ES2708356T3 - Un método para gasificar material carbonáceo y un sistema de gasificación - Google Patents

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Abstract

Un método para gasificar un material carbonáceo (10), comprendiendo el método los pasos de: pirolizar el material carbonáceo para producir componentes volátiles y residuo carbonizado (12); separar el residuo carbonizado y los componentes volátiles (14); gasificar el residuo carbonizado (16); reformar los componentes volátiles para producir un gas producto (18); y hacer pasar componentes volátiles parcialmente reformados y/o gas producto (19) a través de una zona de limpieza de gas producto; caracterizado por que al menos los pasos de pirolizar el material carbonáceo (12), gasificar el residuo carbonizado (16) y reformar los componentes volátiles para producir un gas producto (18) se llevan a cabo en un recipiente (21) que tiene una zona de pirólisis (22), una zona de gasificación de residuo carbonizado (23) y una zona de reformado (25), por el cual después de la pirólisis (12), los componentes volátiles ascienden a la zona de reformado (25) y el residuo carbonizado desciende a la zona de gasificación (23); por el cual la zona de limpieza de gas producto comprende al menos un lecho de catalizador (26); y por el cual la zona de limpieza de gas producto se encuentra en comunicación fluida con la zona de reformado (25) en una disposición por la cual los componentes volátiles parcialmente reformados y/o el gas producto pasan a través de la zona de limpieza de gas producto.

Description

DESCRIPCION
Un metodo para gasificar material carbonaceo y un sistema de gasificacion
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo para gasificar material carbonaceo y a un sistema de gasificacion. Antecedentes de la invencion
La gasificacion se refiere a la conversion de un material solido o lfquido tal como un material carbonaceo en un combustible gaseoso. La gasificacion resulta interesante para muchas tecnologfas de emisiones bajas en las industrias qmmica y energetica.
La gasificacion de un material carbonaceo se puede dividir conceptualmente en dos pasos, aunque no es posible una distincion clara entre los dos pasos. A medida que el material carbonaceo (solido) se calienta, se libera una mezcla de gas y vapor (“componentes volatiles”), que incluye la humedad del material carbonaceo, a partir del material carbonaceo, lo que deja un residuo solido (“residuo carbonizado”). Tanto los componentes volatiles como el residuo carbonizado reaccionan posteriormente con agentes de gasificacion tales como H2O y O2 para formar un gas producto.
Los combustibles carbonaceos de rango inferior tales como carbon pardo (lignito), turba, biomasa y residuos solidos son particularmente adecuados para la gasificacion debido a sus elevadas reactividades de gasificacion. Sin embargo, estos combustibles de rango inferior tienen varias propiedades espedficas, que se deben considerar en el diseno y el funcionamiento de un gasificador para gasificar estos combustibles de rango inferior.
En primer lugar, los combustibles de rango inferior generalmente tienen rendimientos de componentes volatiles elevados, por ejemplo, un 80% en peso o mas (en seco) para algunos tipos de biomasa. El reformado completo de los componentes alquitranados de los componentes volatiles es una de las consideraciones mas importantes en el diseno de un gasificador, porque la eliminacion del alquitran es engorrosa y costosa.
En segundo lugar, los combustibles de rango inferior a menudo contienen especies metalicas alcalinoterreas y alcalinas (AAEM) bien dispersadas que se pueden volatilizar facilmente durante la pirolisis y la gasificacion. Las especies AAEM volatilizadas en el gas producto de la gasificacion pueden provocar la corrosion/erosion de componentes de turbina/motor. Las especies AAEM volatilizadas tambien pueden reaccionar con los materiales del lecho (por ejemplo, arena) en un gasificador de lecho fluidizado, lo que da como resultado la aglomeracion y desfluidificacion de los materiales del lecho. Por otra parte, si estas especies AAEM quedan retenidas en el residuo carbonizado, pueden ser catalizadores excelentes para la gasificacion del residuo carbonizado.
En tercer lugar, el residuo carbonizado y los componentes volatiles de los combustibles de rango inferior son muy reactivos. La interaccion entre el residuo carbonizado y los componentes volatiles pueden aumentar la volatilizacion de sus especies metalicas inherentes (por ejemplo, Na en el carbon pardo y K en la biomasa), desactivar la estructura del residuo carbonizado y, por tanto, reducir la reactividad del residuo carbonizado. En el peor caso, las interacciones componentes volatiles-residuo carbonizado pueden practicamente poner fin a la gasificacion del residuo carbonizado. En presencia de interacciones componentes volatiles-residuo carbonizado, el hecho de aumentar la temperatura de gasificacion no siempre da lugar a una mejora significativa en las velocidades de gasificacion. De hecho, las interacciones componentes volatiles-residuo carbonizado repercuten en practicamente todos los aspectos de la gasificacion.
El consumo de oxfgeno es una consideracion importante en el diseno y el funcionamiento de un gasificador para lograr una eficiencia elevada. En muchos gasificadores los componentes volatiles, al ser mas reactivos que el residuo carbonizado, tienden a reaccionar preferentemente con O2, lo que deja el residuo carbonizado menos reactivo para que se gasifique lentamente con vapor y otros agentes de gasificacion. Una situacion mas deseable sena que el residuo carbonizado menos reactivo reaccionase con O2, lo que permitina que los volatiles mas reactivos se reformasen con vapor y otros agentes de gasificacion.
El gas producto sin procesar puede contener trazas de alquitran, especies inorganicas volatilizadas (por ejemplo, alcalis) y especies formadoras de contaminantes (por ejemplo, NH3, HCN y H2S). Normalmente es necesario limpiarlo antes de que se pueda utilizar, por ejemplo, como un combustible gaseoso en una turbina/motor o como una materia prima para la smtesis qmmica. La eliminacion de varios componentes no deseados tales como materiales alquitranados, vapor de AAEm , materiales particulados y H2S/NH3/Hcl del gas producto de gasificacion normalmente aumenta la complejidad del proceso de gasificacion global y conforma una parte importante del capital de gasificacion y los costes de funcionamiento globales. Cuando estas especies no deseadas se eliminan mediante depuracion de lfquidos (por ejemplo, agua), se genera una corriente de residuos lfquidos que se puede tratar adicionalmente a un gran coste. Se pueden emplear varios catalizadores convencionales para el reformado del alquitran. Sin embargo, estos catalizadores con frecuencia se desactivan facilmente.
El documento DE 102007062414 A1 divulga un recipiente de gasificacion para la pirolisis, gasificacion y reformado de material carbonaceo, donde el material sin procesar entra en el recipiente mediante una tolva a traves de una tubena y experimenta una pirolizacion (zonas A, B, C). Los solidos resultantes se desplazan hacia abajo hacia las zonas D, E, F, donde se gasifican mediante la adicion de oxfgeno. Los gases producidos en la zona de pirolisis se desplazan hacia arriba dentro del reactor y terminan en francobordo por encima del lecho fijado, donde se mezclan con oxfgeno y vapor para reformar el gas de pirolisis en la zona G. El gas de smtesis producido se transfiere posteriormente a una zona de limpieza del gas producto.
El documento US2007/169412A1 muestra un gasificador/pirolizador, donde el gas de smtesis caliente esta atravesando una filtracion de gas caliente y un reactor catalftico de lecho empacado o fluido antes de avanzar hacia una limpieza del gas final.
Existe, por tanto, una necesidad de avance tecnologico.
Compendio de la invencion
De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo para gasificar un material carbonaceo de acuerdo con la reivindicacion 1.
El hecho de hacer pasar componentes volatiles parcialmente reformados y/o gas producto a traves de un lecho de catalizador da como resultado varios efectos que incluyen la eliminacion de residuos de alquitran y otras impurezas tales como contaminantes inorganicos y el aumento del contenido de hidrogeno del gas producto llevando a cabo la reaccion de desplazamiento de gas de agua, lo que produce asf un gas producto limpio.
El lecho de catalizador puede comprender un lecho movil de residuo carbonizado o un catalizador soportado en residuo carbonizado. El lecho movil puede ser un lecho movil no isotermico de residuo carbonizado o un catalizador soportado en residuo carbonizado. Los catalizadores de residuo carbonizado o soportados en residuo carbonizado se pueden preparar a partir de la pirolisis y/o gasificacion parcial del material carbonaceo (que incluye aquel cargado con especies cataltticas). En un ejemplo, el proceso comprende el paso de descargar catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado consumido del lecho de catalizador y gasificar el catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado consumido para recuperar sus valores de energfa. Los catalizadores de residuo carbonizado o soportados en residuo carbonizado consumidos o parcialmente consumidos tambien se pueden devolver al campo como un acondicionador de suelos, una fuente de nutrientes y/o para biosecuestro de carbono.
En otra realizacion, el lecho de catalizador es uno de una serie de lechos catalizadores.
En una realizacion de la invencion, el paso de pirolizar el material carbonaceo comprende pirolizar el material carbonaceo durante un periodo de tiempo que sea suficientemente prolongado para convertir sustancialmente todo el material carbonaceo en componentes volatiles y residuo carbonizado.
En una realizacion, el paso de pirolizar el material carbonaceo comprende calentar el material carbonaceo con una corriente de gas caliente a contracorriente. El gas caliente se puede producir a partir de la gasificacion del residuo carbonizado. El material carbonaceo puede experimentar pirolisis y gasificacion (parcial) simultaneas.
En una realizacion, el paso de gasificar el residuo carbonizado comprende hacer reaccionar el residuo carbonizado con un agente de gasificacion. El paso de gasificar el residuo carbonizado puede comprender hacer reaccionar el residuo carbonizado con una cantidad controlada de un gas que contiene oxfgeno. El paso de gasificacion se puede llevar a cabo aislado del paso de reformado de los componentes volatiles para minimizar las interacciones componentes volatiles-residuo carbonizado.
De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invencion, se proporciona un metodo para tratar el gas producto sin procesar producido a partir de la gasificacion de materiales carbonaceos de rango inferior, donde el gas producto sin procesar contiene componentes volatiles parcialmente reformados, residuos de alquitran y contaminantes, comprendiendo el metodo hacer pasar el gas producto sin procesar a traves de un lecho de catalizador.
En una realizacion, el metodo para tratar el gas producto sin procesar comprende hacer pasar el gas producto sin procesar a traves de un lecho de catalizador que comprende un lecho movil de catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado. Los residuos de alquitran y otras impurezas tales como contaminantes inorganicos se eliminan del gas producto sin procesar. Ademas, el contenido de hidrogeno del gas producto tratado en comparacion con el gas producto sin procesar se aumenta llevando a cabo una reaccion de desplazamiento de gas de agua.
El metodo puede comprender el paso de secar el material carbonaceo antes de pirolizar el material carbonaceo. Para las realizaciones donde el metodo comprende el paso de secar el material carbonaceo, el vapor producido a partir del paso de secado se puede emplear en el paso de reformado de los componentes volatiles.
De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invencion, se proporciona un sistema de gasificacion para gasificar un material carbonaceo de acuerdo con la reivindicacion 10.
De este modo, el sistema de gasificacion de la presente invencion reduce y habitualmente minimiza las interacciones componentes volatiles-residuo carbonizado.
La zona de limpieza del gas producto comprende un lecho de catalizador. Se apreciara que el lecho de catalizador puede comprender mas de un lecho de catalizador dispuestos en serie.
En varias realizaciones de la invencion, el sistema de gasificacion se puede proveer con una entrada para la introduccion de material carbonaceo en la zona de pirolisis, y una o mas entradas para la introduccion de agentes de gasificacion tales como vapor y un gas que contiene oxfgeno, en la zona de gasificacion de residuo carbonizado. El sistema de gasificacion tambien se puede proveer con una salida para retirar gas producto del lecho de catalizador. El sistema de gasificacion comprende un recipiente de gasificacion que tiene definido en el las zonas de reformado, gasificacion de residuo carbonizado y pirolisis.
En una realizacion de la invencion, la zona de gasificacion de residuo carbonizado se dispone en una parte inferior del recipiente de gasificacion. La zona de reformado se puede disponer en una parte superior del recipiente de gasificacion.
En una realizacion, la zona de gasificacion de residuo carbonizado se provee ademas de un dispositivo de descarga de cenizas tal como una tolva cerrada, conectada de forma operativa a una salida dispuesta en una parte inferior del recipiente de gasificacion.
En una realizacion de la invencion, la zona de pirolisis se configura para que retenga el material carbonaceo en la zona de pirolisis durante un tiempo de residencia de duracion suficiente para convertir sustancialmente todo el material carbonaceo en componentes volatiles y residuo carbonizado.
La zona de pirolisis se puede proveer de un pirolizador adaptado para que retenga el material carbonaceo en la zona de pirolisis durante un tiempo de residencia de duracion suficiente para convertir sustancialmente todo el material carbonaceo en componentes volatiles y residuo carbonizado.
En una realizacion, una parte del residuo carbonizado formado en la zona de pirolisis se separa del material carbonaceo restante como un catalizador de limpieza del gas y se dirige a la zona de limpieza del gas producto. En una realizacion, el sistema de gasificacion comprende un recipiente separado tal como un reactor de lecho movil, para pirolizar y/o gasificar parcialmente un material carbonaceo con el fin de preparar catalizadores de residuo carbonizado o soportados en residuo carbonizado, estando el sistema dispuesto para permitir que el material carbonaceo pirolizado y/o parcialmente gasificado se descargue en la zona de limpieza del producto de modo que actue como los catalizadores para la limpieza del gas producto. El material carbonaceo puede ser la materia prima principal para la gasificacion.
La zona de limpieza del gas producto puede coincidir con la zona de gasificacion del residuo carbonizado, que se puede configurar y hacer funcionar en condiciones por las cuales el residuo carbonizado puede experimentar gasificacion parcial o completa.
Se proporciona un aparato no acorde con la invencion para pirolizar y gasificar parcialmente materiales carbonaceos, comprendiendo el aparato:
al menos un elemento que tiene una superficie dispuesta de modo que, cuando el aparato reciba material carbonaceo, el material carbonaceo recibido este en contacto con la superficie durante un periodo de tiempo de duracion suficiente para pirolizar el material carbonaceo;
donde el aparato se dispone de modo que la superficie reciba calor para pirolizar y gasificar parcialmente el material carbonaceo.
En una realizacion, la superficie tiene una parte con pendiente descendente dispuesta de modo que contribuya a poner en contacto el material carbonaceo con la superficie durante el periodo de tiempo.
El aparato puede comprender una pluralidad de superficies, estando cada superficie dispuesta para recibir material carbonaceo de modo que el material carbonaceo recibido este en contacto con la respectiva superficie durante un periodo de tiempo de duracion suficiente para pirolizar el material carbonaceo, estando cada superficie dispuesta para recibir calor para pirolizar y gasificar parcialmente el material carbonaceo. La pluralidad de superficies puede encontrarse en una disposicion en cascada y el aparato puede estar dispuesto de modo que el material carbonaceo se transfiera a superficies sucesivas de la disposicion en cascada despues de un periodo de tiempo de duracion suficiente para pirolizar el material carbonaceo.
El aparato comprende un agitador asociado con al menos un elemento, estando el agitador dispuesto de modo que agite el material carbonaceo en contacto con la superficie para transferir el material carbonaceo a una region por debajo de la superficie.
Cuando el aparato comprende la pluralidad de superficies en la disposicion en cascada, el agitador se puede disponer de modo que transfiera el material carbonaceo a una superficie sucesiva de la disposicion en cascada. El aparato comprende una pluralidad de agitadores, estando cada agitador asociado con un elemento respectivo que tiene una superficie respectiva, estando cada agitador dispuesto de modo que transfiera el material carbonaceo a una superficie sucesiva de la disposicion en cascada o, en el caso de una ultima superficie de la disposicion en cascada, a una region por debajo de la ultima superficie de la disposicion en cascada.
La pluralidad de superficies se puede disponer en una disposicion en cascada vertical y el aparato puede comprender un eje rotable que se extienda verticalmente a traves de la pluralidad de superficies donde los agitadores asociados con las respectivas superficies se pueden hacer funcionar mediante rotacion del eje rotatorio. Cada superficie sucesiva de la disposicion en cascada vertical puede tener una parte con pendiente descendente que se moldee de forma complementaria a la superficie por encima de ella.
Breve descripcion de las figuras
A continuacion, se describiran realizaciones de la presente invencion, unicamente a modo de ejemplo, en referencia a las figuras adjuntas, en las que:
La Figura 1 es un diagrama esquematico de un metodo para gasificar un material carbonaceo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La Figura 2 es un diagrama esquematico de un sistema de gasificacion de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La Figura 3 es un diagrama esquematico de una realizacion de un aparato para pirolizar un material carbonaceo que se puede utilizar en el sistema de gasificacion mostrado en la Figura 2; y
La Figura 4 es un diagrama esquematico de un sistema de gasificacion para gasificar un material carbonaceo de modo que se produzca residuo carbonizado y gas producto de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. Descripcion detallada
Las realizaciones de la presente invencion se refieren a un metodo 10 para gasificar un material carbonaceo, un sistema de gasificacion 20, 40, y un aparato 30 para pirolizar material carbonaceo tal como se describe en referencia a las Figuras 1 a 4.
Se apreciara que el metodo 10 se puede llevar a cabo en un recipiente de gasificacion que tenga definidas integralmente en el una zona de pirolisis para pirolizar material carbonaceo, una zona de gasificacion de residuo carbonizado para gasificar el residuo carbonizado con vapor y un gas que contenga oxfgeno, una zona de reformado para el reformado de componentes volatiles con vapor con el fin de producir un gas producto y una zona de limpieza de gas para limpiar el gas producto. Una realizacion del recipiente de gasificacion de acuerdo con la presente invencion se describira con mas detalle en paginas posteriores de la descripcion.
En su forma mas amplia, y tal como se muestra en la Figura 1, el metodo de gasificacion 10 comprende los pasos de pirolizar 12 el material carbonaceo para producir componentes volatiles y residuo carbonizado, separar 14 el residuo carbonizado y los componentes volatiles, gasificar 16 el residuo carbonizado, reformar 18 los componentes volatiles para producir un gas producto y limpiar 19 el gas producto.
La expresion “material carbonaceo” se utiliza en el sentido mas amplio a lo largo de toda esta memoria descriptiva e incluye, sin caracter limitante, carbon tal como antracita, carbon bituminoso, carbon sub-bituminoso, carbon pardo, lignito y turba, biomasa, goma de desecho que incluye, sin caracter limitante, neumaticos de vehuculos, materiales plasticos de desecho, desecho agncola, mezclas de estos y mezclas de dichos materiales carbonaceos con otras sustancias. El metodo y el sistema de las realizaciones de la presente invencion descritos en referencia a las Figuras 1 a 4 son particularmente adecuados para su uso con un material carbonaceo de rango inferior que tenga rendimientos de materia volatil elevados y contenidos de humedad elevados. El sistema descrito en referencia a la Figura 4 es especialmente adecuado para su uso con biomasa que tenga rendimientos de materia volatil elevados y contenidos de humedad elevados.
En las realizaciones en las que el contenido de humedad del material carbonaceo es elevado tales como la biomasa, es preferible secar el material carbonaceo antes de pirolizar el material carbonaceo. Las ventajas de presecar el material carbonaceo son dobles. El presecado minimiza la aglomeracion de partfculas de material carbonaceo en las tolvas de almacenamiento y en los recipientes de gasificacion.
Ademas, aunque es preferible que se introduzca de forma inherente una cierta cantidad de humedad en el recipiente de gasificacion con el material carbonaceo, y posteriormente se convierta en vapor para su uso en la zona de reformado, un exceso de la cantidad de humedad aumentana los requerimientos de energfa dentro del recipiente de gasificacion para convertir la humedad en vapor y dana como resultado eficiencias reducidas.
Por consiguiente, en una realizacion, el metodo 10 comprende un paso de secar el material carbonaceo antes de pirolizar el material carbonaceo.
En una forma de la invencion, secar el material carbonaceo comprende poner en contacto el material carbonaceo con el gas producto del proceso en una disposicion de intercambio de calor indirecto. El intercambio de calor indirecto con el gas producto se puede conseguir haciendo pasar el material carbonaceo a traves de una secadora indirecta convencional tal como sabran los expertos en la tecnica. De esta forma, el calor sensible del gas producto se puede utilizar de forma eficiente en el metodo 10.
En una realizacion del metodo 10, la pirolizacion del material carbonaceo implica introducir un flujo continuo de material carbonaceo en una zona de pirolisis de un recipiente de gasificacion. Con el fin de facilitar un flujo continuo de material carbonaceo en la zona de pirolisis y de minimizar la aglomeracion de partfculas, es preferible controlar el contenido de humedad del material carbonaceo, tal como se ha descrito anteriormente, y el tamano de partfcula del material carbonaceo.
La pirolizacion del material carbonaceo comprende calentar el material carbonaceo, preferentemente calentando directamente el material carbonaceo con un gas caliente. El gas caliente se puede producir en la zona de gasificacion de residuo carbonizado del recipiente de gasificacion y se dirige en un intercambio de calor directo a contracorriente con el flujo continuo de material carbonaceo en la zona de pirolisis. La temperatura del gas caliente depende del tipo de material carbonaceo y puede estar en un intervalo de temperaturas de aproximadamente 900 °C a aproximadamente 1200 °C. El material carbonaceo puede experimentar pirolisis y gasificacion parcial simultaneas a traves de las reacciones con la corriente de gas caliente.
En una realizacion preferida, el flujo continuo de material carbonaceo desciende progresivamente a traves de la zona de pirolisis durante un periodo de duracion suficiente para garantizar una pirolisis sustancialmente completa del material carbonaceo a componentes volatiles y residuo carbonizado. En una realizacion, el flujo continuo de material carbonaceo desciende progresivamente a traves de la zona de pirolisis por gravedad. En una realizacion alternativa, el flujo continuo de material carbonaceo desciende progresivamente a traves de la zona de piroisis mediante un medio de transferencia tal como un sinfm, un husillo, un lecho movil o un medio de agitacion asociado con un pirolizador tal como, por ejemplo, se describira en referencia a la Figura 3.
Despues de la pirolisis, los componentes volatiles ascienden a una zona de reformado del gasificador a la vez que el residuo carbonizado desciende a una zona de gasificacion del gasificador. Ventajosamente, la pirolisis completa del material carbonaceo a componentes volatiles y residuo carbonizado permite la separacion mejorada de los componentes volatiles y el residuo carbonizado a la zona de reformado y la zona de gasificacion de residuo carbonizado, respectivamente, lo cual minimiza asf las interacciones entre los componentes volatiles y el residuo carbonizado en la zona de gasificacion de residuo carbonizado. En consecuencia, la ausencia sustancial de componentes volatiles en la zona de gasificacion de residuo carbonizado facilita un aumento relativo en la velocidad de gasificacion de residuo carbonizado, en comparacion con procesos de la tecnica anterior. En la ausencia sustancial de componentes volatiles, el oxfgeno es consumido principalmente por el residuo carbonizado, lo que facilita la rapida gasificacion del residuo carbonizado que es normalmente la etapa limitante de la velocidad. Por lo tanto, las realizaciones de la presente invencion aumentan las velocidades de gasificacion con cantidades mmimas de oxfgeno para conseguir una eficiencia de gasificacion elevada.
La gasificacion del residuo carbonizado comprende introducir de agentes de gasificacion tales como vapor y un gas que contiene oxfgeno, en la zona de gasificacion de residuo carbonizado y hacer reaccionar el residuo carbonizado con el vapor y el gas que contiene oxfgeno.
En una realizacion de la invencion, el gas que contiene oxfgeno introducido en la zona de gasificacion del residuo carbonizado puede comprender aire, oxfgeno puro u oxfgeno diluido. Las reacciones exotermicas entre el oxfgeno y el residuo carbonizado se pueden representar con reacciones simplificadas de la siguiente manera:
C /O 2 - CO (1)
C O2 --CO2 (2)
La reaccion endotermica entre el vapor y el residuo carbonizado se puede mostrar con una reaccion simplificada:
C H2O -> CO H2 (3)
La cantidad de gas que contiene oxfgeno y/o vapor introducida en la zona de gasificacion de residuo carbonizado se puede variar, respectivamente, para controlar la temperatura de funcionamiento de la zona de gasificacion de residuo carbonizado.
La temperature de funcionamiento requerida se puede determinar basandose en el balance de ene^a dentro del recipiente de gasificacion entre varias zonas, que incluyen el lecho de catalizador para la limpieza del gas producto. Con el fin de conseguir una eficiencia de gasificacion elevada, la velocidad de alimentacion de oxfgeno en la zona de gasificacion de residuo carbonizado es preferentemente tan baja como sea practico.
En una realizacion, el residuo carbonizado se consume sustancialmente en la zona de gasificacion de residuo carbonizado, lo que da como resultado la produccion de gas caliente y ceniza. La ceniza se puede descargar de la zona de gasificacion de residuo carbonizado del recipiente de gasificacion por medio de un dispositivo de descarga de ceniza tal como una tolva cerrada.
El gas caliente resultante de la gasificacion de residuo carbonizado proporciona una fuente de calor para calentar y pirolizar material carbonaceo en la zona de pirolisis del recipiente de gasificacion, para reformar componentes volatiles en la zona de reformado y para limpiar el gas producto en la zona de limpieza del gas.
Se apreciara que, en caso de un residuo carbonizado insuficiente para equilibrar la demanda de calor, incluido el modo “de arranque”, parte del gas producto producido en el metodo 10 podna ser reciclado y quemado en la zona de gasificacion del residuo carbonizado o quemado en la zona de reformado.
El gas caliente fluye desde la zona de gasificacion del residuo carbonizado hasta la zona de pirolisis y pasa en intercambio de calor directo a contracorriente con el material carbonaceo a medida que se mueve progresivamente a traves de la zona de piroisis y se piroliza. A medida que el gas caliente pasa a traves de la zona de pirolisis, el gas caliente se mezcla con los componentes volatiles (que incluyen vapor) liberados a partir del material carbonaceo y fluye hacia la zona de reformado. De esta forma, el gas caliente contribuye a la separacion de los componentes volatiles del residuo carbonizado producido en la zona de pirolisis.
El gas caliente tambien satisface las demandas energeticas de las reacciones de reformado de componentes volatiles endotermicas en la zona de reformado. En la zona de reformado, los componentes volatiles y el vapor reaccionan endotermicamente para producir un gas producto. En una realizacion, el reformado de componentes volatiles con vapor en la zona de reformado se lleva a cabo a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 700 °C a aproximadamente 1000 °C. Ventajosamente, por lo tanto, parte del calor sensible del gas caliente producido en la zona de gasificacion de residuo carbonizado se recupera como energfa qrnmica en forma del gas producto.
Los agentes de gasificacion en exceso en el gas caliente mencionado anteriormente entranan en contacto y reaccionanan con la materia prima de pirolizacion, sus componentes volatiles y residuo carbonizado a medida que fluye hacia arriba.
El gas producto producido en la zona de reformado puede contener contaminantes organicos e inorganicos. Los ejemplos de contaminantes incluyen, sin caracter limitante, residuos de alquitran, NH3, HCN, H2S y especies de AAEM inorganicas volatilizadas. Un gas producto que contiene contaminantes a menudo se denomina “gas producto sin procesar”.
El metodo 10 elimina convenientemente contaminantes organicos e inorganicos del gas producto.
En una realizacion de la invencion, el metodo 10 comprende ademas hacer pasar los componentes volatiles parcialmente reformados y/o el gas producto a traves de un lecho de catalizador.
En una realizacion, el lecho de catalizador comprende un lecho movil de catalizador no isotermico. En otra realizacion, el lecho de catalizador es una pluralidad de lechos interconectados de forma fluida dispuestos en serie. En una realizacion, el catalizador comprende un catalizador de metal de transicion soportado sobre un sustrato de material carbonaceo. Este se puede producir a partir de la pirolisis y/o gasificacion parcial del material carbonaceo que contiene o esta impregnado con el metal. Como alternativa, el metal se puede cargar/impregnar en el residuo carbonizado siguiendo dichos metodos conocidos normalmente por los expertos en el campo. En una realizacion preferida, el catalizador comprende Fe y/o Ni soportados sobre residuo carbonizado. En otra realizacion, el catalizador puede ser el residuo carbonizado en sf. Ventajosamente, el residuo carbonizado producido a partir de la pirolisis de biomasa contiene abundantes especies catalfticas inherentes, particularmente especies AAEM, que estan bien dispersadas en el interior del residuo carbonizado. Por consiguiente, el residuo carbonizado producido a partir de la pirolisis se puede utilizar para catalizar la descomposicion de residuos de alquitran en el gas producto. En los casos de catalizadores de residuo carbonizado o soportados en residuo carbonizado, los catalizadores se pueden producir a partir de la pirolisis de un material carbonaceo en un recipiente (por ejemplo, un lecho movil) y posteriormente introducirse en la zona de limpieza de gas. El material carbonaceo puede ser la materia prima (por ejemplo, biomasa) a gasificar. En otra realizacion preferida, el catalizador comprende un nucleo de hierro (tratado) tal como ilmenita.
El lecho de catalizador puede estar integrado con el recipiente de gasificacion y en comunicacion fluida con la zona de reformado. En ciertas realizaciones en las que el catalizador comprende un catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado, el catalizador consumido puede descargarse en la zona de gasificacion de residuo carbonizado del recipiente de gasificacion y posteriormente gasificarse. De esta forma, no se generan corrientes de desechos Kquidos o solidos adicionales a partir del tratamiento del gas producto tal como se ha descrito anteriormente.
El hecho de hacer pasar los componentes volatiles parcialmente reformados y/o el gas producto a traves de un lecho de catalizador elimina de este los contaminantes inorganicos. Los AAEM volatilizados condensan en la superficie del catalizador solido a una temperatura apropiada y las partfculas tambien son atrapadas por el lecho de catalizador. Otros contaminantes inorganicos tales como NH3, H2S y otros compuestos que contienen N, Cl o S se descomponen o adsorben mediante el contacto con el catalizador solido. De esta forma, los contaminantes inorganicos tales como AAEM son atrapados sobre el catalizador. Ventajosamente, los AAEM aumentan la reactividad del residuo carbonizado en la zona de gasificacion del residuo carbonizado. Por consiguiente, el metodo 10 proporciona un medio por el cual los contaminantes inorganicos de los componentes volatiles generados a partir de materiales carbonaceos de rango inferior se pueden utilizar de forma conveniente para aumentar la gasificacion de residuo carbonizado. Los AAEM posteriormente se transforman en ceniza.
El hecho de hacer pasar los componentes volatiles parcialmente reformados y/o gas producto a traves del lecho de catalizador tambien elimina contaminantes organicos tales como residuos de alquitran, mediante reacciones de reformado catalizadas, por ejemplo, con vapor. Ventajosamente, esto recupera la energfa termica (calor sensible) en la energfa qmmica de los productos de reformado. Algunos residuos de alquitran tambien se eliminan formando coque en la superficie del catalizador solido. Ademas, el contenido de hidrogeno del gas producto se puede aumentar haciendo pasar el gas producto a traves del lecho o los lechos de catalizador, porque al extremo de temperatura inferior del lecho de catalizador se favorece una reaccion de desplazamiento de gas de agua (CO H2O -> CO2 H2).
El paso de los componentes volatiles parcialmente reformados y/o gas producto a traves del lecho de catalizador se puede llevar a cabo en un intervalo de temperatura de desde aproximadamente 1000 °C hasta aproximadamente 200 °C. Preferentemente, la temperatura del lecho de catalizador disminuye progresivamente hasta aproximadamente 200 °C en la direccion de flujo de gas.
A continuacion, se describiran el sistema de gasificacion 20 y un aparato 30 para pirolizar material carbonaceo para su uso en el sistema de gasificacion 20 haciendo referencia a las Figuras 2 y 3.
El sistema de gasificacion 20 comprende un recipiente de gasificacion 21 que tiene cuatro zonas de reaccion definidas mtegramente en el, concretamente una zona de pirolisis 22, una zona de gasificacion de residuo carbonizado 23, una zona de reformado 25 y un lecho de catalizador 26. La zona de pirolisis 22 se encuentra en comunicacion fluida con la zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 y la zona de reformado 25.
En general, el recipiente de gasificacion 21 es un recipiente con orientacion vertical que tiene un area transversal sustancialmente constante a lo largo de sustancialmente toda su longitud y/o a lo largo de una direccion de flujo de material y/o fluido. Donde supondna una ventaja variar el tiempo de residencia del material y/o fluido en el recipiente 21, y dependiendo de las caractensticas de composicion del material carbonaceo, el area transversal del recipiente 21 se puede variar a lo largo de su longitud y/o a lo largo de la direccion de flujo de material y/o fluido. Preferentemente, el recipiente 21 posee un revestimiento refractario.
Una parte superior del recipiente de gasificacion 21 esta provisto de una entrada 28a para introducir un flujo continuo de material carbonaceo tal como biomasa mediante un alimentador 28. El alimentador 28 se encuentra en comunicacion fluida con la entrada 28a del recipiente y preferentemente comprende un alimentador rotatorio para minimizar problemas de bloqueo. El alimentador 28 tambien comprende preferentemente un agitador asociado con una tolva para almacenar biomasa. El agitador se dispone de modo que minimice el potencial de obstruccion de biomasa en la tolva.
La zona de pirolisis 22 se provee de un aparato 30 (remttase a la Figura 3) para pirolizar material carbonaceo. Se puede emplear cualquier pirolizador adecuado tal como los conocidos por los expertos en la tecnica. Los ejemplos ilustrativos de pirolizadores adecuados incluyen, sin caracter limitante, lechos moviles, pirolizadores de husillo/sinfm/caldera y una combinacion de estos.
El aparato 30 se puede configurar para que facilite la transferencia del material carbonaceo progresivamente a traves del pirolizador a la zona de gasificacion de residuo carbonizado, por medio de gravedad o transferencia mecanica. Preferentemente, el aparato 30 esta adaptado para retener el material carbonaceo en la zona de pirolisis durante un periodo de duracion suficiente para convertir sustancialmente el material carbonaceo en residuo carbonizado y componentes volatiles.
En la realizacion mostrada en la Figura 2, la zona de pirolisis 22 se provee con el aparato 30 para calentar material carbonaceo con un gas calentado procedente de la zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 para producir componentes volatiles y residuo carbonizado. El aparato 30 se muestra en mas detalle en la Figura 3.
En una forma preferida, el aparato 30 se espacia respecto a la zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 y la zona de reformado 25 para facilitar la separacion eficaz del residuo carbonizado y los componentes volatiles resultantes producidos en el aparato 30.
El aparato 30 incluye tres pares de superficies conicas 32, 34, 36. Se apreciara que el numero de dichas superficies conicas puede variar. Los pares de superficies conicas 32, 34, 36 se espacian entre sf y se disponen en un alineamiento longitudinal espaciado a lo largo de la longitud de un eje rotable 31. Cada par de superficies conicas 32, 34, 36 comprende una superficie conica invertida superior 32a, 34a, 36a de una superficie conica en posicion vertical inferior enfrentada 32b, 34b, 36b.
Preferentemente, los pares de superficies conicas 32, 34, 36 comprenden laminas de metal perforadas adecuadas para el paso de calor y, en particular, gas caliente a su traves. Las laminas de metal tambien funcionan como conductores de calor eficaces para el calentamiento directo del material carbonaceo.
Las superficies conicas en posicion vertical inferiores 32b, 34b, 36b estan provistas cada una de una abertura 32c, 34c, 36c, dispuesta de forma concentrica respecto al eje 31. La finalidad de la abertura 32c, 34c, 36c es permitir el paso de material carbonaceo desde las superficies conicas en posicion vertical inferiores 32b, 34b, 36b hasta las superficies conicas invertidas superiores 34a, 36a y la zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 dispuesta inmediatamente por debajo.
Ademas, el diametro de la superficie conica invertida superior 32a, 34a, 36a es menor que el diametro de la superficie conica en posicion vertical inferior enfrentada 32b, 34b, 36b. De este modo, los materiales carbonaceos que se encuentran en la superficie conica invertida superior 32a, 34a, 36a se pueden deslizar por fuera del borde de dicha superficie y caer en la superficie conica en posicion vertical inferior enfrentada 32b, 34b, 36b dispuesta inmediatamente por debajo.
El aparato 30 tambien incluye uno o mas medios de agitacion 32d, 34d, 36d asociados con cada par respectivo de superficies conicas 32, 34, 36. Se apreciara que el numero de medios de agitacion no tiene que coincidir con el numero de pares de superficies conicas. Los medios de agitacion 32d, 34d, 36d en esta realizacion particular son brazos rotatorios. Los brazos rotatorios se encuentran espaciados a una distancia corta (por ejemplo, 2-5 mm) por encima de las superficies conicas invertidas superiores 32a, 34a, 36a y/o por encima de las superficies conicas en posicion vertical inferiores 32b, 34b, 36b. Los medios de agitacion 32d, 34d, 36d se hacen funcionar mediante la rotacion del eje rotable 31. La velocidad de rotacion del eje 31 puede variar, dependiendo de las caractensticas del material carbonaceo, para controlar el tiempo de residencia de las partfculas en la zona de pirolisis. En un ejemplo, los brazos rotatorios rotan a una velocidad de 12 rpm.
La rotacion del eje rotable 31 provoca que los medios de agitacion 32d, 34d, 36d disturben las partfculas de material carbonaceo que se encuentran en las superficies conicas en posicion vertical inferiores 32b, 34b, 36b y hace que pasen a traves de las respectivas aberturas 32c, 34c, 36c a las superficies conicas invertidas inmediatamente por debajo de ellas. De forma similar, la rotacion del eje rotable 31 provoca que los medios de agitacion 32d, 34d, 36d disturben las partfculas de material carbonaceo que se encuentran en las superficies conicas invertidas superiores 32a, 34a, 36a y provoca que se deslicen y caigan por el borde de dichas superficies y se recojan en la superficie conica en posicion vertical inferior enfrentada 32b, 34b, 36b inmediatamente por debajo de ellas.
La velocidad de rotacion del eje se puede modificar para variar el tiempo de residencia del material carbonaceo que se encuentra en las superficies conicas invertidas superiores 32a, 34a, 36a y en las superficies conicas en posicion vertical inferiores enfrentadas 32b, 34b, 36b. De esta manera, el tiempo de residencia del material carbonaceo en el aparato 30 se puede controlar con el fin de permitir un periodo suficiente para que el material carbonaceo se convierta sustancialmente en residuo carbonizado y componentes volatiles.
La pendiente de las superficies conicas se puede variar para controlar el periodo de tiempo que las partfculas de material carbonaceo residen en dichas superficies. Como alternativa, las superficies conicas se pueden rotar respecto a los medios de agitacion.
Otros metodos adecuados conocidos por los expertos en la tecnica para controlar el tiempo de residencia del material carbonaceo en el aparato 30 con el fin de promover la pirolisis sustancialmente completa del material carbonaceo a residuo carbonizado y componentes volatiles tambien se pueden emplear en el proceso y aparato de la presente invencion. Ademas de las reacciones de pirolisis, la materia prima tambien experimental algunos grados de gasificacion dentro del aparato 30.
La zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 se dispone en una parte inferior del recipiente 21. La zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 se puede proveer de uno o mas lechos fijos o lechos moviles con parrillas para soportar el residuo carbonizado sobre ellas a la vez que permiten que el gas que contiene oxfgeno y el vapor pasen a traves del lecho o de los lechos moviles y reaccionen con el residuo carbonizado. Como alternativa, la zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 se puede proveer de un lecho fluidizado que burbujee y un distribuidor de gas para suministrar el gas que contiene oxfgeno y vapor.
En la realizacion mostrada en la Figura 2, el residuo carbonizado se gasifica en un lecho fijo con forma conica. El recipiente 21 se provee de una entrada de gas que contiene oxfgeno 23a y una entrada de vapor 23b. Se preve que se utilizana generalmente aire para aplicaciones a pequena escala tales como gasificacion de biomasa y que se utilizana oxfgeno puro o diluido para aplicaciones a gran escala tales como gasificacion de carbon, particularmente cuando se pretende capturar y almacenar dioxido de carbono o cuando el gas producto se utiliza para sintetizar productos qmmicos y combustibles lfquidos.
La zona de gasificacion de residuo carbonizado 23 se provee ademas de un dispositivo de descarga de cenizas 24 tal como una tolva cerrada.
La zona de reformado 25 se dispone en una parte superior del recipiente 21 y comprende un vado definido por la parte superior del recipiente 21 en la que pueden tener lugar reacciones de reformado de gas entre los componentes volatiles y el vapor.
La zona de reformado 25 se encuentra en comunicacion fluida con un lecho de catalizador 26. Preferentemente, el lecho de catalizador 26 es un lecho movil de catalizador solido o una serie de lechos de catalizador. En una realizacion, la disposicion del lecho movil es tal que el catalizador consumido se descarga en el recipiente 21. Por consiguiente, el lecho de catalizador 26 se provee de un dispositivo de descarga de catalizador solido 26a para reaprovisionar el lecho movil con catalizador solido a medida que el catalizador se descarga del lecho de catalizador 26. El lecho de catalizador 26 se provee de una salida 27 para retirar gas producto.
El catalizador solido en el lecho de catalizador puede adoptar varias formas. Los catalizadores de metales de transicion soportados en residuo carbonizado (por ejemplo, Fe y/o Ni) son realizaciones preferidas, que se pueden producir pirolizando y gasificando parcialmente un material carbonaceo (por ejemplo, biomasa o carbon pardo) cargado con metales de transicion (por ejemplo, Fe y/o Ni). El residuo carbonizado en sf, sin cargar metales, puede ser el catalizador. Como alternativa, tambien se puede utilizar ilmenita, un mineral de hierro, como el catalizador solido.
En la Figura 4 se muestra una realizacion de un sistema 40 para producir gas producto y residuo carbonizado a partir de un material carbonaceo, en particular, biomasa. El sistema 40 es para su uso con realizaciones del metodo 10 que comprenden el paso adicional de exponer el gas producto y/o los componentes volatiles parcialmente reformados al residuo carbonizado. El residuo carbonizado producido por el metodo 10 se puede utilizar como carbon activado o como enmienda del suelo y/o para secuestro de carbono.
En este ejemplo, una materia prima de material carbonaceo con un contenido de humedad de hasta aproximadamente un 60% en un almacen 50 se introduce en una secadora 52 donde la humedad de la materia prima se reduce, preferentemente hasta un contenido de humedad inferior a aproximadamente un 20%. El calor producido a partir de otros pasos del proceso se puede utilizar como un medio de calentamiento para la secadora 52.
La materia prima parcialmente secada se introduce despues al pirolizador 54 donde la materia prima se calienta para producir residuo carbonizado y componentes volatiles. Los inventores han mostrado que la pirolisis de la materia prima secada a una temperatura moderada tal como de aproximadamente 450 °C a aproximadamente 550 °C, liberana una parte sustancial de los componentes volatiles potenciales de la materia prima. Ademas, a temperaturas de pirolisis moderadas, las especies inorganicas tales como especies AAEM, tienden a quedar retenidas en el residuo carbonizado. La retencion de especies inorganicas en el residuo carbonizado es particularmente beneficiosa porque aumenta la actividad catalftica del residuo carbonizado y facilita el reciclado de nutrientes inorganicos de vuelta al suelo en casos en los que se puede utilizar biomasa como la materia prima y el residuo carbonizado resultante se utiliza como una enmienda del suelo.
El pirolizador 54 se puede configurar para que facilite la transferencia del residuo carbonizado desde el pirolizador 54 a un reactor 60, por medio de transferencia mecanica o gravedad. Antes de transferir el residuo carbonizado al reactor 60, el residuo carbonizado se puede transferir y mantener temporalmente en una camara de almacenamiento (no mostrada) que se encuentre en comunicacion fluida con el reactor 60. La camara de almacenamiento se puede proveer de un medio de control para controlar una tasa de flujo de residuo carbonizado al reactor 60.
Despues de la pirolisis, los componentes volatiles se dirigen a un reformador de gas 56. El reformador de gas 56 se calienta y una cantidad deseada de vapor generado en la secadora 52 se introduce junto con un gas que contiene oxfgeno (O2) tal como oxfgeno o aire, en el reformador de gas 56 mediante las entradas respectivas 56a y 56b donde los componentes volatiles experimentan reacciones de reformado de gas para producir un gas producto sin procesar que comprende en gran medida CO y H2.
Una parte del gas producto sin procesar y/o el residuo carbonizado se puede dirigir, tal como se indica mediante las lmeas discontinuas 54a y 56c a una camara de combustion 58 para la combustion con el fin de producir un gas a temperatura elevada que se puede utilizar para calentar el reformador de gas 56 y el reactor 60.
El gas producto sin procesar producido en el reformador de gas 56 se introduce en el reactor 60 que tambien contiene residuo carbonizado producido a partir del pirolizador 54. El reactor 60 se calienta hasta una temperatura de hasta aproximadamente 900 °C y el residuo carbonizado en el se comporta como un catalizador solido para descomponer catalfticamente residuos de alquitran contenidos en el gas producto sin procesar con el fin de formar CO, H2 y otros gases combustibles. Algunos residuos de alquitran tambien se eliminan mediante la formacion de coque en la superficie del residuo carbonizado. Otros contaminantes inorganicos tambien son eliminados del gas producto sin procesar por el residuo carbonizado. Por ejemplo, las especies AAEM y partfculas inorganicas liberadas tambien pueden ser atrapadas por el residuo carbonizado y otros contaminantes inorganicos tales como NH3, H2S y otros compuestos que contienen N, Cl o S se descomponen o adsorben mediante contacto con el residuo carbonizado. De esta forma, los contaminantes inorganicos tales como AAEM son capturados sobre el residuo carbonizado. Ventajosamente, las AAEM aumentan la reactividad del residuo carbonizado.
El gas producto sin procesar puede contener vapor en exceso y las condiciones de funcionamiento en el reactor 60 son tales que, a medida que el gas producto se pone en contacto con el residuo carbonizado en el reactor 60, el residuo carbonizado se puede gasificar parcialmente.
La gasificacion parcial del residuo carbonizado en el reactor 60 se debena llevar a cabo preferentemente a una temperatura de aproximadamente 700 °C a aproximadamente 900 °C. Ventajosamente, estas temperaturas promueven la formacion de sitios catalfticamente activos en el residuo carbonizado para la descomposicion de residuos de alquitran y la activacion de carbono.
Despues de la gasificacion parcial, el residuo carbonizado consumido producido mediante el proceso de la presente invencion tiene un area superficial elevada, habitualmente superior a aproximadamente 700 m2 por gramo de residuo carbonizado. Algunos posibles contaminantes (por ejemplo, organicos) en el residuo carbonizado tambien se eliminan en el proceso de gasificacion parcial. Cabe destacar, en este intervalo de temperaturas, que las especies AAEM inherentes en el residuo carbonizado se transforman en formas mas lixiviables, que facilitan el reciclado de los nutrientes inorganicos al campo.
El residuo carbonizado consumido descargado desde el reactor 60 se almacena en un contenedor 64. El residuo carbonizado consumido contiene abundantes especies AAEM y otros nutrientes inorganicos, y se puede devolver facilmente al suelo como una enmienda del suelo. El reciclado del residuo carbonizado de esta manera tiene dos ventajas importantes: (1) la devolucion de nutrientes inorganicos en el residuo carbonizado al campo y (2) el secuestro de carbono, lo que, por tanto, reduce las emisiones de carbono en relacion con la generacion de energfa. Estos factores son importantes para el desarrollo sostenible de comunidades regionales y rurales a largo plazo. Las cantidades relativas de residuo carbonizado y gas producto producidas mediante el metodo 40 (es decir, relacion de residuo carbonizado a gas producto) se pueden variar. En una realizacion, el reactor 60 comprende una zona de gasificacion parcial y una zona de gasificacion completa. La zona de gasificacion parcial del reactor 60 se hace funcionar en condiciones en las que el residuo carbonizado se gasifica parcialmente para producir gas producto y residuo carbonizado consumido, mientras que la zona de gasificacion completa del reactor 60 se hace funcionar en condiciones en las que se gasifica residuo carbonizado para producir gas producto y ceniza. Cuando se requiere un volumen mayor de gas producto limpio, se puede transferir una proporcion relativamente mayor de residuo carbonizado a la zona de gasificacion completa del reactor 60. Como alternativa, cuando se requiere un volumen mayor de residuo carbonizado consumido, se puede transferir una proporcion relativamente mayor de residuo carbonizado a la zona de gasificacion parcial del reactor 60.
El sistema 20 o 40 se puede proveer de medios para estabilizar, mantener y/o variar la distribucion de temperaturas dentro del recipiente de gasificacion. Dichos medios pueden incluir controladores para controlar las tasas de alimentacion de gas que contiene oxfgeno y/o vapor. Por ejemplo, con el fin de elevar la temperatura en la zona de gasificacion de residuo carbonizado, se puede proporcionar mas gas que contiene oxfgeno para promover las reacciones exotermicas con residuo carbonizado en ella.
En algunas realizaciones, el sistema 20 o 40 comprende ademas una pluralidad de sensores y sondas de muestreo de gases y solidos.
Tal como se ha descrito anteriormente en detalle, las realizaciones de la presente invencion proporcionan un metodo de gasificacion eficaz, especialmente para los materiales carbonaceos de rango inferior, para fabricar un gas producto de una calidad relativamente elevada para fines tales como generacion de electricidad, produccion de calor y smtesis qmmica.
Las realizaciones de la presente invencion tambien proporcionan catalizadores solidos capaces de eliminar residuos de alquitran, otros contaminantes y especies formadoras de contaminantes de la corriente de gas producto, asf como capaces de aumentar el contenido de hidrogeno en el gas producto.
Tambien se apreciara que el calor sensible del gas producto se puede utilizar eficazmente en un intercambio de calor indirecto con otras corrientes de procesos en la presente invencion tales como vapor, antes de que dichas corrientes se introduzcan en la zona de gasificacion de residuo carbonizado. Como alternativa, el calor sensible del gas producto se puede utilizar para secar el material carbonaceo antes de que experimente gasificacion.
En algunas realizaciones, particularmente en el modo de arranque del metodo de gasificacion 10, el gas producto se puede someter a combustion en la zona de gasificacion de residuo carbonizado para elevar la temperatura de funcionamiento en ella y/o someter a combustion en la zona de reformado para elevar la temperatura en ella.
Tambien se sobreentendera que aunque la descripcion anterior se refiere a secuencias espedficas de pasos del metodo, las piezas de sistemas, aparatos y equipos y su configuracion se proporcionan para fines ilustrativos unicamente y no se pretende que limiten el alcance de la presente invencion de ningun modo.
Las realizaciones de la presente invencion podnan mejorar la eficacia de gasificacion. La tecnologfa se puede utilizar de forma adecuada en, por ejemplo, las industrias qrnmica y energetica. En particular, los inventores proponen que las realizaciones de la presente invencion son adecuadas para la generacion de potencia distribuida utilizando biomasa de una distribucion de tamanos de partfcula relativamente amplia.
Ventajosamente, el metodo 10 integra la pirolisis, el reformado de componentes volatiles, la gasificacion de residuo carbonizado y la limpieza del gas producto para proporcionar una configuracion de gasificador compacto para una eficiencia y economfa del proceso mejoradas.
Resultara evidente para un experto en la tecnica relevante que algunas realizaciones de la presente invencion pueden proporcionar ventajas sobre la tecnica anterior, que incluyen, sin caracter limitante, las siguientes:
• proporcionar un proceso de gasificacion, especialmente para gasificar materiales carbonaceos de rango inferior que se puede llevar a cabo en un unico recipiente de gasificacion que integra gasificacion con limpieza de gas caliente;
• minimizar las interacciones entre los componentes volatiles y el residuo carbonizado durante la gasificacion de residuo carbonizado, lo que da lugar a una velocidad mayor de gasificacion de residuo carbonizado; • minimizar el consumo de oxfgeno directo por parte de los componentes volatiles y sus productos de reformado;
• promover la reaccion directa de residuo carbonizado con oxfgeno en la zona de gasificacion de residuo carbonizado para generar el calor requerido para varias reacciones dentro del recipiente de gasificacion, con lo cual se recupera la energfa termica de los productos de gasificacion de residuo carbonizado en la forma de energfa qrnmica en forma del gas producto;
• minimizar el consumo total de oxfgeno para una eficiencia de gasificacion maximizada;
• minimizar la cantidad de residuos de alquitran en el gas producto, un problema que habitualmente surge en la gasificacion de materiales carbonaceos de rango inferior, mediante el reformado de los residuos de alquitran con un catalizador;
• minimizar la volatilizacion de especies inorganicas, en particular AAEM, que son habituales en materiales carbonaceos de rango inferior;
• eliminar las AAEM volatilizadas y las impurezas formadoras de contaminantes tales como NH3, HCN y H2S con el catalizador;
• el catalizador consumido puede descargarse, como forma de eliminacion, en la zona de gasificacion de residuo carbonizado y gasificarse oxidativamente, con lo cual contribuye a la produccion de energfa termica en el recipiente sin generar una corriente de desecho lfquido o solido adicional;
• el catalizador se puede utilizar para promover la reaccion de desplazamiento de gas de agua, con lo cual aumenta el contenido de hidrogeno del gas producto final sin los problemas convencionales asociados con la desactivacion, regeneracion y eliminacion del catalizador.
En la descripcion de la invencion, excepto donde el contexto requiera lo contrario debido a un lenguaje expreso o una implicacion necesaria, los terminos “comprender” o variaciones tales como “comprende” o “que comprende” se utilizan en un sentido inclusivo, es decir, para especificar la presencia de las caractensticas indicadas, pero no para excluir la presencia o adicion de caractensticas adicionales en varias realizaciones de la invencion.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un metodo para gasificar un material carbonaceo (10), comprendiendo el metodo los pasos de:
pirolizar el material carbonaceo para producir componentes volatiles y residuo carbonizado (12);
separar el residuo carbonizado y los componentes volatiles (14);
gasificar el residuo carbonizado (16);
reformar los componentes volatiles para producir un gas producto (18); y
hacer pasar componentes volatiles parcialmente reformados y/o gas producto (19) a traves de una zona de limpieza de gas producto;
caracterizado por que
al menos los pasos de pirolizar el material carbonaceo (12), gasificar el residuo carbonizado (16) y reformar los componentes volatiles para producir un gas producto (18) se llevan a cabo en un recipiente (21) que tiene una zona de pirolisis (22), una zona de gasificacion de residuo carbonizado (23) y una zona de reformado (25),
por el cual despues de la pirolisis (12), los componentes volatiles ascienden a la zona de reformado (25) y el residuo carbonizado desciende a la zona de gasificacion (23);
por el cual la zona de limpieza de gas producto comprende al menos un lecho de catalizador (26); y
por el cual la zona de limpieza de gas producto se encuentra en comunicacion fluida con la zona de reformado (25) en una disposicion por la cual los componentes volatiles parcialmente reformados y/o el gas producto pasan a traves de la zona de limpieza de gas producto.
2. El metodo (10) de la reivindicacion 1, donde el paso de pirolizar el material carbonaceo (12) se lleva a cabo utilizando un pirolizador adaptado para que retenga el material carbonaceo en la zona de pirolisis durante un tiempo de residencia de una duracion suficiente para convertir sustancialmente todo el material carbonaceo en componentes volatiles y residuo carbonizado.
3. El metodo (10) de las reivindicaciones 1 o 2, donde el lecho de catalizador (26) comprende residuo carbonizado, un catalizador soportado en residuo carbonizado o ilmenita.
4. El metodo (10) de la reivindicacion 3, donde, cuando el lecho de catalizador (26) comprende un catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado, el catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado se prepara a partir de la pirolisis y/o gasificacion parcial del material carbonaceo.
5. El metodo (10) de la reivindicacion 3 o la reivindicacion 4, donde el metodo (10) comprende ademas descargar catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado consumido desde el lecho de catalizador (26) y gasificar el catalizador de residuo carbonizado o soportado en residuo carbonizado consumido.
6. El metodo (10) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde los componentes volatiles parcialmente reformados y/o el gas producto pasan a traves del lecho de catalizador para eliminar los contaminantes inorganicos de este.
7. El metodo (10) de la reivindicacion 6, donde los contaminantes inorganicos comprenden especies o partfculas metalicas alcalinas o alcalinoterreas volatilizadas.
8. El metodo (10) de la reivindicacion 6, donde los contaminantes inorganicos comprenden compuestos que contienen N, S o Cl.
9. El metodo (10) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde los componentes volatiles parcialmente reformados y/o el gas producto pasan a traves del lecho de catalizador para eliminar contaminantes organicos de este mediante reacciones de reformado catalizadas, donde los contaminantes organicos comprenden residuos de alquitran.
10. Un sistema de gasificacion (20) para gasificar un material carbonaceo, comprendiendo el sistema de gasificacion (20):
una zona de reformado (25) para el reformado de componentes volatiles con el fin de producir un gas producto;
una zona de gasificacion de residuo carbonizado (23) para gasificar residuo carbonizado;
una zona de pirolisis (22) para pirolizar material carbonaceo que se dispone en posicion intermedia respecto a la zona de reformado (25) y la zona de gasificacion de residuo carbonizado (23), estando la zona de pirolisis (22) en comunicacion fluida con la zona de reformado (25) y la zona de gasificacion de residuo carbonizado (23) en una disposicion mediante la cual los componentes volatiles y el residuo carbonizado formados en la zona de pirolisis (22) se separan y dirigen de modo que los componentes volatiles asciendan a la zona de reformado (25) y el residuo carbonizado descienda a la zona de gasificacion de residuo carbonizado (23), respectivamente; y
una zona de limpieza de gas producto en comunicacion fluida con la zona de reformado (25) en una disposicion por la cual los componentes volatiles parcialmente reformados y/o el gas producto se hacen pasar a traves de la zona de limpieza de gas producto;
caracterizado por que
el sistema de gasificacion (20) comprende un recipiente (21) que tiene definido en el las zonas de reformado (25), gasificacion de residuo carbonizado (23) y pirolisis (22); y
la zona de limpieza de gas producto comprende al menos un lecho de catalizador (26).
11. El sistema (20) de la reivindicacion 10, donde la zona de pirolisis (22) comprende un pirolizador adaptado para que retenga el material carbonaceo en la zona de pirolisis durante un tiempo de residencia de duracion suficiente para convertir sustancialmente todo el material carbonaceo en componentes volatiles y residuo carbonizado.
12. El sistema (20) de la reivindicacion 10 o la reivindicacion 11, donde una parte del residuo carbonizado formado en la zona de pirolisis (22) se separa del material carbonaceo restante como un catalizador de limpieza de gases y se dirige a la zona de limpieza de gas producto.
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