ES2727960T3 - Método y dispositivo para gasificar materia prima - Google Patents

Abstract

Un gasificador incluyendo: una pluralidad de tubos unidos y colocados verticalmente que tienen una pared interior, una pared exterior, un extremo próximo y un extremo distal, donde el extremo próximo proporciona una entrada y el extremo distal proporciona una salida; al menos tres zonas de reacción contiguas incluyendo una zona de pirólisis (20) inclinada hacia una convergencia central, seguida de una zona de oxidación (30) donde el tubo correspondiente a la zona de oxidación está dilatado en el medio, seguida de una zona de reducción (40) donde la pared interior del tubo correspondiente a la zona de reducción tiene un diámetro más grande que el tubo correspondiente a la zona de oxidación, formando un escalón entre la zona de oxidación y la zona de reducción; al menos dos anillos de entradas de aire presurizado (31, 32) situadas dentro de la zona de oxidación para inyectar una corriente oxidante, donde al menos uno de los al menos dos anillos de entradas de aire presurizado está situado alrededor del medio dilatado del tubo correspondiente a la zona de oxidación; donde el gasificador está configurado para ser controlado por un sistema de control, estando configurado el sistema de control para regular el volumen, la velocidad y la presión de la corriente oxidante inyectada a través de los al menos dos anillos de entradas de aire a presión; y una parrilla rotativa y verticalmente ajustable (50) colocada debajo de la zona de reducción (40), pero no unida a ella; donde el gasificador es un gasificador de corriente descendente de núcleo parcialmente abierto usado para gasificación de materia prima.

Description

DESCRIPCIÓN

Método y dispositivo para gasificar materia prima

La invención se refiere a tecnología y equipo termoquímicos, en particular, a procesos y aparatos para gasificar biomasa sólida, residuos domésticos e industriales, combustibles fósiles, así como otra materia prima conteniendo carbono usando gasificación de corriente descendente.

Antecedentes

La gasificación es un proceso continuo de descomposición térmica en el que materiales orgánicos o carbonosos sólidos (materia prima) se descomponen a una mezcla de gas combustible. Los componentes de gas combustible formados son primariamente monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2) y metano (CH4). Otros gases no combustibles, tales como nitrógeno (N2), vapor (H2O) y dióxido de carbono (CO2), también están presentes en varias cantidades. El proceso de gasificación implica pirólisis seguida de oxidación parcial, que es controlada inyectando aire u otros gases conteniendo oxígeno a la materia prima parcialmente pirolizada. Más específicamente, la gasificación de biomasa es una secuencia de reacciones incluyendo evaporación de agua, descomposición de lignina, deflagración celulósica y reducción de carbono. Una fuente de calor externa comienza la reacción, pero la oxidación parcial proporciona calor para mantener la descomposición térmica de la materia prima. Si se usa oxígeno concentrado, la mezcla de gas resultante se denomina gas de síntesis. Si se usa aire (que incluye nitrógeno) como el oxidante, la mezcla de resultante se denomina Gas de Gasógeno. Para simplicidad, el término “Gas de Gasógeno” en el sentido en que se usa aquí incluirá tanto gas de síntesis como gas de gasógeno. Ambas mezclas de gas se consideran un “gas combustible” y pueden ser usadas como sustitución del gas natural en muchos procesos. También se pueden usar como un precursor para generar varias sustancias químicas industriales y combustibles para motores. Cuando se usa biomasa como la materia prima, se considera que la gasificación y la combustión del Gas de Gasógeno son una fuente de energía renovable.

En general, la gasificación ofrece una alternativa más eficiente, de costo razonables e inocua para el medio ambiente para extraer energía potencial de materia prima sólida en comparación con la combustión. Como resultado de la gasificación, la energía potencial de la materia prima puede ser convertida a Gas de Gasógeno, que es de combustión más limpia, compresible y más portátil. El Gas de Gasógeno puede quemarse directamente en algunos motores y quemadores, purificarse para producir metanol e hidrógeno, o convertirse mediante el método de Fischer-Tropsch y otros métodos y procesos a combustible líquido sintético.

Hay tres procesos de gasificación ordinarios: gasificación de lecho fluidizado, gasificación de corriente ascendente y gasificación de corriente descendente. La presente invención es un gasificador de corriente descendente mejorado. Por lo tanto, solamente se ofrece una breve descripción de la gasificación de lecho fluidizado y de la gasificación de corriente ascendente, que va seguida de una explicación más amplia de la gasificación de corriente descendente actual.

Gasificación de corriente ascendente

El gasificador de lecho fijo en contracorriente (“de corriente ascendente”) consta de un lecho fijo de materia prima encima de una parrilla grande a través de la que suben vapor, oxígeno y/o flujo de aire. Los gasificadores de corriente ascendente requieren típicamente materia prima que sea resistente y no propensa a formación de torta o grumos de modo que se forme un lecho permeable. El gasificador de corriente ascendente consta de un lecho de materia prima a través del que el oxidante (vapor, oxígeno y/o aire) fluye desde la parte inferior y sale a través de la parte superior en forma de gas. Los gasificadores de corriente ascendente son térmicamente eficientes porque los gases ascendentes pirolizan y secan la biomasa entrante, transfiriendo calor de modo que el Gas de Gasógeno saliente se enfría cuando sale del gasificador. Sin embargo, cantidades significativas de alquitrán están presentes en el Gas de Gasógeno, de modo que se debe limpiar extensamente antes del uso, a no ser que se queme en el punto de generación. El alquitrán puede ser reciclado al gasificador, pero la extracción de alquitrán es complicada y costosa. El gasificador de corriente ascendente ha sido el estándar de la gasificación de carbón durante 150 años y también es popular en hornos de cocción de biomasa.

Gasificación de lecho fluidizado

En un gasificador de lecho fluidizado, el oxidante es soplado a través de un lecho de partículas sólidas a una velocidad suficiente para mantener las partículas sólidas en un estado de suspensión. La materia prima es introducida al gasificador, se mezcla muy rápidamente con el material de lecho y se calienta casi de forma instantánea a la temperatura del lecho externamente o usando un medio de transferencia de calor. La mayoría de estos gasificadores de lecho fluidizado están equipados de un ciclón interno con el fin de minimizar el carbón (transportado en la corriente de Gas de Gasógeno) y quitar medio fluidizante del Gas de Gasógeno. Las ventajas principales incluyen la flexibilidad de la materia prima y la capacidad de controlar fácilmente la temperatura de reacción, que permite la gasificación de materiales de grano fino (serrín, etc) sin la necesidad de preprocesamiento. Los gasificadores de lecho fluidizado también se escalan muy bien a tamaños grandes. Por desgracia, surgen problemas de alimentación, inestabilidad del lecho, acumulación de carbono residual y sinterización de ceniza en los canales de gas. Otros inconvenientes incluyen alto contenido de alquitrán del Gas de Gasógeno (hasta 500 mg/m3 de gas), eficiencia relativamente baja y pobre respuesta a cambios de carga. Debido a altos costos operativos y de mantenimiento, este tipo de gasificación está económicamente limitado a aplicaciones a gran escala, típicamente superiores a 100 toneladas al día.

Gasificación de corriente descendente

En la gasificación de corriente descendente, toda la materia prima, el aire y los gases fluyen en la misma dirección -de arriba abajo. Aunque la gasificación de corriente ascendente es típicamente mejor para el procesamiento de materia prima de biomasa y la gasificación de lecho fluido se utiliza típicamente en la gasificación de carbón, el proceso de gasificación de corriente descendente tiene varias ventajas. Una ventaja de la gasificación de corriente descendente son los bajos niveles de alquitrán presentes en el Gas de Gasógeno resultante porque los alquitranes generados durante la pirólisis deben pasar a través de la Zona de Oxidación (definida más adelante) y el lecho de carbón en la Zona de Reducción (definida más adelante) antes de salir del gasificador. La temperatura alta de la Zona de Oxidación y la parte superior del lecho de carbón descomponen los alquitranes (es decir, craqueo térmico). El resultado es un Gas de Gasógeno que puede ser enfriado y más fácilmente limpiado para uso en motores alternativos, turbinas de gas y procesos de reformación catalítica.

Los procesos actuales de gasificación de corriente descendente tienen algunas desventajas significativas que han evitado su adopción difundida. Estas desventajas son: (1) la materia prima debe ser preprocesada a tamaños estándar con propiedades químicas similares (sin mezclar tipos diferentes de materia prima o trozos de diferente tamaño) para permitir la gasificación continua sin puentear (es decir, atascar) el dispositivo o perturbar la calidad del Gas de Gasógeno; (2) la materia prima debe tener un rango estandarizado de componentes volátiles; (3) la materia prima debe tener un contenido calorífico estandarizado (es decir, btu/lb); (4) por lo general, el gasificador debe pararse frecuentemente para limpieza y extracción del exceso de carbón que se acumula en la parte inferior del gasificador; (5) el Gas de Gasógeno creado es de calidad inconsistente, y el gasificador es menos productivo y menos eficiente debido a los cambios de temperatura producidos por las frecuentes paradas y variaciones de la materia prima; (6) los gasificadores no permiten la reconfiguración durante la operación y deben pararse cada vez que la reacción de oxidación se aparta de su posición diseñada en el gasificador; (7) los gasificadores no son térmicamente estables durante largos períodos de tiempo y pierden eficiencia (o se funden); y (8) los gasificadores no permiten mover la posición de la reacción de oxidación en tándem con la Zona de Reducción para compensar las condiciones diferentes requeridas para gasificar tipos diferentes de materia prima y generar diferentes relaciones de componentes de Gas de Gasógeno. Pero la desventaja más significativa de los gasificadores de corriente descendente actuales es que (9) requieren la carga de solera de tal manera que la Zona de Oxidación, también la zona más caliente del gasificador, sea diseñada con un punto de restricción sustancial (es decir, una restricción de aproximadamente la mitad del diámetro de las otras secciones del gasificador).

En un gasificador de corriente descendente ideal hay tres zonas: una Zona de Pirólisis, una Zona de Oxidación y una Zona de Reducción (definidas más adelante). En tal gasificador ideal, (1) el tiempo de residencia de materia prima podría ser controlado en la Zona de Oxidación (con relación al flujo de materia prima a través del resto del gasificador) para que la cantidad máxima de materia prima pueda experimentar gasificación antes de pasar de la Zona de Oxidación a la Zona de Reducción y (2) la Zona de Reducción se diseñaría para hacer que el gas caliente producido en la Zona de Oxidación se mezcle con el carbón en la Zona de Reducción tan rápida y completamente como sea posible para promover la gasificación completa. Por desgracia, la zona de restricción en los actuales gasificadores impide en gran medida que el volumen general de materia prima pueda ser movido a través de tal gasificador y perturba el flujo general y la salida de Gas de Gasógeno.

Las zonas de restricción que hay en los gasificadores de la técnica anterior se denominan comúnmente garganta y solera, que son un diseño intencional en los actuales gasificadores de corriente descendente dictado por la teoría predominante, la Teoría de la Velocidad Superficial.

La Velocidad Superficial (SV) se mide como:

SV = Tasa de producción de gas/área en sección transversal = (m3/s)/(m2)= m/s

donde s = tiempo y m = distancia.

La Teoría de la Velocidad Superficial, cuando se utiliza para diseñar gasificadores de corriente descendente, dicta que una velocidad superficial más alta del gas en la Zona de Oxidación significa un Gas de Gasógeno más limpio y que se producirá menos subproducto de carbón.

La restricción física que exige la Teoría de la Velocidad Superficial en la Zona de Oxidación propiamente dicha limita tanto la entrada como la salida de materia prima en los gasificadores de corriente descendente tradicionales. Sería preferible controlar la velocidad de la materia prima en la zona de restricción independientemente de su velocidad en todo el resto del gasificador con el fin de promover la gasificación completa y de reducir la producción de subproducto de carbón.

Lo que se necesita es un diseño de gasificador de corriente descendente que permita controlar el caudal de materia prima cuando pasa a través de la Zona de Oxidación con mínima restricción con el fin de mejorar el volumen general y el flujo de materia prima que pasa a través del gasificador. Gasificadores según la técnica anterior son conocidos por WO2010/095025 y WO88/00230.

Resumen

El objetivo de la invención se logra con un gasificador según la reivindicación 1 y un método según la reivindicación 8.

La invención descrita es un gasificador incluyendo una pluralidad de tubos unidos y colocados verticalmente. Los tubos tienen una pared interior y una pared exterior y un extremo próximo y otro distal donde el extremo próximo proporciona una entrada y el extremo distal proporciona una salida. El gasificador tiene tres zonas de reacción separadas: (1) una Zona de Pirólisis; (2) una Zona de Oxidación debajo de la Zona de Pirólisis; y (3) una Zona de Reducción debajo de la Zona de Oxidación. Una parrilla rotativa y verticalmente ajustable está situada debajo de, pero no unida a, la Zona de Reducción. A diferencia de otros gasificadores, éste es un gasificador de núcleo parcialmente abierto sin un sellado hermético en el extremo distal del gasificador.

Opcionalmente, se coloca una Zona de Secado encima de la Zona de Pirólisis de modo que el calor del gasificador pueda ser usado para secar materia prima antes de entrar en el gasificador. En la operación, se alimenta materia prima a la Zona de Pirólisis (directamente o por medio de la Zona de Secado). La gravedad hace que la materia prima se desplace hacia abajo a través de las tres zonas de reacción, saliendo el Gas de Gasógeno y el subproducto de residuo y ceniza de carbono formados después de haber gasificado la materia prima de biomasa (“Biocarbón”) a través de la parrilla en la parte inferior del gasificador a canaletas de recogida. El Biocarbón es separado del Gas de Gasógeno por gravedad.

El Gas de Gasógeno también sale a través de la parrilla y es recogido por agujeros de recogida en los lados de las canaletas de recogida. La presión dentro de las canaletas de recogida es una función de los tubos conectados a los agujeros de recogida de gas y la maquinaria unida a los tubos hacia abajo del gasificador (es decir, motores, cámaras de recogida, etc). La presión del gasificador no depende de la presión de las canaletas de recogida.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 representa una vista frontal cortada de un gasificador.

La figura 2 representa una vista lateral cortada de un gasificador.

La figura 3 representa la vista frontal exterior de un gasificador.

La figura 4 representa la vista lateral exterior de un gasificador.

La figura 5 representa una vista frontal cortada de un gasificador con dimensiones indicadas en pulgadas. Los valores equivalentes en unidades del SI son los siguientes: 285,50 pulgadas son aproximadamente 725,20 cm; 214,00 pulgadas son aproximadamente 543,6 cm; 179,62 pulgadas son aproximadamente 456,20 cm; 174,00 pulgadas son aproximadamente 442,0 cm; 124,00 pulgadas son aproximadamente 314,96 cm; 84,00 pulgadas son aproximadamente 213,4 cm y 0,00 pulgadas es 0 cm.

La figura 6 representa una vista lateral cortada de un gasificador con dimensiones indicadas en pulgadas. Los valores equivalentes en unidades del SI son los siguientes: 130,00 pulgadas son aproximadamente 330,2 cm; 95,00 pulgadas son aproximadamente 241,3 cm; 90,00 pulgadas son aproximadamente 228,6 cm; 80,00 pulgadas son aproximadamente 203,2 cm; 71,00 pulgadas son aproximadamente 180,34 cm; 70,00 pulgadas son aproximadamente 177,8 cm; 69,25 pulgadas son aproximadamente 175,9 cm; 50,00 pulgadas son aproximadamente 127 cm; 40,00 pulgadas son aproximadamente 101,6 cm y 30,00 pulgadas son aproximadamente 76,2 cm.

La figura 7 representa una vista lateral cortada de un gasificador que ilustra la porción más densa de un gradiente inducido y otro arrastrado.

La figura 8 representa una vista en perspectiva cortada de un gasificador que ilustra la porción más densa de un gradiente inducido y otro arrastrado.

La figura 9 representa una vista lateral cortada de un gasificador con una banda de oxidación.

La figura 10 representa una vista en perspectiva cortada de un gasificador con una banda de oxidación.

La figura 11 representa una vista en perspectiva de un bastidor de parrilla.

La figura 12 representa una vista superior de un bastidor de parrilla.

La figura 13 representa una vista en perspectiva de una parrilla montada que tiene una ranura en espiral.

La figura 14 representa una vista frontal de una parrilla montada que tiene agujeros cortados en la parrilla.

La figura 15 representa una vista en perspectiva de segmento extraíble de una parrilla.

La figura 16 representa una vista superior de un segmento extraíble de una parrilla.

La figura 17 representa una vista lateral cortada de un gasificador con flechas que ilustran el proceso de gasificación.

Descripción detallada

Definiciones

La lista siguiente de términos definidos no tiene la finalidad de ser limitativa o general, sino simplemente de proporcionar una herramienta de consulta rápida para la comprensión de la invención. Otros términos definidos se escriben con mayúscula inicial en otras secciones de este documento donde se usan. Los términos escritos con mayúscula inicial incluirán todas las variantes, versiones singulares y/o plurales de los términos usados en este documento.

“Corriente Oxidante de Lecho” o “Aire de Lecho” significa la Corriente Oxidante que entra en el gasificador a través de entradas (es decir, Entradas de Aire no Plano) colocadas encima de la Zona de Pirólisis (o la Zona de Secado opcional).

“Biocarbón” significa el subproducto de residuo y ceniza de carbono formado después de que una materia prima de biomasa ha sido gasificada.

“Derivación” significa el “intervalo” entre la parte superior de la parrilla situada debajo del gasificador y la abertura en la parte inferior de la Zona de Reducción, que también puede denominarse el escalón de parrilla.

“Sistema de Control” significa un sistema operativo, que incluye múltiples mecanismos de control y software coordinado para que un usuario/operador ajuste variables de un gasificador tales como la rotación y la altura de la parrilla, la entrada de materia prima y las Corrientes Oxidantes.

“Zona de Secado”, con respecto al gasificador, significa una zona donde la materia prima es secada antes de entrar en una Zona de Pirólisis, siendo dicha Zona de Secado un depósito de varios o extensión del gasificador encima de la Zona de Pirólisis, pero alternativamente puede ser una zona y/o componente/unidad separado del gasificador. En el contexto del proceso de gasificación, la “Zona de Secado” significa la fase donde se seca la materia prima.

“Vía de Flujo de Gasificador” significa el recorrido, generalmente hacia el medio de un gasificador, donde la materia prima se mueve más rápida, es gasificada, y el Gas de Gasógeno y Biocarbón resultantes siguen avanzando a una Zona de Reducción y salen del gasificador a través de una parrilla.

“Corriente Oxidante” significa aire u otros gases conteniendo oxígeno.

“Banda de Oxidación”, con respecto a un gasificador, significa la posición donde tiene lugar la reacción de gasificación primaria. La Banda de Oxidación es donde las Corrientes Oxidantes convergen y, conjuntamente con el calor procedente del gasificador y la presencia de materia prima, el gasificador oxida rápidamente la materia prima en una banda estrecha de caliente gas blanco que se extiende a través del diámetro de un gasificador. En el contexto del proceso de gasificación, la “Banda de Oxidación” significa la fase más caliente de la reacción de gasificación.

“Zona de Oxidación”, con respecto al gasificador, significa una zona de un gasificador que sube y se aleja de una Banda de Oxidación. La forma general de la Zona de Oxidación es de un tubo hueco, teniendo el tubo una entrada y una salida de aproximadamente el mismo tamaño, pero está dilatado en el medio. En el contexto del proceso de gasificación, la “Zona de Oxidación” significa una fase donde la materia prima cambia a un gas.

“Entradas de Aire Plano” significa entradas de aire presurizado usadas para inyectar Corrientes Oxidantes presurizadas a un gasificador. En los gasificadores existentes, se usan toberas para dejar que entre aire pasivamente a un gasificador, pero, en cambio, las Entradas de Aire Plano están presurizadas para inyectar Corrientes Oxidantes al gasificador.

“Corriente de Oxidante Plano” o “Aire Plano” significa una Corriente Oxidante que entra en un gasificador a través de las Entradas de Aire Plano.

“Seguro de Presión” significa un conjunto de seguro de presión con una válvula en su parte superior y otra válvula en su parte inferior, estando situado el seguro de presión en la parte superior de un gasificador.

“Onda de Presión” significa la presión diferencial entre el centro de la Banda de Oxidación y la pared de la Zona de Oxidación, que empuja materia prima hacia la pared de un gasificador formando un gradiente inducido de materia prima encima de la Banda de Oxidación (“Gradiente Inducido de Materia Prima”) y un gradiente arrastrado de Biocarbón debajo de la Banda de Oxidación (“Gradiente de Biocarbón Arrastrado”).

“Gas de Gasógeno” significa la mezcla de gas combustible creada por gasificación de materia prima e incluye tanto gas de síntesis como Gas de Gasógeno.

“Corriente Oxidante de Purga” o “Aire de Purga” significa la Corriente Oxidante mezclada con materia prima antes de que la materia prima entre en la Zona de Pirólisis (o la Zona de Secado opcional).

“Zona de Pirólisis”, con respecto a un gasificador, significa la zona del gasificador donde la materia prima comienza a fluidizar y descomponerse antes de pasar a la Zona de Oxidación. La forma general de la Zona de Pirólisis puede ser del rango desde un tubo hueco a un cono hueco invertido. En el contexto de un proceso de gasificación, la “Zona de Pirólisis” significa la fase donde la materia prima comienza a fluidizar y descomponerse.

“Zona de Reducción”, con respecto a un gasificador, significa la zona del gasificador donde el Gas de Gasógeno se mezcla con Biocarbón, enfría y produce Gas de Gasógeno adicional. La forma general de la Zona de Reducción es la de un tubo hueco, que es más ancho que la salida de la Zona de Oxidación. En el contexto del proceso de gasificación, la “Zona de Reducción” significa la fase donde el Gas de Gasógeno se mezcla con Biocarbón.

Visión general de las Zonas de Gasificador

La presente invención se refiere a un método y aparato para gasificar materia prima de biomasa conteniendo carbono. El gasificador incluye una pluralidad de tubos unidos y colocados verticalmente. Los tubos tienen una pared interior y una pared exterior y un extremo próximo y otro distal donde el extremo próximo proporciona una entrada y el extremo distal proporciona una salida. El gasificador tiene tres zonas de reacción secuenciales separadas: (1) una Zona de Pirólisis; (2) una Zona de Oxidación debajo de la Zona de Pirólisis; y (3) una Zona de Reducción debajo de la Zona de Oxidación. Una parrilla rotativa y verticalmente ajustable está situada debajo de la Zona de reducción, pero no unida a ella. A diferencia de otros gasificadores, éste es un gasificador de núcleo parcialmente abierto; no hay pared inferior hermética que selle la Zona de Reducción o la parte inferior del gasificador propiamente dicho. Las figuras 1 y 2 muestran una vista frontal cortada de un gasificador. Este gasificador de corriente descendente es un gasificador de cambio de fase termoquímica, asistido por gravedad, de flujo paralelo, secuencial, que tiene al menos tres zonas: una Zona de Pirólisis 20, una Zona de Oxidación 30 y una Zona de Reducción 40. El gasificador oxida parcialmente una porción de la materia prima, que libera suficiente energía de activación térmica para iniciar una reacción de cambio de fase termoquímica de sólido a gas de la materia prima restante a Gas de Gasógeno. El proceso de gasificación es una secuencia de reacciones incluyendo evaporación de agua, descomposición de lignina, deflagración celulósica y reducción de carbono y se controla inyectando Corrientes Oxidantes a la materia prima parcialmente pirolizada. Aunque la presente invención se describirá en el contexto de un método y aparato para procesar biomasa, los principios descritos pueden aplicarse a otros muchos tipos de materia prima y varias realizaciones serán fácilmente evidentes a los expertos en la técnica.

El interior de todo el gasificador está recubierto con carburo de sílice, óxido de sílice, óxido de aluminio, aleaciones refractarias, otra cerámica u otro material de propiedades similares que sea estable a altas temperaturas. Los materiales no volátiles y no gasificados se separan del Gas de Gasógeno por gravedad cuando estos materiales caen a la parte inferior del gasificador. Este gasificador de alta eficiencia convierte la energía química potencial de la materia prima a Gas de Gasógeno, siendo la cantidad media de Biocarbón generado de aproximadamente 1%-10% en peso de la materia prima original.

Las figuras 3 y 4 muestran vistas frontal y lateral exteriores de un gasificador. La materia prima baja en el gasificador cuando tiene lugar gasificación. Cuando el gasificador llega a un estado operativo de régimen (es decir, el estado donde cada zona del gasificador ha alcanzado una temperatura constante y sostenida), se forma un gradiente de temperatura vertical dentro del gasificador y la materia prima se estratifica en una secuencia de capas o zonas aproximadamente correspondientes a la Zona de Pirólisis 20, la Zona de Oxidación 30 y la Zona de Reducción 40 en base a los pasos del proceso de gasificación. No hay límites fijos entre estas zonas, sino que, en cambio, los límites son contiguos. Por lo tanto, hay gradientes de transición que tienen propiedades mezcladas de cada una de las zonas adyacentes (es decir, la pirólisis de materia prima puede comenzar en la Zona de Secado 10 y la oxidación puede comenzar en la Zona de Pirólisis 20). La materia prima se mantiene a un nivel por encima de la Zona de Pirólisis 20 y es empujada hacia abajo a través de la Zona de Pirólisis 20 por gravedad de modo que la materia prima descendente sustituye a la materia prima que ha sido gasificada. Los gases y la materia prima fluyen en una dirección hacia abajo dentro del gasificador. Los materiales sólidos fluyen a través del gasificador por gravedad. Los gases se desplazan hacia abajo a través del gasificador por presión diferencial.

Los sólidos (por ejemplo, materia prima y Biocarbón) se mantienen dentro del gasificador por una parrilla rotativa verticalmente ajustable 50 situada justo debajo de la Zona de Reducción 40 del gasificador, como se representa en las figuras 1, 2, 3 y 4. El tiempo de residencia de sólidos dentro del gasificador es controlado por la velocidad rotacional de la parrilla 50, la posición vertical de la parrilla 50, y la tasa de gasificación (es decir, el cambio de fase) dentro del gasificador. El Biocarbón se acumula encima de la parrilla 50 y actúa como un seudocierre hermético para la parte inferior del gasificador, que entonces permite que el gasificador se presurice, y mantenga la presurización incluso cuando sale de forma continua Biocarbón del gasificador. El Biocarbón cae de la parte inferior del gasificador a través de la parrilla rotativa 50 o sale por la Derivación 49. Una vez que el Biocarbón cae de la parrilla 50 o la Derivación 49, cae a una o varias canaletas de recogida 60 debajo de la parrilla 50 y luego a una caja de residuos 90, donde es sacado del gasificador por un tornillo sinfín 91.

En una realización, las zonas del gasificador incluyen: la Zona de Secado 10, la Zona de Pirólisis 20, la Zona de Oxidación 30, la Zona de Reducción 40 con una parrilla 50 situada debajo del gasificador. Debajo del gasificador hay agujeros de recogida de gas 70, canaletas de recogida de Biocarbón 60 y una caja de residuos de Biocarbón 90. Las figuras 5 y 6 muestran unas vistas frontal y lateral cortadas de un gasificador con dimensiones.

La Zona de Secado (opcional)

Descripción general, tamaño y funcionamiento

En la Zona de Secado 10, la humedad de dentro de la materia prima se evapora como se expone al calor radiante que emite la Zona de Oxidación 30. El vapor de agua fluye hacia abajo a través de la Zona de Pirólisis 20 hacia la Zona de Oxidación 30 junto con la Corriente Oxidante de Lecho y la Corriente Oxidante de Purga que son alimentadas al gasificador. Las temperaturas en la Zona de Secado 10 pueden variar ampliamente dependiendo de cómo opere el gasificador. A modo de ejemplo, para virutas de madera con un contenido de humedad de 25%, el rango normal de temperatura en la Zona de Secado 10 es de aproximadamente 100 a 300°F (de aproximadamente 40°C a 150°C). La profundidad de la Zona de Secado 10 en una realización puede ser de entre cero y seis pies de alto (aproximadamente 180 cm). Esta profundidad puede aumentar con el contenido de humedad de la materia prima, el tamaño del gasificador y la realización del gasificador usado. El calor radiante procedente de la Zona de Oxidación 30 mueve los procesos de evaporación. Sin embargo, el precalentamiento de la Corriente Oxidante de Lecho y la Corriente Oxidante de Purga puede acelerar el proceso de secado.

El secado de la materia prima dentro del gasificador es un proceso endotérmico, y por ello se precisa energía (es decir, calor) para secar y liberar agua de la materia prima en forma de vapor, que ayuda a las reacciones que tienen lugar después. Cuanto más húmeda está la materia prima, más energía requiere la Zona de Secado 10.

El cambio físico primario en la Zona de Secado 10 es:

H2O(l) Calor —— H2O(g)

donde “H” es Hidrógeno, “O” es oxígeno, “l” es líquido, y “g” es gas.

Descripción del Mecanismo de Alimentación e Indicadores de Nivel de Llenado

Dado que el gasificador está presurizado durante la operación, se puede usar un Seguro de Presión para introducir materia prima al gasificador manteniendo al mismo tiempo la presión del gasificador. Una válvula superior del Seguro de Presión se abre para introducir materia prima en el Seguro de Presión y luego se cierra. El interior del Seguro de Presión se presuriza para adaptación a la presión de aire de la Zona de Pirólisis 20 (o la Zona de Secado opcional 10), que puede ser controlada por el usuario a través de los Sistemas de Control, antes de que una válvula inferior se abra dejando que la materia prima salga del Seguro de Presión y entre en el gasificador a la presión de aire ajustada.

El Seguro de Presión puede fabricarse a partir de materiales tales como tubo de acero al carbono sin costura Schedule 40, bridas de acero de clase 150 libras y válvulas de compuerta deslizante de clase 150 libras estándar, tal como válvulas de guillotina. Este conjunto de Seguro de Presión puede estar integrado en el diseño del equipo y usar un par de válvulas de guillotina industriales estándar con un tubo entre ellas. El tubo en una realización puede ser tubo Schedule 40 de 18” orientado verticalmente. La longitud del tubo puede ajustarse dependiendo del método de distribución de materia prima y el volumen deseado. Un ejemplo de un Seguro de Presión tiene una longitud de 72 pulgadas (aproximadamente 180 cm), que proporcionará 100-120 libras (aproximadamente 45-54 kg) de materia prima por vaciado de materia prima a la Zona de Secado 10 (si es aplicable) o la Zona de Pirólisis 20. En una realización, en el tubo van montados acoplamientos roscados para recibir (1 ) un interruptor de nivel, tal como un interruptor rotativo de nivel, interruptor de límite, interruptor fotónico o un interruptor láser, y (2) un transmisor de presión, y (3) una línea de suministro de aire presurizado.

El usuario final puede automatizar el proceso de llenado de materia prima del gasificador con un temporizador o usando un sensor de microondas u otro indicador de nivel de llenado adecuado, para detectar la presencia de materia prima al nivel de llenado en el gasificador y también en el Seguro de Presión (“Indicadores de Nivel de Llenado”). La Zona de Secado 10 del gasificador puede tener uno o varios Indicadores de Nivel de Llenado 12 capaces de funcionar en entornos de temperatura alta. Una vez que el Indicador de Nivel de Llenado 12 detecta que el nivel de materia prima es bajo, se pone en marcha el mecanismo de alimentación automática. Un diseño de gasificador con múltiples Indicadores de Nivel de Llenado 12 permite más opciones al elegir la altura del lecho de materia prima al usar un sistema de llenado automático.

En una realización, la válvula superior del Seguro de Presión se abre y un mecanismo de carga con cuchara vierte materia prima al Seguro de Presión hasta que un Indicador de Nivel de Llenado en el Seguro de Presión detecta que está lleno. La válvula superior del Seguro de Presión se cierra y el Seguro de Presión se presuriza para adaptación de la presión de la Zona de Secado 10 (si es aplicable) o la Zona de Pirólisis 20. Entonces, la válvula inferior del Seguro de Presión se abre y deposita la materia prima sobre un tornillo sinfín presurizado que está conectado a la Zona de Secado 10 (si es aplicable) o la Zona de Pirólisis 20. El tornillo sinfín deposita entonces la materia prima en la parte superior del gasificador. Los sistemas de control del gasificador determinan cuándo iniciar cada ciclo de llenado de materia prima en base a las señales, tal como cambios de temperatura o presión, recibidas de varios sensores e indicadores presentes en el gasificador.

La Zona de Pirólisis

Descripción general, tamaño y funcionamiento

La Zona de Pirólisis 20 está directamente debajo de la Zona de Secado 10 (si se incluye una Zona de Secado 10) dentro del gasificador. La altura de la Zona de Pirólisis 20 puede incrementarse o disminuirse en base a las propiedades del tipo predominante de materia prima anticipada. Una Zona de Pirólisis 20 más alta acomodará materiales más húmedos y/o más complejos que requieren más secado y tiempos de pirólisis más largos.

En la Zona de Pirólisis 20, los vapores, los aceites y los gases constituyentes son destilados y desplazados hacia abajo por los efectos de gravedad, las diferencias de presión y el vapor creado en la Zona de Secado 10 y la Zona de Pirólisis 20. La Zona de Pirólisis 20 es endotérmica en la parte superior y se basa en el calor liberado desde abajo. Hacia la parte inferior de la Zona de Pirólisis 20, donde la temperatura aumenta, la materia prima comienza a descomponerse espontáneamente puesto que es químicamente inestable a las temperaturas elevadas. Por lo tanto, la descomposición de materia prima que tiene lugar en la sección inferior de la Zona de Pirólisis 20 es exotérmica y libera calor. En una realización, la Zona de Pirólisis 20 tiene una profundidad de cuatro a seis pies.

La química de la pirólisis es altamente compleja. Los principales cambios químicos y físicos que tienen lugar en esta zona pueden simplificarse y representarse por lo siguiente:

CxHyOz (s) calor ^ vapores orgánicos (formaldehído, alcoholes, alquitranes, etc)

CxHyOz(s) ^ CH4 H2 C(s) vapores orgánicos (alquitranes) calor

Dado que hay algo de oxígeno en la Zona de Pirólisis 20 procedente de las Corrientes Oxidantes que son alimentadas al gasificador, puede producirse oxidación cuando la materia prima se aproxima a la parte inferior de la Zona de Pirólisis 20.

La Zona de Oxidación

Descripción general, tamaño y funcionamiento

La Zona de Oxidación 30 es la zona del gasificador que sube y se aleja de la Banda de Oxidación 350 o el paso general del método que incluye la formación de la Banda de Oxidación 350. La Zona de Oxidación 30 es donde se forma la Banda de Oxidación 350 y representa el paso más caliente del proceso de gasificación y es donde la fracción celulósica de la materia prima se convierte de sólido a gas.

El Primer Gradiente (el Gradiente de Materia Prima Inducido)

En las figuras 7 y 8 se representa, durante la operación, que el flujo de una Corriente Oxidante a través de la Zona de Pirólisis 20 induce que se forme un gradiente de materia prima (1) verticalmente, comenzando hacia la parte superior de la pared exterior de la Zona de Pirólisis 20 y terminando hacia abajo en un anillo inferior de las Entradas de Aire Plano 32 en la Zona de Oxidación 30 y (2) horizontalmente, comenzando en el centro del gasificador y terminando en la pared del gasificador (el “Gradiente de Materia Prima Inducido”).

Como se representa en las figuras 7, 8, 9 y 10, este Gradiente de Materia Prima Inducido es una densidad creciente y diferencial de materia prima que es más densa hacia el perímetro de la pared del gasificador y encima de la Banda de Oxidación 350 (la “Porción Más Densa”) formada por al menos cuatro factores que actúan en concierto: (1) la Onda de Presión de la Banda de Oxidación 350 que presiona la materia prima contra la pared interior del gasificador; (2) la geometría de la Zona de Pirólisis 20 y la Zona de Oxidación 30 (es decir, los ángulos de las paredes); (3) el volumen total de la Corriente Oxidante que fluye a la Zona de Pirólisis 20 y la Zona de Oxidación 30; y (4) el volumen relativo de la Corriente Oxidante que fluye a cada una de la Zona de Pirólisis 20 y la Zona de Oxidación 30. La Porción Más Densa del Gradiente de Materia Prima Inducido se ilustra en 200.

La materia prima avanza a través del gasificador a diferentes velocidades. Parte de la materia prima está avanzando de forma constante hacia abajo del gasificador en la Vía de Flujo de Gasificador 203, mientras que otra materia prima puede pausarse o ralentizarse en varios puntos en el gasificador. La materia prima se desplaza más lentamente y/o queda suspendida dentro del Gradiente de Materia Prima Inducido 200. La Porción Más Densa del Gradiente de Materia Prima Inducido 200 es materia prima más densa y que se mueve más lentamente que la materia prima en la Vía de Flujo de Gasificador.

La Porción Más Densa del Gradiente de Materia Prima Inducido 200 finaliza en las Entradas de Aire Plano inferiores 32 donde la Zona de Oxidación 30 se dilata a un diámetro más ancho. En una realización, esta dilatación se ha diseñado de manera que sea un escalón de Kline-Fogelman con el fin de dirigir y controlar el caudal de gases y sólidos que baja por el gasificador.

De ordinario, cuando los gases cruzan un escalón, tal como un escalón de Kline-Fogelman, se forma un remolino. El anillo inferior de Entradas de Aire Plano 32 en la Zona de Oxidación 30 inyecta aire a la posición donde de otro modo se formaría el remolino. Esta corriente de aire entrante choca con el Gas de Gasógeno y la materia prima que entra bajando por la Vía de Flujo de Gasificador 203, redirige los gases calientes alejándolos de la pared del gasificador, contrarresta la formación de un remolino, y alimenta la Banda de Oxidación 350.

Cuando cambian las condiciones en el gasificador, el Gradiente de Materia Prima Inducido también puede cambiar permitiendo el movimiento de la Banda de Oxidación 350 y la Vía de Flujo de Gasificador 203 dentro del gasificador. Esto no es posible en otros gasificadores donde la Vía de Flujo de Gasificador 203 se formaría contra la pared exterior inmóvil del gasificador.

La Banda de Oxidación

Como se representa en las figuras 9 y 10, la materia prima en la Vía de Flujo de Gasificador 203 avanza bajando a través del gasificador a la Banda de Oxidación 350. La Banda de Oxidación 350 es el punto donde se libera calor significativo por la deflagración de la materia de celulosa en la materia prima. Una vez iniciada durante la puesta en marcha, la Banda de Oxidación 350 es sostenida por la adición de Corrientes Oxidantes procedentes de las Entradas de Aire Plano 31, 32 y la materia prima que baja de arriba. La Banda de Oxidación 350 oxida parcialmente la materia prima a Biocarbón y gases constituyentes de Gas de Gasógeno. Los vapores de alquitrán generados en la Zona de Pirólisis 20 se descomponen más en presencia de vapor bajo las altas temperaturas de la Banda de Oxidación 350 a Gas de Gasógeno adicional.

Como se representa en las figuras 7, 8, 9 y 10, la forma general de la Zona de Oxidación 30 es la de un tubo hueco, teniendo el tubo una entrada 301 y una salida 303 de aproximadamente el mismo tamaño, pero está dilatado en el medio 302. Esto es lo contrario a los gasificadores de corriente descendente tradicionales donde la Zona de Oxidación se estrecha a un punto de restricción según la Teoría de la Velocidad Superficial.

En una realización, la entrada 301 y la salida 303 de la Zona de Oxidación 30 son la mitad del diámetro de la sección dilatada 302 de la Zona de Oxidación 30. Hay al menos dos anillos de Entradas de Aire Plano 31, 32. En una realización, un anillo más alto 31 que está aproximadamente 11 pulgadas (aproximadamente 30 cm) encima del anillo inferior 32 y un anillo inferior de Entradas de Aire Plano 32 que está en la parte más ancha de la sección dilatada 302 de la Zona de Oxidación 30.

Las temperaturas sumamente altas generadas por esta Banda de Oxidación 350 producen el calor que desencadena las reacciones químicas y físicas en la Zona de Pirólisis 20 y la Zona de Secado 10 anteriores (si es aplicable). La Banda de Oxidación 350 tiende naturalmente a desplazarse hacia arriba en el gasificador hacia la materia prima no consumida y el suministro de Corriente Oxidante encima. Debajo de la Banda de Oxidación 350 hay una mezcla de Biocarbón, que es relativamente estable a altas temperaturas. El gasificador está diseñado para permitir que la Banda de Oxidación 350 se desplace hacia arriba y hacia abajo dentro del gasificador. En una realización, la Banda de Oxidación 350 puede mantenerse en posición en el gasificador usando una parrilla 50 (situada debajo de la Zona de Reducción 40) para quitar el Biocarbón debajo de la Banda de Oxidación 350, contrarrestando la tendencia de la Banda de Oxidación 350 a subir. Siempre que la parrilla 50 deja de girar, la Banda de Oxidación 350 empieza a subir.

En una realización, un anillo más alto de Entradas de Aire Plano 31 colocado encima del conjunto inferior de Entradas de Aire Plano 32, permite inyectar Corrientes Oxidantes adicionales a la materia prima justo antes de entrar en la Banda de Oxidación 350. Usando la velocidad rotacional de la parrilla 50, la tasa y la relación de la Corriente Oxidante de Lecho, la Corriente Oxidante de Purga y las Corrientes Oxidantes Planas, la Banda de Oxidación 350 puede mantenerse en cualquier posición deseada dentro del gasificador. En una realización, la Banda de Oxidación 350 se mantiene justo debajo del anillo inferior de Entradas de Aire Plano 32.

La oxidación parcial de materia prima también es compleja, pero puede simplificarse a las expresiones siguientes: C unido a materia prima A O2 — CO Calor

C unido a materia prima O2 — CO2 Calor

H unido a materia prima O2 — H2O Calor

H unido a materia prima — H2

CO 3H2 — CH4 H2O Calor

CO2 4H2 — CH4 2H2O Calor

Residuo C sólido 2H2 — CH4 Calor

CO H2O —— CO2 H2 Calor

Las reacciones en la Zona de Oxidación 30 son exotérmicas y liberan el calor que opera todo el gasificador.

El Segundo Gradiente (el Gradiente de Biocarbón Arrastrado)

También se representa en las figuras 7, 8, 9 y 10, justo debajo de la Banda de Oxidación 350, que el inicio de un segundo gradiente de Biocarbón se forma (1) verticalmente, comenzando justo debajo del anillo inferior de Entradas de Aire Plano 32 en la Zona de Oxidación 30 y extendiéndose hacia abajo a lo largo de la pared de la Zona de Oxidación 30 a la Zona de Reducción 40 (2) horizontalmente, desde el centro del gasificador a la pared del gasificador (el “Gradiente de Biocarbón Arrastrado”). Cuando el Biocarbón sale de la Banda de Oxidación 350, el diámetro de la Zona de Oxidación 30 se estrecha a aproximadamente el mismo tamaño que la entrada 301 a la Zona de Oxidación 30. La Onda de Presión procedente de la Banda de Oxidación empuja el Biocarbón contra la pared estrechada de la Zona de Oxidación. La Porción Más Densa del Gradiente de Biocarbón Arrastrado se ilustra en 300. La Onda de Presión ralentiza el movimiento de la Porción Más Densa del Biocarbón en el Gradiente de Biocarbón Arrastrado 300 con relación al Biocarbón en la Vía de Flujo de Gasificador 203. La Vía de Flujo de Gasificador 203 permanece intacta incluso aunque la materia prima haya cambiado de fase, y el Gas de Gasógeno y el Biocarbón se desplazan ahora hacia abajo en lugar de la materia prima.

La Porción Más Densa del Gradiente de Biocarbón Arrastrado 300 se extiende hacia abajo a lo largo de la pared de la Zona de Oxidación 30 a la Zona de Reducción 40. Dado que la Zona de Reducción 40 es más ancha que la Zona de Oxidación 30, la entrada a la Zona de Reducción 40 forma otro escalón. En una realización, la inclinación de la pared de la Zona de Oxidación 30 y la entrada a la Zona de Reducción 40 forman un escalón de Kline-Fogelman. Cuando el Gas de Gasógeno cruza el escalón a una Zona de Reducción más ancha 40 (es decir, una expansión del diámetro en la Zona de Reducción 40), se forma un remolino en la Zona de Reducción 40. Este remolino promueve la mezcla entre el Gas de Gasógeno y el Biocarbón en la Zona de Reducción 40.

Simulación de una Garganta y Solera

A diferencia de los gasificadores de corriente descendente tradicionales, este gasificador de corriente descendente no tiene una zona de restricción en la Zona de Oxidación 30, sino que, en cambio, la Zona de Oxidación 30 aumenta de tamaño. Casi todos los gasificadores de corriente descendente actuales aplican la Teoría de la Velocidad Superficial y, por lo tanto, se construyen con una restricción en la Zona de Oxidación 30 con el fin de lograr un Gas de Gasógeno de calidad utilizable. Además, la mayor parte de los gasificadores de corriente descendente actuales usan vacío para pasar Gas de Gasógeno a través del gasificador.

Los dos gradientes que están formados en este gasificador, el Gradiente de Materia Prima Inducido encima de la Banda de Oxidación 350 y el Gradiente de Biocarbón Arrastrado debajo de la Banda de Oxidación 350 operan conjuntamente para simular una garganta y solera dentro del gasificador. Las ventajas de este acercamiento son que la Banda de Oxidación 350 puede desplazarse hacia arriba o hacia abajo en el gasificador sin dañar o destruir posiblemente el gasificador propiamente dicho, y el interior del gasificador puede adaptarse a diferentes tipos y mezclas de materia prima. Otros gasificadores con una garganta y solera fijas deben ser calibrados a un pequeño rango de materia prima, no pueden ajustarse fácilmente para acomodar otros tipos de materia prima, y no pueden ser ajustados durante la operación para acomodar cambios.

La Zona de Reducción

Descripción general, tamaño y funcionamiento

Como se representa en las figuras 1, 2, 7 y 8, la Zona de Reducción 40 del gasificador es de diámetro igual o mayor que la salida 303 de la Zona de Oxidación 30. Las dos funciones primarias de la Zona de Reducción 40 son gasificar carbono residual del Biocarbón y enfriar el Gas de Gasógeno. Ambas funciones se producen por el mismo mecanismo, a saber, las reacciones endotérmicas de los constituyentes de Gas de Gasógeno y el carbono sólido contenido dentro del Biocarbón.

Como se ha explicado anteriormente, cuando el Gas de Gasógeno y el Biocarbón entran en la Zona de Reducción 40, se forma un remolino turbulento a través del escalón entre la salida 303 de la Zona de Oxidación 30 y la Zona de Reducción más ancha 40. Esta turbulencia en la Zona de Reducción 40 produce una mezcla mucho mejor de Gas de Gasógeno con Biocarbón en la Zona de Reducción 40 que en otros diseños de gasificadores. Esto permite una gasificación casi completa del carbono en el lecho, y maximiza el efecto de enfriamiento. En una realización, la Zona de Reducción 40 del gasificador mantiene aproximadamente un lecho de 2 a 6 pies de Biocarbón encima de la parrilla 50.

El Gas de Gasógeno sale de los gasificadores de corriente descendente típicos a temperaturas de alrededor de 1.500°F (aproximadamente 820°C) o más altas. El Gas de Gasógeno sale de este gasificador a temperaturas inferiores a 1.500°F (aproximadamente 820°C). En una realización, sale a temperaturas inferiores a 1.000°F (aproximadamente 540°C). Además, el lecho grueso de Biocarbón permite que aproximadamente de 90 a 99% del carbono combustible salga de este gasificador como Gas de Gasógeno, dependiendo de la materia prima.

Las reacciones de reducción que tienen lugar en los gasificadores de corriente descendente han sido bien estudiadas y entendidas implicando:

Carbono CO2 Calor — 2CO

Carbono H2O Calor — CO H2

Carbono 2H2O Calor — CO2 2H2

CO2 H2 Calor —— CO H2O

La Parrilla de Gasificador

La parrilla 50 del gasificador se puede hacer de acero inoxidable u otro material adecuado que sea duradero, resistente al calor y no reactivo tal como carburo de sílice, óxido de sílice, óxido de aluminio, aleaciones refractarias u otra cerámica, teniendo la parrilla una cara superior y otra inferior. En una realización y como se representa en las figuras 3 y 4, la cara inferior de la parrilla y el eje pueden montarse en una plataforma de elevación 80 que sube y baja y es controlada por sistemas de control variables. Como se representa en las figuras 3 y 4, la cara superior de la parrilla 50 está colocada debajo del borde inferior de la Zona de Reducción 40. En una realización, la Derivación es un intervalo de 0,25 a 2 pulgadas (aproximadamente 0,64 a 5 cm) entre la Zona de Reducción 40 y la cara superior de la parrilla 50.

La Ranura en Espiral

La figura 11 representa la parrilla de gasificador 50 que proporciona soporte a todos los sólidos en el gasificador. En una realización, la parrilla 50 tiene un bastidor 505 y dos caras, una cara superior y una cara inferior.

Las figuras 11 y 12 muestran que la cara superior de la parrilla 50 tiene una ranura en espiral 501. La ranura en espiral 501 está orientada en el gasificador de modo que mire a la Zona de Reducción 40. La ranura en espiral 501 tiene un punto de inicio en el centro de la parrilla y una cola que continúa hacia fuera al borde de la parrilla 50. Por lo tanto, en una realización, la ranura en espiral se extiende por toda la cara superior de la parrilla. La finalidad de la ranura en espiral 501 es que mueva naturalmente el Biocarbón hacia fuera del centro de la parrilla 50 al borde de la parrilla 50 cuando la parrilla 50 gire en sentido contrario a la dirección de la ranura en espiral 501. El Biocarbón sigue la cola de la ranura en espiral 501 cuando la parrilla 50 gira en la dirección opuesta hasta que el Biocarbón es expulsado de la Zona de Reducción 40 a través de la Derivación.

En una realización de la Zona de Reducción 40, carburo de sílice, óxido de sílice, óxido de aluminio, una aleación refractaria, otra cerámica o algún otro material resistente al calor, de alta densidad, basto, recubre las paredes de la Zona de Reducción 40. Este material resistente al calor, de alta densidad, basto actúa como lima para moler y quitar el Biocarbón que es empujado contra y arrastrado a lo largo de la pared exterior de la Zona de Reducción 40 por la parrilla rotativa 50. Esta combinación de tener una ranura en espiral 501 en la parrilla que empuja el Biocarbón hacia y a lo largo de la pared basta de la Zona de Reducción 40 asiste a triturar trozos grandes de carbón a fragmentos suficientemente pequeños para que escapen de la Derivación. Los expertos con conocimientos ordinarios en la técnica reconocerán que se puede usar tipos diferentes de espirales (por ejemplo, de Arquímedes, logarítmica, etc). En una realización, la ranura en espiral 501 en la parrilla es una ranura de Arquímedes en forma de “v” 502, donde el borde exterior de una ranura en la espiral se une al borde interior de la ranura adyacente formando un borde elevado. Una finalidad de la ranura en forma de “v” es evitar que haya ángulos de 90°, que en caso contrario crearían puntos calientes o secciones térmicamente inestables de la parrilla 50.

Elevación y bajada de la Parrilla/Derivación

En una realización, la parrilla 50 puede subirse y bajarse para crear una Derivación más alta o más baja, pudiendo sacar artículos más grandes introducidos accidentalmente al gasificador y/o materiales que no han gasificados sin parar el gasificador (por ejemplo, ladrillo, piedras, etc). En una realización con una ranura en espiral 501 en la parrilla 50, estos cuerpos extraños serán empujados a la pared de la Zona de Reducción 40, y entonces la parrilla 50 puede bajarse para poder descargarlos a través de la Derivación. Este diseño permite que el gasificador permanezca en servicio y sacar al mismo tiempo grandes objetos no gasificados de la Zona de Reducción 40. La capacidad de subir y bajar la parrilla 50 también se puede usar si hay que efectuar mantenimiento dentro del gasificador. Además, la Derivación 49 sirve para controlar la salida de Flujo de Gas de Gasógeno de la Zona de Reducción 40, actuando la Derivación 49 de forma similar a una válvula. Por ejemplo, una Derivación corta incrementa la resistencia al Flujo de Gas de Gasógeno a través de la parrilla 50 y hace que se acumule presión en el gasificador.

Agujeros elípticos en la Parrilla

Las figuras 13 y 14 muestran la parrilla montada. Las figuras 15 y 16 representan los segmentos “en trozo de pastel” 502 de la parrilla. Las figuras 13 y 14 muestran una vista en perspectiva y frontal de una parrilla montada que tiene agujeros elípticos 503. En una realización, los agujeros elípticos 503, tal como agujeros en forma de riñón o en forma avalada, están distribuidos simétricamente a través de la parrilla 50 (a excepción de que no hay agujeros en el centro de la parrilla encima del eje mecánico que eleva y gira la parrilla). La finalidad de los agujeros 503 es dejar que pasen Biocarbón y Gas de Gasógeno a través de la parrilla a la canaleta de recogida de Biocarbón 60 situada debajo.

Insertos de trozo de pastel en la parrilla

En una realización, los segmentos “en trozo de pastel” 502, 504 asientan en un bastidor 505 de la parrilla 50. Cuando cada uno de los segmentos 504 es insertado en el bastidor 505, se forma la parrilla. Esta realización permite sustituir un segmento 504 más bien que toda la parrilla 50 en caso de que parte de la parrilla 50 se dañe, y también permite montar el gasificador con segmentos personalizados 504 diseñados para tipos particulares de materia prima. Parrilla con múltiples características

La figura 15 representa una vista en perspectiva de un segmento extraíble de una parrilla. En una realización, la parrilla 50 también tiene una ranura en espiral 501 cortada a modo de “v” 502 y agujeros elípticos, en forma de riñón u ovalados 503 cortados a través de la ranura en espiral 501. La figura 16 representa una vista superior de un segmento extraíble de una parrilla.

Control del gasificador usando la parrilla

El eje que soporta y hace girar la parrilla 50 se puede formar de una o varias piezas, dependiendo del tamaño de la parrilla 50. La velocidad rotacional de la parrilla 50 puede ser calibrada por un Sistema de Control, pero es típicamente del rango de 0,0001 RPM a 1 RPM, dependiendo de los componentes no volátiles de la materia prima y la tasa de producción de Gas de Gasógeno. Dado que la Banda de Oxidación 350 cabalga efectivamente encima del lecho de Biocarbón en la Zona de Reducción 40, si el lecho de Biocarbón en la Zona de Reducción 40 es demasiado grueso, la Banda de Oxidación 350 subirá a la Zona de Pirólisis 20. Usando termopares u otros sensores para supervisar la posición de la Banda de Oxidación 350, el Sistema de Control del gasificador explicado más adelante puede ser programado para acelerar la rotación de la parrilla 50 y quitar Biocarbón a una tasa más alta, lo que reduce la altura del lecho de Biocarbón y baja de nuevo la Banda de Oxidación 350 a posiciones apropiadas. A la inversa, el Sistema de Control del gasificador puede ralentizar la parrilla 50 si el lecho de Biocarbón es demasiado poco profundo y, en consecuencia, la Banda de Oxidación 350 se mueve demasiado cerca de la parrilla.

Canaleta de recogida de carbón

En las figuras 1, 2, 5 y 6, debajo del gasificador, se representa una canaleta de recogida de Biocarbón 60, que se puede hacer de acero, acero inoxidable u otro material fuerte, térmicamente estable, no poroso. Cuando sale Biocarbón de la parte inferior o los lados de la parrilla 50, cae a la canaleta de recogida de Biocarbón 60 debajo del gasificador. La canaleta de recogida de Biocarbón 60 está dispuesta en ángulo a la dirección del flujo de Biocarbón en la Vía de Flujo de Gasificador 203. En una realización, el ángulo es de menos de 90°, medido desde la dirección del flujo de Biocarbón en la Vía de Flujo de Gasificador 203. En una realización, el ángulo es de 45° a 80°, medido desde la dirección de flujo de Biocarbón en la Vía de Flujo de Gasificador 203. En una realización, al menos dos canaletas de recogida de Biocarbón 60 están dispuestas simétricamente con respecto al eje central del gasificador.

Agujeros/Conductos de Recogida de Gas de Gasógeno

En las figuras 1, 2, 5 y 6 se representan dos o más agujeros de recogida de Gas de Gasógeno 70 colocados dentro de la canaleta de recogida de Biocarbón 60 simétricamente alrededor del eje de la parrilla 50. La abertura a los agujeros de recogida de Gas de Gasógeno 70 mira hacia abajo, de modo que el Biocarbón no cae directamente a ellos cuando el Biocarbón cae de la parrilla 50. Cuando el Gas de Gasógeno y Biocarbón caen a la canaleta de recogida de Biocarbón 60, el Biocarbón se separa del Gas de Gasógeno por gravedad, y el Gas de Gasógeno sale a través de los agujeros de recogida de Gas de Gasógeno 70.

La caja de residuos de Biocarbón

En la figura 6 se representan las Cajas de residuos de Biocarbón 90 en la parte inferior de las canaletas de recogida de Biocarbón 60. El Biocarbón cae por una canaleta de recogida de Biocarbón 60 a una caja de residuos de Biocarbón 90.

91 es en la posición de arriba, el Tornillo Sinfín de Residuos 91 deposita Biocarbón en la válvula de cavidad 92. Cuando el Sistema de Control detiene este proceso, el Tornillo Sinfín de Residuos 91 se para y la válvula de cavidad 92 gira a la posición “abajo”, vaciando su contenido a un depósito externo de recogida o algún otro sistema secundario de extracción. Dado que la bola en la válvula de cavidad 92 está cerrada en un extremo, la válvula de cavidad 92 permanece sellada en todo momento y evita que escape Gas de Gasógeno de la caja de residuos de Biocarbón 90.

Una cantidad pequeña de Gas de Gasógeno escapa, pero puede ser ventilado de forma segura por un tubo de ventilación de punto alto o sacado con una bomba de vacío.

Requisitos de la materia prima

El gasificador puede gasificar un rango muy amplio de materia prima. Para determinar si una materia prima dada o mezcla de materiales se gasificará efectivamente, la materia prima debe ser suficientemente porosa para que la Corriente Oxidante pueda fluir a su través, tener una densidad calorífica adecuada (btu/ft3), tener una densidad volumétrica adecuada y una composición química adecuada. Los expertos con conocimientos ordinarios en la técnica reconocerán una materia prima adecuada. En una realización del gasificador, una materia prima adecuada puede ser: (1) 25% o más de contenido de oxígeno unido químicamente (base molecular), (2) 10% o menos de contenido de ceniza, (3) 30% o menos de contenido de humedad, y (4) más de 15 lbs/ft3 de densidad volumétrica.

Hay cierta interacción entre estas variables.

Todas las formas de biomasa contienen la estructura química básica de CxHyOz. Esta estructura molecular es inherentemente inestable a temperaturas elevadas y se descompondrá fácilmente cuando se caliente. Este es el principio fundamental de todos los tipos de gasificadores de biomasa. Esta descomposición molecular es altamente exotérmica y produce el calor necesario para sostener la descomposición adicional de biomasa. Por lo tanto, prácticamente todas las formas de biomasa son materia prima adecuada para el gasificador, a condición de que cumplan los requisitos de porosidad y densidad volumétrica.

Puesta en marcha y parada

A la puesta en marcha, el gasificador se llena hasta el medio de la Zona de Oxidación 30 con materia prima. Se añade una capa de carbón vegetal caliente (en una realización una capa de unas pocas pulgadas (aproximadamente 7,5 cm) de altura) a la parte superior de la materia prima a través de la parte superior de la Zona de Pirólisis 20 o la Zona de Secado 10 (si es aplicable). El gasificador se llena entonces de materia prima hasta el Indicador de Nivel de Llenado del gasificador y se pone en marcha el Sistema de Control del gasificador.

Al cabo de varias horas siguientes, el gasificador comenzará a calentar, y empezará a formarse un gradiente térmico. Algún gas de baja calidad se formará casi inmediatamente y la producción de Gas de Gasógeno aumentará gradualmente y mejorará cuando el gasificador esté caliente.

Si el gasificador es operado durante un período de tiempo adecuado, el recubrimiento dentro del gasificador se saturará de calor y el gasificador puede ponerse de nuevo en marcha sin carbón vegetal caliente adicional incluso después de varias horas de tiempo de parada. Esto se denomina “arranque en caliente”. En muchos casos, el gasificador puede estar parado más de 2-3 días y todavía retener suficiente calor interno para un arranque en caliente simplemente volviendo a iniciar las Corrientes Oxidantes. El Flujo de Gas de Gasógeno del gasificador se detiene cuando las Corrientes Oxidantes se paran.

Sistema de Control del gasificador

Optimizar la operación del gasificador requiere ajustes exactos en tiempo real para controlar la posición de la Banda de Oxidación 350. Por ejemplo, si se insertase un dispositivo mecánico en la Banda de Oxidación 350 para regular la tasa de los materiales que salen o entran, las temperaturas (aproximadas) de 3.000°F (aproximadamente 1600°C) en la Banda de Oxidación 350 destruirían el dispositivo mecánico. Por lo tanto, se usa una parrilla 50 para controlar la extracción de Biocarbón del gasificador puesto que puede colocarse adyacente a la Zona de Reducción 40 mucho más fría. Los cambios en la altura del lecho de Biocarbón producidos incrementando la tasa de extracción de Biocarbón de la Zona de Reducción 40 inducen algunos de los cambios necesarios para regular la posición vertical de la Banda de Oxidación 350. Las variables indicadas más adelante pueden ajustarse para inducir cambios en la Banda de Oxidación 350.

Se puede usar varios métodos y sistemas como parte del Sistema de Control general para inducir cambios y controlar la Banda de Oxidación 350. El Sistema de Control usa varios algoritmos para supervisar y ajustar el gasificador. El Sistema de Control puede incluir subsistemas capaces de ajustes en tiempo real y tener en cuenta otros métodos que solamente pueden ser ajustados mientras el gasificador está fuera de línea. Los ajustes mientras el gasificador está fuera de línea pueden incluir: (1) ajustar el tamaño físico y la altura de la Zona de Secado 10 (o quitarla); (2) ajustar el tamaño de los agujeros 503 en la parrilla 50 (en una realización, sustituyendo sus segmentos intercambiables 504). El Sistema de Control puede incluir subsistemas para implementar ajustes en tiempo real durante la operación del gasificador relacionados con: (a) el tipo de materia prima que entra en el gasificador; (b) la tasa a la que la materia prima entra en el gasificador; (c) el nivel de llenado de la materia prima en la Zona de Secado 10, si es aplicable; (d) la temperatura de la Zona de Secado 10, si es aplicable; (e) el volumen, la velocidad y la presión de la Corriente Oxidante distribuida a través de las entradas encima de la Zona de Pirólisis 20 (o la Zona de Secado 10, si es aplicable); (f) el volumen, la velocidad y la presión de la Corriente Oxidante distribuida a través de los anillos de Entradas de Aire Plano 31, 32; (g) la presión general del gasificador; (h) la presión diferencial entre las varias zonas del gasificador; (i) la posición de la Banda de Oxidación 350 en el gasificador; (j) ajustar la velocidad rotacional de la parrilla 50; (k) la posición vertical de la parrilla 50 (es decir, ajustar la altura de la Derivación); (l) el grosor del lecho de Biocarbón en la Zona de Reducción 40; (m) probar y muestrear los componentes constituyentes del Gas de Gasógeno que sale del gasificador; (n) la temperatura del Gas de Gasógeno que sale del gasificador; y (o) la presión de ventilación de la recogida de Gas de Gasógeno y la presión del Gas de Gasógeno que sale del gasificador (siendo “Variables”) los ejemplos anteriores.

Mecanismos de frecuencia variable

En una realización del gasificador, el Sistema de Control puede aumentar o disminuir gradualmente una Variable o iniciar o parar totalmente cualquier cambio en la Variable. Por ejemplo, el Sistema de Control puede tener que ralentizar ligeramente la velocidad rotacional de la parrilla 50 en un tiempo y luego pararla completamente en otro punto. Como reconocerán los expertos con conocimientos ordinarios en la técnica, los motores y mecanismos eléctricos operan de dos formas generales, algunos son mecanismos de velocidad fija y otros son mecanismos de frecuencia (velocidad) variable (“VFDs”). En una realización del gasificador, se monta por lo tanto un VFD en un temporizador de encendido/apagado y se usa para controlar la velocidad rotacional de la parrilla 50. Poniendo en marcha y parando el VFD, el Sistema de Control puede simular una rotación lenta de la parrilla 50 manteniendo al mismo tiempo un par suficiente del VFD para girar la parrilla 50.

En otras aplicaciones, tal como el sistema de control de Corriente Oxidante, donde no se precisa un par más alto, el VFD puede ser usado sin un temporizador de encendido/apagado.

Control de Parrilla

El Sistema de Control regula la velocidad rotacional de la parrilla 50 para ajustar varias Variables, incluyendo la presión diferencial entre la Zona de Oxidación 30 y la Zona de Reducción 40. Un ejemplo de ésta último es que la presión diferencial de la Zona de Reducción puede mantener controlando simplemente el parámetro RPM de la parrilla 50.

Control de flujo de Corriente Oxidante

La tasa a la que Biocarbón sale del gasificador también controla la presión diferencial vertical a través del gasificador (el grosor del lecho de Biocarbón determina parcialmente la presión del gasificador porque el Biocarbón forma una seudojunta estanca en la parte inferior del gasificador). Por lo tanto, la presión diferencial vertical a través del gasificador, desde la parte superior de la Zona de Secado 10 hasta la parte inferior de la parrilla 50 se controla, en parte, incrementando o disminuyendo simplemente la velocidad rotacional de la parrilla 50, que expulsa Biocarbón de la Zona de Reducción 40. Descrito de otra forma, si el Biocarbón no es expulsado de forma suficientemente rápida del gasificador, se acumula en la Zona de Reducción 40 y el volumen restante disminuido aumenta la presión del Gas de Gasógeno en la Zona de Reducción 40 y la Zona de Oxidación 30. En una realización, la presión diferencial vertical del gasificador es controlada por la altura de la Derivación; a medida que aumenta la altura de la Derivación (es decir, bajando la parrilla 50), mayor es el flujo de Gas de Gasógeno y Biocarbón procedente del gasificador.

La tasa de generación de Gas de Gasógeno es proporcional a la concentración de oxígeno en las Corrientes Oxidantes y el caudal de las Corrientes Oxidantes introducidas al gasificador. El Sistema de Control mide y regula las Corrientes Oxidantes usando métodos estándar conocidos en la técnica.

La figura 17 representa una vista lateral cortada de un gasificador con flechas que ilustran el proceso de gasificación. Tres tipos de Corrientes Oxidantes entran en el gasificador a través de tres puntos de entrada correspondientes separados: Corrientes Oxidantes de Purga, Corrientes Oxidantes de Lecho y Corrientes Oxidantes Planas. La Corriente Oxidante de Purga es la Corriente Oxidante que se introduce a la materia prima y entra en el gasificador con la materia prima a través del Seguro de Presión. La Corriente Oxidante de Purga también evita que gases de alquitrán vuelvan al Seguro de Presión. La Corriente Oxidante de Lecho entra en el gasificador a través de entradas 11 situadas en la parte superior del gasificador. Las Corrientes Oxidantes Planas entran en el gasificador a través de las Entradas de Aire Plano 31, 32 situadas en anillos alrededor del perímetro de la Zona de Oxidación 30. El Sistema de Control supervisa y regula cada una de estas Corrientes Oxidantes para controlar la cantidad total de oxígeno en cada zona del gasificador y la tasa de generación de Gas de Gasógeno. El Sistema de Control puede ajustar el volumen y la velocidad de esta Corriente Oxidante para ajustarla a la materia prima que tiene diferente contenido de humedad, densidades volumétricas, o incluso a causa de los cambios del valor BTU de una materia prima. El Sistema de Control permite hacer los cambios mientras el gasificador está funcionando, de modo que no hay que pararlo o reconfigurarlo.

Cuando más oxígeno es alimentado al gasificador, más rápidamente se gasifica la materia prima en la Zona de Oxidación. Cuanto más rápida es la reacción, más Biocarbón se produce y acumula en la Zona de Reducción 40. La implementación de un Sistema de Control para control variable de la parrilla 50 y la Corriente Oxidante en el gasificador también asegura la coherencia y la calidad del Gas de Gasógeno.

Termopares y recubrimiento cerámico

Hay varios métodos de control redundantes diferentes usados en el gasificador, y la mayoría funciona como un medio por el que se puede lograr un control más exacto durante todo el proceso. En una realización, un método de control efectivo es supervisar el gradiente térmico, o perfil, como indican las temperaturas de cada zona. Estas temperaturas se obtienen por medio de termopares incrustados dentro de la pared recubierta del gasificador. Este gradiente de temperatura, o perfil, es un indicador muy bueno de dónde está cada zona y adonde se está moviendo hacia dentro del gasificador. En una realización, el Sistema de Control usa esta información para cambiar el equilibrio de Corriente Oxidante en cualquier zona dada o para cambiar físicamente la altura del lecho de Biocarbón en la Zona de Reducción 40 por medio de la rotación de la parrilla 50 y la derivación para ayudar a mantener y/o sostener cada zona encima de ella.

Una realización mejora la coherencia del Gas de Gasógeno recubriendo todo el gasificador con carburo de sílice, óxido de sílice, óxido de aluminio, aleación refractaria, otra cerámica u otro material que sea estable a altas temperaturas. Este recubrimiento ayuda a distribuir uniformemente y expulsar calor de la Banda de Oxidación 350 y permite el uso de termopares mientras que los protege de las reacciones que tienen lugar dentro del gasificador. El Sistema de Control puede usar todos los métodos diferentes y combinar dichos métodos en un controlador algorítmico. Éste último no solamente permite la redundancia en todo el Sistema de Control, sino que también asegura una fiabilidad y eficiencia mucho más grandes. También asegura que el Gas de Gasógeno sea de calidad constante y alta.

La aplicación y método de gasificación descrito anteriormente también proporciona una forma efectiva de controlar la altura de la Zona de Reducción 40. Un problema de otros gasificadores es que la Banda de Oxidación 350 se limita a una posición dentro del gasificador, y moverla perturba sustancialmente la función del proceso o destruye el gasificador. En una realización de este gasificador, la Banda de Oxidación 350 puede subirse a la Zona de Pirólisis 20 o bajarse a la Zona de Reducción 40 y todavía ser controlada y/o mantenida por medio de donde el Sistema de Control permita colocar la Corriente Oxidante y la cantidad de Biocarbón sacada. La perturbación de la altura de la materia prima, o la presión diferencial a través del gasificador, puede ser controlada por lo tanto por medio de la rotación de la parrilla 50 sin riesgo de colapso de la Banda de Oxidación 350.

Gas producido

Durante la operación, el gasificador creará Gas de Gasógeno que tiene una densidad calorífica de 125 a 145 btu/ft3 (aproximadamente 4660 a 5400 kJ/m3). Esta calidad del Gas de Gasógeno seguirá produciéndose mientras el gasificador disponga de suficiente Corriente Oxidante y materia prima adecuada. En una realización, el gasificador convierte entre 12 y 120 toneladas de materia prima al día.

Es claro que, aunque este gasificador es de diseño bastante diferente de otros gasificadores, también mejora sustancialmente la salida y la calidad de Gas de Gasógeno, así como la eficiencia general del proceso con respecto a otros gasificadores de corriente descendente hoy día en el mercado.

Miscelánea

Todas las referencias, incluyendo publicaciones, solicitudes de patente y patentes, citadas en este documento se incorporan aquí por referencia en la misma medida que si se indicase individual y específicamente que cada referencia se incorporase por referencia y expusiese en su totalidad en este documento.

El uso de los términos “un/uno/una” y “el/la/los/las” y referentes similares en el contexto de describir una invención (especialmente en el contexto de las reivindicaciones siguientes) deberán interpretarse cubriendo tanto el singular como el plural, a no ser que se indique lo contrario aquí o lo contradiga claramente el contexto. Los términos “incluir”, “tener”, “comprender” y “contener” han de ser interpretados como términos de extremos abiertos (es decir, “incluyendo, aunque sin limitación”) a no ser que se indique lo contrario. La indicación de rangos como valores en este documento tienen simplemente la finalidad de servir como un método abreviado de hacer referencia individualmente a cada valor separado que caiga dentro del rango, a no ser que se indique lo contrario en este documento, y cada valor separado se incorpora a la memoria descriptiva como si se expusiese individualmente en este documento. Todos los métodos aquí descritos pueden ser realizados en cualquier orden adecuado a no ser que se indique lo contrario aquí o el contexto indique claramente lo contrario. El uso de alguno y todos los ejemplos, o terminología ejemplar (por ejemplo, “tal como”) en este documento, tiene simplemente la finalidad de esclarecer mejor la invención y no de imponer una limitación al alcance de la invención (es decir, “tal como, aunque sin limitación”) a no ser que se reivindique lo contrario. La terminología de la memoria descriptiva no deberá interpretarse en el sentido de que ningún elemento no reivindicado es esencial para la puesta en práctica de la invención.

En este documento se describen realizaciones preferidas de esta invención. Variaciones de las realizaciones preferidas pueden ser evidentes a los expertos en la técnica después de leer la descripción anterior. Los inventores esperan que los expertos empleen tales variaciones según sea apropiado, y los inventores tienen la intención de que la invención se ponga en práctica de modo distinto al aquí descrito específicamente. Consiguientemente, esta invención incluye todas las modificaciones y equivalentes de la materia expuesta en las reivindicaciones anexas en la medida que lo permita la ley aplicable. Además, cualquier combinación de los elementos antes descritos en todas sus posibles variaciones queda abarcada por la invención a no ser que se indique lo contrario en este documento o el contexto indique claramente lo contrario.

Aunque la descripción anterior expone los principios de la presente invención, con los ejemplos dados a modo de ilustración solamente, se deberá observar que el uso de la presente invención incluye todas las variaciones, adaptaciones y/o modificaciones usuales, dentro del alcance de las reivindicaciones anexas, así como sus equivalentes. Los expertos en la técnica apreciarán por lo anterior que varias adaptaciones y modificaciones de las realizaciones descritas pueden configurarse sin apartarse del alcance de la invención. Por lo tanto, se ha de entender que, dentro del alcance de las reivindicaciones anexas, la invención se puede poner en práctica de forma distinta a la descrita específicamente en este documento.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un gasificador incluyendo:

una pluralidad de tubos unidos y colocados verticalmente que tienen una pared interior, una pared exterior, un extremo próximo y un extremo distal, donde el extremo próximo proporciona una entrada y el extremo distal proporciona una salida;

al menos tres zonas de reacción contiguas incluyendo una zona de pirólisis (20) inclinada hacia una convergencia central, seguida de una zona de oxidación (30) donde el tubo correspondiente a la zona de oxidación está dilatado en el medio, seguida de una zona de reducción (40) donde la pared interior del tubo correspondiente a la zona de reducción tiene un diámetro más grande que el tubo correspondiente a la zona de oxidación, formando un escalón entre la zona de oxidación y la zona de reducción;

al menos dos anillos de entradas de aire presurizado (31, 32) situadas dentro de la zona de oxidación para inyectar una corriente oxidante, donde al menos uno de los al menos dos anillos de entradas de aire presurizado está situado alrededor del medio dilatado del tubo correspondiente a la zona de oxidación; donde el gasificador está configurado para ser controlado por un sistema de control, estando configurado el sistema de control para regular el volumen, la velocidad y la presión de la corriente oxidante inyectada a través de los al menos dos anillos de entradas de aire a presión; y

una parrilla rotativa y verticalmente ajustable (50) colocada debajo de la zona de reducción (40), pero no unida a ella;

donde el gasificador es un gasificador de corriente descendente de núcleo parcialmente abierto usado para gasificación de materia prima.

2. El gasificador de la reivindicación 1, incluyendo además entradas de aire, donde una corriente oxidante de lecho entra en el gasificador a través de las entradas de aire y una corriente oxidante de purga entra en el gasificador con la materia prima.

3. El gasificador de la reivindicación 1, donde la parte dilatada del tubo en la zona de oxidación es un escalón de Kline-Fogelman.

4. El gasificador de la reivindicación 1, donde la parrilla (50) es duradera, resistente al calor y no reactiva, y la parrilla tiene una cara superior y una cara inferior, y la cara superior de la parrilla no tiene ángulos rectos con respecto a los tubos colocados verticalmente del gasificador, y la cara superior de la parrilla incluye además una configuración que es una ranura en espiral (501) que comienza en el centro de la parrilla y se extiende por toda la cara superior de la parrilla.

5. El gasificador de la reivindicación 1, donde además la parrilla (50) tiene una cara superior y una cara inferior, la cara inferior de la parrilla es un bastidor (505) y la cara superior de la parrilla incluye una pluralidad de segmentos sustituibles (502) asentados en el bastidor.

6. El gasificador de la reivindicación 1, incluyendo además:

una derivación (49) entre la zona de reducción y la parrilla; y

agujeros (503) en y distribuidos simétricamente a través de la parrilla, donde biocarbón cae del extremo distal del gasificador a través de la parrilla.

7. El gasificador de la reivindicación 1, incluyendo además:

un lecho de biocarbón en la zona de reducción justo encima de la parrilla durante el uso del gasificador, donde la materia prima y el lecho de biocarbón son mantenidos dentro del gasificador por la parrilla.

8. Un método de gasificar materia prima incluyendo:

llenar un gasificador con materia prima; incluyendo dicho gasificador una pluralidad de tubos unidos y colocados verticalmente que tienen una pared interior, una pared exterior, un extremo próximo y un extremo distal, donde el extremo próximo proporciona una entrada y el extremo distal proporciona una salida, una zona de pirólisis, una zona de oxidación y una zona de reducción, donde el tubo correspondiente a la zona de oxidación está dilatado en el medio, seguida de una zona de reducción donde la pared interior del tubo correspondiente a la zona de reducción tiene un diámetro más grande que el tubo correspondiente a la zona de oxidación, formando un escalón entre la zona de oxidación y la zona de reducción;

encender la materia prima para crear una banda de oxidación;

inyectar corrientes oxidantes a la zona de oxidación usando al menos dos anillos de entradas de aire presurizado, donde al menos uno de los al menos dos anillos de entradas de aire presurizado está situado alrededor del medio dilatado del tubo correspondiente a la zona de oxidación; y donde el gasificador es controlado por un sistema de control configurado para regular el volumen, la velocidad y la presión de la corriente oxidante inyectada a través de los al menos dos anillos de entradas de aire a presión;

mover materia prima secuencialmente a través de la zona de pirólisis donde la materia prima comienza a fluidizar y descomponerse, después una zona de oxidación donde la materia prima cambia a gas de gasógeno y luego a una zona de reducción donde el gas de gasógeno se mezcla con biocarbón para enfriarse y formar gas de gasógeno adicional;

mantener la materia prima y un lecho de biocarbón dentro del gasificador usando una parrilla rotativa y verticalmente ajustable colocada debajo de la zona de reducción;

sacar biocarbón y gas de gasógeno a través de una derivación y agujeros en la parrilla; y

rellenar el gasificador con materia prima.

9. El método de la reivindicación 8, incluyendo además inyectar aire al gasificador por entradas de aire, donde una corriente oxidante de lecho entra en el gasificador a través de entradas de aire y una corriente oxidante de purga entra en el gasificador con la materia prima.

10. El método de la reivindicación 8, incluyendo además simular un gasificador de garganta y solera formando, mediante el uso del gasificador, un gradiente de materia prima inducido encima de la banda de oxidación y un gradiente de biocarbón arrastrado debajo de la banda de oxidación.

11. El método de la reivindicación 10, donde al menos uno de los al menos dos anillos de entradas de aire presurizado está colocado encima de las entradas de aire presurizado situadas alrededor de la parte dilatada del tubo correspondiente a la zona de Oxidación para poner inyectar Corrientes Oxidantes adicionales a la materia prima.

12. El método de la reivindicación 8, incluyendo además:

mezclar gas de gasógeno y biocarbón en la zona de reducción donde la mezcla es realizada por formación de remolinos en la zona de reducción; y

sacar materiales que no han sido gasificados durante la operación del gasificador usando una derivación.

13. El método de la reivindicación 8, donde la parrilla tiene una cara superior y una cara inferior, teniendo la cara superior un centro y no ángulos rectos con respecto a los tubos colocados verticalmente del gasificador, además donde la parrilla está configurada con una ranura en espiral que comienza en el centro de la cara superior de la parrilla y se extiende por toda la cara superior de la parrilla, y donde el método incluye girar la parrilla en la dirección opuesta de la ranura en espiral.

14. El método de la reivindicación 8, incluyendo además supervisar y ajustar variables de gasificador usando el sistema de control y sensores, e incluyendo además:

mantener la banda de oxidación en cualquier posición deseada dentro del gasificador usando el sistema de control para regular la tasa de extracción de biocarbón de la parrilla, la tasa y la relación de una corriente oxidante de lecho, una corriente oxidante de purga y las corrientes oxidantes presurizadas; y

ajustar una presión diferencial vertical a través del gasificador por la velocidad rotacional de la parrilla, para controlar la tasa a la que el biocarbón es expulsado de la zona de reducción.