis, utilizan vapor de un unico nivel de presion. Como esta presion es la correspondiente a la de la camara de flash, el vapor producido es de presion baja. Con esta configuration no es posible aprovechar toda la energia contenida en el vapor, lo que conduce a sistemas energeticamente ineficaces. Para disminuir el consumo energetico se recurre a concentrar la alimentation, hasta valores muy elevados, con el consiguiente aumento de los costes de imputables a esa operation, que obliga a utilizar elevadas cantidades de productos quimicos. La patente ES2570812A1, pretende resolver la ineficacia elevando la presion del vapor que sale de la camara de flash utilizando un compresor mecanico que utiliza energia electrica y es de mantenimiento complejo, por comprimir vapor que contiene productos condensables e incondensables agresivos; ademas al utilizar energia electrica el sistema es energeticamente ineficaz.
La patente ES2538176B1 resuelve dicha ineficacia energetica con un diseno conceptual radicalmente diferente, que le diferencia de todos los procesos e instalaciones existentes. En lugar de utilizar vapor de un unico nivel de presion, utiliza vapor con dos niveles de presion.
Con esta configuration y de acuerdo con las leyes de la termodinamica es posible recuperar totalmente el contenido energetico de los vapores, consiguiendo que las instalaciones sean energeticamente autosuficientes aun operando con concentraciones moderadas de solidos.
Partiendo de este hecho, todos los procedimientos e instalaciones que operan con explosion de vapor utilizan una secuencia de etapa de reaccion termica seguida de explosion de vapor. El procedimiento reivindicado utiliza una secuencia de etapas de explosion de vapor + etapa de reaction termica + etapa de explosion de vapor. Este procedimiento mejora la cinetica global del proceso, lo que conduce a instalaciones mas compactas y con menores costes de instalacion, operation y mantenimiento.
La presente patente deriva y es continuation de la patente ES2538176B1, ampliando su campo de actuation. La evolution de los equipos de bombeo y la aparicion de nuevos materiales permiten, en la actualidad, utilizar sistemas mecanicos de impulsion del fluido a hidrolizar fiables, de bajo mantenimiento y capaces de soportar las condiciones de operation. Ante esta nueva situation, la presente patente, manteniendo la
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caracteristica fundamental de operar con recuperation total de la energia, con bajos tiempos de residencia y con secuencia de etapas explosion de vapor + reaction termica + explosion de vapor, introduce la posibilidad de utilizar sistemas mecanicos de bombeo.
Explication de la invention
El presente procedimiento para la hidrolisis termica en continuo de materia organica consta, como minimo, de las etapas: 1) alimentation, presurizacion escalonada e inyeccion secuencial de vapores de niveles de presion bajo, medio y alto; 2) primera etapa de hidrolisis mediante las operaciones consecutivas de explosion de vapor con production de vapor de nivel de presion media y reaction termica; 3) segunda etapa de hidrolisis consistente en explosion de vapor y production de vapor de presion baja.
En la practica habitual de las plantas generadoras de lodo, la temperatura de entrada a proceso es la del ambiente, sin embargo, existe una tendencia al aprovechamiento de la energia de corrientes excedentarias. Esto implica un posible amplio rango de temperaturas de entrada que para la etapa 1, que obliga a un diseno conceptual flexible del procedimiento y de las instalaciones.
En la etapa 1, la materia organica a hidrolizar (5) se presuriza y calienta hasta alcanzar los valores de consigna previos a su entrada (11) a la etapa 2. La presurizacion se consigue mediante, al menos, los equipos mecanicos de impulsion del fluido (20) y (21). El calentamiento se consigue mediante la inyeccion de al menos vapores de presion baja (13), media (15) y alta (16). Para conseguir una adecuada calidad de mezcla fluido-vapor, se utilizan al menos mezcladores (17), (18) (19).
Los equipos mecanicos de impulsion del fluido (20) y (21) y cualquier otro que se decida instalar, se seleccionan entre cualquier tipo de bombas capaces de impulsar fluidos, incluidos los no newtonianos, y suspensiones de elevada viscosidad. En particular en una variante de la invencion y gracias al escalonamiento de presiones pueden utilizarse bombas centrifugas, mas baratas y con menores costes de mantenimiento que las bombas de desplazamiento positivo que utilizan otras tecnologias. Deben suministrar presiones comprendidas entre 1 y 10 barg y operar en el rango de temperaturas 20 - 180 °C.
Los mezcladores (17), (18), (19), se seleccionan entre equipos tanto estaticos como dinamicos.
Teniendo en cuenta la gran variabilidad de posibles tipos de materia organica y de las condiciones de presion, temperatura y concentration de la alimentation (5), el procedimiento y la instalacion deben ser flexibles. En una variante de la invention la corriente de salida (6) de la bomba (20) se divide en las corrientes (7) y (9). La corriente (7) previo paso por el mezclador (17) se devuelve al tanque (2), por lo que la bomba (20) actua simultaneamente como sistema de presurizacion y recirculation. En otra variante, mediante el cierre de la valvula (14) toda la corriente (6) de salida de la bomba (20) se lleva directamente al mezclador (18), rompiendo asi el bucle de recirculation. La alimentation (5) y el vapor de baja (13) se conducen directamente al deposito (2).
En una variante de la invention el mezclador (17) es un eyector que utiliza la masa recirculada por la bomba (20) como fluido impulsor. De esta forma ademas de conseguir una buena mezcla es posible rebajar la presion de la camara (4) y la temperatura de la corriente de salida (24). Este hecho conduce a un menor consumo de energia en el proceso.
De acuerdo con los balances de energia el fluido (10) no puede alcanzar temperaturas mayores de 170 °C, que la bibliografia marca como limite para que se desarrollen reacciones secundarias que conduzcan a la formation de compuestos recalcitrantes, no biodegradables y potencialmente toxicos. En el mezclador (19) se logra la mezcla extremadamente rapida de vapor vivo (16) y fluido a hidrolizar (10), alcanzandose temperaturas que pueden llegar hasta 220 °C. El calentamiento se realiza en tiempos extremadamente cortos, inferiores a 5 segundos, de forma que se impide que puedan ocurrir dichas reacciones secundarias.
El fluido (11) a elevada temperatura y presion atraviesa el elemento (22) capaz de provocar la descompresion instantanea, con el consiguiente descenso de temperatura, generando una primera rotura de la estructura del
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solido por mecanismo de explosion de vapor. En el tanque (3), se produce una corriente de vapor de presion media (15) que se conduce a la etapa 1. La fraction liquida que ha sufrido una primera rotura por explosion de vapor, se mantiene en el interior del tanque (3) un tiempo comprendido entre 1 y 15 minutos, permitiendo asi que se realice el proceso de reaction de hidrolisis por temperatura. La corriente de materia organica (12) pre-hidrolizada se conduce a la etapa 3.
En una variante en la que se opera con fango de depuradora de aguas residuales domesticas sin tratamiento previo, el tanque (3) se controla para que la temperatura del liquido contenido en su interior nunca pueda superar los 170 °C. En otra variante en la que se opera con fango previamente digerido o con materia organica de otro origen, la temperatura puede elevarse hasta valores superiores, siempre por debajo del limite de aparicion de reacciones secundarias.
El fluido (12) cuya presion es la de equilibrio con la temperatura impuesta como consigna al tanque (3), se despresuriza al atravesar el elemento (23). En el tanque (4) se produce la separation de una corriente de vapor de presion baja (13), que se lleva a la etapa 1 y de la corriente de materia organica hidrolizada (24) que se lleva a digestion.
En una variante de la invention la presion del tanque (4) es ligeramente superior a la atmosferica, en el rango 0 - 0,2 barg. En otra variante y por efecto del mezclador (17), que en esta variante es un eyector que actua como sistema de vacio, la presion en el tanque (4) puede mantenerse entre -0,5 y 0 barg.
Como consecuencia del procedimiento empleado, el sistema no solo opera en continuo, sino que a diferencia de las tecnologias existentes opera ademas en regimen estacionario. Esto significa que una vez prefijadas las variables de operation (ej. caudales, niveles, presiones y temperaturas), estas no varian con el tiempo. Este comportamiento conduce a procesos que operan con una mayor estabilidad, requieren sistemas de control mas sencillos, son mas flexibles y robustos y obtienen mejores rendimientos.
Breve description de las figuras
La figura 1 representa un esquema de la instalacion para la puesta en practica de una instalacion de acuerdo con la invencion.
Explication de una forma de realization
Siguiendo la figura 1 se describe el procedimiento segun la invention que se reivindica y los medios que se utilizan para la realizacion de una instalacion.
Los medios utilizados son: tanques o depositos (2), (3), (4); equipos mecanicos de impulsion y presurizacion del fluido (20), (21); mezcladores fluido-vapor (17), (18), (19); elementos de expansion (22), (23).
En la variante seleccionada se hidroliza fango de depuradora de aguas residuales, previamente concentrado y a temperatura ambiente (5). En el eyector (17) se produce la mezcla de alimentation (5), con vapor de presion baja (13) y con la corriente de recirculation (7). La corriente (8) de salida del eyector se devuelve al deposito (2), para asi cerrar un bucle de recirculation. Todo el vapor de baja (13) condensa en el sistema. En funcion de las condiciones de diseno y de los caudales de recirculation que se impongan, la corriente (9) que sale del bucle de recirculation tiene una temperatura comprendida entre 70 y 100 °C y una presion con valores comprendidos entre 3 y 8 barg.
La corriente (9) tras la primera etapa de presurizacion y calentamiento recibe en el mezclador (18) el vapor de presion media (15). De acuerdo con los balances de energia, en las condiciones de operation la temperatura tras la incorporacion de las corrientes de vapor de presion media y alta, se mueve entre 120 y 160 °C, sin alcanzar el nivel termico correspondiente al desarrollo de reacciones secundarias. Este fluido (10) es presurizado por la bomba (21), alcanzando presiones comprendidas entre 8 y 20 barg. En el mezclador ultra-rapido (19) el fluido recibe una inyeccion de vapor vivo (16) con presion comprendida entre 10 y 22 barg, capaz de elevar su temperatura hasta 160-220 °C.
Tras este calentamiento ultra-rapido, el fango (11) de elevada temperatura y presion atraviesa el elemento de descompresion (22) y se escinde en el tanque (3) en una corriente de vapor de presion media (15) que se conduce a la etapa 1 y en una corriente de liquido (12). El liquido se mantiene en el tanque (3), durante un 5 tiempo prefijado, que varia entre 1 y 15 minutos. Con esta secuencia la materia organica es primero sometida a un proceso de explosion de vapor y posteriormente a un proceso de reaction mediante proceso termico. En consecuencia el tanque (3), cumple la doble funcion de tanque de flash y reactor. En el caso que se describe la temperatura en el interior del tanque (3) se mantiene en un valor de consigna prefijado y controlado en el rango 140 y 180 °C.
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Tras permanecer en el tanque (3) durante el tiempo de reaccion prefijado, la corriente (12) de materia organica pre-hidrolizada, con presion comprendida entre 3 y 9 barg, atraviesa el elemento de descompresion
(23) y en el tanque (4), que actua como camara de flash se escinde en una corriente de vapor de presion baja (13) que se lleva a la etapa 1 y en una corriente (24) de fango hidrolizado que se lleva a digestion. La presion
15 del tanque (4) puede variar entre - 0,5 y + 0,5 barg. En la variante que se describe y con la relation de liquido que recircula la bomba (20) la presion en el tanque (4) es -0,1 barg y la temperatura de salida de la corriente
(24) es de 97 °C.

Claims (6)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la hidrolisis termica en continuo de cualquier tipo de materia organica que, para recuperar totalmente la ene^a y optimizar la cinetica de hidrolisis, comprende como minirno etapas de 1) alimentation, presurizacion escalonada e inyeccion secuencial de vapores de niveles de presion bajo, medio y alto; 2) primera etapa de hidrolisis mediante las operaciones consecutivas de explosion de vapor con production de vapor de nivel de presion media y reaction termica; 3) segunda etapa de hidrolisis consistente en explosion de vapor y production de vapor de presion baja.
  2. 2. Procedimiento que de acuerdo con la reivindicacion 1 y de forma diferente a los procedimientos actualmente existentes se caracteriza por una etapa de alimentation, presurizacion e inyeccion secuencial de los vapores de calentamiento, caracterizado por:
    - utilizar un sistema de incremento de presion escalonado, que permite recibir y aprovechar vapor de niveles de presion diferentes. En cualquier circunstancia los vapores procedentes de los depositos (3) y (4) son inyectados en el sistema. De acuerdo con las leyes de la termodinamica este procedimiento permite una recuperation total de la energia, sin necesidad de operar con concentraciones de materia organica muy elevadas.
    - utilizar sistemas con al menos dos bombas, que al presurizar de forma escalonada permiten la adecuada inyeccion de los vapores en los correspondientes mezcladores liquido-gas.
    - por efecto del escalonamiento de presiones, utilizar bombas centrifugas en lugar de bombas de desplazamiento positivo, mas costosas y dificiles de mantener.
    - alcanzar temperaturas y presiones de la alimentation a la etapa de hidrolisis (11) de hasta 22 barg y 220 °C, superiores a las convencionales.
    - utilizar sistemas de mezcla del vapor de baja presion que permiten rebajar la presion de la camara del segundo flash (4) hasta valores comprendidos entre 0 y -0,5 barg, con el consiguiente descenso de la temperatura de salida de la materia organica hidrolizada y su repercusion en el consumo neto de energia.
    - utilizar sistemas ultra-rapidos de mezcla del vapor vivo, de forma que la mezcla a hidrolizar solo se encuentra a temperatura superior a la critica de aparicion de reacciones secundarias durante tiempos inferiores a 5 segundos. En esos tiempos tan cortos la extension de las reacciones secundarias es despreciable.
  3. 3. Procedimiento que de acuerdo con la reivindicacion 1 y de forma diferente a los actualmente existentes consta de una primera etapa de hidrolisis, caracterizada por:
    - utilizar una secuencia de etapas explosion de vapor + reaction termica, que mejora la cinetica global del proceso reduciendo el tamano de las instalaciones.
    - utilizar un tanque (3) que simultaneamente opera como tanque de flash, facilitando una primera ruptura de la estructura fisica de la materia organica, y como reactor que facilita la reaction de hidrolisis por temperatura.
    - aplicar la reaccion de hidrolisis por temperatura a fango que previamente ha sufrido un proceso de explosion de vapor, con lo que la cinetica de reaccion se ve notablemente incrementada, permitiendo operar con temperaturas comprendidas entre 140 y 180 °C y tiempos de reaction inferiores a 15 minutos.
  4. 4. Procedimiento que de acuerdo con la reivindicacion 1 y de forma diferente a los actualmente existentes consta de una segunda etapa de hidrolisis, caracterizada por:
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    - realizar una segunda explosion de vapor desde presiones comprendidas entre 3 y 10 barg hasta presiones comprendidas entre -0,5 y 0,5 barg.
    - producir un vapor de presion baja que se conduce a la etapa 1 de la reivindicacion 1.
  5. 5. Procedimiento que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores y de forma diferente a los actualmente existentes opera no solo en continuo sino ademas en regimen estacionario con la consiguiente estabilidad del proceso y facilidad de control, lo que confiere al procedimiento una gran robustez operacional.
  6. 6. Una instalacion (1) para la hidrolisis termica en continuo de materia organica, que de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5 puede tratar cualquier tipo de solidos y es especialmente apta para tratar lodos producidos en depuradoras de aguas residuales y que consigue la autosuficiencia energetica operando con concentraciones de materia seca inferiores a las requeridas por las tecnologias existentes. La instalacion comprende:
    - al menos dos bombas (20) y (21) para la presurizacion escalonada de la materia organica alimentada. En la primera fase se eleva la presion de la corriente (9) hasta valores comprendidos entre 3 y 8 barg. En la segunda fase se eleva la presion de la corriente (11) hasta valores comprendidos entre 10 y 22 barg.
    - al menos tres mezcladores fluido-vapor estaticos o dinamicos (17), (18), (19), que permiten un aumento escalonado de la temperatura aprovechando al menos los vapores de baja (13) y media presion (15) producidos en las etapas de flash.
    - valvula (14) que puede actuar como valvula de control de presion o de corte.
    - mezclador (17), que en funcion de las caracteristicas de la alimentation (5) puede ser un eyector, con lo que se consigue rebajar la presion del tanque (4) hasta valores comprendidos entre 0 y -0,5 barg.
    - un mezclador (19) que recibe vapor vivo y que para impedir la aparicion de reacciones secundarias opera con tiempos de mezcla inferiores a 5 segundos.
    - una corriente (11) cuyos valores de presion (hasta 22 barg) y temperatura (220 °C), superan ampliamente los limites impuestos por otras tecnologias.
    - elementos de descompresion que pueden seleccionarse entre estrechamientos, boquillas o valvulas (22) y (23) que se dimensionan en funcion del caudal a tratar, para producir la caida de presion que genere el mecanismo de explosion de vapor. En el dispositivo (22) las presiones de entrada pueden variar entre 10 y 22 barg, con una presion de salida maxima de 8 barg. Para el dispositivo (23) para una presion maxima de entrada de 8 barg, la presion de salida se mueve en el rango -0,5 - 0,5 barg.
    - tanques (3) y (4) que operan como camaras de flash en las que se produce vapor de media presion (15) y baja presion (13), que al condensar se aprovechan para aumentar la temperatura de la materia organica a hidrolizar. Asimismo el tanque (3) actua como reactor. Las temperaturas de operation en el tanque (3) pueden fijarse entre 140 y 180 °C, mientras que en el tanque (4) se fijan entre 80 y 110 °C.
    - sistemas de instrumentacion y control, no indicados en la figura 1, para que de acuerdo con la reivindicacion 5, que implica regimen estacionario, permitan prefijar y mantener constante el valor deseado de cualquiera de las variables de operacion en todos punto de la instalacion.
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