ES2821957T3 - Procedimiento y dispositivo de carbonización hidrotermal de rendimiento energético optimizado - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de carbonización hidrotermal en continuo de lodos que contienen materia orgánica, presentando los citados lodos una sequedad comprendida entre el 10% y el 30%, comprendiendo el citado procedimiento una etapa de reacción hidrotermal puesta en práctica en un reactor (4), comprendiendo la etapa de reacción hidrotermal las etapas siguientes: - una etapa de introducción de lodos en la cual se introducen los lodos en el reactor (4) por una primera entrada (11), - una etapa de inyección endógena de vapor en la cual se inyecta vapor en el reactor (4) por una segunda entrada (15), distinta de la primera entrada (11), - una etapa de extracción en la cual se extrae en continuo al menos una parte de los lodos contenidos en el reactor (4) por una salida de lodos (16), caracterizado por que comprende además una etapa de precalentamiento en la cual se eleva la temperatura de los lodos antes de su introducción en el reactor (4) hasta una temperatura de precalentamiento igual o superior a 70 ºC, por que la etapa de precalentamiento comprende una etapa de inyección de microondas en la cual se inyectan microondas en los lodos antes de su introducción en el reactor (4) y una etapa de inyección exógena de vapor en la cual se inyecta vapor en los lodos antes de su introducción en el reactor (4), y por que comprende además una etapa de calentamiento adicional en la cual se eleva la temperatura de los lodos que han sido sometidos a la etapa de precalentamiento antes de su introducción en el reactor (4) transfiriendo a estos lodos calor contenido en los lodos extraídos del reactor (4).

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y dispositivo de carbonización hidrotermal de rendimiento energético optimizado
Ámbito técnico
La presente invención concierne a un procedimiento y a un dispositivo de carbonización hidrotermal.
El ámbito de la invención es más particularmente pero de manera no limitativa el tratamiento de lodos firmemente cargados de materiales orgánicos, provenientes por ejemplo de procesos de descontaminación de aguas residuales urbanas o industriales, o de operaciones de limpieza de redes. Dicho tratamiento pretende reducir el volumen de los lodos, estabilizarlos en el plano biológico y en el plano físico-químico y producir subproductos valorizables.
La invención concierne de modo más particular al ámbito del procedimiento y del dispositivo de carbonización hidrotermal en continuo de lodos que contienen materia orgánica.
Estado de la técnica anterior.
El estado de la técnica ha desarrollado dos familias de tratamientos:
- la hidrólisis térmica,
- la carbonización hidrotermal.
La técnica de hidrólisis térmica de los lodos ha sido puesta a punto por Porteous a principios del siglo 20. Esta técnica pone en práctica reactores a presión, que funcionan por secuencias. Típicamente, los lodos son bombeados a un primer reactor en el cual se inyecta vapor producido por una caldera hasta la obtención de una temperatura de aproximadamente 180 °C para una presión de 1,5 MPa en el interior de este primer reactor, se mantiene ahora en el mismo la temperatura durante 30 minutos y después se evacuan los lodos bajo su propia presión a través de un intercambiador térmico. Este intercambiador térmico se utiliza para recuperar calor contenido en los lodos que salen del primer reactor y para recalentar los lodos antes de su entrada en un segundo reactor. Desde entonces se han efectuado numerosas evoluciones y mejoras para aumentar la productividad y asegurar un funcionamiento en continuo. Los lodos hidrolizados, es decir que han experimentado dicho tratamiento en un reactor, son objeto después de tratamientos biológicos por ejemplo de digestión anaerobia para reducir las cantidades de lodos produciendo biogás.
La técnica de la carbonización hidrotermal (HTC) se aproxima a la hidrólisis térmica pero no tiene por objeto preparar lodos con miras a su digestión, pretende en cambio la transformación de los lodos en bio-carbono, carbono neutro de gran calidad, por el recurso al calor y a una presión generalmente más elevada que en la hidrólisis térmica, y asegurando un mayor tiempo de estancia de los lodos que en la hidrólisis térmica (algunas horas) y generalmente en presencia de un reactivo.
La técnica HTC permite igualmente producir biocarbono, un producto semejante al humus, que puede ser empleado para abonar los suelos agrícolas y almacenar el CO2. La técnica de carbonización hidrotermal ha sido descrita en 1913 por Friedrich Bergius, y le ha valido el Premio nobel de química en 1931.
En el estado de la técnica se conoce la patente FR3010403, la cual describe un procedimiento y un dispositivo para la hidrólisis térmica de lodos que contienen materia orgánica, comprendiendo el citado procedimiento etapas consistentes en:
- realizar simultáneamente una inyección de vapor de recuperación en los citados lodos y una mezcla de los citados lodos con el citado vapor de recuperación por medio de un inyector-mezclador dinámico primario de modo que se obtenga una mezcla uniforme primaria;
- realizar simultáneamente una inyección de vapor vivo en la citada mezcla uniforme primaria y una mezcla de la citada mezcla uniforme primaria con el citado vapor vivo por medio de un inyector-mezclador dinámico secundario de modo que se obtenga una mezcla uniforme secundaria;
- encaminar la citada mezcla uniforme secundaria hacia un reactor tubular a presión y provocar el flujo esencialmente en flujo pistón de esta mezcla uniforme secundaria en el citado reactor según un tiempo de estancia suficiente y a una una temperatura suficiente para permitir la hidrólisis térmica de la materia orgánica presente en esta mezcla uniforme secundaria;
- producir el citado vapor de recuperación en el seno de medios de producción de vapor de recuperación a partir de la citada mezcla uniforme secundaria obtenida a la salida del citado reactor tubular;
- enfriar la citada mezcla uniforme secundaria a su salida de los citados medios de producción de vapor de recuperación a una temperatura que permita una digestión posterior de la materia orgánica hidrolizada que la misma contiene.
La patente americana US8673112 describe también un procedimiento para la hidrólisis que consiste en:
(i) llevar biomasa (en particular lodos) de manera aproximadamente continua para hacerla experimentar una primera etapa de precalentamiento y precalentarla,
(ii) arrastrar secuencialmente la biomasa precalentada hacia al menos dos reactores,
(iii) calentar y poner un reactor a presión por adición de vapor,
(iv) mantener los reactores a una cierta temperatura y presión durante un cierto tiempo,
(v) llevar la biomasa calentada y a presión que proviene de los reactores a un primer depósito de descompresión sin ninguna reducción sustancial de presión y descompresión rápida de la biomasa, por medio de una boquilla, con el fin de desintegrarla,
(vi) transferir la biomasa del primer depósito de descompresión a un segundo depósito de descompresión cuya presión es inferior a la presión del primer depósito de descompresión,
(vii) y llevar la biomasa así tratada a una instalación aguas abajo para someterla a un tratamiento posterior. Esta patente americana US8673112 concierne también a un dispositivo para el tratamiento térmico de la biomasa. La solicitud de patente internacional WO2014135734 describe un procedimiento que funciona en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica, que comprende una etapa de precalentamiento, una etapa posterior de reacción y una etapa de despresurización. La etapa de precalentamiento comprende una recirculación de la materia orgánica que haya que hidrolizar en un primer circuito de recirculación; la etapa de reacción comprende una recirculación en un segundo circuito de recirculación de la materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación sometiéndola a una cierta presión y a una cierta temperatura; y la etapa de despresurización comprende una descompresión soportada por la materia orgánica extraída en continuo del segundo circuito. Las patentes WO2014/178028, WO2010/092040, EP2206688 y WO2016/071808 describen otros procesos de carbonización hidrotermal conocidos.
Inconvenientes de las soluciones de la técnica anterior
Las soluciones de la técnica anterior, especialmente de la solicitud de patente internacional WO2014135734, están más adaptadas a aplicaciones de hidrólisis térmica seguida de una etapa de digestión bacteriana. En tales aplicaciones, los niveles de presión y de temperatura en el seno del reactor son relativamente moderados, del orden de 0,6 MPa y de 160 °C. Para aplicaciones de tipo hidrocarbonización, los niveles de presión y de temperatura son netamente superiores, del orden de 3 MPa y de 200 °C.
Debido a esto, la solución de un inyector mezclador a la entrada del reactor no está adaptada para la aplicación de hidrcarbonización. En efecto, para alcanzar las temperaturas requeridas, hay que aportar más vapor lo que conduce a una dilución perjudicial para el buen funcionamiento del reactor, así como de los equipos de post-tratamiento aguas abajo. Las condiciones requeridas de presión y de temperatura conducen a tensiones elevadas en el equipo de inyección, que inducen fugas y corrosiones perjudiciales para la duración de vida de servicio del equipo.
Por otra parte, el aumento de la temperatura de los lodos inyectados en el reactor por precalentamiento reduce su viscosidad aparente, sin alterar la sequedad, hasta obtener una viscosidad próxima a la del agua, siendo definida la sequedad por el contenido en materiales secos de la biomasa o de los lodos.
En la solución propuesta por la patente americana US8673112, la instalación requiere una pluralidad de cubas de reacción lo que complica considerablemente la instalación y no es compatible con un funcionamiento en continuo. El objetivo de la presente invención es resolver al menos uno de los problemas o inconvenientes antes mencionados.
Exposición de la invención
A tal efecto, la invención propone un procedimiento de carbonización hidrotermal en continuo de lodos que contienen materia orgánica, presentando los citados lodos una sequedad comprendida entre el 10% y el 30%, comprendiendo el citado procedimiento una etapa de reacción hidrotermal puesta en práctica en un reactor, comprendiendo la etapa de reacción hidrotermal las etapas siguientes:
- una etapa de introducción de lodos en la cual se introducen los lodos en el reactor por una primera entrada, - una etapa de inyección endógena de vapor en la cual se inyecta vapor en el reactor por una segunda entrada, distinta de la primera entrada,
- una etapa de extracción en la cual se extrae en continuo al menos una parte de los lodos contenidos en el interior del reactor por una salida de lodos,
caracterizado porque el mismo comprende además una etapa de precalentamiento en la cual se eleva la temperatura de los lodos antes de su introducción en el reactor hasta una temperatura de precalentamiento superior a 70 °C.
por que la etapa de precalentamiento comprende una etapa de inyección de microondas en la cual se inyectan microondas en los lodos antes de su introducción en el reactor y
una etapa de inyección exógena de vapor en la cual se inyecta vapor en los lodos antes de su introducción en el reactor,
y por que comprende además una etapa de calentamiento adicional en la cual se eleva la temperatura de los lodos que han sido sometidos a la etapa de precalentamiento antes de su introducción en el reactor transfiriendo a estos lodos calor contenido en los lodos extraídos del reactor.
El término « endógeno » se refiere al hecho de que el vapor es inyectado en los lodos contenidos en el reactor, por oposición al término « exógeno » que se refiere a una inyección de vapor en los lodos que se encuentran fuera del reactor.
En esta descripción, se entiende por la expresión « extraído en continuo » una extracción en continuo con un caudal eventualmente variable, preferentemente controlado por parámetros de funcionamiento del reactor. Tal extracción en continuo puede ser interrumpida temporalmente cuando las regulaciones no hayan sido suficientes para encontrar el equilibrio del procedimiento de carbonización hidrotermal. La extracción en continuo no es una extracción secuencial, y no es una extracción por lotes o en « batch ».
La etapa de precalentamiento puede comprender una etapa de recirculación en la cual se extrae una fracción de los lodos contenidos en el reactor y en la cual se mezcla esta fracción con los lodos antes de su introducción en el reactor.
Preferentemente, el procedimiento puede comprender además una etapa de puesta en circulación en la cual se pone en circulación en el seno del reactor una mezcla constituida por los lodos contenidos en el reactor y el vapor inyectado en el reactor.
El procedimiento según la invención puede comprender además una etapa de calentamiento de agua en la cual se transfiere al agua, por intermedio de un intercambiador de calor, calor contenido en los lodos extraídos del reactor, y en la cual se utiliza el agua así calentada para producir todo o, parte del vapor utilizado durante la etapa de inyección endógena de vapor.
La invención concierne también a un dispositivo de carbonización hidrotermal en continuo de lodos que contienen materia orgánica, presentando los citados lodos una sequedad comprendida entre el 10% y el 30%, comprendiendo este dispositivo un reactor que comprende:
- una primera entrada dispuesta para introducir los lodos en el reactor,
- una segunda entrada dispuesta para inyectar vapor directamente en el reactor, distinta de la primera entrada,
- una salida de lodos dispuesta para extraer del reactor en continuo al menos una parte de los lodos que el mismo contiene,
caracterizado por que comprende además un medio de precalentamiento aguas arriba de la primera entrada, estando dispuesto este medio de precalentamiento para recibir los lodos antes de su introducción en el reactor (4) y para elevar la temperatura de los lodos que el mismo recibe hasta una temperatura de precalentamiento superior a 70 °C,
y por que el medio de precalentamiento está dispuesto para inyectar microondas en los lodos que recibe y para inyectar vapor en los lodos que recibe, y por que comprende además medios de calentamiento adicionales dispuestos para transferir calor contenido en los lodos extraídos del reactor a los lodos aguas abajo del medio de precalentamiento y aguas arriba del reactor, de manera que se eleve la temperatura de los lodos aguas abajo del medio de precalentamiento y aguas arriba del reactor.
Según todavía otra característica ventajosa, el dispositivo puede comprender un bucle de recirculación dispuesto para extraer una fracción de los lodos contenidos en el reactor y para mezclar esta fracción con los lodos recibidos por el medio de precalentamiento.
El dispositivo según la invención puede comprender además un intercambiador de calor y una caldera, estando dispuesto este intercambiador de calor para transferir calor contenido en los lodos extraídos del reactor al agua que circula entre este intercambiador de calor y la caldera, estando dispuesta la caldera para facilitar todo o parte del vapor inyectado en el reactor por la segunda entrada.
Descripción de las figuras y modos de realización
Otras ventajas y particularidades de la invención se pondrán de manifiesto en la lectura de la descripción detallada de puestas en práctica y de modos de realización en modo alguno limitativos, y de los dibujos anejos siguientes.
- la figura 1 representa una vista esquemática de una primera variante del dispositivo según la invención, - la figura 2 representa una vista esquemática de una segunda variante del dispositivo según la invención, - la figura 3 representa una vista esquemática de una tercera variante del dispositivo según la invención, - la figura 4 representa una vista esquemática de una cuarta variante del dispositivo según la invención.
No siendo en absoluto limitativos los modos de realización descritos en lo que sigue, se podrán considerar en particular variantes de la invención que solo comprendan una selección de características descritas, aisladas de las otras características descritas (aunque esta selección esté aislada en el seno de una frase que comprenda estas otras características), si esta selección de características es suficiente para conferir una ventaja técnica o para diferenciar la invención con respecto al estado de la técnica anterior. Esta selección comprende al menos una característica, preferentemente funcional sin detalles estructurales, o con solamente una parte de los detalles estructurales si esta parte únicamente es suficiente para conferir una ventaja técnica o para diferenciar la invención con respecto al estado de la técnica anterior.
En la presente descripción de modos de realizaciones y variantes, el vapor es por defecto vapor de agua.
Cualquier presión indicada en la presente descripción es por defecto una presión absoluta.
La figura 1 es un ejemplo de dispositivo de carbonización hidrotermal en continuo de lodos según la invención. Este dispositivo comprende un reactor 4 dispuesto para poner en práctica una etapa de reacción hidrotermal.
Esta etapa de reacción hidrotermal comprende las etapas siguientes:
- una etapa de introducción de lodos en la cual se introducen los lodo en el reactor 4 por una primera entrada 11,
- una etapa de inyección endógena de vapor en la cual se inyecta vapor en el reactor 4 por una segunda entrada 15,
- una etapa de extracción en la cual se extrae en continuo al menos una parte de los lodos contenidos en el reactor 4 por una salida de lodos 16.
Así, en el reactor 4:
- la primera entrada 11 está dispuesta para introducir los lodos en el reactor 4,
- la segunda entrada 15 está dispuesta para inyectar directamente vapor en el reactor 4,
- la salida de lodos 16 está dispuesta para extraer del reactor 4 en continuo al menos una parte de los lodos que el mismo contiene.
Los lodos inyectados en el reactor 4 por la primera entrada 11 son encaminados como se describe en lo que sigue. En primer lugar, los lodos, que contienen materia orgánica, son introducidos en el dispositivo por una entrada e provenientes por ejemplo de una tolva (no representada) para ser encaminados hacia un conducto 1a, por ejemplo por gravedad. Los lodos que llegan por el conducto 1a tienen típicamente una sequedad en peso de materia seca comprendida del 10% al 30%, típicamente comprendida entre el 18% y el 24%.
Estos lodos son encaminados por el conducto 1a hasta un medio de precalentamiento 2 de manera continua por un aparato (no representado) tal como una bomba, un tornillo, un aparato que haga intervenir la gravedad, un transportador mecánico o cualquier medio que permita encaminar los lodos al medio de precalentamiento 2 aguas arriba de la primera entrada 11.
El medio de precalentamiento 2 está dispuesto para recibir los lodos antes de su introducción en el reactor 4 para elevar la temperatura de los lodos que recibe hasta una temperatura de precalentamiento superior a 70 °C. El medio de precalentamiento 2 permite así realizar una etapa de precalentamiento en la cual se eleva la temperatura de los lodos antes de su introducción en el reactor 4 hasta esta temperatura de precalentamiento.
En el modo de realización de la figura 1, el medio de precalentamiento 2 está dispuesto para inyectar microondas en los lodos que recibe. De esta manera, la etapa de precalentamiento comprende una etapa de inyección de microondas en la cual se inyectan microondas en los lodos antes de su introducción en el reactor 4. Esta etapa de inyección de microondas permite elevar la temperatura de los lodos hasta la temperatura de precalentamiento.
El medio de precalentamiento 2 es por tanto un equipo de calentamiento por microondas, cuya potencia está adaptada para hacer pasar los lodos, introducidos a una temperatura ambiente, a una temperatura de aproximadamente 70 °C.
El medio de precalentamiento 2 comprende preferentemente un recinto tubular (no representado) no metálico, realizado por ejemplo en un polímero tal como el poliéster armado con fibras de vidrio (« SVR ») o el polipropileno homopolímero (« PPH »). Este recinto tubular atraviesa una zona de acción (no representada) en la cual se generan microondas que aseguran un calentamiento en continuo de los lodos encaminados en este recinto tubular. Los materiales del medio de precalentamiento 2 están adaptados a la baja presión de los lodos encaminados en el recinto tubular, próxima a la presión atmosférica, típicamente inferior a 2 bares, y a su temperatura, preferentemente inferior a 90 °C.
El recinto tubular del medio de precalentamiento 2 está preferentemente cerrado o protegido por una rejilla metálica apta para confinar las microondas.
Los lodos son encaminados después hacia una bomba 3 por un conducto 1b que une el medio de precalentamiento 2 y la bomba 3, y después hacia el reactor 4 por un conducto 1c que une la bomba 3 y la primera entrada 11 del reactor 4.
El medio de precalentamiento 2 puede funcionar en continuo o incluso por lotes (o « batch »).
En el caso de funcionamiento en continuo del medio de precalentamiento 2, los lodos y las microondas interactúan a lo largo de toda su trayectoria en el conducto 1b aguas arriba de la bomba 3.
Los lodos que entran en el dispositivo conteniendo del 70% al 90% de agua, constituyen un medio particularmente propicio para el calentamiento por microondas, pudiendo entrar las microondas en profundidad en los lodos y excitar así las moléculas de gua que estos contienen.
La temperatura de precalentamiento está comprendida preferentemente entre 60 °C y 150 °C en función de las necesidades del procedimiento. Desde un punto de vista óptimo, esta temperatura de precalentamiento es de 70 °C, permitiendo dicha temperatura de precalentamiento disminuir sensiblemente la viscosidad de los lodos y siendo compatible con los materiales utilizados típicamente para formar la bomba 3.
De esta manera, los lodos que han sido sometidos a la etapa de precalentamiento son licuados.
Los lodos licuados son introducidos en el reactor 4, el cual es un reactor de carbonización hidrotermal, por la primera entrada 11 bajo el efecto de la fuerza motriz producida por la bomba 3.
Preferentemente, los lodos son inyectados directamente y en continuo en el reactor 4 de tal manera que se integren rápidamente en la mezcla contenida en el reactor 4, estando constituida esta mezcla por los lodos contenidos en el reactor 4 y el vapor inyectado en este reactor 4. En este modo de realización, la segunda entrada 15 de introducción de los lodos es distinta de la primera entrada 11 de inyección de vapor en el reactor 4.
Preferentemente, el procedimiento comprende además una etapa de puesta en circulación en la cual se pone en circulación la mezcla en el seno del reactor 4.
En la presente descripción, el término « circulación » de lodos, de una mezcla o de un líquido en el interior del reactor 4 designa un movimiento cualquiera de estos lodos, de esta mezcla o de este líquido en el interior del reactor 4.
En la presente descripción, la expresión « camino de circulación » designa el camino a lo largo del cual se efectúa este movimiento cualquiera en el interior del reactor.
En la presente descripción la expresión « puesta en circulación » de los lodos, de la mezcla o de un líquido en el interior del reactor, se entiende una creación o un mantenimiento, directamente en el interior del reactor 4, de la circulación (es decir del movimiento) de los lodos, de la mezcla o del líquido en el interior del reactor, preferentemente independientemente de la amplitud y de la dirección de la velocidad de introducción de los lodos en el reactor 4 por la primera entrada 11.
Esta puesta en circulación es efectuada por medios de puesta en circulación que comprenden típicamente un circulador (no representado), por ejemplo de palas, dispuesto para hacer circular los lodos en el espacio interior del reactor 4 según el camino de circulación.
Por « medios de puesta en circulación » o « circulador » de los lodos, de la mezcla o de un líquido en el interior del reactor, se entiende en la presente descripción medios dispuestos para crear o mantener directamente en el interior del reactor 4 la circulación (es decir el movimiento) de los lodos, de la mezcla o del líquido, preferentemente independientemente de la amplitud y de la dirección de la velocidad de introducción de los lodos en el reactor 4 por la primera entrada 11.
Según variantes no representadas, este circulador puede comprender:
- un agitador con una o varias palas, y/o
- un tornillo, y/o
- una bomba, y/o
- un bucle de recirculación de los lodos, y/o
- un burbujeador,
Gracias a la licuación de los lodos aguas arriba del reactor 4, se facilita mucho su interacción con el vapor inyectado en el reactor 4 y este vapor se condensa rápidamente en la mezcla, permitiendo la obtención de la temperatura deseada, típicamente de orden de 160 °C-250 °C, preferentemente de 180 °C-2002C.
Típicamente, la presión y la temperatura del vapor inyectado en el reactor 4 por la segunda entrada 15 son respectivamente del orden de 0,6 MPa- 4 MPa y de 160 °C- 250 °C, preferentemente de 2 MPa-2,5 MPa y de 215 °C-225 °C.
Según este modo de realización de la invención, el reactor 4 comprende una entrada de reactivo 12 unida a un conducto de inyección de reactivo 5, que permite inyectar en el reactor 4 un reactivo, por ejemplo un ácido tal como el ácido sulfúrico. Tal inyección de reactivo favorece las reacciones de carbonización de los lodos en el interior del reactor 4.
Preferentemente, el espacio interior del reactor 4 que recibe los lodos está configurado para formar un volumen de desgasificación (no representado) en una parte superior de este espacio interior (es decir una parte de altitud más elevada que otras partes de este espacio interior). En este volumen de desgasificación, la mezcla no circula. Este volumen de desgasificación está dispuesto para recuperar los incondensables gaseosos. El reactor 4 está también provisto de una salida de los incondensables 13 que une el volumen de desgasificación a un conducto de evacuación 30. Esta salida de los incondensables 13 es típicamente controlada por una válvula para controlar la presión en el interior del reactor 4.
La salida de los lodos 16 está dispuesta para extraer del reactor 4 en continuo al menos una parte de los lodos que este contiene.
El dispositivo de la figura 1 permite también poner en práctica al menos una etapa de enfriamiento en la cual se enfrían los lodos que han sido sometidos a la etapa de reacción hidrotermal. La al menos una etapa de enfriamiento se describe en lo que sigue.
El dispositivo está dispuesto para realizar una etapa de calentamiento de agua en la cual se transfiere calor contenido en los lodos extraídos del reactor 4 al agua por intermedio de intercambiador de calor 6, y en la cual se utiliza el agua así calentada para producir vapor utilizado durante la etapa de inyección endógena de vapor.
Para hacer esto, el dispositivo de la figura 1 comprende un intercambiador de calor 6 unido a la salida de los lodos 16 por el conducto 1d. Este dispositivo comprende también una caldera 22 unida a este intercambiador de calor 6 por un conducto 21. Este intercambiador de calor 6 está dispuesto para transferir calor contenido en los lodos extraídos del reactor 4 al agua que circula entre este intercambiador de calor 6 y la caldera 22 por el conducto 21. La caldera 22, alimentada por otra fuente de energía (no representada) está dispuesta para facilitar el vapor inyectado directamente en el reactor 4 a través de un conducto 23 unido a la segunda entrada 15.
El agua que circula en el interior de este intercambiador de calor 6 se calienta típicamente a una temperatura comprendida entre 120 °C y 260 °C, comprendida típicamente entre 160 °C y 170 °C. Esta agua calentada en el intercambiador de calor 6 es conducida a la caldera 22 por el conducto 21, la cual producirá el vapor inyectado directamente en el reactor 4 por la segunda entrada 15.
El agua que llega por un conducto 20 a este intercambiador de calor 6 tiene una calidad adecuada para la producción de vapor (descalcificación, desmineralización,...).
Este intercambiador de calor 6 puede ser de cualquier tipo adaptado para tal intercambio, por ejemplo de tipo tubo dentro de tubo, de tubo de humos, tubos ca landra.
Dicha etapa de calentamiento de agua por recuperación de calor contenido en los lodos extraídos del reactor 4 permite una disminución del consumo energético del dispositivo.
El dispositivo de la figura 1 comprende también un equipo de enfriamiento 7 dispuesto para enfriar los lodos extraídos del reactor 4 provenientes del intercambiador de calor 6 por el conducto 1e que les une. Así, este equipo de enfriamiento 7 está montado aguas abajo del intercambiador de calor 6.
Los lodos parcialmente enfriados por el intercambiador de calor 6 son encaminados a través del conducto 1e a este equipo de enfriamiento 7 el cual realiza una etapa de enfriamiento final. Este equipo de enfriamiento 7 es puesto en práctica de modo que la temperatura de los lodos encaminados después hacia un módulo de tratamiento final de deshidratación 10 por los conductos 1f, 1g alcancen una temperatura definida antes de su llegada a este módulo 10. Esta temperatura definida está comprendida típicamente entre 40 °C y 90 °C, comprendida típicamente entre 60 °C y 70 2C.
Para realizar esta etapa de enfriamiento final, el equipo de enfriamiento 7 puede ser un intercambiador por el cual circulen por una parte los lodos y por otra un fluido de tipo agua, aire o cualquier fluido de enfriamiento disponible. Tal fluido de enfriamiento llega a este equipo de enfriamiento o intercambiador 7 por un conducto 24 y sale del mismo por un conducto 25. El tipo del intercambiador es por ejemplo un intercambiador de tipo tubo dentro de tubo o tubo en circuito de humos.
A la salida de este equipo de enfriamiento 7, los lodos llegan a un órgano deprimógeno 9 por el conducto 1f que permite a estos lodos llegar a una presión próxima a la presión atmosférica antes del tratamiento final de deshidratación en el módulo 10. El órgano deprimógeno 9 y el módulo de tratamiento final de deshidratación 10 están unidos uno al otro por el conducto 1g.
Este órgano deprimógeno 9 puede ser una bomba, una válvula, un diafragma o cualquier accesorio que permita así disminuir la presión de los lodos.
En las soluciones de la técnica anterior que prevén un inyector mezclador aguas arriba del reactor, se inyecta en el reactor una sustancia homogénea cuya sequedad está disminuida (contiene más agua en razón del aporte de vapor). En estas soluciones, no hay interacción, en el interior del reactor, entre lodos y el vapor inyectado.
La invención se distingue de manera esencial de las soluciones de la técnica anterior por la utilización simultánea:
1) del precalentamiento de los lodos aguas arriba del reactor 4 por un medio diferente de únicamente vapor lo que permite reducir su viscosidad sin reducir su sequedad y disminuir la necesidad de calentamiento en el reactor 4,
2) del desacoplamiento:
a) de la introducción de los lodos en el reactor 4 por la primera entrada 11, siendo estos lodos introducidos precalentados para reducir su viscosidad, mantener su sequedad y reducir las necesidades de aporte energético en el seno del reactor 4,
b) de la inyección de vapor en el reactor 4 por la segunda entrada 15 distinta de la primera entrada 11. Opcionalmente, el vapor puede ser inyectado no a través de una única entrada 15 sino a través de varias entradas distintas (no representadas), de modo que se optimicen las zonas de interacción entre la mezcla contenida en el interior del reactor 4 y el vapor inyectado, y se optimice la regulación de las condiciones de temperatura en el seno del reactor 4. Cada una de las entradas distintas de inyección de vapor puede estar equipada con una válvula que permita un control fino de las condiciones de inyección de vapor y por tanto del funcionamiento del reactor 4. Estas pueden estar repartidas especialmente en un camino de circulación de la mezcla en el seno del reactor 4.
3) del precalentamiento del agua para la producción del vapor inyectado en el reactor 4.
En tal modo de realización de la invención, la mezcla y las interacciones entre los lodos precalentados y el vapor inyectado en el reactor 4 se hacen únicamente en el interior del reactor 4. Esta interacción entre lodos y vapor permite no solamente aumentar la temperatura de los lodos que circulan en el interior del reactor 4 por intercambio térmico, sino también crear una agitación de los lodos en razón de las turbulencias que se producen en zonas de encuentro de la mezcla que circula y la llegada de vapor.
Finalmente, tal desacoplamiento permite controlar de manera óptima la calidad de vapor inyectado, especialmente en el caso de un reactor de gran volumen, en tratamientos largos, del orden de 3 horas de tiempo de recorrido en el seno del reactor típicamente necesario para la carbonización hidrotermal, con respecto a los 30 minutos de tiempo medio de circulación requerido para la hidrólisis térmica.
Por consiguiente, la licuación de los lodos por las microondas facilita grandemente la homogeneización de la mezcla en el interior del reactor 4, lo que permite simplificar el reactor 4 desde el punto de vista de su diseño (el mismo puede consistir por ejemplo en una simple tubería que circule en flujo pistón, no representado).
El precalentamiento del vapor por el intercambiador de calor 6 permite optimizar los consumos térmicos.
Además, el intercambiador de calor 7 puede servir para la producción de energía exterior.
Además si el precio de la electricidad es bajo, el modo de realización de la figura 1 presenta un gran interés económico.
Las figuras 2 y 3 representan un segundo y un tercer modo de realización de la invención.
Varios de los constituyentes del dispositivo de las figuras 2 y 3, especialmente el reactor 4 y su funcionamiento, son similares en estos segundo y tercer modos de realización y en el primer modo de realización descrito anteriormente.
Así, las figuras 2 y 3 se describen esencialmente según sus diferencias con la figura 1.
En este segundo y este tercer modo de realización, el medio de precalentamiento 2 está dispuesto para inyectar vapor en los lodos que el mismo recibe. Más específicamente, la etapa de precalentamiento comprende una etapa de inyección exógena de vapor en la cual se inyecta vapor en los lodos antes de su introducción en el reactor 4 para elevar su temperatura hasta la temperatura de precalentamiento.
Más que un precalentamiento, estos modos de realización permiten recuperar calor térmico inyectado en el sistema. En efecto, los dispositivos de las figuras 2 y 3 comprenden además medios de asentamiento adicionales 91, 92, 93, 94 dispuestos para transferir calor contenido en los lodos extraídos del reactor 4 a los lodos aguas abajo del medio de precalentamiento 2 y aguas arriba del reactor 4, de manera que se eleve la temperatura de los lodos aguas abajo del medio de precalentamiento 2 y aguas arriba del reactor 4. Estos medios de calentamiento adicionales 91, 92, 93, 94 permiten por tanto poner en práctica una etapa de calentamiento adicional en la cual se eleva la temperatura de los lodos que han sido sometidos a la etapa de precalentamiento antes de su introducción en el reactor 4 transfiriendo a estos lodos calor contenido en los lodos extraídos del reactor 4.
De esta manera, le precalentamiento de los lodos se efectúa por un doble sistema: por una parte, por una inyección de vapor exógena a través del medio de precalentamiento 2; por otra, por un calentamiento adicional a través de los medios de calentamiento adicionales 91,92, 93, 94. En los dos casos, el principio consiste en recuperar calor de los lodos extraídos del reactor 4 y en utilizar este calor para precalentar los lodos antes de su introducción en el reactor 4.
En estos modos de realización (véanse las figuras 2 y 3), el dispositivo comprende un intercambiador de calor 7 dispuesto para transformar en vapor el agua que circula por este intercambiador de calor 7 utilizando calor contenido en los lodos extraídos del reactor 4, siendo este vapor el vapor inyectado en los lodos aguas arriba del reactor 4 por el medio de precalentamiento 2. Para hacer esto, esta agua circula en un circuito 25 que une este intercambiador de calor 7 al medio de precalentamiento 2.
Este intercambiador de calor 7 sirve para producir vapor saturado o ligeramente sobrecalentado destinado a ser inyectado en los lodos que circulan aguas arriba del reactor 4 por el medio de precalentamiento 2. Típicamente, el vapor así producido tiene un presión comprendida entre 0,1 MPa y 1 MPa, preferentemente comprendida entre 0,15 MPa y 0,3 MPa.
El intercambiador de calor 7 es de tipo hervidor de tubos de humos o consiste en cualquier otro intercambiador apto para producir vapor saturado.
El agua que circula por el intercambiador de calor 7 llega por un conducto 21b con una calidad compatible con la producción de vapor deseada especialmente en términos de descalcificación, de desmineralización...
Los lodos que llegan al medio de precalentamiento 2 por el conducto 1a son mezclados en éste con el vapor a baja presión, comprendida típicamente entre 0,1 MPa y 1 MPa, a través de un dispositivo de mezcla dinámico o estático habida cuenta de las pequeñas cantidades de vapor utilizado (típicamente 5%-25 % de vapor con respecto a los lodos en términos de masa). Este vapor presenta típicamente un temperatura comprendida entre 100 °C y 120 °C, y una presión comprendida entre 0,15 MPa y 0,3 MPa.
El intercambiador de calor 7 está dimensionado para producir una cantidad de vapor adaptada para:
a) enfriar los lodos extraídos del reactor 4 y disminuir la temperatura de los lodos que pasan por este intercambiador de calor 7. Típicamente, la temperatura de los lodos que salen del intercambiador de calor 7 es del orden de 100 °C-1202C.
b) precalentar los lodos aguas arriba del reactor 4 de tal manera que sean suficientemente licuados a la salida del medio de precalentamiento 2. Típicamente, la temperatura de los lodos a la salida del medio de precalentamiento 2 es del orden de 50 °C-140 °C, preferentemente 70 °C-90 °C.
Aguas abajo de la bomba 3 unida al medio de precalentamiento 2 por el conducto 1b, los lodos son encaminados hacia un intercambiador 91 por un conducto 1c1 que une la bomba 3 y este intercambiador 91. La licuación de los lodos durante la etapa de precalentamiento favorece un buen intercambio térmico en el intercambiador 91.
La bomba 3 encamina los lodos licuados a presión al intercambiador 91, a una presión correspondiente a la presión de funcionamiento en el seno del reactor 4, aumentada por las pérdidas de carga del intercambiador 91 situado aguas abajo de esta bomba 3. Esta presión es típicamente de Preactor+Ppérdidas, donde
- Ppérdidas designa las pérdidas de carga del intercambiador 91 y de los conductos 1c1 y 1c2 (uniendo el conducto 1c2 el intercambiador 91 a la primera entrada 11 del reactor 4), comprendidas típicamente entre 0,1 MPa y 1 MPa,
- Preactor designa la presión nominal de funcionamiento del reactor 4, comprendida típicamente entre 0,6 MPa y 3 MPa.
El segundo modo de realización (véase la figura 2) y el tercer modo de realización (véase la figura 3) se distinguen por la naturaleza de la etapa de calentamiento adicional: en el modo de realización de la figura 2, este calentamiento adicional es de tipo indirecto; en el modo de la figura 3, este calentamiento adicional es de tipo directo.
En el segundo modo de realización (véase la figura 2), los lodos son calentados por el intercambiador 91 por transferencia de calor de estos lodos con un fluido portador de calor que circula en un bucle 94, bajo el efecto de una bomba 92, entre este intercambiador 91 montado aguas arriba del reactor 4 y un intercambiador 93 montado aguas abajo del reactor 4. Este fluido portador de calor es calentado por intercambio térmico en el intercambiador 93 en el que el mismo recupera calor contenido en los lodos extraídos del reactor 4. Al circular en el bucle 94, el calor así recuperado en los lodos extraídos del reactor 4 es transferido a los lodos que circulan por el intercambiador 91 aguas arriba del reactor 4. Este fluido portador de calor es recalentado en el bucle 94 a una temperatura correspondiente típicamente a la temperatura del reactor 4 disminuida en 20 °C a 80 °C típicamente 40 °C, lo que corresponde también a la temperatura de precalentamiento en el conducto 1c2 añadida en 20 °C a 80 °C, típicamente 40 °C. El intercambiador 93 puede ser de cualquier tipo pero preferentemente de tipo tubo dentro de tubo. Los lodos enfriados por el intercambiador 93 son encaminados después hacia el intercambiador de calor 7 por el conducto 1e.
En el tercer modo de realización (véase la figura 3), los lodos que circulan por el intercambiador 91 provenientes de la bomba 3 y con destino al reactor 4 son recalentados por transferencia de calor directa de los lodos extraídos del reactor 4 encaminados hacia este mismo intercambiador 91 por el conducto 1d.
A la salida del intercambiador 7, los lodos, que tienen una temperatura que puede descender hasta 100 °C, son encaminados hacia un intercambiador terciario 6 por el conducto 1f. Este intercambiador terciario 6 permite realizar un intercambiador de calor entre estos lodos y el agua que circula por este intercambiador terciario 6. Esta agua llega al intercambiador terciario 6 por un conducto 20 y sale del mismo por un conducto 21. El agua que circula por el conducto 21, así recalentada por intercambio térmico con los lodos en el intercambiador terciario 6, es encaminada después, a través de la bifurcación Y21:
- por una parte, hacia el conducto 21 b unido al intercambiador 7,
- por otra, hacia un conducto 21a unido a la caldera 22 que funciona según el mismo principio que en el primer modo de realización de la figura 1.
Típicamente, este intercambiador terciario 6 es de cualquier tipo posible y en particular de tubo dentro de tubo. El agua que llega a este intercambiador terciario 6 por el conducto 27 es de calidad apropiada (descalcificada o desmineralizada) y a temperatura ambiente. El agua que sale de este intercambiador terciario 6 por el conducto 21 está a una temperatura del orden de 60 °C-100 °C, preferentemente 90 °C. Preferentemente, esta agua que sale del intercambiador terciario 6 es almacenada en un depósito intermedio (no representado), por ejemplo a nivel de la bifurcación Y21. Este depósito intermedio es por ejemplo una cuba adaptada a las necesidades del dispositivo en términos de generación de vapor endógena o exógena.
Este intercambiador terciario 6 permite disminuir la temperatura de los lodos a menos de 90 °C, lo que evita su vaporización durante la descompresión en el órgano deprimógeno 9.
Un último intercambiador 8 puede ser añadido entre el intercambiador terciario 6 y el órgano deprimógeno 9 a fin de enfriar aún más los lodos a la temperatura deseada antes de la descompresión. Este último intercambiador 8 está así unido al intercambiador terciario 6 por un conducto 1g y al órgano deprimógeno 9 por un conducto 1h. Este intercambiador 8 puede ser de cualquier tipo conocido. Este puede enfriar los lodos por un fluido de tipo agua, aire o cualquier otro fluido frigorígeno que entre en este último intercambiador 8 por un conducto 26 y que salga del mismo por un conducto 27. El agua en el conducto 27 puede ser o no recuperada para necesidades del proceso. Este último intercambiador 8, permite por una parte producir lodos en condiciones térmicas óptimas, y por otra recuperar un complemento de energía que puede ser utilizado al exterior del procedimiento descrito.
El órgano deprimógeno 9 permite dirigir los lodos carbonizados hacia un tratamiento adecuado.
Un ejemplo de balance es el siguiente.
Sean 1000 kg de lodos con un 20% de sequedad y a 15 °C.
Se inyectan 107 kg de vapor a 0,13 MPa y 108 °C en el medio de precalentamiento 2 para precalentar los lodos a 85 °C.
Se precalientan después los lodos a 110 °C en el intercambiador 91 antes de la introducción en el reactor 4 y después se inyectan 161 Kg de vapor a 25 MPa y 225 °C en el reactor 4 para calentarle a 190 °C.
A la salida del intercambiador 93 (véase la figura 2), los lodos que han sido sometidos a la reacción de carbonización hidrotermal tienen una temperatura de 164 °C, recalentando el fluido portador de calor que circula por el bucle 94 a 145 °C.
A la salida del intercambiador 7, los lodos están a 1052C.
A la salida del intercambiador terciario 6, los lodos están a 89 °C.
A la salida del intercambiador 8, los lodos están a 80 °C.
La figura 4 representa un cuarto modo de realización de la invención en el cual el dispositivo comprende los mismos constituyentes mecánicos que el dispositivo del primer modo de realización, con excepción del medio de precalentamiento 2 unido al reactor 4 por un bucle de b de recirculación. La figura 4 se describe así esencialmente según sus diferencias con la figura 1.
El bucle b de recirculación está dispuesto para extraer una fracción de los lodos contenidos en el reactor 4 y para mezclar esta fracción con los lodos recibidos por el medio de precalentamiento 2. Más específicamente, este dispositivo permite realizar una etapa de precalentamiento que comprende una etapa de recirculación en la cual se extrae una fracción de los lodos contenidos en el interior del reactor 4 y en la cual se mezcla esta fracción con los lodos antes de su introducción en el reactor 4, esto de manera que se eleve su temperatura hasta la temperatura de precalentamiento.
Típicamente, la fracción de lodos que llegan al bucle b de recirculación tiene una temperatura comprendida entre 50 °C y 140 °C, preferentemente 70 °C-90 °C.
La proporción de esta fracción de lodos recirculados con respecto a la cantidad de lodos que llegan al medio de precalentamiento 2 por el conducto 1a es determinada y controlada para obtener lodos en el medio de precalentamiento 2 a una temperatura objetivo. Esta proporción puede ser del orden del 100%. Típicamente la proporción Dlodos tratados/D lodos no tratados es igualmente a (Tobjetivo — Tno tratados) / (T lodos tratados — Tobjetivo) ± 10%, donde
- Dlodos tratados designa el caudal de la fracción de lodos recirculada que es inyectada en el flujo de lodos fríos no tratados que llegan al medio de precalentamiento 2 por el conducto 1a cuyo caudal es Dlodos no tratados
- Tbjetivo corresponde a la temperatura de precalentamiento prevista, por ejemplo 90 °C, antes de la introducción en el reactor 4
- Tlodos tratados corresponde a la temperatura de los lodos tratados, a la salida del reactor 4, por ejemplo 180 °C
- T lodos no tratados corresponde a la temperatura de los lodos no tratados en el conducto 1a, a temperatura ambiente, por ejemplo 15 °C.
Naturalmente, la invención no está limitada a los ejemplos que se acaban de describir y a estos ejemplos pueden ser aportadas numerosas disposiciones sin salirse del marco de la invención. Por ejemplo, el bucle b de recirculación de la figura 4 podría estar incorporado al modo de realización de la figura 2 o 3. Además, las diferentes características, formas, variantes y modos de realización de la invención puede ser asociadas una a otra según diversas combinaciones en la medida en que no sean incompatibles o exclusivas una de otra.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de carbonización hidrotermal en continuo de lodos que contienen materia orgánica, presentando los citados lodos una sequedad comprendida entre el 10% y el 30%, comprendiendo el citado procedimiento una etapa de reacción hidrotermal puesta en práctica en un reactor (4), comprendiendo la etapa de reacción hidrotermal las etapas siguientes:
- una etapa de introducción de lodos en la cual se introducen los lodos en el reactor (4) por una primera entrada (11),
- una etapa de inyección endógena de vapor en la cual se inyecta vapor en el reactor (4) por una segunda entrada (15), distinta de la primera entrada (11),
- una etapa de extracción en la cual se extrae en continuo al menos una parte de los lodos contenidos en el reactor (4) por una salida de lodos (16),
caracterizado por que comprende además una etapa de precalentamiento en la cual se eleva la temperatura de los lodos antes de su introducción en el reactor (4) hasta una temperatura de precalentamiento igual o superior a 70 °C,
por que la etapa de precalentamiento comprende una etapa de inyección de microondas en la cual se inyectan microondas en los lodos antes de su introducción en el reactor (4) y
una etapa de inyección exógena de vapor en la cual se inyecta vapor en los lodos antes de su introducción en el reactor (4),
y por que comprende además una etapa de calentamiento adicional en la cual se eleva la temperatura de los lodos que han sido sometidos a la etapa de precalentamiento antes de su introducción en el reactor (4) transfiriendo a estos lodos calor contenido en los lodos extraídos del reactor (4).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la etapa de precalentamiento comprende una etapa de recirculación en la cual se extrae una fracción de los lodos contenidos en el reactor (4) y en la cual se mezcla esta fracción con los lodos antes de su introducción en el reactor (4).
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que comprende además una etapa de puesta en circulación en la cual se pone en circulación en el seno del reactor (4) una mezcla constituida por los lodos contenidos en el reactor (4) y el vapor inyectado en el reactor (4).
4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que comprende además una etapa de calentamiento de agua en la cual se transfiere al agua calor contenido en los lodos extraídos del reactor (4) por intermedio de un intercambiador de calor (6), y en la cual se utiliza agua así calentada para producir todo o parte del vapor utilizado durante la etapa de inyección endógena de vapor.
5. Dispositivo de carbonización hidrotermal en continuo de lodos que contienen materia orgánica, presentando los citados lodos una sequedad comprendida entre el 10% y el 30%, comprendiendo este dispositivo un reactor (4) que comprende:
- una primera entrada (11) dispuesta para introducir los lodos en el reactor (4),
- una segunda entrada (15) dispuesta para inyectar vapor directamente en el reactor (4), distinta de la primera entrada (11),
- una salida de lodos (16) dispuesta para extraer del reactor (4) en continuo al menos una parte de los lodos que contiene,
caracterizado por que comprende además un medio de precalentamiento (2) aguas arriba de la primera entrada (11), estando dispuesto este medio de precalentamiento (2) para recibir los lodos antes de su introducción en el reactor (4) y para elevar la temperatura de los lodos que recibe hasta una temperatura de precalentamiento igual o superior a 70 °C,
y por que el medio de precalentamiento (2) está dispuesto para inyectar microondas en los lodos que recibe y para inyectar vapor en los lodos que recibe, y por que comprende además medios de calentamiento adicionales (91, 92, 93, 94) dispuestos para transferir calor contenido en los lodos extraídos del reactor (4) a los lodos aguas abajo del medio de precalentamiento (2) y aguas arriba del reactor (4), de manera que se eleve la temperatura de los lodos aguas abajo del medio de precalentamiento (2) y aguas arriba del reactor (4).
6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que comprende un bucle (b) de recirculación dispuesto para extraer una fracción de los lodos contenidos en el reactor (4) y para mezclar esta fracción con los lodos recibidos por el medio de precalentamiento (2).
7. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por que comprende además un intercambiador de calor (6) y una caldera (22), estando dispuesto este intercambiador de calor (6) para transferir calor contenido en los lodos extraídos del reactor (4) al agua que circula entre este intercambiador de calor (6) y la caldera (22), estando dispuesta la caldera (22) para facilitar todo o parte del vapor inyectado en el reactor (4) por la segunda entrada (15).
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