ES2608598B1 - 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

Procedimiento e instalación para la hidrólisis térmica de materia orgánica en régimen estacionario y con recuperación total de energía
Sector técnico de la invención La invención, que incluye un procedimiento y la instalación para su puesta en práctica, se aplica al campo del tratamiento de materia orgánica, incluyendo lodos de depuradoras de aguas residuales, residuos domésticos e industriales y cualquier otra materia. Encuentra especial aplicación como tratamiento previo a la digestión anaerobia de sólidos.
Antecedentes de la invención En diferentes procesos industriales es preciso modificar la estructura fisica y quimica de los sólidos, para lo que se recurre a realizar un prc-tratamiento. En el caso particular de la digestión anaerobia de sólidos, la etapa de hidrólisis (solubilización, licuefacción) limita la cinética global del proceso. Para mejorar la cinética de la etapa de hidrólisis se aplican como tratamiento previo a la digestión anaerobia diferentes procesos fisieos, químicos y biológicos, con la consiguiente mejora del proceso global de metanización. El proceso de hidrólisis témliea se basa en someter al sólido a elevadas temperaturas y presiones durante periodos de tiempo relativamente largos, normalmente superiores a 30 minutos. Posterionnente, aprovechando la elevada presión, la masa caliente puede someterse a un proceso de descompresión súbita o proceso flash, para así conseguir el llamado efecto de explosión de vapor que genera rotura de la estructura de los sólidos. Otros procesos utilizan cambiadores de calor para recuperar la energía de la masa caliente.
Todas las tecnologías que recuperan energía recirculando y condensando el vapor producido en la etapa de flash para calentar la alimentación que llega a la etapa de hidrolisis, utilizan vapor de un único nivel de presión. Como esta presión es la correspondiente a la de la cámara de flash, el vapor producido es de presión baja. Con esta configuración no es posible aprovechar toda la energía contenida en el vapor, lo que conduce a sistemas energétieamente ineficaces. Para disminuir el consumo energético se recurre a concentrar la alimentación, hasta valores muy elevados, con el consiguiente aumento de los costes de imputables a esa operación, que obliga a utilizar elevadas cantidades de productos químicos. La patente ES2570812Al, pretende resolver la ineficacia elevando la presión del vapor que saJe de la cámara de flash utilizando un compresor mecánico que utiliza energía eléctrica y es de mantenimiento complejo, por comprimir vapor que contiene productos condensables e ineondensables agresivos; además al utilizar energía eléctrica el sistema es energéticamente ineficaz.
La patente ES25381768 I resuelve dicha ineficacia energética con un diseño conceptual radicalmente diferente, que le diferencia de todos los procesos e instalaciones existentes. En lugar de utilizar vapor de un único nivel de presión, utiliza vapor con dos niveles de presión.
Con esta configuración y de acuerdo con las leyes de la termodinámica es posible recuperar totalmente el contenido energético de los vapores, consiguiendo que las instalaciones sean energélieamente autosufieientes aun operando con concentraciones moderadas de sólidos.
Partiendo de este hecho, todos los procedimientos e instalaciones que operan con explosión de vapor utilizan una secuencia de etapa de reacción ténnica seguida de explosión de vapor. El procedimiento reivindicado utiliza una secuencia de etapas de explosión de vapor + etapa de reacción témliea + etapa de explosión de vapor. Este procedimiento mejora la cinética global del proceso, lo que conduce a instalaciones más compactas y con menores costes de instalación, operación y mantenimiento.
La presente patente deriva y es continuación de la patente ES2538 1768 1, ampliando su campo de actuación. La evolución de los equipos de bombeo y la aparición de nuevos materiales penniten, en la actualidad, utilizar sistemas mecánicos de impulsión del fluido a hidrolizar fiables, de bajo mantenimiento y capaces de soportar las condiciones de operación. Ante esta nueva situación, la presente patente, manteniendo la
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característica fundamental de operar con recuperación total de la energía, con bajos tiempos de residencia y con secuencia de etapas explosión de vapor + reacción térmica + explosión de vapor, introduce la posibilidad de utilizar sistemas mecánicos de bombeo.
Explicación de la invención El presente procedimiento para la hidrólisis ténnica en continuo de matcria orgánica consta, como mínimo, de las ctapas: 1) alimentación, presurización escalonada e inyección secuencial de vapores de Iliveles de presión bajo, medio y alto; 2) primera ctapa de hidrólisis mediante las operaciones consecutivas de explosión de vapor con producción de vapor de nivel de presión media y reacción térmica; 3) segunda ctapa de hidrólisis eonsistente en explosión de vapor y producción de vapor de presión baja.
En la práctica 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 tcmperaturas dc entrada que para la ctapa 1, que obliga a un diseño conceptual flexible del procedimiento y de las instalaciones.
En la etapa 1, la materia orgánica a hidrolizar (5) se presuriza y calienta hasta alcanzar los valores de consigna prcvios a su cntrada (11) a la etapa 2. La presurización sc consigue mediante, al mcnos, los equipos mecánicos de impulsión del fluido (20) y (21). El calentamiento se consigue mediante la inyección de al menos vapores dc presión baja (13), media (15) y alta (16). Para conseguir una adecuada calidad de mezcla fluido-vapor, se utilizan al mcnos mezcladorcs (17), (18) (19).
Los equipos mecánicos de impulsión del fluido (20) y (2 1) Y cualquicr otro que se dccida 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 invención y gracias al escalonamiento de presiones pueden utilizarse bombas centrifugas, más baratas y con menores costes de mantenimiento que las bombas de desplazamiento positivo que utilizan otras tecnologías. Deben suministrar presioncs comprendidas entrc I y 10 barg y operar cn el rango dc tcmperaturas 20 -180 oc.
Los mezcladorcs (17), (18), (19), sc seleccionan entrc equipos tanto estáticos como djnámicos. Teniendo cn cuenta la gran variabilidad de posiblcs tipos dc materia orgánica y de las condiciones de presión, tcmperatura y conccntración de la alimcntación (5), cl procedimiento y la instalación dcbcn scr flexibles. En una variante de la invcnción la corriente de salida (6) de la bomba (20) sc 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) actúa simultáneamente como sistema de presunzación y recirculaciÓn. En otra variante, mediante el cierre de la válvula ( 14) toda la corriente (6) de salida de la bomba (20) se lleva directamente al mezclador (18), rompiendo así el buclc dc rccirculación. La alimentación (5) y cl vapor dc baja (13) se conducen directamente al depósito (2).
En una variante de la invención el mezclador (17) es un eyector que utiliza la masa recirculada por la bomba
(20) como fluido impulsor. De esta fornla además de conseguir una buena mezcla es posible rebajar la presión de la cámara (4) y la tcmperatura de la corricntc de salida (24). Estc hccho conduce a un mcnor consumo de energía en el proceso.
Dc acucrdo con los balanccs dc cncrgía cl fluido (10) no pucdc alcanzar tcmpcraturas mayores de 170 oC, que la bibliografia marca como límite para que se desarrollcn rcaccioncs sccundarias que conduzcan a la formación de compuestos recalcitrantes, no biodegradables y potencialmente tóxicos. En el mezclador (19) se logra la mezela extremadamente rápida de vapor vivo (16) y fluido a hidrolizar (10), alcanzándose tcmpcraturas quc pucdcn llcgar hasta 220 oc. El calcntamiento se realiza en tiempos extremadamente cortos, inferiores a 5 segundos, de fonna que se impide que puedan ocurrir dichas reacciones secundarias.
El fluido (11) a elevada temperatura y presión atraviesa el clemento (22) capaz de provocar la descompresión instantánea, con el consiguiente descenso de temperatura, generando una primera rotura de la estructura del
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sólido por mecanismo de explosión de vapor. En el tanque (3), se produce una corriente de vapor d.e presión media (15) que se conduce a la etapa L La fracción liquida que ha sufrido una primera rotura por explosión de vapor, se mantiene en el interior del tanque (3) un tiempo comprendido cntre I y 15 minutos, permitiendo así que se realice el proceso de reacción de hidrólisis por temperatura. La corriente de materia orgánica (12) pre-hidrolizada se conduce a la etapa 3.
En una variante en la que se opera con fango de depuradora de aguas residuales domésticas sin tratamiento previo, el tanque (3) se controla para que la temperatura del líquido contenido en su interior nunca pueda superar los 170 oc. En otra variante en la que se opera con fango previamente digerido o con materia orgánica de otro origen, la temperatura puede elevarse hasta valores superiores, siempre por debajo del límite de aparición de reacciones secundarias.
El fluido (12) cuya presión 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 separación de una corriente de vapor de presión baja (13), que se lleva a la etapa 1 y de la corriente de materia orgánica hidrolizada (24) que se lleva a digestión.
En una variante de la invención la presión del tanque (4) es ligeramente superior a la atmosférica, en el rango 0 -0,2 barg. En otra variante y por efecto del mezclador (17), que en esta variante es un eyeetor que actúa como sistema de vacío, la presión en el tanque (4) puede mantenerse entre -0,5 y O barg.
Como consecuencia del procedimiento empleado, el sistema no sólo opera en continuo, sino que a diferencia de las teenologias existentes opera además en régimen estacionario. Esto significa que una vez prefijadas las variables de operación (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 más sencillos, son más flexibles y robustos y obtienen mejores rendimientos.
Breve descripción de las figuras La figura I representa un esquema de la instalación para la puesta en práctica de una instalación de acue rdo con la invención.
Explicación de una forma de realización Siguiendo la figura I se describe el procedimiento según la invención que se reivindica y los medios que se utilizan para la realización de una instalación.
Los medios utilizados son: tanques o depósitos (2), (3), (4); equipos mecánicos de impulsión y presurizaeión del fluido (20), (21); mezeladores fluido-vapor (17), (18), (19); elementos de expansión (22), (23).
En la variante seleccionada se hidro liza fango de depuradora de aguas residuales, previamente concentrado y a temperatura ambiente (5). En el eyector (17) se produce la mezcla de alimentación (5), con vapor de presión baja (13) y con la corriente de reeirculación (7). La corriente (8) de salida del eyeetor se devuelve al depósito (2), para así cerrar un bucle de rccireulaeión. Todo el vapor de baja (13) condensa en el sistema. En función de las condiciones de diseño y de los caudales de rccirculación que se impongan, la corriente (9) que sale del buele de reeireulaeión tiene una temperatura comprendida entre 70 y 100 oC y una presión con valores comprendidos entre 3 y 8 barg.
La corriente (9) tras la primera etapa de presurización y calentamiento recibe en el mezclador (18) el vapor de presión media (15). De acuerdo con los balances de energía, en las condiciones de operación la tcmpcratura tras la incorporación dc las corrientes dc vapor de presión mcdia y alta, se mucve entre 120 y 160 oC, sin alcanzar el nivel ténnico correspondiente al desarrollo de reacciones secundarias. Este fluido (10) es presurizado por la bomba (2 1), alcanzando presiones comprendidas entre 8 y 20 barg. En el mczelador ultra-rápido (19) el fluido recibe una inyección de vapor vivo (16) con presión comprendida entre 10 y 22 barg, capaz de elevar su temperatura hasta 160-220 oc.
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Tras este calentamiento ultra-rápido, el fango (l l) de elevada temperatura y presión atraviesa el elemento de descompresión (22) y se escinde en el tanque (3) en una corriente de vapor de presión media (15) que se conduce a la ctapa 1 y en una corriente de liquido (12). El líquido se mantiene en el tanque (3), durante un
5 tiempo prefijado, que varía cntre I y 15 minutos. Con esta secuencia la materia orgánica es primero sometida a un proceso de explosión de vapor y posteriormente a un proceso de reacción mediante proceso ténnico. En consecuencia el tanque (3), cumple la doble función 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 oc.
10 Tras pennanecer en el tanque (3) durante el tiempo de reacción prefijado, la corriente (12) de materia orgánica pre-hidrolizada, con presión comprendida entre 3 y 9 barg, atraviesa el elemento de descompresión
(23)
y en el tanque (4), que actúa como cámara de flash se escinde en una corriente de vapor de presión baja
(13)
que se lleva a la ctapa I y cn una corricnte (24) dc fango hidrolizado quc sc lleva a digestión. La presión
15 del tanque (4) puede variar entre -0,5 Y + 0,5 barg. En la variante que se describe y con la relación de liquido que recircula la bomba (20) la presión en el tanque (4) es -0,1 barg y la temperatura de salida de la corriente
(24) es de 97 'c.
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Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Procedimiento para la hidrólisis ténnica en continuo de cualquier tipo de materia orgánica que, para recuperar totalmente la energía y optimizar la cinética de hidról isis, comprende como mínimo etapas de 1) alimentación, presurización escalonada e inyección secuencial de vapores de niveles de presión baj o, medio y alto; 2) primera etapa de hidró lisis 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.
  2. 2.
    Procedimiento que de acuerdo con la reivindicación 1 y de fonna diferente a los procedimientos actualmente existentes se caracteriza por una etapa de alimentación, presurización e inyección secuencial de los vapores de calentamiento, caracterizado por:
    -
    utilizar un sistema de incremento de presión escalonado, que permite recibir y aprovechar vapor de niveles de presión diferentes. En cualquier circunstancia los vapores procedentes de los depósitos (3) y (4) son inyectados en el sistema. De acuerdo con las leyes de la tennodinámica este procedimiento pennite una recuperación total de la energía, sin necesidad de operar con concentraciones de materia orgánica muy elevadas.
    -
    utilizar sistemas con al menos dos bombas, que al presurizar de fonna escalonada pcrnlÍlen la adecuada inyección de los vapores en los correspondientes mezcladores liquido-gas.
    -
    por efecto del escalonamiento de presiones, uti !izar bombas centrifugas en lugar de bombas de desplazamiento positivo, más costosas y difíciles de mantener.
    -
    alcanzar temperaturas y presiones de la alimentación a la etapa de hidrólisis (1 1) de hasta 22 barg y 220 oC, superiores a las convencionales.
    -
    utilizar sistemas de mezcla del vapor de baja presión que penniten rebajar la presión de la cámara del segundo flash (4) hasta valores comprendidos entre O y -0,5 barg, con el consiguiente deseenso de la temperatura de salida de la materia orgánica hidrolizada y su repercusión en el consumo neto de energía.
    -
    utilizar sistemas ultra-rápidos de mezcla del vapor vivo, de fOffila que la mezcla a hidrolizar sólo se encuentra a temperatura superior a la crítica de aparición de reacciones secundarias durante tiempos inferiores a 5 segundos. En esos tiempos tan cortos la extensión de las reacciones secundarias es despreciab le.
  3. 3. Procedimiento que de acuerdo con la reivindicación I y de fonna diferente a los actualmente existentes consta de una primera etapa de hidrólisis, caracterizada por:
    -
    utilizar una secuencia de etapas explosión de vapor + reacción ténnica, que mejora la einética global del proceso reduciendo el tamaño de las instalaciones.
    -
    utilizar un tanque (3) que simultáneamente opera como tanque de flash, facilitando una primera ruptura de la estructura física de la materia orgánica, y como reactor que facilita la reacción de hidrólisis por temperatura.
    -
    aplicar la reacción de hidrolisis por temperatura a fango que previamente ha sufrido un proceso de explosión de vapor, con lo que la cinética de reacción se ve notablemente incrementada, pennitiendo operar con temperaturas comprendidas entre 140 y 180 oC y tiempos de reacción inferiores a 15 minutos.
  4. 4. Procedimiento que dc acuerdo con la reivindicación I y de foona diferente a los actualmente existentes consta de una segunda etapa de hidrólisis, caracterizada por:
    ES 2 608 598 Al
    -
    realizar una segunda explosión de vapor desde presiones comprendidas entre 3 y 10 barg hasta presiones comprendidas entre -0,5 y 0,5 barg.
    -
    producir un vapor de presión baja que se conduce a la etapa 1 de la reivindicación l.
  5. 5.
    Procedimiento que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores y de fomla diferente a los actualmente existentes opera no solo en continuo sino además en régimen estacionario con la consiguiente estabilidad del proceso y facilidad de control, lo que confiere al procedimiento una gran robustez operacional.
  6. 6.
    Una instalación (1) para la hidrólisis térmica en continuo de materia orgánica, que de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 Y 5 puede tratar cualquier tipo de sólidos y es especialmente apta para tratar lodos producidos en depuradoras de aguas residuales y que consigue la autosuficiencia energética operando con concentraciones de materia seca inferiores a las requeridas por las tecnologías existentes. La instalación comprende:
    -
    al menos dos bombas (20) y (2 1) para la presurizaeión escalonada de la materia orgánica alimentada. En la primera fase se eleva la presión de la corriente (9) hasta valores comprendidos entre 3 y 8 barg. En la segunda fase se eleva la presión de la corriente (11) hasta valores comprendidos entre 10 y 22 barg.
    -
    al menos tres mezcladores fl uido-vapor estáticos o dinámicos (17), (18), (19), que peffiliten un aumento escalonado de la temperatura aprovechando al menos los vapores de baja (13) y media presión (15) producidos en las etapas de flash.
    -
    válvula (14) que puede actuar como válvula de control de presión o de corte.
    -
    mezclador (17), que en función de las características de la alimentación (5) puede ser un eyector, con lo que se consigue rebajar la presión del tanque (4) hasta valores comprendidos entre O y -0,5 barg.
    -
    un mezclador (19) que recibe vapor vivo y que para impedir la aparición de reacciones secundarias opera con tiempos de mezcla inferiores a 5 segundos.
    -
    una corriente ( 11) cuyos valores de presión (hasta 22 barg) y temperatura (220 OC), superan ampliamente los limites impuestos por otras tecnologias.
    -
    elementos de descompresión que pueden seleccionarse entre estrechamientos, boquillas o válvulas (22) y
    (23) que se dimensionan en función del caudal a tratar, para producir la caída de presión que genere el mecanismo de explosión de vapor. En el dispositivo (22) las presiones de entrada pueden variar entre 10 Y 22 barg, con una presión de salida máxima de 8 barg. Para el dispositivo (23) para una presión máxima de entrada de 8 barg, la presión de salida se mueve en el rango -0,5 -0,5 barg.
    -
    tanques (3) y (4) que operan como cámaras de flash en las que se produce vapor de media presión (15) y baja presión (13), que al condensar se aprovechan para aumentar la temperatura de la materia orgánica a hidrolizar. Asimismo el tanque (3) actúa como reactor. Las tcmperaturas de operación en el tanque (3) pucdcn fijarse entre 140 y 180 oC, mientras que en el tanque (4) se fijan entre 80 y 110 oc.
    -
    sistemas de instrumentación y control, no indicados en la figura 1, para que de acuerdo con la reivindicación 5, que implica régimen estacionario, pennitan prefijar y mantener constante el valor deseado de cualquiera de las variables de operación en todos punto de la instalación.
    ES 2 608 598 Al
    =.
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