ES2704081T3 - Reactor para la obtención de gas a partir de biomasa o residuos orgánicos - Google Patents

Abstract

Reactor para la obtención de gas a partir de biomasa o residuos orgánicos y procedimiento para la obtención de gas en dicho reactor en el cual el proceso se produce en un único reactor horizontal rotatorio, donde las etapas ocurren en secciones interiores separadas por espiras helicoidales y que mediante el análisis de los gases de síntesis mediante un cromatógrafo de gases colocado a la salida del reactor se puede variar los parámetros del procedimiento.

Description

DESCRIPCIÓN

Reactor para la obtención de gas a partir de biomasa o residuos orgánicos

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un reactor para obtener un gas, que podemos denominar “gas de síntesis” o “Syngas”, a través de la gasificación de la biomasa o cualquier otro tipo de residuos orgánicos, donde todas las etapas del procedimiento ocurren en secciones interiores separadas por espiras helicoidales.

Estado de la técnica

La gasificación es un proceso de transformación, mediante oxidación parcial a temperatura elevada, de una materia prima en un gas con un moderado poder calorífico y susceptible de ser utilizado en una caldera, en una turbina de gas o en un motor de combustión interna. Sus ventajas son las siguientes:

• Flexibilidad en la suministro: Todas las materias primas que contienen carbono, como residuos peligrosos, residuos sólidos urbanos, residuos industriales, fangos de depuradora, biomasa, etc., pueden ser gasificadas;

• Suministro de bajo coste (coste potencialmente negativo). Es la tecnología más adecuada para muchas aplicaciones industriales;

• Mayor eficiencia y menor impacto medioambiental comparado con los sistemas de combustión cuando se trata de producir electricidad con bajo coste a partir de materiales sólidos;

• El proceso de gasificación puede ser adaptado incorporando tecnologías avanzadas para la concentración de dióxido de carbono con un reducido impacto en los costes y la eficiencia térmica. Esta característica será uno de los factores más importantes para la selección de tecnología en las futuras plantas de energía;

• Es más fácil eliminar emisiones de azufre y óxidos de nitrógeno en los productos de la gasificación. En general, el volumen de gas combustible procesado en una planta de gasificación para su limpieza es la tercera parte que el que correspondería a una central eléctrica convencional. Esto repercute en una reducción de costes en los equipos para la prevención de contaminación. Las plantas de gasificación también pueden configurarse, si es necesario, para alcanzar un nivel cero de emisiones;

• Las cenizas pueden depositarse en un vertedero, sin costes añadidos de tratamiento, usarse como materiales de construcción o ser procesados posteriormente para obtener productos de valor añadido, llevando a una planta de descarga cero, sin producción de residuos sólidos.

Es conocido en la técnica anterior el documento WO 2012/012823 A1. El proceso de gasificación descrito en WO2012/012823 A1 es clásico, del tipo corriente ascendente.

En 2012/012823 A1, los gases producidos son extraídos del extremo de alimentación del material (biomasa). Los gases son producidos a lo largo de todo el reactor siendo los más calientes producidos cerca del otro extremo, en la zona de combustión (oxidación).

El sistema de calentamiento del material es su propio contacto con gases (intercambio de calor directo). Para este intercambio de calor eficiente, debe producirse un buen contacto entre la materia y los gases, y el reactor propuesto en WO 2012/012823 A1 esto se consigue en una posición vertical.

En resumen, WO 2012/012823 A1 describe una elaboración del tipo reactor convencional (que es estático) que ha sido dado un material (biomasa) con sistema de agitación que a su vez crea diferentes zonas en distintas alturas, y el sistema catalítico a los gases de salida (extremo alimentador del material) para mejorar el comportamiento del proceso.

También es conocido en la técnica anterior general que dependiendo de los procesos de gasificación usados, la biomasa está sometida a un proceso de alta temperatura para obtener un gas principalmente compuesto de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO ² ), hidrógeno (H ² ) y metano (CH ⁴ ), Nitrógeno (N ² ) cuando se usa aire como un agente gasificador, y otras sustancias. El objetivo de gasificar la biomasa es utilizar los gases producidos para el uso en la producción de energía eléctrica en calderas, turbinas de gas o motores de combustión interna. Según otra aplicación, el proceso de gasificación puede configurarse para producir combustibles y/o químicas recuperables para usar como materias primas en otros procesos en la industria química.

Normalmente el proceso se realiza con un aporte de oxígeno en defecto, es decir, por debajo del estequiométrico necesario para la oxidación completa. Ésta característica distingue a la gasificación de otros procesos termoquímicos como la combustión (oxidación completa, generalmente con exceso de oxígeno) y la pirolisis (descomposición térmica en ausencia de oxígeno). Tanto el CO y el H ² mayoritariamente como el CH⁴ y el C²H⁴ minoritariamente, son responsables de conferirle al gas de síntesis su potencia calorífica, ya que pueden reaccionar con el oxígeno.

La gasificación de residuos orgánicos tiene lugar en cuatro etapas:

1. Secado: es la fase de evaporación de la humedad contenida en la materia prima;

2. Pirolisis: es la fase de descomposición térmica en ausencia de oxígeno. Ocurre a unos 300 a 500° C.

En esta se liberan los componentes más volátiles. Debido a que la cantidad de oxígeno en el interior del reactor es insuficiente, algunos de estos volátiles no se podrán eliminar, dando lugar a alquitranes contaminantes;

3. Combustión: oxidación parcial del carbono fijo (char) que permanece tras la pirolisis. Ocurre a una temperatura media de 1200°C.

4. Gasificación propiamente dicha: reacciones a partir de las cuales se incrementa la cantidad producida de gases combustibles deseables.

El proceso descrito es normalmente endotérmico, por lo que para que tenga lugar es necesario un aporte de energía. Dicho aporte de energía puede realizarse bien desde una fuente externa o bien mediante la oxidación de una parte del sólido a gasificar.

En este último caso, en el que en el interior del reactor se dan reacciones tanto endotérmicas como exotérmicas, es importante controlar la relación sólido/aire para conseguir que el calor aportado por unas sea igual al absorbido por las otras. Este proceso se denomina un proceso autotérmico.

En un proceso completo de gasificación, tienen lugar básicamente las siguientes reacciones:

Oxidación (reacciones exotérmicas)

Completa: C O² ----------► CO² (reacción 1)

Incompleta: C A O² —---------► CO (reacción 2)

Gasificación

C CO² —---------- ► 2CO (reacción 3) C ² H² ---------- ► CH⁴ (reacción 4) C H²O ---------- ^ CO H² (reacción 5) Reacción “shift” (exotérmica)

CO H²O ---------- ► CO² + H² (reacción 6) Metanización (exotérmica)

CO 3 H² ----------► CH⁴ + H²O (reacción 7) La reacción “shift” es una reacción exotérmica de oxidación total del monóxido de carbono a dióxido de carbono. La materia prima en presencia de oxígeno sufrirá oxidación (reacción 1).

Ya que el oxígeno que se introduce en el reactor es insuficiente para una oxidación completa, se favorece la presencia de CO (reacción 2). El exceso de materia orgánica reacciona con los gases presentes (principalmente CO² y H²O, reacciones 3 y 5). Las reacciones 5 y 6 están favorecidas por la presencia de vapor de agua, lo que a su vez favorece la producción de H². La formación de metano (reacción 7), está favorecida por altas presiones.

Por lo tanto, durante el proceso de gasificación, una gran parte de la energía química contenida en el sólido se concentra en energía química contenida en un gas. Este gas puede utilizarse de forma mucho más flexible (como materia prima en procesos químicos o como combustible en calderas, motores de combustión interna o turbinas de gas).

Los residuos del proceso de gasificación son las cenizas. Dependiendo del tipo de ceniza, éstas pueden utilizarse como materia prima para materiales de construcción, fertilizantes, fabricación de vidrio, o como cargas complementarias, por ejemplo en la fabricación de plásticos, entre otros. En el caso de no ser aprovechable, el residuo resultante es mínimo, por lo que los costes de su tratamiento y/o transporte serán también mínimos.

Pueden ser gasificados aquellos materiales con un alto contenido en carbono, tales como cualquier tipo de carbón, biomasa y residuos orgánicos.

Por lo tanto, un aspecto de la presente invención es la optimización del proceso de gasificación mediante un reactor de gasificación diseñado para ello.

Descripción de la invención

Descripción del procedimiento

La invención en esta memoria puede usarse para un procedimiento para obtener gas a partir de biomasa o residuos orgánicos, que comprende las siguientes etapas:

1 Suministro y Secado

- Se realiza el transporte de la biomasa o el residuo orgánico al interior del reactor.

- Temperaturas entre 25°C y 250°C.

- Ocurre el proceso de deshidratación.

- El vapor obtenido se utilizará en fases posteriores.

2 Pirolisis:

Presenta cuatro subetapas:

2.1 Desoxigenación y desulfuración:

- Temperaturas entre 250°C y 340°C.

- Se producen gases ácidos no deseables, como HCl y H²S.

- Los gases ácidos se extraen para que no se mezclen en fases posteriores y provoquen desequilibrios indeseables.

2.2 Degradación polimérica 1.

- Temperaturas entre 340°C y 400°C.

- Se producen gases como el metano e hidrocarburos alifáticos ligeros.

2.3 Pirolisis:

- Temperaturas entre 400°C y 500°C.

- Se producen compuestos volátiles y gases.

2.4 Degradación polimérica 2:

- Temperaturas entre 500°C y 600°C.

- Se producen gases como CO2, H2 y CO.

- Facilita un mejor control de la fase posterior de oxidación.

3 Oxidación parcial:

• Se producen reacciones de oxidación (exotérmicas), principalmente en la materia orgánica sólida (char) que ha alcanzado esta etapa después de su degradación en las etapas térmicas anteriores, con un comburente, preferiblemente O2, donde se alcanza una temperatura punta de 1200°C.

• El comburente se introduce directamente en esta zona del reactor donde se produce la oxidación parcial en una proporción inferior a la estequiométrica necesaria para la oxidación total.

• La alta temperatura garantiza el craqueo térmico de componentes volátiles, que darían lugar a hidrocarburos condensables (alquitranes), lo que reduce la cantidad de condensados existentes en el gas, facilitando el proceso posterior de acondicionamiento del gas y garantizando el uso de este como combustible en motores de combustión.

4 Gasificación

• Temperatura de 850°C.

• Se producen reacciones heterogéneas (solido-gas) entre el carbono que ha quedado sin trasformar (char) y gases como el CO² , H² o el H²O (vapor) donde se genera H² , CO y CH⁴

• Se introduce vapor de agua proveniente de la etapa 1, lo que incrementa el poder calorífico del gas producido ya que aumenta la concentración de H².

El proceso comprende también el control de diversos parámetros, en particular:

• Caudal másico de suministro de materia orgánica;

• Caudal másico de suministro de comburente al reactor de gasificación, el cual es precalentado mediante un intercambiador de calor del gas producido;

• Caudal másico de vapor de agua suministrado en la etapa de gasificación;

• Temperaturas en cada zona térmica del reactor;

• Análisis de los gases obtenidos en el proceso de gasificación; en función del gas obtenido se variará el caudal o la proporción de los suministros de comburente y vapor de agua al reactor. En función de estos valores puede variar la alimentación de materia orgánica y la velocidad de rotación del reactor.

El proceso aquí descrito, permite una mayor eficiencia en la reducción de contaminantes, como dioxinas y furanos, con respecto a otros procesos de gasificación.

Descripción del reactor

El reactor de acuerdo con la invención tiene sus secciones interiores separadas por espiras helicoidales situadas en la superficie cilindrica interior del cilindro que definen una sección de suministro y secado, un número de secciones de pirolisis, una sección de oxidación parcial y una sección de gasificación.

El reactor de gasificación comprende un cilindro dispuesto en posición horizontal, que presenta en sus extremos unas vías de rodaduras perimetrales que se apoyan sobre unos rodillos fijados a la estructura de soporte del conjunto del reactor. Los rodillos, forman parte de un sistema motriz constituido por dos motores reductores sincronizados de velocidad variable que facilitan el movimiento angular controlado en ambos sentidos, pudiendo conformar un movimiento rotatorio de velocidad controlada. Este movimiento facilita la homogenización del proceso y del avance del producto en cada una de las zonas. Las vías de rodaduras perimetrales están adecuadamente dimensionadas para absorber las diferentes dilataciones a lo largo del reactor.

Presenta interiormente un conjunto de palas anguladas de perfil especial, que actúan como cangilones en ambos sentidos de rotación y que están unidas al cuerpo interior. Las palas se disponen en el perímetro interior del reactor en diferentes posiciones y ángulos para facilitar el transporte de la materia sólida y su homogenización y mezcla, mejorando así los procesos termoquímicos.

Adicionalmente, presenta unas espiras helicoidales unidas al cuerpo interior situadas de manera que obliga al avance del producto y separa las secciones interiores del reactor en zonas térmicas donde se producen los diferentes procesos termoquímicos. Las espiras presentan una configuración determinada en lo que se refiere al dimensionado y longitud del paso, para adecuar los tiempos de retención de la materia en cada zona.

El reactor de gasificación presenta en sus extremos un número de tapas fijas en las que se colocan los conductos que permiten suministrar la materia orgánica, el comburente y el agente gasificante.

En el interior del reactor se dispone un tubo fijo centrado a lo largo de su eje axial y fijado en las tapas fijas de los extremos. En dicho tubo se colocan las diferentes sondas de temperatura para cada sección y por su interior se colocan conductos que permiten la evacuación al exterior de gases no deseados desde la zona de desoxigenación y desulfuración de la etapa de pirolisis.

En la sección inicial de secado del residuo, el vapor de agua generado es extraído y transportado mediante un conducto por el exterior del reactor a la sección de gasificación, donde se añade, favoreciendo la producción de H². En la sección de oxidación parcial se inyecta comburente en la zona térmica determinada, este sistema de inyección se compone de diferentes conductos que transportan el comburente y que son ajustables para controlar tanto la posición como los ángulos de incidencia de los flujos de inyección del comburente respecto del eje axial del reactor. En el extremo de salida, el contorno del reactor presenta un conjunto de perforaciones a modo de ventanas. Sobre el conjunto de ventanas se sitúa una campana de extracción de gases para el guiado de los mismos y en la parte inferior se sitúa una tolva para la recogida de las cenizas.

En la superficie cilíndrica exterior del reactor se dispone un conducto en forma de espiral que lo recorre desde un extremo al otro, formando una helicoide continua por donde circula el flujo de retorno de los gases producidos en el reactor a fin de favorecer el intercambio de calor, contribuir a mantener el equilibrio térmico y conseguir una elevada eficiencia termoquímica de los diferentes procesos.

Exteriormente al cuerpo cilíndrico del reactor se dispone un cilindro fijo o camisa, que actúa como canal de conducción de los gases, conjuntamente con la espiral situada en el exterior del cuerpo cilíndrico del reactor. Dicha camisa exterior del reactor de gasificación está dividida en dos partes, superior e inferior, para facilitar su montaje y mantenimiento.

Debido a que las temperaturas a lo largo del cilindro del reactor y la camisa varían, también lo hace la dilatación propia de ambos elementos y para ello se ha dispuesto en el extremo final, donde las temperaturas son iguales, un sistema de roldanas que fijan la posición del reactor y al camisa, en la zona en que hay salidas comunes, con lo que las dilataciones de ambos viene en el sentido longitudinal hacia el principio del reactor. En ese punto se han dispuesto unos elementos de cierre, que garantizan la NO fuga de gases y permiten la libertad de dilatación.

También las dilataciones trasversales o perimetrales y por tanto diametrales, son diferentes, por lo que se ha dispuesto que la camisa exterior, va colgada de un número de varillas con regulación y deslizantes, que permiten ajustar inicialmente las distancias y permitir la libertad de dilataciones durante el funcionamiento.

Todas estas medidas permiten un funcionamiento correcto de todos los elementos, garantizando así una mayor duración.

Todas las partes mencionadas, permiten un fácil acceso para posibilitar un control y mantenimiento eficaz.

En el área del reactor donde se produce la fase de oxidación parcial, se dispone de unos ladrillos refractarios para permitir sobrepasar la temperatura de 1000°C garantizando la durabilidad del reactor y la prolongación de su vida útil.

El cuerpo del reactor y la mayor parte de sus elementos estructurales están fabricados usando acero refractario.

De este modo, se obtienen las siguientes ventajas en:

• Separación de las diferentes fases termoquímicas del proceso de gasificación en un único reactor. • Se aprovecha de la humedad propia del residuo, en forma de vapor, para favorecer el proceso de gasificación, incrementando así el poder calorífico del gas obtenido y mejorando por tanto el rendimiento global del proceso reduciendo así el consumo de agua en un balance total.

• Control del equilibrio térmico a lo largo de todo el reactor mediante la recirculación a través de su camisa exterior de los gases producidos y a elevada temperatura.

• Alta eficacia en la destrucción térmica de alquitranes gracias a que la zona de oxidación parcial, donde existe un punto máximo de temperatura superior a 1000°C, está situada entre las etapas de pirolisis y la de gasificación final, a diferencia de los hornos rotatorios. Sin embargo, la porción de alquitranes que se produzca será separada y condensada en la fase posterior de depuración de los gases y recirculada directamente hasta esta zona de máxima temperatura.

• Buena respuesta en el procesamiento de residuos orgánicos heterogéneos, a diferencia de los hornos estáticos.

• Permite trabajar con una amplia variedad de materias orgánicas independientemente de su contenido en volátiles, inertes y sales metálicas, lo cual no es viable en hornos estáticos.

• Permite variar la velocidad de rotación, mediante el grupo motor reductor, alimentado por variador de frecuencia; esto da la posibilidad de variar los tiempos de residencia del material en función de su comportamiento cinético y termodinámico.

• Favorece la reducción de dioxinas y furanos ya que el reactor es capaz de permitir que se supere el tiempo de exposición necesario para su degradación (más de 2 segundos a una temperatura superior a 800°C.)

El sistema diseñado contempla la posibilidad de incorporar más agua en caso de que la materia orgánica se encuentre en déficit y también puede evacuar vapor de agua si se requiera regular el proceso de gasificación.

El reactor de gasificación incorpora a su salida un cromatógrafo de gases industrial que proporciona información relacionada con la composición del gas a cortos intervalos de tiempo (entre unos segundos y varios minutos). A raíz de estos datos y en función de la concentración de monóxido de carbono e hidrógeno se modifica el caudal del comburente, la velocidad de giro del reactor, la velocidad de la válvula de entrada de la materia orgánica y el caudal de vapor de agua que entra en el reactor consiguiendo así regular el proceso de gasificación en su totalidad. Con esto se consigue corregir en un alto porcentaje las fluctuaciones en la composición del gas y de su poder calorífico debido a la heterogeneidad de la materia orgánica procesada.

Descripción de las figuras

Figura 1: muestra dos perspectivas del conjunto del reactor.

Figura 2: muestra dos perspectivas del conjunto del reactor sin los paneles de aislamiento

Figura 3: sección del cilindro del reactor

Figura 4: vista superior del reactor

Figura 5: alzado del reactor

Figura 6: vistas laterales derecha e izquierda del reactor

Figura 7: Sección transversal del reactor

Lista de referencias utilizadas

1. alimentación de combustible mediante rosca dosificadora

2. alimentación comburente mediante 5 conductos de soplado

3. tubo central para sondas de temperatura y salida de gases no deseados

4. extracción de vapor de agua

5. inyección de vapor de agua en la zona de reducción

6. cuerpo del reactor

6.a a 6.7. espiras separación zonas de proceso

7.1 a 7.7. palas anguladas

8.1 tapa cierre entrada de combustible

8.2 tapa cierre final con entrada de comburente y vapor

9. apertura salida de gases y cenizas

10. espira distribuidora de gases calientes

11. camisa exterior canalización de gases

12. campana salida de gases

13. tolva salida de cenizas

14. boca salida gases reactor para separación de partículas

15. boca entrada para gases depurados

16. salida gases para recuperación de energía, para calentamiento del comburente

20. estructura soporte del reactor

21. grupo motor reductor tracción reactor

22.1, 22.2. rodillos tractores con margen de dilatación

23.1, 23.2. rodillos de soporte con roldanas para fijación dilataciones

24. placa soporte colector inyección de comburente

25. soportes para camisa exterior

26. paneles de aislamiento

Realización preferente de la invención

Se representa una realización preferente de la invención en las figuras que acompañan la presente memoria descriptiva.

El reactor representado en la figura anterior está descrito con la suficiente claridad y detalle para que un experto en la materia lo pueda realizar. En esta realización preferente el reactor y la mayor parte de sus elementos estructurales están fabricados en acero refractario.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Reactor para la obtención de gas a partir de biomasa o residuos orgánicos de los que comprenden una estructura de soporte (20) del reactor y un cilindro dispuesto en posición horizontal, caracterizado por el hecho de que todas las etapas del proceso de gasificación ocurren en secciones interiores de dicho reactor separadas por espiras helicoidales (6.1-6.7) situadas en la superficie cilíndrica interior del cilindro (6) que definen al menos, una sección de suministro y secado, una sección de pirolisis, una sección de oxidación parcial y una sección de gasificación, en el que el cilindro (6) presenta en sus extremos unas vías de rodadura perimetrales, que están apoyados en un número de rodamientos (22.1-22.2-23.1-23.2) fijados en la estructura de soporte (20) del reactor, dimensionadas de tal manera que absorben las dilataciones a lo largo del reactor, y

en el que el reactor comprende un sistema motriz que transmite al cilindro (6) un movimiento rotatorio de velocidad controlada en ambos sentidos.

2. Reactor según reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que en la superficie interior del cilindro (6) se dispone una pluralidad de palas (7.1-7.7), y unas tapas fijas (8.1-8.2) situadas en los extremos del cilindro en las que van situadas los conductos que suministran la materia prima, el comburente y el agente gasificante.

3. Reactor según reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que se dispone un tubo fijo (3) a lo largo del eje axial del cilindro (6) donde se sitúan las sondas de temperatura de cada sección del cilindro (6) y conductos que permiten la evacuación al exterior de gases no deseados producidos en la sección de pirolisis.

4. Reactor según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que un conducto exterior al cilindro (6) transporta el vapor producido en la sección de suministro y secado a la sección de gasificación.

5. Reactor según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que en la sección de oxidación parcial está dispuesto un sistema de inyección de comburente que comprende diferentes conductos que son ajustables para controlar tanto la posición como los ángulos de incidencia de los flujos de inyección del comburente respecto del eje axial del reactor.

6. Reactor según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que en uno de los extremos del cilindro (6), el contorno del reactor presenta un conjunto de perforaciones a modo de ventanas, una campana de extracción de gases (12) se sitúa sobre el conjunto de ventanas para el guiado de los mismos y en la parte inferior se coloca una tolva (13) para la recogida de las cenizas.

7. Reactor según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que en la superficie del cilindro exterior (6) del reactor se sitúa un conducto en forma de espiral (10) que lo recorre desde un extremo al otro, formando una helicoide continua por la que circula el flujo de retorno de los gases producidos en el reactor para favorecer el intercambio de calor.

8. Reactor según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que exteriormente al cuerpo cilíndrico del reactor (6) se dispone un cilindro fijo o camisa (11), que actúa como canal de conducción de los gases, conjuntamente con la espiral (10) situada en la superficie cilíndrica exterior del reactor, dicha camisa exterior (11) del reactor de gasificación se divide en dos partes, superior e inferior, para facilitar su montaje y mantenimiento.

9. Reactor según reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que se ha dispuesto en el extremo final un sistema de roldanas que fijan la posición del reactor y la camisa (11), en la zona en que hay salidas comunes, en dicho punto se han dispuesto unos elementos de cierre, que garantizan la no fuga de gases y que permiten la libertad de dilatación.

10. Reactor según reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que se ha dispuesto que la camisa exterior, está colgada de unas varillas con regulación y deslizantes, que permiten ajustar inicialmente las distancias y permiten la libertad de dilataciones durante el funcionamiento.

11. Reactor según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que en la sección de oxidación parcial, se dispone de unos ladrillos refractarios para permitir sobrepasar la temperatura de 1000°C.

12. Reactor según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que en la salida de los gases de síntesis está instalado un cromatógrafo de gases industrial.