ES2693249T3 - Planta industrial para tratamiento termoquímico de biomasa - Google Patents

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ES2693249T3 ES15380001.6T ES15380001T ES2693249T3 ES 2693249 T3 ES2693249 T3 ES 2693249T3 ES 15380001 T ES15380001 T ES 15380001T ES 2693249 T3 ES2693249 T3 ES 2693249T3
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Abstract

Planta industrial para el tratamiento termoquímico de biomasa, la cual opera en condiciones cercanas a anoxia o de anoxia prevista para trabajar en continuo, que incluye: * una cámara de reacción termoquímica (20) cilíndrica delimitada por una pared cilíndrica (23) y por un primer extremo (21) cerrado y un segundo extremo (22) cerrado, que define un diámetro interior y una longitud axial de cámara; * un aislante térmico (24) dispuesto alrededor de dicha cámara de reacción termoquímica (20), rodeándola; * una entrada de biomasa (25) prevista en una posición adyacente al primer extremo (21) de la cámara de reacción termoquímica (20), y asociada a una válvula de entrada (40) prevista para alimentar dicha cámara de reacción termoquímica (20) con biomasa a una velocidad regulada, impidiendo la libre entrada de aire al interior de dicha cámara de reacción termoquímica (20); * al menos una salida de fracciones (26) gaseosa, líquida y/o sólida, producto del tratamiento de la biomasa en la citada cámara de reacción termoquímica (20), previstas en una posición adyacente al segundo extremo (22) de la cámara de reacción termoquímica (20), y asociadas a al menos una válvula de salida (41) prevista para extraer dichas fracciones impidiendo la libre entrada de aire al interior de dicha cámara de reacción termoquímica (20); * un transportador helicoidal (50) con un diámetro exterior ajustado al diámetro interior de la cámara de reacción termoquímica (20) y una longitud ajustada a la longitud axial de dicha cámara (20), estando dicho transportador helicoidal (50) dispuesto concéntrico con dicha cámara de reacción termoquímica (20) cilíndrica y unido a un árbol motriz (51); * unos medios de accionamiento (52) conectados a dicho árbol motriz (51) para producir su giro alrededor de un eje a una velocidad regulada; * una pluralidad de medios de calefacción (60) previstos para calentar, de forma regulable, dicha cámara de reacción termoquímica (20) a temperaturas de hasta 1200º C, suficiente para producir la torrefacción, pirólisis y/o gasificación de una biomasa introducida en dicha cámara de reacción termoquímica (20); * dicha pluralidad de medios de calefacción (60) incluyen una pluralidad de medios de calefacción exteriores (61) eléctricos, dispuestos alrededor de dicha pared cilíndrica, situados entre dicha cámara de reacción termoquímica (20) y dicho aislante térmico (23), en posiciones axiales sucesivas con respecto a la pared cilíndrica mencionada (23); * cada medio de calefacción exterior (61) está asociado a un placa de cerámica (64) independiente, integrante de una pluralidad de placas de cerámica; caracterizada porque * dicha pluralidad de medios de calefacción exteriores (61) también están dispuestos en diferentes posiciones angulares con respecto a la pared cilíndrica mencionada (23), formando un conjunto de placas cerámicas que se 45 extienden alrededor y a lo largo de la cámara mencionada; * los medios de calefacción eléctricos exteriores (61) incluyen sensores que proporcionan información a un controlador lógico programable, que está configurado para regular la temperatura y/o el tiempo de activación de cada medio de calefacción eléctrico exterior (61) en base a los datos suministrados por los sensores, siendo cada medio de calefacción eléctrico exterior (61) controlado electrónicamente de manera independiente con respecto al resto de los medios de calefacción (60).

Description

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DESCRIPCION
Planta industrial para tratamiento termoqufmico de biomasa Campo de la tecnica
La presente invencion concierne al campo de las plantas industriales para tratamiento termoqufmico de biomasa, previstas para trabajar en continuo. El tratamiento incluye la torrefaccion, la pirolisis y/o gasificacion de la biomasa a tratar, para la obtencion de productos de mayor valor, especialmente biocombustibles.
El tratamiento termoqufmico propuesto en este documento, se realizara preferentemente en condiciones de anoxia consistiendo por lo tanto en aplicar calor a dicha biomasa en una camara estanca sin oxfgeno produciendo una reaccion termoqufmica de torrefaccion, pirolisis y/o gasificacion de dicha biomasa. La planta de esta invencion operara igualmente en condiciones cercanas a anoxia, con un muy bajo contenido de oxfgeno.
Estado de la tecnica
Es conocido el procedimiento de tratamiento termoqufmico de biomasa en condiciones de anoxia, produciendo la torrefaccion, pirolisis o gasificacion de dicha biomasa, pero existen multitud de plantas disenadas a tal efecto.
Se conoce por ejemplo la planta descrita por el documento ES2321341T, en la que se propone una envolvente de tratamiento cerrada dotada de un husillo helicoidal de transferencia y de calentamiento. En este caso el material de las helices del transportador o husillo es de un material conductor electrico, generandose calor por el paso de la electricidad a su traves, por efecto Joule hasta alcanzar una temperatura de entre 170°C a 180°C, insuficientes por si solas para producir la pirolisis o gasificacion. Se preve un revestimiento de proteccion de las caras de calentamiento del transportador helicoidal de ceramica. La envolvente de la camara de tratamiento esta equipada con un sensor que permite medir la temperatura de dichas paredes. Se han previsto unos controles de temperatura y de velocidad de rotacion del transportador helicoidal de calentamiento, y la inyeccion de vapor en el interior de la camara, a cierta presion.
Tambien el documento WO2011009074 describe una planta para realizar dicha valorizacion de biomasa, en la que el reactor incluye una camara de vacfo dotada de un transportador helicoidal, produciendose la pirolisis, torrefaccion o gasificacion a temperaturas de entre 126°C y 250°C (temperaturas muy bajas logradas en condiciones de vacfo). Este documento describe que la camara de vacfo se puede calentar desde el exterior utilizando varias tecnicas por ejemplo por calefactores electricos.
En este caso resulta imposible trabajar en continuo, pues la camara de vacfo debe tener compuertas estancas para mantener el vacfo. Ademas la baja temperatura de trabajo permite que dicha temperatura pueda ser alcanzada mediante calefactores electricos dispuestos en el exterior de la camara, pero que sin un desarrollo adicional no permitirfan alcanzar elevadas temperaturas de hasta 800°C en el interior de la camara, o el consumo energetico necesario para lograrlo harfa economicamente inviable la operacion de la planta.
Tambien el documento ES2461895 describe una planta de este tipo, en este caso se consigue una pirolisis en un reactor que integra un transportador helicoidal, calentado por unas resistencias electricas que rodean su pared externa. Opcionalmente cita la utilizacion de aislamiento termico exterior en lugar de las resistencias electricas, en aquellos reactores de mayor tamano en los que el calor se obtiene de la propia combustion de la biomasa.
Adicionalmente se conoce el documento US20140013657, el cual describe una planta para producir torrefaccion, gasificacion o pirolisis en condiciones de oxfgeno reducidas. En un ejemplo de realizacion se describe una camara de reaccion termoqufmica de alrededor de 2,5 cm de diametro y una longitud de 25 cm rodeada por un bloque electrico cilfndrico calefactor, siendo dicha planta de escasa capacidad, no pudiendo constituir una planta industrial.
Un escalado de dicha planta, para alcanzar un tamano y capacidad de produccion industrial determinarfa que el volumen de la camara aumentara mucho mas que su superficie exterior, con lo que el bloque electrico calefactor dispuesto a su alrededor requerirfa adaptaciones, mas alla de su cambio de tamano, para que el interior de la camara de reaccion alcanzara temperaturas suficientes para producir la torrefaccion, pirolisis o gasificacion.
Tambien existen otros documentos, como el US 2008/202983 A1, el EP 2 653 523 A2 o el CN103113919 que describen una camara de reaccion termoqufmica dotada de un transportador helicoidal calefactado. Sin embargo ninguno de estos documentos contempla una instalacion de acuerdo con la reivindicacion 1. La utilizacion de una envolvente ceramica dispuesta alrededor de la camara de reaccion, a pesar de que su utilizacion proporciona efectos beneficiosos en cuanto a la refraccion del calor y a la inercia termica, consiguiendo un menor consumo energetico, un menor coste de operacion y una mayor temperatura de trabajo del reactor. Un gran numero de los documentos citados no permiten alcanzar temperaturas superiores a los 250°C, por lo que resultana imposible
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producir pirolisis o gasificacion con muchos tipos de biomasa que requieren temperatures superiores para que se produzcan dichas reacciones termoqufmicas. Tampoco se cita el secado previo o el enfriado posterior de la biomasa.
Tampoco se conoce ningun documento que utilice emisores de infrarrojos para calentar la camara de reaccion termoqufmica, ni el calentamiento simultaneo de dicha camara desde el exterior y desde el interior.
Breve descripcion de la invencion
La presente invencion hace referencia a una planta industrial para el tratamiento termoqufmico de biomasa en condiciones cercanas a anoxia o de anoxia (ausencia o bajo contenido de oxfgeno en la atmosfera interior del reactor), prevista para trabajar en continuo, mediante una entrada regular de biomasa y una salida regular de biomasa tratada, en fracciones solida, lfquida y/o gaseosa.
Dicho tratamiento termoqufmico produce una valorizacion (incremento del valor) de la biomasa, transformando un producto en otro u otros productos de mayor valor que el producto original, tfpicamente transformando residuos de biomasa en biocombustibles solidos, lfquidos o gaseosos.
En este documento se entiende por biomasa toda sustancia de origen organico, o con carbono en su composicion , como son los residuos agrfcolas, paja, productos de poda, residuos forestales, residuos de aserradero como virutas o serrfn, residuos de la industria alimentaria como despojos carnicos, pieles de frutas y verduras, comestibles danados o retirados del mercado, lodos de depuradora, etc, aunque tambien se consideran biomasa productos de tipo plastico, incluyendo espumas y neumaticos, pues su composicion es tambien rica en carbono, y son susceptibles de ser sometidos a un proceso de valorizacion termoqufmica. Se contempla utilizar en la planta industrial propuesta cualquier tipo de biomasa o mezclas de biomasas para conseguir productos de valor anadido.
El tratamiento termoqufmico en condiciones de anoxia propuesto en este documento, y en sf conocido, consiste en aplicar calor a dicha biomasa en una camara estanca con un muy bajo contenido de oxfgeno, produciendo una reaccion termoqufmica de torrefaccion, pirolisis y/o gasificacion de dicha biomasa. Como resultado de dicho tratamiento termoqufmico se obtiene una fraccion gaseosa, una fraccion lfquida y/o una fraccion solida de dicha biomasa una vez tratada, que pueden estar mezcladas y requerir de operaciones de fraccionamiento posteriores para su separacion. Una o varias de las fracciones obtenidas de dicho tratamiento termoqufmico de la biomasa tienen un valor economico superior al valor de la biomasa empleada, valorizando asf dicho producto.
De forma preferida el resultado de dicho tratamiento sera un gas combustible y/o un lfquido combustible y/o un combustible solido, que en numerosas ocasiones se puede pelletizar o que puede utilizarse como abono. Otros productos de interes comercial pueden ser obtenidos por medio de este proceso.
Para desarrollar dicho tratamiento termoqufmico la biomasa a tratar sera, preferiblemente, troceada hasta obtener un material granular homogeneo de un tamano inferior a los 10 mm, y la temperatura de dicho tratamiento estara comprendida entre los 200° y los 800° C, siendo estas cifras ilustrativas y no limitativas.
Asf pues la presente invencion se refiere a una planta industrial en la que desarrollar dicho proceso de tratamiento termoqufmico en condiciones cercanas a anoxia o de anoxia prevista para trabajar en continuo, definida en la reivindicacion 1. Tambien se preve que cada pluralidad de medios de calefaccion este asociado con una placa de ceramica independiente, que es parte de una pluralidad de placas de ceramicas, y que dicha pluralidad de medios de calefaccion exteriores asociados a una pluralidad de placas de ceramica, se dispongan en posiciones angulares diferentes y/o en posiciones axiales sucesivas respecto a la citada pared cilfndrica.
Asf pues, segun la invencion propuesta, la pared cilfndrica de la camara de reaccion termoqufmica se encuentra rodeada por una pluralidad de placas de ceramica, cada una asociada con un medio de calefaccion exterior alimentado y controlado de modo independiente, y dicha pluralidad de placas de ceramica se disponen en posiciones angulares diferentes, o sea dispuestas alrededor de la camara de reaccion, o en posiciones axiales sucesivas, o sea a lo largo de la camara de reaccion, o con una distribucion combinada alrededor y a lo largo simultaneamente, formando una matriz de placas de ceramica que se extiende alrededor y a lo largo de la citada camara.
Se entendera que los citados medios de accionamiento hacen referencia a uno cualquiera de los siguientes, u otro equivalente, como resultara obvio para un experto en la materia: motor electrico, motor hidraulico, motor neumatico, servomotor, etc. Se entendera tambien que dichos medios de accionamiento requieren de una fuente externa de energfa, y pueden ser controlados electrica o electronicamente, por ejemplo mediante un controlador logico programable, un ordenador, u otro dispositivo electronico. Los medios de accionamiento pueden incluir sensores que aportan informacion para el correcto control electrico o electronico.
Igualmente se entendera que los medios de calefaccion hacen referencia, en este documento, a uno cualquiera de los siguientes, u otro equivalente, como resultara obvio para un experto en la materia: resistencia electrica, emisor
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de infrarrojos, quemadores de gas, emisores de microondas, mediante induccion magnetica, etc. Se entendera tambien que dichos medios de calefaccion requieren de una fuente externa de energfa, y pueden ser controlados electricamente o electronicamente, por ejemplo mediante un controlador logico programable, un ordenador u otro dispositivo electronico. Los medios de calefaccion pueden incluir sensores que aporten informacion para el correcto control electrico o electronico.
Dicho transportador helicoidal se preve que preferiblemente este fijado alrededor del arbol motriz, de modo que el giro de dicho arbol motriz provoque el giro del transportador helicoidal.
Ademas de las caractensticas hasta ahora descritas, la planta propuesta puede incluir, de modo opcional, una pluralidad de medios de calefaccion interiores alimentados electricamente, integrantes de la pluralidad de medios de calefaccion, comprendiendo dichos medios de calefaccion interiores:
• una pluralidad de medios de calefaccion de arbol, cada uno de ellos alimentado y/o controlado de modo independiente respecto al resto de medios de calefaccion, estando dichos medios de calefaccion de arbol dispuestos totalmente en el interior del arbol motriz del transportador helicoidal o extendiendose a lo largo de dicho eje de giro inscritos en unos extremos de dicho arbol motriz; y/o
• una pluralidad de medios de calefaccion de helice, cada uno de ellos alimentado y/o controlado de modo independiente respecto al resto de medios de calefaccion, estando dichos medios de calefaccion de helice integrados en la superficie helicoidal del transportador helicoidal.
Dichos medios de calefaccion de arbol pueden estar integrados en el interior del arbol motriz siendo fijos e independientes del giro del arbol motriz o bien solidarios de dicho arbol motriz y alimentados por medio de una junta rotativa. Alternativamente dichos medios de calefaccion de arbol podnan estar emplazados en una barra fija concentrica con dicho arbol motriz independientemente de que dicho arbol motriz se extienda en toda la longitud de la camara o este constituido unicamente por dos porciones extremas de soporte.
De forma preferida, los citados medios de calefaccion exteriores seran radiadores infrarrojos y/o dichos medios de calefaccion interiores seran resistencias electricas.
Dichos radiadores infrarrojos estan integrados en el interior de dichas placas de ceramica y alimentados electricamente mediante unos conductores enfundados con material aislante de alta resistencia termica por ejemplo esteatita. Adicionalmente y de forma opcional, la planta propuesta puede incluir ademas:
• una camara de secado cilmdrica dotada de otros medios de calefaccion para calentar, de forma regulable, dicha camara de secado a temperaturas de hasta 300°C, y provista de una salida de fase gaseosa para extraer humedad del interior de la camara de secado, estando dicha camara de secado prevista para secar biomasa humeda mediante trabajo en continuo y para alimentar en continuo dicha camara de reaccion termoqmmica con biomasa seca a traves de su entrada de biomasa; y/o
• una camara de enfriado cilmdrica dotada de unos medios de enfriamiento para enfriar, de forma regulable, la citada fraccion solida, suministrada en continuo desde dicha al menos una salida de biomasa tratada de la camara de reaccion termoqmmica, en dicha camara de enfriado a temperaturas inferiores a los 40°C,
estando ambas camaras dotadas de un transportador helicoidal ajustado a sus respectivas dimensiones interiores.
Dicha camara de secado trata la biomasa antes de ser suministrada a la camara de reaccion termoqmmica, reduciendo su humedad que se extrae a traves de una salida de fase gaseosa. De este modo la biomasa entra en la camara de reaccion termoqmmica con un grado de humedad reducido y precalentada, mejorando la reaccion termoqmmica y evitando variaciones bruscas de la temperatura en el interior de la camara de reaccion termoqmmica. Esta camara de secado facilita que la planta pueda trabajar en continuo, tratando un suministro constante de biomasa.
Dicha camara de enfriado trata la fraccion solida de la biomasa tratada, tras su paso por la camara de reaccion termoqmmica, y reduce su temperatura a traves de los medios de enfriamiento que pueden ser, a modo de ejemplo no limitativo, un suministro de aire mas fno que la materia a enfriar que se hace circular por el interior de la camara de enfriado, o un fluido fno que se hace circular a traves de unos conductos termicamente conectados con la materia a enfriar. Por ejemplo dichos conductos pueden hallarse integrados en la pared cilmdrica de la camara de enfriado o en el interior del arbol motriz del transportador helicoidal. La camara de enfriamiento permite opcionalmente evacuar dicha fraccion solida hasta temperaturas proximas a la temperatura ambiental.
Segun otra realizacion preferida, cada una de dichas placas de ceramica de los medios de calefaccion exteriores cubre una superficie inferior al 10% de la superficie exterior de la camara de reaccion termoqmmica. Ademas dichos medios de calefaccion exteriores y/o de arbol estan previstos para ser sustituidos individualmente, sin requerir la
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retirada de ningun otro medio de calefaccion, lo que repercute en un mantenimiento mas sencillo, veloz y economico.
En otra realizacion subconjuntos de placas de ceramica, integrantes de dicha pluralidad de placas de ceramica, se integran en bastidores comunes, cada bastidor comun previsto para ser retirado de la planta conjuntamente con el subconjunto de placas de ceramica integradas en dicho bastidor, sin requerir la retirada de ningun otro bastidor de la planta. Asf pues grupos de placas de ceramica pueden ser retiradas conjuntamente para su mantenimiento o sustitucion, de un modo rapido y economico.
Cualquiera de las realizaciones anteriores puede incluir tambien la caracterfstica de que todas las placas de ceramica sean identicas entre si, lo que significa que su construccion y mantenimiento se abarata, y que sus sujeciones, soportes y conexiones pueden estandarizarse, siendo comunes en toda la planta.
Adicionalmente la planta propuesta dispondra de una pluralidad de sensores que permitan adquirir datos seleccionado de un conjunto que comprende:
• temperatura de los medios de calefaccion exteriores;
• temperatura de los medios de calefaccion interiores;
• temperatura del interior de la camara de reaccion termoqufmica en puntos seleccionados de la misma, comprendiendo la pared cilfndrica;
• consumo electrico de los medios de calefaccion exteriores;
• consumo electrico de los medios de calefaccion interiores;
• consumo electrico de los medios de accionamiento del arbol motriz;
• velocidad de accionamiento del transportador helicoidal;
• velocidad de accionamiento de la valvula de entrada;
• velocidad de accionamiento de la valvula de salida;
• contenido de oxfgeno de la camara de reaccion termoqufmica.
Preferiblemente un controlador logico programable esta conectado a dichos sensores y tambien esta configurado para regular, en base a los datos suministrados por dichos sensores, una pluralidad de actuadores automaticos seleccionados de entre al menos los siguientes:
• valvula de entrada de biomasa accionada automaticamente;
• valvula de salida de fraccion gaseosa, lfquida y solida accionada automaticamente;
• medios de accionamiento conectados a dicho arbol motriz;
El control de las valvulas y de los medios de accionamiento permite regular el contenido de biomasa dentro de la camara de reaccion termoqufmica, asf como la velocidad a la que opera y el tiempo que la biomasa permanece dentro de dicha camara. Ademas la regulacion de dichas valvulas de entrada y de salida tambien permite regular la entrada de aire exterior y por lo tanto de oxfgeno dentro de la camara de reaccion termoqufmica. Por ejemplo se ha detectado que en algunos modelos de valvulas rotatorias, operar la valvula en la direccion inversa a la recomendada por el fabricante permite reducir la entrada de aire a traves de dicha valvula.
Un experto en la materia entendera que el controlador logico programable es un dispositivo electronico dotado de una memoria, una entrada de datos, una salida de datos, capacidad de calculo y un interfaz para permitir a un usuario conocer su funcionamiento y/o modificar su configuracion o programacion.
Tanto los sensores como el controlador logico programable conectado a los actuadores permiten que la planta pueda ser regulada y adaptada automaticamente para su optimizacion, ya que la composicion de la biomasa empleada, asf como algunos condicionantes climaticos como la temperatura y humedad exterior de la planta, pueden ser variables e influir en las reacciones termoqufmicas de valorizacion de la biomasa. Por ello el monitoreo constante de variables relevantes del proceso permiten conocer en todo momento el estado del mismo, y permiten detectar desviaciones a corregir mediante los actuadores automaticos controlados por el controlador logico programable.
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Tambien permiten que puedan detectarse errores o malfuncionamiento de algunos sistemas de la planta, y que la planta se ajuste para permitir que siga operando de forma correcta hasta la siguiente parada programada de mantenimiento, por ejemplo aumentando la temperatura de algunos de los medios de calefaccion individuales para compensar la fallada de algun otro medio de calefaccion individual.
Segun una realizacion opcional de la presente invencion, dicha pluralidad de medios de calefaccion interiores reciben alimentacion electrica solamente desde uno de los extremos del arbol motriz, lo que simplifica su construccion y mantenimiento.
Ademas se preve que el primer extremo o el segundo extremo de la camara de reaccion termoqufmica disponga de una compuerta practicable de un tamano suficiente para permitir la extraccion completa del transportador helicoidal del interior de la camara de reaccion termoqufmica. De este modo se puede vaciar y limpiar el interior de la camara de reaccion termoqufmica de forma manual en caso de ser requerido, o permitiendo sustituir dicho transportador helicoidal para adaptarlo a diferentes tipos o composiciones de biomasa a tratar, o para una reparacion rapida de la planta.
Para algunas composiciones de biomasa, sera preferible utilizar un transportador helicoidal dotado de unas palas agitadoras adosadas a la superficie helicoidal del transportador que proporcionen una agitacion y removido de la biomasa transportada por medio de dicho transportador helicoidal, consiguiendo asf su aireado y un mayor intercambio termico con la camara de reaccion termoqufmica, evitando apelmazamientos de dicha biomasa.
En referencia a las placas de ceramica, preferiblemente estas se encuentran dispuestas lateralmente contiguas, unas respecto a las otras, en la direccion axial y/o en la direccion radial de la camara de reaccion termoqufmica, estando en contacto o con una separacion igual o menor a 5 cm.
De forma preferida, entre las placas ceramicas y la pared cilfndrica de la camara de reaccion termoqufmica existira una separacion de entre 3 y 50 mm.
Se entendera que las referencias a posicion geometricas, como por ejemplo paralelo, perpendicular, tangente, etc. admiten desviaciones de hasta ±5° respecto a la posicion teorica definida por dicha nomenclatura.
Otras caracterfsticas de la invencion apareceran en la siguiente descripcion detallada de un ejemplo de realizacion.
Breve descripcion de las figuras
Las anteriores y otras ventajas y caracterfsticas se comprenderan mas plenamente a partir de la siguiente descripcion detallada de un ejemplo de realizacion con referencia a los dibujos adjuntos, que, sin embargo, no muestran la caracterfstica esencial de la pluralidad de medios de calefaccion exteriores siendo dispuestos en
diferentes posiciones angulares con respecto a la pared cilfndrica de la camara de reaccion termoqufmica, y que
deben tomarse a tftulo ilustrativo y no limitativo, en los que:
la Fig. 1 es una vista esquematica de una planta de valorizacion dotada de una camara de secado, una camara de reaccion termoqufmica, y una camara de enfriado conectadas en serie, y que dispone ademas de dos filtros ciclonicos y un condensador para el separado de las fracciones solida, lfquida y gaseosa obtenidas del tratamiento termoqufmico de biomasa;
la FIg. 2 muestra una seccion transversal de la camara de reaccion termoqufmica; la Fig. 3 muestra una seccion longitudinal de la camara de reaccion termoqufmica.
Descripcion detallada de un ejemplo de realizacion
La planta industrial para tratamiento termoqufmico de biomasa en condiciones cercanas a anoxia o de anoxia mostrada esquematicamente en la Fig. 1, y descrita a continuacion con caracter ilustrativo y no limitativo, tiene como objeto transformar la biomasa en otro u otros productos, obteniendo fracciones solidas, lfquidas y/o gaseosas de interes comercial y valor economico superior al de la biomasa empleada para su obtencion.
Se entiende por biomasa cualquier compuesto, ya sea natural o procedente de una actividad humana, que contenga como mfnimo carbono. A tftulo informativo, que no excluyente, y como ejemplos de biomasa, se incluyen cualquier tipo de residuo forestal y/o agrfcola terrestre y/o acuoso, todos los residuos solidos urbanos y/o sus fracciones, todos los residuos procedentes de los combustibles fosiles (como por ejemplo plasticos, neumaticos, espumas de colchon), los lodos de depuradora, etc.
La planta industrial de valorizacion propuesta eleva la temperatura de la biomasa en condiciones cercanas a anoxia o de anoxia, para alcanzar uno de los tres estadios termoqufmicos posibles de torrefaccion, pirolisis y gasificacion.
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Estos tres estadios se alcanzan mediante diferentes temperaturas en el interior de una camara de reaccion termoqufmica. De menor a mayor temperatura los estadios son la torrefaccion (tfpicamente alrededor de los 300°C), la pirolisis (tfpicamente entre 300 y 600°C) y la gasificacion (tfpicamente entre 500 y 800°C) a presion ambiental. Las temperaturas requeridas y los productos obtenidos dependeran de la composicion de la biomasa empleada, asf como tambien de otros condicionantes ambientales, como temperatura y humedad, o el tiempo durante el que se trate la biomasa.
La planta propuesta, mostrada en las Fig. adjuntas, esta adaptada para trabajar con biomasa de composicion granular, con fragmentos de un tamano medio de entre 1 y 10 mm, aunque el tamano medio normal debe estar entre 2 a 6 mm.
Asf pues, la planta mostrada en la Fig. 1 consta de una camara de reaccion termoqufmica 20, precedida de una camara de secado 10 y proseguida por una camara de enfriado 30. Cada una de dichas tres camaras 10, 20, 30 tiene forma cilfndrica alargada definida por una pared cilfndrica 13, 23, 33 y por un primer extremo 11, 21, 31 y un segundo extremo 12, 22, 32 cerrados, y contienen un transportador helicoidal 50 unido alrededor de un arbol motriz 51 concentrico con dicha camara.
Esta construccion permite disponer una entrada de biomasa 15, 25, 35 adyacente al primer extremo 11, 21, 31 y una salida de biomasa 16, 26, 36 adyacente al segundo extremo 12, 22, 32 (o viceversa), de modo que la biomasa atraviese toda la camara, transportada por el transportador helicoidal 50 desde la entrada hasta la salida de la camara.
Asf pues, tal y como se aprecia en la Fig. 1, se introduce biomasa en formato granular por la entrada de biomasa 15 de la camara de secado 10. Dicha camara de secado 10 dispone de unos medios de calefaccion que permiten alcanzar temperaturas moderadas de hasta 300 °C, consiguiendo asf extraer parte de la humedad de la biomasa dispuesta dentro de dicha camara de secado 10. Una salida de fraccion gaseosa 19 dispuesta en la pared cilfndrica 13 de la camara de secado 10 permite extraer el aire cargado de humedad del interior de la camara de secado 10. Tras atravesar toda la longitud de dicha camara de secado 10, la biomasa seca y precalentada es extrafda de dicha camara de secado 10 a traves de una salida de biomasa 16, que a su vez se conecta con la entrada de biomasa 25 de la camara de reaccion termoqufmica 20, la cual dispone de unos medios de calefaccion 60 que permiten elevar la temperatura de dicha camara hasta, por ejemplo, los 1200°C, aunque normalmente operara a temperaturas menores a 800°C.
Para mejorar la eficiencia de la planta, al menos la camara de reaccion termoqufmica 20, e idealmente tambien la camara de secado 20, estaran rodeadas por una capa de material aislante 24 minimizando las perdidas energeticas del sistema.
Los medios de calefaccion 60 propuestos para el tratamiento de la biomasa en el interior de la camara de reaccion termoqufmica 20, mostrados en las Fig. 2 y 3, constan de una pluralidad de medios de calefaccion exteriores 61 electricos, que en la presente realizacion constan de radiadores de infrarrojos integrados en el interior de placas ceramicas 64, cada uno de ellos alimentado y/o controlado de modo independiente respecto al resto de medios de calefaccion 60, estando dichos medios de calefaccion exteriores 61 dispuestos alrededor de dicha pared cilfndrica 23, situados entre dicha camara de reaccion termoqufmica 20 y dicho aislante termico 24.
Los radiadores infrarrojos han sido seleccionados debido a su optima eficiencia convirtiendo la electricidad en calor, y transmitiendo ese calor hacia el interior de la camara de reaccion termoqufmica 20. Ademas la integracion de dichos radiadores infrarrojos dentro de la placa ceramica 64 permite que dichos radiadores infrarrojos sean activados por pulsos, pero que el calor se transmita homogeneamente y de forma constante. Adicionalmente la ceramica puede tener efecto refractario frente a la energfa calorffica que emana de la camara de reaccion termoqufmica 20, devolviendola otra vez hacia el interior de la misma y minimizando las perdidas energeticas, actuando a modo de horno refractario. Finalmente el aislamiento termico 24 envuelve el conjunto, reduciendo aun mas las perdidas calorfficas.
Por todo ello, esta construccion goza de una elevada eficiencia energetica y unos reducidos costes de operacion.
Asf pues, la pared cilfndrica 23 de la camara de reaccion termoqufmica 20 esta rodeada radial y/o axialmente por una pluralidad de placas ceramicas 64, cada una integrando radiadores de infrarrojos.
Placas ceramicas 64 adyacentes estan sustentadas, por ejemplo de dos en dos, en un bastidor 70 que integra tambien una porcion del aislante termico 24 como se muestra en las Fig. 3 y 4. Dicho bastidor 70 puede ser facilmente retirado del conjunto de la planta, sin requerir la retirada de ningun otro bastidor 70, ni de ningun otro medio de calefaccion 60, permitiendo reparar o sustituir placas ceramicas 64 individuales de un modo rapido y economico.
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En la presente realizacion, la pared cilfndrica 23 esta rodeada radialmente por doce placas ceramicas 64, y axialmente por seis placas ceramicas 64, estando las placas ceramicas unidas de dos en dos en bastidores 70 independientes.
El interior del arbol motriz 51 del transportador helicoidal 50 integra unos medios de calefaccion de arbol 63, que preferiblemente costaran de una pluralidad de resistencias electricas longitudinales individuales, dispuestas radialmente.
La combinacion de los radiadores infrarrojos exteriores con las resistencias electricas dispuestas dentro del arbol motriz 51 calentaran uniformemente la biomasa, y las placas ceramicas 64 junto con el aislamiento termico 24 contendran el calor, actuando como un horno y mejorando la eficiencia energetica del conjunto.
En el presente ejemplo de realizacion, la entrada de biomasa 25 de la camara de reaccion termoqufmica 20 dispone de una valvula de entrada 40, y la salida de fracciones 26 dispone de una valvula de salida de fracciones 41 solida, lfquida y/o gaseosa, impidiendo ambas valvulas 40, 41 una entrada libre de aire exterior hacia el interior de la camara de reaccion termoqufmica 20. Las elevadas temperaturas alcanzadas en el interior de la camara de reaccion termoqufmica 20, combinadas con el material combustible y seco dispuesto en su interior causa que el oxfgeno presente dentro de dicha camara 20 se consuma, y la camara quede en condiciones cercanas a anoxia o de anoxia, permitiendo la torrefaccion, pirolisis y/o gasificacion de la biomasa dispuesta dentro de la camara de reaccion termoqufmica 20.
De modo preferido las valvulas de entrada 40 y de salida 41 seran valvulas rotativas, que opcionalmente pueden estar configuradas para girar en direccion inversa a la direccion prevista por el fabricante a efectos de reducir la entrada de aire.
Dichas valvulas de entrada 40 y de salida 41 permiten respectivamente introducir y extraer material a una velocidad establecida, regulando junto con la velocidad de giro del transportador helicoidal 50 establecida por los medios de accionamiento 52 del arbol motriz 50, la velocidad de tratamiento de la biomasa.
De igual modo, la velocidad de accionamiento del transportador helicoidal 50 de la camara de secado 10 y de la camara de enfriado 30 determinan la velocidad de suministro y extraccion de biomasa o de sus fracciones a la camara de reaccion termoqufmica 20, y en definitiva la velocidad de operacion de la planta.
Un controlador logico programable permite, en esta realizacion, regular la velocidad de operacion de la planta, controlando la velocidad de accionamiento de dichos transportadores helicoidales 50 de las tres camaras 10, 20, 30, y de las valvulas de entrada 40 y de salida 41. Tambien puede regular la temperatura de trabajo de cada una de las camaras 10, 20, 30 y de cada uno de los medios de calefaccion 60 de forma individual. Una red de sensores aporta informacion a dicho controlador logico programable para permitir su ajuste en funcion de las condiciones reales de operacion de la planta, mejorando asf su funcionamiento y eficiencia.
En la presente realizacion, la planta esta dimensionada para tratar entre 100 kg/h y 3000 kg/h, mediante una camara de reaccion termoqufmica 20 de una longitud de entre 200 y 500 cm y de un diametro de entre 20 y 50 cm.
En la realizacion mostrada en la Fig. 1, se muestra como fracciones de la biomasa tratada en la camara de reaccion termoqufmica 20 es extrafda y filtrada mediante dos filtros ciclonicos 80 conectados en serie, que permiten separar la fraccion solida de la gaseosa.
Un filtro ciclonico 80 provoca una corriente de aire espiral que centrifuga los materiales mas pesados separandolos de dicha corriente de aire. Para evitar que la fraccion lfquida contenida en los gases calientes extrafdos de la camara de reaccion termoqufmica 20 condense dentro de los filtros ciclonicos 80, estos pueden estar tambien aislados o calefactados, evitando asf que los gases se enfrfen dentro de dichos filtros.
La fraccion gaseosa filtrada es entonces introducida en un condensador 81, donde se fracciona, separando la fraccion lfquida de la fraccion gaseosa.
La fraccion solida de la biomasa tratada es transferida, tanto directamente desde la camara de reaccion termoqufmica 20 como desde la salida de material filtrado de los filtros ciclonicos 80, hasta la camara de enfriado 30, donde unos medios de enfriado 90 se encargan de reducir su temperatura hasta una temperatura que permita su manipulacion segura.
En este ejemplo de realizacion, los medios de enfriamiento 90 constan de unos conductos previstos en el arbol motriz 51 del transportador helicoidal 50, a traves de los cuales se hace circular un fluido refrigerado proveniente de un refrigerador integrado en la planta. Este mismo refrigerador puede suministrar fluido refrigerado al condensador 81 para facilitar la condensacion de la fraccion lfquida, separandola de la fraccion gaseosa.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Planta industrial para el tratamiento termoqufmico de biomasa, la cual opera en condiciones cercanas a anoxia o de anoxia prevista para trabajar en continuo, que incluye:
    • una camara de reaccion termoqufmica (20) cilfndrica delimitada por una pared cilfndrica (23) y por un primer extremo (21) cerrado y un segundo extremo (22) cerrado, que define un diametro interior y una longitud axial de camara;
    • un aislante termico (24) dispuesto alrededor de dicha camara de reaccion termoqufmica (20), rodeandola;
    • una entrada de biomasa (25) prevista en una posicion adyacente al primer extremo (21) de la camara de reaccion termoqufmica (20), y asociada a una valvula de entrada (40) prevista para alimentar dicha camara de reaccion termoqufmica (20) con biomasa a una velocidad regulada, impidiendo la libre entrada de aire al interior de dicha camara de reaccion termoqufmica (20);
    • al menos una salida de fracciones (26) gaseosa, lfquida y/o solida, producto del tratamiento de la biomasa en la citada camara de reaccion termoqufmica (20), previstas en una posicion adyacente al segundo extremo (22) de la camara de reaccion termoqufmica (20), y asociadas a al menos una valvula de salida (41) prevista para extraer dichas fracciones impidiendo la libre entrada de aire al interior de dicha camara de reaccion termoqufmica (20);
    • un transportador helicoidal (50) con un diametro exterior ajustado al diametro interior de la camara de reaccion termoqufmica (20) y una longitud ajustada a la longitud axial de dicha camara (20), estando dicho transportador helicoidal (50) dispuesto concentrico con dicha camara de reaccion termoqufmica (20) cilfndrica y unido a un arbol motriz (51);
    • unos medios de accionamiento (52) conectados a dicho arbol motriz (51) para producir su giro alrededor de un eje a una velocidad regulada;
    • una pluralidad de medios de calefaccion (60) previstos para calentar, de forma regulable, dicha camara de reaccion termoqufmica (20) a temperaturas de hasta 1200° C, suficiente para producir la torrefaccion, pirolisis y/o gasificacion de una biomasa introducida en dicha camara de reaccion termoqufmica (20);
    • dicha pluralidad de medios de calefaccion (60) incluyen una pluralidad de medios de calefaccion exteriores (61) electricos, dispuestos alrededor de dicha pared cilfndrica, situados entre dicha camara de reaccion termoqufmica (20) y dicho aislante termico (23), en posiciones axiales sucesivas con respecto a la pared cilfndrica mencionada (23);
    • cada medio de calefaccion exterior (61) esta asociado a un placa de ceramica (64) independiente, integrante de una pluralidad de placas de ceramica;
    caracterizada porque
    • dicha pluralidad de medios de calefaccion exteriores (61) tambien estan dispuestos en diferentes posiciones angulares con respecto a la pared cilfndrica mencionada (23), formando un conjunto de placas ceramicas que se extienden alrededor y a lo largo de la camara mencionada;
    • los medios de calefaccion electricos exteriores (61) incluyen sensores que proporcionan informacion a un controlador logico programable, que esta configurado para regular la temperatura y/o el tiempo de activacion de cada medio de calefaccion electrico exterior (61) en base a los datos suministrados por los sensores, siendo cada medio de calefaccion electrico exterior (61) controlado electronicamente de manera independiente con respecto al resto de los medios de calefaccion (60).
  2. 2. - Planta segun la reivindicacion 1 caracterizada por que la citada pluralidad de medios de calefaccion (60) incluyen ademas una pluralidad de medios de calefaccion interiores (65), comprendiendo:
    • una pluralidad de medios de calefaccion de arbol (63) alimentados electricamente, estando dichos medios de calefaccion de arbol (63) dispuestos a lo largo de dicho eje de giro e inscritos en el interior del arbol motriz (51) del transportador helicoidal (50) al menos por sus dos extremos; y/o
    • una pluralidad de medios de calefaccion de helice (62), estando dichos medios de calefaccion de helice (62) integrados en la superficie helicoidal del transportador helicoidal (50).
  3. 3. - Planta segun la reivindicacion 1 o 2 caracterizada por que dichos medios de calefaccion exteriores (61) son radiadores infrarrojos y/o dichos medios de calefaccion interiores (65) son resistencias electricas.
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  4. 4. - Planta segun la reivindicacion 3 caracterizada por que dichos radiadores infrarrojos estan integrados en el interior de dichas placas de ceramica (64) y alimentados electricamente mediante unos conductores enfundados con material aislante de una resistencia termica superior a la emitida por dicho radiador infrarrojo.
  5. 5. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que incluye ademas:
    • una camara de secado (10) cilfndrica dotada de otros medios de calefaccion para calentar, de forma regulable, dicha camara de secado (10) a temperaturas de hasta 200°C, y provista de una salida de fase gaseosa (19) para extraer humedad del interior de la camara de secado, estando dicha camara de secado (10) prevista para secar biomasa humeda mediante trabajo en continuo y para alimentar en continuo dicha camara de reaccion termoqufmica (20) con biomasa seca a traves de su entrada de biomasa (25); y/o
    • una camara de enfriado (30) cilfndrica dotada de unos medios de enfriamiento para enfriar, de forma regulable, la citada fraccion solida, suministrada en continuo desde dicha al menos una salida de biomasa (26) tratada de la camara de reaccion termoqufmica (20), en dicha camara de enfriado a temperaturas inferiores a los 40°C;
    estando ambas camaras (10 y 30) dotadas de un transportador helicoidal (50) ajustado a sus respectivas dimensiones interiores.
  6. 6. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que cada una de dichas placas de ceramica (64) cubre una superficie inferior al 10% de la superficie exterior de la camara de reaccion termoqufmica (20).
  7. 7. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que cada uno de dicha pluralidad de medios de calefaccion exteriores (61) y/o interiores (65) estan instalados para ser sustituidos individualmente, sin requerir la retirada de ningun otro medio de calefaccion (60) individual.
  8. 8. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 anteriores, caracterizada por que subconjuntos de placas de ceramica (64), integrantes de dicha pluralidad de placas de ceramica, se integran en bastidores (70), cada bastidor (70) previsto para ser retirado de la planta conjuntamente con el subconjunto de placas de ceramica (64) integradas en dicho bastidor (70), sin requerir la retirada de ningun otro bastidor (70) de la planta.
  9. 9. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que todas las placas de ceramica (64) son identicas.
  10. 10. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dispone de una pluralidad de sensores que permiten adquirir datos seleccionado de un conjunto que comprende:
    temperatura de los medios de calefaccion exteriores (61);
    temperatura de los medios de calefaccion interiores (65);
    temperatura del interior de la camara de reaccion termoqufmica (20) en puntos seleccionados de la misma, comprendiendo la pared cilfndrica (23);
    consumo electrico de los medios de calefaccion exteriores (61);
    consumo electrico de los medios de calefaccion interiores (65);
    consumo electrico de los medios de accionamiento (52) del arbol motriz (51);
    velocidad de accionamiento del transportador helicoidal (50);
    velocidad de accionamiento de la valvula de entrada (40);
    velocidad de accionamiento de la valvula de salida (41);
    contenido de oxfgeno de la camara de reaccion termoqufmica (20).
  11. 11. - Planta segun la reivindicacion 10 caracterizada por que un controlador logico programable esta conectado a dichos sensores y tambien esta configurado para regular, en base a los datos suministrados por dichos sensores, una pluralidad de actuadores automaticos seleccionados de entre al menos los siguientes:
    • valvula de entrada (40) de biomasa accionada automaticamente;
    • valvula de salida (41) de fraccion gaseosa, lfquida y solida accionada automaticamente;
    • medios de accionamiento (52) conectados a dicho arbol motriz (51);
  12. 12. - Planta segun la reivindicacion 2 caracterizada por que dicha pluralidad de medios de calefaccion interiores (65) reciben alimentacion electrica solamente desde uno de los extremos del arbol motriz (51).
    5
  13. 13. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el primer extremo (21) o el segundo extremo (22) de la camara de reaccion termoqufmica (20) dispone de una compuerta practicable de un tamano suficiente para permitir la extraccion completa del transportador helicoidal (50) del interior de la camara de reaccion termoqufmica (20).
    10
  14. 14. - Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el transportador helicoidal (50) dispone de unas palas agitadoras adicionales adosadas a la superficie helicoidal del transportador que proporcionan una agitacion y removido de la biomasa transportada por medio de dicho transportador helicoidal (50).
    15 15.- Planta segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que las placas de ceramica
    (64) se encuentran dispuestas lateralmente contiguas, unas respecto a las otras, en la direccion axial y/o en la direccion radial de la camara de reaccion termoqufmica (20).
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