ES2711002A1 - Sistema integral de combustión de estiércol - Google Patents

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Abstract

Sistema integral de combustión de estiércol. Se preconiza un sistema que permite la combustión de estiércol para su aprovechamiento energético, al tiempo que se minimiza el efecto nocivo de las sustancias tóxicas y corrosivas que se generan. Se contempla la adición de serrín de madera, tanto aguas arriba como aguas debajo de una caldera de biomasa. Igualmente se contempla la adición de diatomita aguas debajo de la caldera. El serrín y diatomita poseen la capacidad de secuestrar una pluralidad de las sustancias tóxicas y corrosivas que se producen en la combustión del estiércol, y se hacen precipitar por medio de un separador ciclón.

Description

DESCRIPCION
Sistema integral de combustion de estiercol
SECTOR TECNICO DE LA INVENCION
La presente invention se refiere a un sistema industrial para la combustion de estiercol, con el fin de revalorizarlo en forma de energia termica. El sistema resulta particularmente interesante en granjas e industrias agropecuarias en general, donde se crien animales productores de estiercol. Ademas, la combustion del estiercol constituye una forma de neutralizar los riesgos medioambientales que este supone.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
En el estado de la tecnica previo a la presente invencion se conocen diversas tecnologias para la revalorization de estiercol mediante un proceso que comprende una fase de combustion. En el documento P201500746 se divulga un procedimiento para la revalorizacion de sustancias organicas, el cual comprende un sistema de incineration del solido retenido que se obtiene tras el paso por un filtro. El calor generado se emplea como fuente de energia de un sistema de evaporation de multiple efecto que deshidrata al permeado que atraviesa el filtro. En el documento EP0973695 se divulga una instalacion con un reactor que permite el aprovechamiento de un residuo organico mediante la production de biogas y su posterior combustion. Ambos documentos incluyen en su definition de sustancias organicas al estiercol producido en granjas.
En ninguno de los documentos citados en el parrafo anterior se hace mention a la problematica que supone la incineracion de sustancias organicas, y mas particularmente de estiercol. Se trata de un producto cuya combustion puede liberar grandes cantidades de sustancias toxicas y corrosivas, tales como amoniaco, acido nrtrico, sulfurico, etc., la cuales por una parte deterioran la caldera de combustion y por otra constituyen un problema de contamination ambiental, pues son liberadas a traves de la chimenea de la caldera.
Se hace necesario pues un sistema que gestione adecuadamente la combustion del estiercol.
EXPLICACION DE LA INVENCION
Por todo lo indicado en el apartado anterior, se hace necesario el desarrollo de nuevas tecnicas que permitan mejorar el procedimiento de combustion de estiercol.
Mediante el termino "estiercol” se entiende en el presente documento a una materia organica que comprende al menos heces y/o orines de animales. Adicionalmente, puede incluir otras materias que esten presentes en el medio. Por ejemplo, es tlpica en las granjas la obtencion de una mezcla que comprende estiercol y paja seca, o bien estiercol y agua de limpieza, etc.; estos materiales estan por tanto tambien incluidos en la definition de estiercol.
A lo largo de este documento se emplea el termino "serrln”. Por "serrln” se entiende el resultado de dividir a una cantidad de madera inicial en partlculas pequenas, con un tamano inferior a los 5 mm. El hecho de dividir a la madera en partlculas pequenas aumenta notablemente su area superficial, lo cual condiciona su capacidad de adsorcion de toxicos y corrosivos. De forma preferente, el tamano de las partlculas sera inferior a los 2 mm, y de forma aun mas preferente sera inferior a 0,8 mm. El material que el experto en la materia entenderla por "virutas de madera”, se considera en este documento dentro de la definicion de serrln,
Una forma muy rentable de revalorizar el estiercol comprende su incineration, ya que habitualmente su poder calorlfico inferior, en base seca, se situa por encima de las 3.700 Kcal/Kg. El calor generado se puede transformar despues en otras formas de energla, como la electrica, o bien para generar agua caliente de calefaccion o de limpieza de una granja, etc. En el presente documento se preconiza un sistema que gestiona el proceso de combustion del estiercol. El uso final que se le de a la energla termica obtenida, no forma parte esencial de la presente invention.
La combustion de estiercol resulta complicada, pues presenta las siguientes desventajas:
1. Se tienden a formar sustancias altamente toxicas, contaminantes y corrosivas, como el acido sulfurico, amonlaco y acido nltrico.
2. El estiercol trae en la practica un grado de humedad elevado, lo que disminuye su poder calorlfico y complica su transporte en tornillos sinfln.
Las sustancias corrosivas danan el hogar de combustion de la caldera de biomasa, llegando al extremo de ser necesaria su sustitucion en un corto perlodo de tiempo, en ocasiones inferior a los dos anos. Esto provoca unas sustanciales perdidas economicas. Por otra parte, ademas del dano en el hogar, pueden condensar en la chimenea, lo que genera un desgaste muy rapido de la misma. Por ultimo, las sustancias corrosivas del estiercol suelen ser toxicas, y una vez salen al aire exterior a traves de la chimenea, provocan serios problemas de contamination ambiental, tales como la lluvia acida.
El estiercol contiene en su composition azufre. Durante la reaction de combustion, el azufre se oxida hasta SO2 , y eventualmente puede oxidarse todavla mas, hasta SO3. El trioxido de azufre, en presencia de agua reacciona y produce H2SO4. Dado que el estiercol proporciona normalmente abundante cantidad de agua, la produccion de acido sulfurico es importante. Este acido tiene un gran poder de corrosion de los materiales que habitualmente conforman el hogar de combustion de una caldera, as! como de la chimenea. El efecto corrosivo del acido sulfurico es especialmente notable en la chimenea en aquellos casos en que se alcanza el llamado punto de roclo acido. Consiste en la temperatura para la cual el acido sulfurico que transportan los gases de salida condensa, pasando de estado gas a llquido. Estos condensados se acumulan en las paredes de la chimenea y son altamente corrosivos. La temperatura a la cual se produce el roclo acido varla en funcion del proceso, pero suele estar por encima de los 150°C. Esto provoca que en la practica los humos de la caldera se emitan a temperaturas elevadas, por encima de 200°C, con el fin de tener un margen de seguridad con respecto al punto de roclo. Estas temperaturas resultan ser una desventaja en el aspecto del rendimiento termico, pues mayores temperaturas de los gases de salida significan mayores perdidas energeticas.
Otro componente corrosivo muy presente en el estiercol es el amonlaco. Y aunque menos habitual, se puede formar acido nltrico a partir del amonlaco, si se dan las condiciones de temperatura adecuadas en la caldera. El amonlaco puede oxidarse hasta NO, el cual una vez formado se puede oxidar todavla mas, hasta NO2. Y el NO2 en presencia de agua produce acido nltrico. Aun si no se llega a formar acido nltrico, los oxidos de nitrogeno, como el NO y el NO2, son unos contaminantes atmosfericos muy nocivos.
En el caso particular del estiercol, el contenido en amonlaco es especialmente elevado, muy por encima de otras biomasas de combustion habituales, como puede ser la madera. El contenido en agua es tambien elevado, lo que promueve las reacciones qulmicas citadas.
En resumen, los compuestos toxicos y corrosivos mencionados dan lugar a los siguientes problemas: corrosion del hogar de combustion, corrosion de la chimenea, emisiones contaminantes a la atmosfera, lluvia acida, etc.
Los inventores han observado en el serrin seco de madera un producto que disminuye los efectos negativos asociados a la combustion del estiercol. Un primer beneficio que aporta es la reduction de humedad del estiercol. El estiercol de forma habitual puede tener un grado de humedad comprendido entre el 30 y el 50% en base humeda. Esta humedad complica e incluso impide su normal combustion en una caldera, principalmente debido al hecho de que una humedad alta dificulta el transporte del estiercol a traves de un tornillo sinfm. Si el estiercol se mezcla previamente con serrin seco, se obtiene una mezcla con una humedad inferior a la de partida. Por ejemplo, si partimos de 10 Kg de estiercol con un 50% de humedad en base humeda, y lo mezclamos con 10 Kg de serrin con un 5% de humedad en base humeda, obtenemos una mezcla de serrin y estiercol que resulta tener un 27,5% de humedad en base humeda. De esta forma, se obtiene un producto con una humedad reducida y que permite ser desplazado por un tornillo sinfm de forma adecuada.
Un segundo efecto mejorante del serrin sobre el estiercol comprende la dilution de las sustancias toxicas y corrosivas presentes en el estiercol. Una mezcla con un 50% en peso de serrin y un 50% de estiercol, reduce a aproximadamente la mitad la concentration de amomaco, y por tanto tambien la concentration de acido mtrico. Por otra parte, la formation de acido sulfurico se reduce en este ejemplo en torno a un 30%. Estas reducciones implican que el hogar de combustion y chimenea sufriran menos y alargaran su tiempo de vida.
Un tercer efecto mejorante del serrin sobre el estiercol comprende la adsorcion de sustancias corrosivas sobre su superficie, tales como el NH3, SO2, SO3, NO, NO2, H2SO4 y HNO3. Este fenomeno se produce tanto antes como despues de la combustion del serrin en la caldera. Tras su combustion, se forman cenizas de serrin. Los inventores han comprobado que las cenizas del serrin poseen un caracter basico. Esto supone que sobre ellas tenderan a adherirse y reaccionar los acidos sulfurico y mtrico. Al hacerlo, ya no son expulsados a la atmosfera con los gases de salida sino que reaccionan con las cenizas y precipitan antes de llegar a la chimenea, evitando su salida a la atmosfera.
Por otra parte, el serrin previo a la combustion, posee un pH dependiente de la especie de arbol de la que proviene, de modo que no es tan eficaz como sus propias cenizas, siempre basicas, para secuestrar el H2SO4 y HNO3. Sin embargo, debido a su naturaleza porosa y el pequeno diametro de sus partmulas, el serrin sin combustion resulta muy eficaz para adsorber el resto de sustancias citadas en este documento.
Las cenizas del serrln, por el contrario, carecen de su porosidad. Es conocido por el experto en la materia que una sustancia organica, con partlculas de granulometrla pequena y de naturaleza porosa, tal como el serrln de madera, es un buen medio de adsorcion de contaminantes.
En resumen, el serrln tras su combustion, es decir cenizas de serrln, es un agente con capacidad de retention de los acidos sulfurico y nltrico. Y el serrln sin combustion, posee capacidad de retencion del NH3, SO2, SO3, NO y NO2, debido entre otros factores a su granulometrla y porosidad.
De lo descrito hasta ahora se desprende que resulta particularmente interesante la division del serrln en dos fracciones. Una primera fraction para incorporation con el estiercol, antes de la entrada a la caldera, para que entre en combustion y se formen cenizas de serrln. Una segunda fraccion, para ser anadida a la salida de la caldera, de modo que no sufra combustion y no forme cenizas.
Adicionalmente, los investigadores han comprobado experimentalmente que la diatomita resulta ser una sustancia de especial interes para la adsorcion especlfica del SO2 y del SO3. La diatomita es una sustancia conocida por el experto en la materia de los procesos y tecnologlas de filtration, donde se emplea como un polvo con capacidad de adsorber partlculas en disolucion y/o suspension en agua. Dado que la mayor parte del SO2 y SO3 se forman tras la combustion del estiercol, el punto idoneo para la adicion de la diatomita se encuentra aguas abajo de la caldera, al igual que la segunda fraccion de serrln, ya mencionada.
Es decir, la primera fraccion del serrln se adiciona al estiercol aguas arriba de la caldera, y la segunda fraccion y la diatomita son a adicionar aguas abajo de la caldera. Para garantizar una correcta mezcla entre los gases de salida de la caldera y la segunda fraccion del serrln y la diatomita, se debe establecer un regimen de flujo turbulento, tal y como conocera el experto en la materia. Los reglmenes turbulentos se caracterizan por la presencia de una gran cantidad de torbellinos, los cuales aceleran la mezcla de todas las sustancias presentes. Por otra parte, los inventores han comprobado que la adsorcion sobre partlculas de serrln y/o diatomita es mayor si la mezcla se produce con un incremento de temperatura. Es decir, si se mezclan gases de salida con serrln y/o diatomita en un proceso a temperatura constante, la capacidad de adsorcion de sustancias corrosivas por parte del serrln y/o diatomita es inferior que si dicha mezcla ocurre con una temperatura en ascenso. A modo de ejemplo ilustrativo, se ha encontrado especialmente interesante la presencia de un aumento del 25% de la temperatura durante el proceso de mezcla. Una explication a este fenomeno puede ser que cuando la temperatura esta en aumento, es decir varla con respecto al tiempo, se inducen unos gradientes termicos que provocan el fenomeno flsico de la termoforesis, el cual tiende a aglomerar partlculas. El fenomeno de la termoforesis es conocido por el experto en la materia y no se consideran necesarias mayores explicaciones.
Una forma de provocar tanto un flujo turbulento como un incremento de temperatura, comprende la disposition de un soplador de aire aguas abajo de la caldera, y de forma particularmente interesante un soplador que comprima el aire a su salida hasta 2,2 bares de presion absoluta. En una caldera tlpica los gases salen a una presion ligeramente inferior a la atmosferica, que tras pasar por el mencionado soplador toman una presion absoluta de 2,2 bares. La agitation que provoca el soplador produce un regimen turbulento, y el incremento de presion hasta los 2,2 bares incrementara la temperatura aproximadamente el 25% mencionado; por ejemplo desde 100°C hasta 125°C.
Una desventaja aparece en relation al uso de la diatomita con el soplador: presenta tendencia a erosionar y desgastar prematuramente los alabes del mismo. Por tanto, se contempla la solution que comprende la adicion de la diatomita aguas abajo del soplador; al contrario que la segunda fraction del serrln, que se introduce preferentemente aguas arriba, por no presentar este efecto de erosion.
La presente invention contempla como realization particular que despues del soplador se situe una chimenea, y entre el soplador y la chimenea se disponga un separador ciclon, dispositivo ampliamente conocido por experto en la materia. Este separador permite la decantation de las partlculas solidas que la corriente gaseosa lleve en suspension. Mas especlficamente, permite la decantacion de las partlculas de serrln y diatomita, las cuales llevan adsorbida una alta carga de sustancias toxicas y corrosivas. Al ser decantadas, se evita que sean emitidas a la atmosfera, se recogen en un recipiente a tal efecto y pueden ser tratadas de forma selectiva para su descontaminacion.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invencion, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Esquema unifilar de un sistema para combustion de estiercol objeto de la presente invention.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
En la Figura 1 se observa un esquema unifilar de una realization particular de la presente invencion. El objetivo principal de la misma es incinerar estiercol (1) para la production de aceite termico a alta temperatura en una caldera de biomasa (4). El sistema minimiza los riesgos tradicionalmente asociados a la combustion de estiercol (1).
Se dispone de una acumulacion de estiercol (1) a incinerar, la cual se deposita sobre un tornillo sinfln (3) que alimenta a una caldera de biomasa (4). En dicho tornillo (3) se deposita tambien una primera fraction de serrln de madera (2), de forma que se obtiene una mezcla de estiercol (1) y serrln (2), la cual es transportada por el tornillo (3) hacia el interior de la caldera (4). La propia action del tornillo (3) contribuye a mezclar adecuadamente el estiercol (1) y el serrln (2). El tornillo (3) dosifica la mezcla hacia el interior de la caldera (4), donde entra en combustion y produce cenizas.
La mezcla de estiercol (1) y serrln (2) arde en la caldera (4) y produce energla termica. Fruto de esta combustion se producen unos humos calientes que abandonan la caldera (4) a traves de un conducto de salida que pasa por un soplador (5), el cual comprime los gases desde 1 bar hasta 2.2 bares de presion absoluta. Entre la caldera (4) y el soplador (5) se introduce una segunda fraccion de serrln (2), que entra sin haber pasado por la caldera (4); es decir, es un serrln sin quemar.
Aguas abajo del soplador (5) se introduce diatomita (8), una sustancia con gran poder de adsorcion del SO2 y el SO3. El soplador (5) impulsa tanto a la mezcla de estiercol (1) con la primera fraccion del serrln (2), como a la diatomita (8) y segunda fraccion del serrln (2), hacia un separador ciclon (6). Este separador (6) permite decantar las cenizas que se hayan formado, as! como la diatomita (8) y las partlculas de la segunda fraccion del serrln. Los materiales decantados contienen una carga importante de las sustancias toxicas y corrosivas, y se llevan a un servicio de descontaminacion.
Los gases que abandonan el separador ciclon (6), libres de una gran carga toxica y corrosiva, son conducidos hasta una chimenea (7), por la que salen a la atmosfera.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. - Sistema integral de combustion de estiercol, para su revalorization como energla termica, caracterizado porque comprende la introduction en una caldera de biomasa de una mezcla de estiercol con serrln de madera, llamada primera fraction de serrln, de modo tal que se reducen los efectos negativos de las sustancias toxicas y corrosivas del estiercol.
    2. - Sistema segun la revindication anterior, caracterizado porque se anade una cantidad adicional de serrln, llamada segunda fraccion de serrln, aguas abajo de la caldera, de modo tal que se reduzcan los efectos negativos de las sustancias toxicas y corrosivas del estiercol.
    3. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se adiciona diatomita aguas abajo de la caldera, de modo tal que se reduzcan los efectos negativos de los agentes toxicos y corrosivos.
    4. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los gases que salen de la caldera son comprimidos por un soplador.
    6. - Sistema segun las reivindicaciones 2, 3 y 4, caracterizado porque la segunda fraccion del serrln se introduce aguas arriba del soplador y la diatomita aguas abajo del soplador.
    7. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los gases de salida de la caldera se hacen pasar por un separador ciclon que permite la decantation de partlculas con contenido en sustancias toxicas y corrosivas.
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