ES2832598A1 - Instalación y proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos - Google Patents

Abstract

Proceso e instalación de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos. El proceso comprende las etapas de: - separar ópticamente los plásticos pirolizables de los residuos en una estación clasificadora (2) eliminando los que contienen cloro y azufre mediante espectrofotometría; - secar los plásticos pirolizables y, preferiblemente, aglomerarlos - realizar la pirólisis en uno o más hornos (5) con extracción de gases; - condensar los gases; - eliminar el agua; - destilar el condensado. Para ello, la instalación comprende una zona clasificadora (2) de residuos, con al menos un separador óptico y un separador por espectrofotometría configurado para retirar compuestos de cloro y de azufre; una estación de secado (3) aguas abajo; uno o más hornos (5) de pirólisis, a cuya salida de gases se acopla un refrigerador (7) de condensación; un eliminador de agua y una unidad de destilación (10).

Description

DESCRIPCIÓN

Instalación y proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a un proceso productivo parametrizable para que en la misma instalación y de forma sencilla se pueda realizar la fabricación de cualquier tipo de biocombustible petroquímico a partir de residuos plásticos y otros materiales de desecho, y que reduce en gran medida la inclusión indeseada de azufre. También se refiere a la instalación que lo ejecuta.

Es de aplicación en el campo de la energía, especialmente en la producción de combustibles de origen renovable. También puede ser considerado en el campo de biorrefinerías (conjunto de infraestructuras y tecnologías por las cuales se obtienen productos similares al petróleo o sus derivados, utilizando como materia prima los residuos plásticos procedentes de residuos sólidos urbanos y residuos industriales).

ESTADO DE LA TÉCNICA

Se conoce en el estado de la técnica la producción de biocombustible, por ejemplo, a partir de ácidos grasos o triglicéridos y metanol (US2003032826A1, US2010298586A1).

También se conoce la creación de combustibles a partir de pirólisis de materias primas como la madera y de otros materiales como residuos. Sin embargo, este procedimiento ofrece resultados de baja calidad, obteniéndose combustibles diferentes en cada carga de residuos y normalmente con altos contenidos de azufre o cloro, por lo que se debe mezclar (blending) en un pequeño porcentaje con combustibles de alta calidad para poder ser aceptados por la normativa. Por lo tanto, no son relevantes técnica ni económicamente.

La mayoría de las plantas adquieren un residuo ya separado realizándose en la instalación un proceso básico de trituración con el fin de alimentar los hornos de pirolisis. Con este proceso productivo se obtienen hidrocarburos homogéneos sólo en el improbable caso de que los residuos de entrada también lo sean. Si la planta tuviese una columna de destilación se obtendrían tres productos (ligero, intermedio y pesado) en unas proporciones determinadas, sin capacidad de ser modificadas. Si no se dispone de unidades de destilación se obtendrá una mezcla de hidrocarburos de mayor o menor calidad que solo podrá ser destinada a mezclado.

Otras instalaciones adquieren una mezcla de plásticos ya triturados (CSR) pero como cada carga de residuo triturado es diferente, se obtienen biocombustibles de baja calidad, con azufre, y normalmente alta viscosidad y bajo flash point (temperatura de inflamabilidad o destello). El resultado es un biolíquido, que, si quiere ser usado como biocombustible o biocarburante, debe ser mezclado en un porcentaje muy pequeño o bien se vende en la industria química como producto químico orgánico de base para hacer otros productos.

El solicitante no conoce otros procesos similares a la invención.

BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en un proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, y la instalación que lo ejecuta, según las reivindicaciones. Sus realizaciones resuelven los problemas del estado de la técnica.

Permite la obtención de biocombustibles sintéticos a partir de los plásticos presentes en los residuos, utilizando tecnologías de separación selectiva de plásticos residuales, pirolisis y condensación/destilación.

Es un proceso productivo que permite hacer cualquier combustible de características casi idénticas al petroquímico, en la misma instalación, incluso ajustando el porcentaje obtenido en la columna de destilación final. Permite diseñar los parámetros clave (temperatura del horno de pirólisis, tiempo de residencia, porcentaje de cada plástico pirolizable, densidad de aglomeración, temperatura de condensación, etc.) e ir modificando estas variables en cada etapa parametrizada.

La flexibilidad del proceso es tal que la configuración de la planta de tratamiento del residuo posibilita la alimentación de residuo de distintas fuentes, en formatos y caracterizaciones dispares, lo que unido a la disposición de múltiples sensores ópticos nos permite seleccionar una mezcla de plásticos que se puede orientar hacia el producto que pretendemos destilar.

Esta flexibilidad se completa con las unidades de aglomeración que nos permiten ajustar las características de la materia prima pirolizable en cuanto a caracterización, tamaño de bricket y densidad, unido a los secadores que nos permiten ajustar la humedad relativa de la materia prima con la que alimentamos el reactor.

Con las herramientas antes mencionadas, complementadas con la parametrización derivada del uso selectivo de los tiempos de residencia, temperaturas y el uso de catalizadores se orienta la caracterización del syngas hacia el objetivo de destilación que se persiga en cada momento.

Una vez alcanzada ésta, se procede a ajustar los parámetros de destilación. La columna de destilación tendrá diferentes fracciones, dependiendo de la fracción que se pretenda destilar, variando en consecuencia los rendimientos de los Biocarburantes obtenidos. Este equilibrio entre la fracción a maximizar y las propiedades objetivo de el/los biocarburantes destilados permiten flexibilizar la producción de los diferentes productos

Este procedimiento e instalación permite disponer de un proceso productivo donde se cambian los parámetros de producción de forma sencilla, finalizando en el diseño de la fórmula exacta de los plásticos pirolizables a utilizar.

El resultado de los gases de pirólisis de cada tipo de plástico, previa modificación de los parámetros principales (la temperatura, tiempo de residencia etc.) se puede conocer mediante experimentación, al igual que su similitud con los hidrocarburos petroquímicos una vez condensados y destilados.

El proceso productivo, así como sus subprocesos, se diseña fijando previamente la calidad, el tipo del combustible y el porcentaje deseado de este combustible objetivo sobre el total de combustible producido en la columna de destilación hasta llegar a la dosificación concreta de determinados plásticos residuales. En consecuencia, se ha avanzado en dirección opuesta a las tareas habituales de ingeniería, que consisten en utilizar datos técnicos para elaborar un producto determinado.

Todo el proceso productivo es parametrizable pudiéndose variar con el fin de cambiar el combustible producido y su porcentaje sobre el total de los combustibles que se producen de forma simultánea en la columna de destilación, modificándose de este modo la dosificación necesaria de plásticos residuales.

El mismo proceso se puede diseñar y parametrizar para lograr cualquier combustible, describiéndose en detalle en esta memoria la forma de lograr gasóleo de automoción (gasóleo A), con los parámetros que son limitantes en los hidrocarburos convencionales (Flash point, índice de cetanos (DMF), Pour Point (punto de fluidez), porcentaje de azufre).

El proceso de fabricación de biocombustible, a partir de residuos, comprende las etapas de: - Decidir el tipo de biocombustible y el porcentaje sobre el total producido.

- Formular los plásticos necesarios tanto en porcentaje como en su tipología.

- Separar ópticamente las tipologías concretas de los plásticos pirolizables presentes en los residuos en una estación clasificadora eliminando los que no son útiles para la fabricación del combustible y los que contienen cloro y azufre mediante tecnologías de selección como espectrofotometría, colorimetría, densidad y corrientes de aire.

- Secar los plásticos pirolizables, normalmente utilizando el propio calor del proceso. - Preferiblemente, aglomerarlos.

- Realizar la pirólisis en uno o más hornos con extracción de gases. Preferiblemente a 450-640°C.

- Condensar los gases.

- Eliminar el agua.

- Destilar el condensado.

El producto resultante puede seguir siendo mezclado, pero ya no limita, sino que mejora, las características del producto combinado. Entre otras, mejora el porcentaje de azufre de la mezcla. El condensado se separa en: fracciones ligeras, muy ventajosas para obtener productos aromáticos o combustible de aviación, fracciones pesadas para fuel pesado, y una fracción intermedia (gasóleos).

Para ello, la instalación de fabricación de biocombustible comprende:

- Una zona clasificadora de residuos, con al menos un separador óptico y un separador por espectrofotometría configurado para retirar los plásticos no adecuados para la fabricación del combustible seleccionado y todos aquellos que tengan compuestos de cloro y de azufre. - Una zona de almacenamiento de los plásticos seleccionados no necesarios para la fabricación del combustible elegido, que serán los adecuados para la fabricación de otros biocombustibles o para valorización fuera de las instalaciones.

- Una estación de secado aguas abajo de la zona clasificadora, preparada para recibir los plásticos pirolizables, sin cloro ni azufre.

- Uno o más hornos rotativos de pirólisis, a cuya salida de gases se acopla

- Un refrigerador de condensación.

- Un eliminador de agua, generalmente un decantador.

- Una unidad de destilación.

Se ha de entender que cualquier aparato o dispositivo que se ha indicado en singular puede estar duplicado o presente en cualquier número de unidades, y viceversa.

Otras variantes se describirán más adelante.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para una mejor comprensión de la invención, se incluyen las siguientes figuras.

Figura 1: Ejemplo esquemático de una realización de la instalación.

MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

A continuación, se pasa a describir de manera breve un modo de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta.

En la figura 1 se muestra un esquema del proceso de fabricación de biocombustible según la invención. Parte de una entrada de residuos (1) y una zona clasificadora (2), en la que se produce la apertura de cualquier bolsa eventual, la separación de materiales metálicos (férricos o no férricos), y la separación de los plásticos que forman la materia prima de partida. Igualmente puede tener tamices para eliminación de orgánicos y otros separadores conocidos en la técnica.

En la zona clasificadora (2) también se procede a la separación óptica entre plásticos, usando infrarrojos. Se procederá a separar por un lado las poliolefinas pirolizables (HDPE, LDPE, PP, PS...) de aquellos plásticos que no son adecuados, especialmente PVC y PES; y/o aquellos que tienen un alto valor añadido en procesos de reciclado (PET, etc.).

Una vez separadas las poliolefinas pirolizables de los plásticos no pirolizables, se puede proceder a una segunda selección destinada a conseguir la formulación concreta de los plásticos necesarios para la fabricación del biocombustible. Los plásticos seleccionados se remiten a una estación de secado (3), mientras que el resto puede ser valorizado de otras formas no relevantes para la invención o acopiados para la fabricación de otros biocombustibles. La mezcla resultante tendrá un contenido plástico de al menos 75% en seco.

La zona clasificadora (2) comprende tecnología de detección molecular de plásticos con presencia de azufre (espectrofotometría) y cloro. Es un sistema de clasificación de plásticos basado en el sistema de cámara multiespectral y cámaras con infrarrojos. Este sistema permite la separación de los diferentes tipos de plásticos (PVC, PMMA, PDM, PP, PET...) basándose en la curva espectral de emisión de cada uno de estos plásticos en las longitudes de onda preferiblemente comprendidas entre los 1000 y los 1600nm.

Las cámaras multiespectrales generan imágenes del residuo objetivo con decenas o centenares de longitudes de onda simultáneamente. El sistema es capaz de identificar el plástico a partir de su curva espectral y separar de forma independiente cada uno de ellos en contenedores específicos.

La estación de secado (3) elevará la temperatura de una corriente de aire hasta un máximo de 95°C, para no afectar a la integridad de los plásticos. Esta etapa elimina el agua de las poliolefinas pirolizables, reduciendo su humedad preferiblemente por debajo del 8%. En un ejemplo preferido, la estación de secado (3) comprende dos intercambiadores de calor:

- Un primer intercambiador de calor con un circuito cerrado de aceite caliente. Este aceite se calentará con el calor residual del gas de síntesis de salida de los hornos de pirolisis. - Un segundo intercambiador de calor empleará vapor saturado como medio de calentamiento si no hay suficiente energía en el aceite térmico. El vapor saturado se puede producir recuperando cualquier calor sobrante del proceso, dado que se producen combustiones en varios puntos.

El aire de secado, sucio, ha de ser filtrado. Por ejemplo, el aire sucio se puede hacer pasar por una torre donde se humidifica y por un medio filtrante de corteza de pino que funcionará como medio soporte para una película de bacterias que oxidarán los compuestos que generan olores, así como los compuestos orgánicos volátiles que pueda contener la corriente de aire sucio.

El producto seco se aporta a aglomeradores (4) regulables que elevan la densidad y homogenizan la superficie específica, mediante presión. Así, el tamaño de partículas de los plásticos pirolizables a la entrada no es relevante en el proceso posterior. Según el tipo de biocombustible se modifica la densidad del aglomerador (4). El producto sale con una densidad de hasta 350kg/m3, según el diseño.

Tras los aglomeradores (4), se procede a los hornos (5) rotativos de pirólisis, que comprenden una serie de válvulas de entrada para reducir la entrada de aire u oxígeno al horno. Se puede alimentar mediante un tornillo sinfín, que regula la velocidad de entrada al horno (5) de pirólisis. Los hornos (5) preferidos se basan metodología de pirolisis flash con hornos rotativos (Rotary Kiln). La temperatura de operación variará según el biocombustible producido y estará entre los 450 - 640 °C, en depresión para reducir las pérdidas de gases gracias a un ventilador de salida (6). Las cenizas y otros restos sólidos se evacuarán por cualquier vía conocida.

La corriente de gas (syngas) proveniente del ventilador de salida (6) de cada horno (5) se condensa mediante un refrigerador (7), preferiblemente, en dos etapas. La primera etapa se puede realizar con aceite térmico, que es utilizado en la fase de secado. La segunda etapa se realiza con agua de refrigeración.

La parte no condensada se quemará (a 1100°C, por ejemplo) en una cámara de combustión (8) para la producción de energía eléctrica o para calentar el horno (5) por medio de una camisa exterior.

El condensado se remite a un decantador (9) u otro dispositivo para retirar el agua y a una unidad de destilación (10). En la unidad de destilación (10) se disponen columnas de destilación que permiten separar los compuestos por su punto de ebullición. Se generan las siguientes fracciones:

- Por la cabeza de la columna sale un producto químico de base de tipo ligero (bionafta). Se puede usar para mezcla (blending) o para consumo interno en la planta, por ejemplo, calentando el aceite térmico o quemándose en un generador eléctrico para obtener la energía necesaria para el funcionamiento de la planta.

- Por la salida lateral de la columna sale el producto intermedio: un producto químico de base de tipo medio (biocombustible).

- Por la cola de la columna sale la fracción pesada de producto. Su uso principal es como combustible interno en la caldera de aceite térmico.

En la unidad de destilación (10), se requiere un condensador principal y un post-condensador para los compuestos más volátiles que ascienden hasta la parte superior de la columna de destilación. La temperatura del condensador principal es, por ejemplo, de 9,7°C y la del post­ condensador es de 5°C, para lo que se puede usar una mezcla de agua y etilenglicol (30%).

Los almacenes del producto destilado, el decantador (9) y el destilador (10) tendrán válvulas de extracción de gases comunicadas con la cámara de combustión (8) para evitar la emisión de compuestos orgánicos volátiles (VOC) al exterior.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, caracterizado por que comprende las etapas de:

   - seleccionar la mezcla de combustible a producir;

   - formular la receta de plásticos pirolizables;

   - separar ópticamente los plásticos pirolizables a utilizar de los residuos en una estación clasificadora (2) eliminando todos los que contienen cloro y azufre;

   - secar los plásticos pirolizables;

   - realizar la pirólisis en uno o más hornos (5) con extracción de gases regulando temperatura, presión y tiempo de residencia del residuo en el horno;

   - condensar los gases;

   - eliminar el agua;

   - destilar el condensado.

   2- Proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende una etapa de aglomerar los plásticos pirolizables antes de la pirólisis.

   3- Proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 1, caracterizado por que los plásticos pirolizables tienen un contenido de plástico de al menos 75% de materia seca.

   4- Proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 1, caracterizado por que el secado se realiza a menos de 95°C.

   5- Proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 1, caracterizado por que la pirólisis se realiza a entre 450 y 640 °C.

   6- Proceso de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 1, caracterizado por que la condensación de los gases se realiza en refrigeración en dos etapas.

   7- Instalación de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, que aplica el proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende: una zona clasificadora (2) de residuos, con al menos un separador densimétrico, un separador óptico y un separador por espectrofotometría configurado para retirar compuestos de cloro y de azufre;

   una estación de secado (3) aguas abajo;

   uno o más hornos (5) de pirólisis, a cuya salida de gases se acopla

   un refrigerador (7) de condensación;

   un eliminador de agua,

   una unidad de destilación (10).

   8- Instalación de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 7, caracterizada por que comprende un aglomerador (4) tras la estación de secado (3).

   9- Instalación de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 7, caracterizada por que el horno (5) está a entre 450 y 640 °C.

   10- Instalación de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 7, caracterizada por que el refrigerador (7) está dividido en dos etapas.

   11- Instalación de fabricación de biocombustibles a partir de residuos plásticos, según la reivindicación 7, caracterizada por que comprende una cámara de combustión (8) de los gases no condensados.