ES2869342T3 - Aparato para pirolizar material carbonoso - Google Patents

Abstract

Un aparato de pirolisis (10) para pirolizar un material carbonoso y producir carbón y volátiles, el aparato (10) que comprende: un recipiente cilíndrico (12) que tiene una entrada (14) para el material carbonoso, una salida (16) para el carbón y los volátiles y una primera vía entre ellos, por lo que la entrada (14) y la salida (16) se disponen en extremos opuestos del recipiente (12), el recipiente (12) tiene porciones de pared (22, 30) con superficies interiores que definen la primera vía, el recipiente (12) incluye además una carcasa hueca (20) asociada con una superficie interior del recipiente y configurada para definir una segunda vía (24) para un medio de intercambio de calor entre su entrada de medio de intercambio de calor (26) y su salida de medio de intercambio de calor (28), configurándose la carcasa hueca (20) para proporcionar una pluralidad de superficies (30) que se proyecta en el recipiente (12) para definir una serie de cámaras interconectadas (32), en donde las superficies salientes (30) se proporcionan con aberturas (36) para facilitar el flujo de material carbonoso y el carbón y los volátiles resultantes progresivamente a través de cámaras adyacentes (32) en el recipiente (12) desde la entrada (14) hasta la salida (16), al menos porciones de la primera vía se intercalan con al menos porciones de la segunda vía (24); y un agitador (50) para pasar el material carbonoso, el carbón y los volátiles producidos a través de la primera vía, caracterizado porque el agitador (50) comprende un eje giratorio (52) que se extiende a través del recipiente (12) y una pluralidad de paletas (54) asociadas con el eje giratorio (52), en donde el agitador (50) es operable mediante el giro del eje giratorio (52), y porque la primera vía comprende las cámaras interconectadas (32) y en donde una o más de las paletas (54) se extienden hacia las respectivas cámaras (32).

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato para pirolizar material carbonoso

Campo de la Invención

Se divulga un aparato para pirolizar material carbonoso. En particular, aunque no exclusivamente, se divulga un aparato para pirolizar un material carbonoso de bajo rango, tal como biomasa y carbón. El aparato también puede realizar la función de un alimentador.

Antecedentes de la Invención

El principal objetivo de la gasificación es convertir la energía química incrustada en un combustible sólido en la energía química de un combustible gaseoso resultante. La eficiencia de conversión no es del 100 %, principalmente porque la gasificación debe realizarse a una temperatura elevada. La materia prima de alimentación y los agentes gasificantes deben calentarse a temperatura elevada, que son procesos endotérmicos. La conversión real de un combustible sólido en un combustible gaseoso puede ser exotérmica o endotérmica, en dependencia en gran medida del consumo de oxígeno. Después de la gasificación, el combustible gaseoso debe enfriarse, que es un proceso exotérmico. Parte del calor sensible y el calor latente incrustados en el combustible gaseoso no pueden recuperarse por completo como energía útil. Por lo tanto, el desajuste (brecha) entre la suma de la demanda de calor (endotérmica) para calentar los reactivos y para gasificar el combustible sólido y el calor exotérmico liberado al enfriar el combustible gaseoso es una fuente importante de ineficiencia. Para que un proceso de gasificación se opere a escala comercial, quemar parte del combustible con aire (oxígeno) es la práctica común para satisfacer esta brecha de energía.

Hay dos tipos principales de estrategias para mejorar la eficiencia del proceso de gasificación. Por un lado, la temperatura de gasificación puede reducirse con la minimización simultánea del consumo de oxígeno. Esta estrategia particular generalmente se limita por la cinética de reacción del proceso de gasificación determinada por la composición del material carbonoso, especialmente la gasificación del carbón, así como también la presencia de residuos de alquitrán en el combustible gaseoso. Para la gasificación de combustibles de bajo rango, tal como la biomasa, un factor limitante importante para lograr velocidades de gasificación rápidas es los efectos adversos de las interacciones de los carbonos-volátiles.

La segunda estrategia para mejorar la eficiencia de la gasificación es recuperar la energía térmica del gas producto en energía química del combustible gaseoso. La recuperación de energía térmica es un proceso para incrementar la exergía. En la operación de un gasificador comercial, esto significa encontrar formas para calentar los combustibles y agentes gasificantes y/o satisfacer las demandas de energía de las reacciones de pirolisis/gasificación/reformado endotérmicas mediante el uso del calor sensible/latente de la corriente de gas producto caliente. Los combustibles de bajo rango, tal como la biomasa, tienen una reactividad muy alta y pueden gasificarse a una temperatura mucho más baja que la de un combustible de alto rango. Por lo tanto, la gasificación de combustibles de bajo rango ofrece una excelente oportunidad para recuperar calor de baja temperatura (es decir, de bajo grado) en la energía química del gas combustible de gasificación.

Hay tres categorías de pirolizadores, en base al modo de suministro de calor.

La primera categoría es usar un portador de calor que se mezcle físicamente con el material de alimentación. Convencionalmente, un pirolizador de lecho fluidizado emplea suministro de calor directo mediante mezcla física. Puede usarse una corriente de gas caliente inerte como el portador de calor y se mezcla rápidamente con un material de alimentación, tal como biomasa, (y opcionalmente arena) para pirolizar el material de alimentación. Estos tipos de pirolizadores no son muy adecuados para recuperar la energía térmica en el gas producto de gasificación porque el gas producto de gasificación se diluiría excesivamente por el gas inerte, conduciendo a valores caloríficos muy bajos del gas producto de gasificación y las consiguientes dificultades para su combustión en el motor de gas aguas abajo para la generación de electricidad (o generación combinada de calor y energía, CHP).

Algunos pirolizadores se configuran para calentamiento químico directo, mediante el cual el calor para secar biomasa, el calentamiento de biomasa o pirolisis, o parte de ella, se realiza mediante reacciones exotérmicas entre el material de alimentación (o productos de pirolisis) y el oxígeno (aire). La ventaja más importante es que pueden suministrarse rápidamente grandes cantidades de calor. Cuando el material de alimentación frío se alimenta directamente a un gasificador, puede suministrarse de esta manera una fracción significativa de la energía térmica para secar, calentar y pirolizar el material de alimentación. Sin embargo, para un pirolizador independiente, debe tenerse cuidado al manejar cuidadosamente los problemas de seguridad asociados para evitar la presencia de posibles mezclas explosivas en una región fría.

La tercera categoría de pirolizadores se configura para emplear suministro de calor indirecto a través de un intercambiador de calor. Típicamente, tales pirolizadores toman la forma de un pirolizador de tornillo (barrena) que se calienta externamente. Mientras esta categoría de pirolizadores puede ser adecuada, en principio, para recuperar la energía térmica en el gas producto en energía química del combustible gaseoso, descrito anteriormente, los pirolizadores actualmente disponibles sufren de una cantidad limitada de área de intercambio de calor.

Además, para que la pirolisis sea parte de la gasificación (o incluso la combustión), la pirolisis también es una ruta de procesamiento de combustibles sólidos, por ejemplo, para producir aceite biológico, biogás y biocarbón. En operaciones prácticas, minimizar el uso de un gas portador inerte o sólido es importante para maximizar la eficiencia y economía general del proceso. El calentamiento indirecto ofrece beneficios significativos; sin embargo, la provisión de una superficie de transferencia de calor abundante sigue siendo un desafío técnico.

El aceite biológico es un producto de pirolisis con una composición extremadamente complicada. Para mejorar la eficiencia de la mejora del aceite biológico (biorrefinería), sería beneficioso si los componentes del aceite biológico liberados en las primeras etapas de la pirolisis puedan separarse de los liberados en las etapas posteriores.

La manipulación y transferencia de sólidos son una tarea significativa en realizar la pirolisis de combustibles sólidos. Normalmente se necesita un alimentador para agregar la materia prima al pirolizador. También se requieren mecanismos adicionales para transferir la materia prima sólida pirolizante y los productos a través del pirolizador. Integrando los diversos mecanismos de manipulación y transferencia de sólidos daría como resultado una eficiencia y economía del proceso mejorada.

Por lo tanto, existe una necesidad por avances tecnológicos.

El documento de patente anterior US 2013/067806 divulga un método y un aparato para procesar material de biomasa verde o presecado para granularlo en gránulos. La patente anterior WO 02/072731 divulga una tecnología principalmente para el procesamiento de neumáticos usados o desechos de productos elastoméricos". Se divulga un proceso secuencial de pirolisis y gasificación. El documento de patente anterior US 3800865 un diseño de intercambiador de calor para enfriamiento y calentamiento.

Resumen de la Invención

Generalmente, se divulgan un aparato para pirolizar un material carbonoso, así como también un sistema de gasificación que comprende dicho aparato, como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Descripción de las Figuras

Sin perjuicio de cualquier otra forma que pueda caer dentro del alcance del aparato como se establece en las reivindicaciones adjuntas, ahora se describirán realizaciones específicas, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 es una representación esquemática en sección transversal longitudinal de un aparato para pirolizar material carbonoso de acuerdo con la divulgación;

La Figura 2 es una representación esquemática de una vista lateral del aparato mostrado en la Figura 1; y, La Figura 3 es una representación esquemática de un sistema de gasificación que incluye el aparato de las Figuras 1 y 2 de acuerdo con la divulgación.

Descripción Detallada de las Realizaciones Específicas

Las realizaciones de la presente invención se refieren a un aparato 10 para pirolizar un material carbonoso con referencia a las Figuras 1, 2 y 3.

El término 'material carbonoso' se usa ampliamente a lo largo de esta especificación e incluye, pero no se limita a, carbón tal como antracita, semiantracita, carbón bituminoso, carbón subbituminoso, lignito, lignito y turba, biomasa, caucho de desecho que incluye, pero no limitado a, neumáticos de vehículos, materiales plásticos de desecho, desechos agrícolas, mezclas de los mismos y mezclas de dichos materiales carbonosos con otras sustancias. El aparato de la realización de la invención descrita con referencia a las Figuras de la 1 a la 3 es particularmente adecuado para su uso con material carbonoso de bajo rango que tiene altos rendimientos de materia volátil tal como biomasa. El término "pirolizar" o "pirolisis" se refiere a la descomposición termoquímica de un material carbonoso, a temperaturas elevadas en una atmósfera con poco o nada de oxígeno, en compuestos orgánicos volátiles y un residuo sólido más rico en carbono, comúnmente denominado carbón. En el sentido más amplio dentro de esta divulgación, la torrefacción también puede considerarse como un tipo especial de pirolisis que tiene lugar a una temperatura más baja.

El aparato 10 para pirolizar material carbonoso incluye un recipiente 12 que tiene una entrada 14 para material carbonoso y una salida 16 para carbón y volátiles. En general, el recipiente 12 es un recipiente cilíndrico dispuesto horizontalmente.

La entrada 14 y la salida 16 se disponen en extremos opuestos 18a, 18b del recipiente 12. Preferentemente, la entrada 14 puede disponerse en una superficie superior del recipiente 12 en conexión con una tolva o un alimentador (no mostrado).

La salida 16 puede disponerse en una superficie inferior del recipiente 12 en conexión con un dispositivo de descarga. El dispositivo de descarga puede adoptar la forma de una válvula giratoria o un dispositivo similar para minimizar los bloqueos y ayudar a controlar el caudal de material carbonoso y el carbón resultante a través del recipiente 12. En algunas realizaciones, el recipiente 12 puede proporcionarse con una salida separada 16a dispuesta en una superficie superior en el extremo 18b del recipiente 12 para retirar los volátiles, el vapor y las partículas finas de carbón arrastrados en el mismo.

Se apreciará que la(s) salida(s) 16, 16a pueden disponerse en conexión con un gasificador (ver Figura 3) para gasificar el carbón y reformar los volátiles recibidos en el mismo.

El aparato 10 también incluye una carcasa hueca 20 asociada con una superficie interior 22 del recipiente 12. La carcasa hueca 20 se configura para definir una vía de intercambio de calor 24 para un medio de intercambio de calor entre las entradas 26 y las salidas 28 dispuestas en los extremos opuestos 18b, 18a del recipiente 12, respectivamente.

También pueden proporcionarse entradas y/o salidas adicionales (no mostradas) entre las entradas 26 y las salidas 28 cuando se usan más de una corriente de medio de intercambio de calor, especialmente cuando están a diferentes temperaturas y/o cuando es necesario ajustar el perfil de temperatura a lo largo del intercambiador de calor. Preferentemente, la entrada 26 se dispone en el extremo 18b del recipiente 12 opuesto a la entrada 14 para material carbonoso de modo que el medio de intercambio de calor circule a través de la carcasa hueca 20 en una dirección general contracorriente al material carbonoso. En realizaciones alternativas, es posible una configuración en paralelo.

La carcasa hueca 20 también se configura para proporcionar una pluralidad de superficies 30 que se proyectan en el recipiente 12 para definir una serie de cámaras interconectadas 32 en el mismo. Las superficies salientes 30 se separan a intervalos regulares entre sí, preferentemente en alineación sustancialmente paralela.

Las superficies salientes 30 pueden tener forma de anillo para definir un paso sustancialmente circular 34 dispuesto a través de un eje longitudinal central del recipiente 12. Alternativamente, las superficies salientes 30 pueden comprender un par de superficies en forma de semianillo 30a, 30b dispuestas para proyectarse en alineación lateral entre sí desde lados opuestos del recipiente 12.

Como se muestra en la Figura 2, la superficie saliente 30 puede proporcionarse con una abertura 36 para facilitar el flujo de material carbonoso y el carbón y los volátiles resultantes progresivamente a través de cámaras adyacentes 32 en el recipiente 12 desde la entrada 14 hasta la salida 16. En la realización mostrada en la Figura 2, la abertura 36 tiene forma de cuadrante. Se apreciará que la abertura 36 puede tener el tamaño y la forma en varios modos.

Las aberturas 36 en las superficies salientes 30 adyacentes pueden disponerse en alineación sustancialmente longitudinal entre sí para definir un paso en forma de cuadrante que se extiende a través del recipiente 12. Alternativamente, las aberturas 36 en las superficies salientes 30 adyacentes pueden disponerse progresivamente en diferentes ángulos de giro entre sí.

Como se muestra en el Detalle A de la Figura 1, las superficies salientes 30 de la carcasa hueca 20 pueden tomar la forma de placas huecas 38 que tienen superficies delantera y trasera 40a, 40b y superficie extrema 40c. Proyectándose en un vacío 44 definido por las superficies delantera y trasera 40a, 40b y la superficie extrema 40c, desde la superficie interior 22 del recipiente 12, hay un deflector 46 que define una vía 48 de intercambio de calor en forma de U invertida dentro de cada vacío 44.

Ventajosamente, la pluralidad de superficies salientes 30 como se describe en los párrafos precedentes aumenta el área de la superficie de transferencia de calor de dicho aparato 10 en comparación con los pirolizadores de la técnica anterior. En un ejemplo, el área de la superficie de transferencia de calor total de dicho aparato 10 puede ser de 3 a 4 veces el área de la superficie de transferencia de calor de un reactor tubular encamisado.

Además, la vía de intercambio de calor en forma de U 48 aumenta la turbulencia del medio de intercambio de calor a medida que fluye a través de la carcasa hueca 20, mejorando de esta manera en gran medida el coeficiente de transferencia de calor y, por lo tanto, la velocidad de transferencia de calor del medio de intercambio de calor al material carbonoso y el carbón y volátiles resultante. Se apreciará que las superficies salientes 30 en el recipiente 12 también aumentan la turbulencia de los gases dentro del recipiente 12 a medida que el material carbonoso pirolizante y el carbón y los volátiles resultantes se mueven progresivamente a través del recipiente 12.

Se cree que el material carbonoso puede calentarse en dicho aparato 10 mediante varios mecanismos de transferencia de calor que incluyen: contacto directo (conducción de calor) con las superficies salientes 30 y la superficie interior 22 del recipiente 12, contacto con gas y volátiles dentro del recipiente (convección) que se ha calentado por transferencia de calor con las superficies salientes 30 y la superficie interior 22 del recipiente 12, y por radiación de calor de las superficies salientes 30 y la superficie interior 22 del recipiente 12.

El aparato 10 también incluye un agitador 50 para transferir material carbonoso a través de la serie de cámaras interconectadas 32 en el recipiente 12 desde dicha entrada 14 hasta dicha salida 16.

El agitador 50 puede comprender un eje giratorio 52 que se extiende a través del paso circular 34 del recipiente 12 y una pluralidad de paletas 54 asociadas con el eje giratorio 52. Una o más de las paletas 54 se extienden desde el eje giratorio 52 hacia las respectivas cámaras interconectadas 32. Las paletas 54 son operables mediante el giro del eje giratorio 52. Se apreciará que las paletas 54 tendrán la forma y el tamaño necesarios para acomodarse adecuadamente en las respectivas cámaras interconectadas 32, para permitir el libre movimiento de las paletas 54 dentro de la respectiva cámara 32 y minimizar las 'zonas muertas' dentro de las cámaras 32 para evitar que material carbonoso pirolizante o carbón queden atrapados dentro de la cámara 32. Se apreciará que el agitador puede proporcionarse con un motor para controlar la velocidad del giro del eje giratorio 52.

La velocidad de giro del eje giratorio 52 puede cambiarse para variar el tiempo de residencia del material carbonoso pirolizante y el carbón resultante en las cámaras interconectadas 32. Alternativamente, el recipiente 12 puede inclinarse (por ejemplo, recostarse) en un ángulo con respecto a la horizontal. El tiempo de residencia del material carbonoso pirolizante y el carbón resultante puede variarse cambiando el ángulo de inclinación. De esta manera, el tiempo de residencia del material carbonoso en el aparato 10 puede controlarse para permitir un período suficiente para que el material carbonoso se convierta sustancialmente en carbón y volátiles que pueden formarse a una temperatura dada.

A pesar de la turbulencia del flujo en una pequeña escala dentro de cada cámara interconectada 30 del aparato 10, el flujo total de carbón y volátiles a través del aparato 10 es sustancialmente "flujo pistón", dando lugar a una distribución del tiempo de residencia relativamente estrecha para los productos volátiles. El tiempo de residencia también puede ajustarse si se usa gas inerte adicional.

En algunas realizaciones de la invención, el aparato 10 puede adaptarse para tener una entrada (no mostrada) para aire, oxígeno puro o un gas oxidante. En estas realizaciones particulares, puede introducirse aire, oxígeno puro o el gas oxidante en el aparato 10 para facilitar las reacciones de combustión parcial con el material carbonoso, los volátiles y/o el carbón para generar calor adicional.

En realizaciones adicionales de la invención, el aparato 10 puede adaptarse además para triturar o moler el material carbonoso simultáneamente con pirolizar el material carbonoso, a medida que fluye a través del recipiente 12 desde la entrada 14 hasta la salida 16 del aparato 10. En estas realizaciones particulares, el aparato 10 puede incluir un medio de trituración que comprende una pluralidad de elementos que se mueven libremente (por ejemplo, objetos duros). Los elementos que se mueven libremente pueden tomar la forma de bolas, las bolas tienen típicamente (pero sin limitarse a) un diámetro que varía de aproximadamente 10 mm a aproximadamente 120 mm y se fabrican de varios materiales duros que incluyen acero y sílice. El medio de trituración puede mezclarse con el material carbonoso antes o después de que el material carbonoso se introduce al aparato 10 a través de la entrada 14. El medio de trituración puede alimentarse en el aparato 10 en otras formas. El medio de trituración puede permanecer en el aparato 10. Girando el eje giratorio 52 del agitador 50, las paletas imparten impulso al medio de trituración y hacen que el medio de trituración impacte repetidamente el material carbonoso. El medio de trituración también puede contribuir ventajosamente a los efectos de transferencia de masa-calor dentro del aparato 10.

En uso, puede introducirse material carbonoso, tal como biomasa, a dicho aparato 10 a través de la entrada 14 del recipiente 12. Se apreciará que el material carbonoso puede secarse hasta un contenido de humedad predeterminado (por ejemplo <20 % p/p) antes de introducirse en el recipiente 12. El material carbonoso se transfiere progresivamente a través de las cámaras interconectadas 32 del recipiente 12 desde un extremo 18a hasta un extremo opuesto 18b del mismo girando el eje giratorio 52 del agitador 50. Las paletas 54 dentro de las cámaras interconectadas 32 mueven el material carbonoso dentro de la cámara 32 hasta que el material carbonoso encuentra la abertura 36 en la superficie saliente 30, a través de cuya abertura 36 parte del material carbonoso pasa a la cámara adyacente 32.

El calor para la pirolisis se suministra indirectamente por un medio de intercambio de calor que fluye desde la entrada 26 hasta la salida 28 a través de la vía de intercambio de calor 24 definida en la carcasa hueca 20 del recipiente 12. Puede suministrarse calor adicional para satisfacer los requisitos de calor de los procesos y reacciones en el recipiente 12 introduciendo aire, oxígeno puro o un gas que contenga oxígeno en el recipiente 12 para facilitar las reacciones de combustión parcial con el material carbonoso, los volátiles y/o el carbón.

El carbón y los volátiles resultantes pueden retirarse a través de las salidas 16, 16a. También se apreciará que reduciendo la temperatura de funcionamiento a menos de 300 °C, dicho aparato 10 puede usarse convenientemente como un secador o una unidad de torrefacción.

Ventajosamente, el aparato 10 puede operarse para facilitar el secado, generación de vapor, pirólisis y craqueo térmico adicional de los productos de pirolisis, en particular si el material carbonoso tiene un contenido de humedad significativo (por ejemplo, aproximadamente el 20 % p/p). El vapor generado en el aparato 10 a partir de la humedad en el material carbonoso puede retirarse con los volátiles a través de la salida 16a. Los inventores consideran que esto proporcionaría una fuente de vapor para las reacciones de reformado de volátiles en un proceso de reformado de volátiles aguas abajo. Por consiguiente, para muchos tipos de biomasa con un contenido de humedad natural de aproximadamente el 20 % p/p (por ejemplo, algo de paja), puede no requerirse un secador dedicado para secar la biomasa antes de introducirla al recipiente 12.

Además, aunque no es parte del alcance del objeto actualmente reivindicado, el aparato 10 también puede emplearse convenientemente (en parte) como un alimentador. Por ejemplo, la biomasa puede alimentarse al aparato 10 desde una tolva colocada directamente encima de la entrada 14 del recipiente 12 sin la necesidad de un alimentador de tornillo dedicado. Las paletas giratorias 54 transferirán la biomasa pirolizante desde la entrada 14 hasta la salida 16 del recipiente 12.

En otra realización, el agitador 50 se proporciona con secciones cortas de tornillos dentro del recipiente 12 en los lados 18a e incluso 18b para facilitar la transferencia de material carbonoso sólido dentro y fuera del recipiente 12. Cualquier tipo de tornillos conocidos por los expertos en el campo ahora y en el futuro pueden usarse para este propósito.

Con referencia a la Figura 3, se muestra una realización de un sistema de gasificación 100. El sistema de gasificación 100 incluye un secador 110 para secar parcial o completamente el material carbonoso, tal como biomasa, el pirolizador 10 como se describió anteriormente para calentar el material carbonoso (parcialmente) secado a una temperatura adecuada, por ejemplo, en un rango de aproximadamente 250 °C a aproximadamente 850 °C y producir carbón y volátiles, un gasificador 120 para gasificar el carbón y reformar los volátiles para producir un gas producto crudo, y un aparato 130 para limpiar el gas producto crudo. Dicho aparato 130 se dispone en comunicación de fluidos, preferentemente a través de un ciclón 142, con el gasificador 120 para recibir y limpiar el gas producto crudo.

El sistema de gasificación 100 puede emplearse como se describe a continuación.

La biomasa (o un material carbonoso alternativo) se transfiere desde una tolva de almacenamiento 102, por ejemplo, a través de un elevador de cangilones 104 que se dispone para alimentar biomasa al secador 110. El secador 110 emplea una corriente de aire caliente u otro medio para secar la biomasa. Preferentemente, la corriente de aire caliente comprende corrientes de calor residual derivadas de cualquiera de los diversos componentes en el sistema de gasificación 100. Alternativamente, y en particular en el modo de puesta en marcha, la corriente de aire caliente puede derivarse de la combustión de gas natural u otros combustibles con el aire en un calentador de aire directo 106.

La biomasa seca o parcialmente seca que sale del secador 110 se transfiere luego, por ejemplo, mediante un elevador de cangilones 108, a tolvas paralelas 112 (u otros tipos de tolvas). Un alimentador de tornillo 114 alimenta la biomasa seca de las tolvas paralelas 112 al pirolizador 10. Dicho alimentador de tornillo 114 no siempre es necesario porque el pirolizador 10 también puede actuar como un alimentador. El pirolizador 10 calienta la biomasa seca para producir volátiles (incluido el vapor de agua) y partículas sólidas de carbón, como se describió anteriormente. El medio de intercambio de calor usado por el pirolizador 10 puede obtenerse a través del conducto 115 de un intercambiador de calor del aparato 130 para limpiar el gas producto crudo, recuperando de esta manera el calor sensible de un gas producto crudo recuperado durante la limpieza de gas. Además, o alternativamente, los gases de combustión a través del conducto 116 del motor de gas 150 pueden suministrar la o parte de la demanda de calor para el pirolizador 10.

El vapor y el aire se suministran al gasificador 120 a través de las líneas 118 y 122. Los volátiles y las partículas finas arrastradas del pirolizador 10 entran en el gasificador 120 a través del conducto 124 que se conecta a la salida 16a. Las partículas de carbón salen del pirolizador 10 y se alimentan al gasificador 120 a través del alimentador 126. El gasificador 120 puede proporcionarse con un quemador auxiliar (no mostrado) que quema gas natural u otros combustibles fósiles para proporcionar una carga de calentamiento adicional y/o en modo de puesta en marcha.

En otra realización, el pirolizador 10 se integra con el gasificador 120 en un solo recipiente y el conducto 124 y el alimentador 126 ya no son necesarios. Las salidas 16 y 16a están dentro del gasificador 120.

Después de entrar en el gasificador 120, las partículas grandes de carbón descienden a una porción inferior 132 del gasificador 120 y los volátiles (y algunas partículas finas de carbón arrastrados) ascienden a una porción superior 134 del gasificador 120 donde experimentan reacciones de reformado. Las partículas de carbón reaccionan con un gas que contiene oxígeno, en forma de aire, oxígeno diluido o puro, para producir principalmente monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO ²) junto con cantidades menores de otros gases que posteriormente ascienden a la porción superior del gasificador 120 y se mezclan con los volátiles y el gas reformado para producir un gas producto crudo. La separación de las reacciones de reformado volátil y la gasificación del carbón como se describe minimiza los efectos adversos de las interacciones volátil-carbón, acelerando de esta manera la gasificación del carbón. Esta disposición también minimiza el contacto innecesario de volátiles con el gas que contiene oxígeno para reducir el consumo del gas que contiene oxígeno.

En una realización, se proporciona un conducto que se conecta con el conducto/alimentador 126 (o la salida 16 directamente) dentro del gasificador para traer las partículas de carbón a la porción inferior del gasificador. La porción inferior del gasificador tiene una forma cónica de modo que las partículas de carbón se mantienen dentro de la porción inferior del gasificador para asegurar que tengan una duración suficiente de tiempo de residencia para reaccionar con el oxígeno y otros agentes gasificantes. El ángulo cónico puede calcularse, mediante el uso de fórmulas conocidas por los expertos en el campo o mediante el uso de un paquete de software de computadora (por ejemplo, un paquete de software de dinámica de fluidos computacional), a partir de la velocidad terminal de partículas finas (es decir, la evasión del arrastre de partículas finas) considerando también que su tiempo de residencia debe ser mayor que el tiempo de agotamiento bajo las condiciones percibidas. Los tamaños de las partículas finas a retener en esta región se eligen en base a la distribución del tamaño de partículas de las partículas de carbón, de modo que la mayoría de las partículas de carbón se retienen en la región para la reacción con oxígeno. Mientras que algunas partículas grandes de ceniza se descargan de la parte inferior del gasificador, las cenizas y las partículas finas de carbón sin quemar se arrastrarán a la porción superior 134 del gasificador y luego se transportarán al ciclón 142 para su separación y recogida.

Para asegurar una ignición adecuada y el encendido de partículas en la parte inferior del gasificador, los agentes gasificantes de 118 y 122 pueden precalentarse antes de su entrada en el gasificador. Una de estas formas de precalentamiento es pasar los agentes gasificantes a través de un intercambiador de calor, por ejemplo, un tubo de intercambio de calor enrollado envuelto fuera o dentro de la pared del reactor gasificador. Esta disposición de intercambio de calor también contribuye a la regulación del perfil de temperatura de la porción inferior del gasificador. Además, la introducción de vapor en la porción inferior es otra forma de regular la temperatura de reacción en la porción baja del gasificador.

Pueden retirarse partículas grandes de carbón de la porción inferior 132 del gasificador 120 para su uso en el aparato de limpieza de gases 130.

El gas producto crudo sale del gasificador 120 a través del conducto 140 y entra en el ciclón 142 donde el gas producto crudo se separa de las partículas sólidas, principalmente cenizas y partículas de carbón sin gasificar.

El gas producto crudo entra entonces en el aparato 130 de limpieza de gases. El gas producto limpio resultante se usará para diversos propósitos, tal como la generación de energía, la producción de hidrógeno y la síntesis de químicos y combustibles.

Como se describió anteriormente en detalle, las realizaciones de la presente invención proporcionan un método de gasificación eficiente, especialmente para materiales carbonosos de bajo rango, para fabricar gas producto de calidad relativamente alta para propósitos tales como generación de electricidad, producción de calor y síntesis química.

Las realizaciones de la presente invención podrían mejorar la eficiencia de la gasificación. La tecnología puede utilizarse de forma adecuada, por ejemplo, en la industria química y energética.

Se apreciará que el aparato 10 de la presente invención puede emplearse en otras aplicaciones distintas de la gasificación. Por ejemplo, el aparato 10 puede emplearse para la producción de aceite biológico a partir de la pirolisis de biomasa, como un componente de un proceso de producción de biocombustible de pirolisis-biorrefinería. En esta aplicación particular, el aparato puede adaptarse para incluir una pluralidad de salidas 16a para volátiles dispuestos en la superficie superior del recipiente 12, minimizando de esta manera la ocurrencia de reacciones secundarias entre partículas de vapor de aceite biológico a temperaturas elevadas y mejorando el rendimiento de aceite biológico.

En vista de las características de "flujo pistón" de pirolisis, esta disposición particular de una pluralidad de salidas 16a también puede facilitar la recogida de aceite biológico en fracciones de la pirolisis de biomasa en varios intervalos de temperatura. Las fracciones de aceite biológico pueden tener composiciones químicas bastante diferentes y, por lo tanto, pueden biorrefinarse bajo diferentes condiciones para lograr resultados optimizados de biorrefinería. Por ejemplo, el ácido acético puede concentrarse en una fracción específica en una o más de la pluralidad de salidas 16a.

Será fácilmente evidente para una persona experta en la técnica relevante que algunas realizaciones de la presente invención pueden proporcionar ventajas sobre la técnica anterior que incluyen, pero no se limitan a, las siguientes:

• proporcionar un aparato de pirolisis versátil que puede usarse alternativamente como una unidad de secado o torrefacción mediante el uso de calor residual de baja calidad y teniendo el medio de intercambio de calor fluyendo a través de la carcasa del aparato;

• proporcionar un aparato de pirolisis eficiente con un área de superficie de intercambio de calor aumentada en comparación con los pirolizadores de la técnica anterior para mejorar la eficiencia del intercambio de calor; • proporcionar un aparato de pirolisis configurado para inducir turbulencia de gas en la vía de intercambio de calor y dentro del recipiente para mejorar el coeficiente de transferencia de calor y, por lo tanto, la velocidad de transferencia de calor;

• combinar secado, producción de vapor, pirolisis y craqueo de productos de pirolisis con recuperación de energía térmica dentro de un solo recipiente.

• proporcionar un aparato pirolizador que se configura de modo que pueda introducirse aire, oxígeno (diluido o puro) u otros agentes oxidantes para reaccionar con el material carbonoso pirolizante y los volátiles/carbonos de la pirolisis para suministrar al menos parte de la demanda de calor en el pirolizador.

• proporcionar un aparato pirolizador configurado para producir fracciones de aceite biológico a partir de la pirolisis de biomasa u otro material carbonoso en diferentes intervalos de temperatura.

• proporcionar un aparato de pirolisis que realiza las funciones de pirolisis y alimentación sin la necesidad de un alimentador adicional.

Se sugerirán numerosas variaciones y modificaciones a los expertos en la técnica relevante, además de las ya descritas, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. Todas estas variaciones y modificaciones deben considerarse dentro del alcance de la presente invención, cuya naturaleza se determinará a partir de la descripción anterior. Por ejemplo, debe entenderse que las realizaciones de esta invención pueden ponerse en práctica y llevarse a cabo de diversas formas tanto a escalas pequeñas (unos pocos megavatios o menos) como grandes (unos pocos cientos de megavatios).

También se entenderá que si bien la descripción anterior se refiere a secuencias específicas de pasos de procesos, piezas de los aparatos y los equipos y su configuración se proporcionan únicamente con fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la presente invención de ninguna manera.

En la descripción de la invención, excepto donde el contexto lo requiera de otra manera debido al lenguaje expreso o implicación necesaria, las palabras "comprenden" o variaciones tales como "comprende" o "que comprende" se usan en un sentido inclusivo, es decir, para especificar la presencia de las características indicadas, pero no para descartar la presencia o adición de características adicionales en varias realizaciones de la invención.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato de pirólisis (10) para pirolizar un material carbonoso y producir carbón y volátiles, el aparato (10) que comprende:

un recipiente cilíndrico (12) que tiene una entrada (14) para el material carbonoso, una salida (16) para el carbón y los volátiles y una primera vía entre ellos, por lo que la entrada (14) y la salida (16) se disponen en extremos opuestos del recipiente (12), el recipiente (12) tiene porciones de pared (22, 30) con superficies interiores que definen la primera vía, el recipiente (12) incluye además una carcasa hueca (20) asociada con una superficie interior del recipiente y configurada para definir una segunda vía (24) para un medio de intercambio de calor entre su entrada de medio de intercambio de calor (26) y su salida de medio de intercambio de calor (28), configurándose la carcasa hueca (20) para proporcionar una pluralidad de superficies (30) que se proyecta en el recipiente (12) para definir una serie de cámaras interconectadas (32), en donde las superficies salientes (30) se proporcionan con aberturas (36) para facilitar el flujo de material carbonoso y el carbón y los volátiles resultantes progresivamente a través de cámaras adyacentes (32) en el recipiente (12) desde la entrada (14) hasta la salida (16), al menos porciones de la primera vía se intercalan con al menos porciones de la segunda vía (24); y

un agitador (50) para pasar el material carbonoso, el carbón y los volátiles producidos a través de la primera vía, caracterizado porque el agitador (50) comprende un eje giratorio (52) que se extiende a través del recipiente (12) y una pluralidad de paletas (54) asociadas con el eje giratorio (52), en donde el agitador (50) es operable mediante el giro del eje giratorio (52), y porque la primera vía comprende las cámaras interconectadas (32) y en donde una o más de las paletas (54) se extienden hacia las respectivas cámaras (32).

2. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la segunda vía ondulada (24) comprende una serie de vueltas en forma de U y en forma de U invertida alternas.

3. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde en uso se introduce un agente oxidante para reaccionar con el material carbonoso y los productos de pirolisis para generar una parte del calor requerido en dicho aparato (10).

4. El aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la velocidad de giro del agitador (50) o el eje (52) y el ángulo de inclinación por el cual el aparato (10) se dispone con respecto a la horizontal son controlables para ajustar la velocidad a la que el material carbonoso pirolizante y sus productos de pirolisis se transfieren desde la entrada (14) hasta la salida (16) por lo que el aparato (10) se dispone para funcionar como un alimentador y un tiempo de residencia del material carbonoso de alimentación es controlable.

5. El aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los tornillos se unen a, o reemplazan, las secciones del eje (52) en un lado frontal, es decir, el lado de la entrada (14) del material carbonoso de alimentación, y un lado del extremo del aparato (10) para facilitar la transferencia de las partículas sólidas dentro y fuera del aparato (10).

6. El aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato (10) se proporciona con un medio de trituración que comprende una pluralidad de elementos que se mueven libremente para triturar, moler y pirolizar el material carbonoso simultáneamente.

7. El aparato (10) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la entrada del medio de intercambio de calor (26) es una de una pluralidad de entradas de medio de intercambio de calor y la salida del medio de intercambio de calor (28) es una de una pluralidad de salidas de intercambio de calor.

8. El aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato (10) se proporciona con una pluralidad de salidas (16a) para los volátiles a lo largo de la longitud del aparato (10) desde la entrada (14) hasta la salida (16) de materiales carbonosos y condensadores para producir fracciones de aceite biológico mediante el enfriamiento de los volátiles.

9. El aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el recipiente (12) se dispone de modo que pueda introducirse más de una corriente de medio de intercambio de calor en el recipiente (12).

10. El aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato (10) se dispone de modo que pueda controlarse una temperatura máxima en un intervalo adecuado para realizar la torrefacción.

11. El aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato (10) se dispone de modo que pueda controlarse una temperatura máxima en un intervalo adecuado para realizar el secado.

12. Un sistema de gasificación (100) para producir gas producto a partir de un material carbonoso que comprende un aparato de pirolisis (10) como se define en cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 11 para pirolizar material carbonoso y producir volátiles, incluyendo opcionalmente vapor y carbón, el aparato (10) se integra con un gasificador (120) con zonas adicionales en el mismo para el reformado de volátiles y la gasificación de carbón para producir un gas producto crudo, que comprende además un aparato (130) para limpiar el gas producto crudo dispuesto en comunicación de fluidos con el gasificador (120) para recibir y limpiar el gas producto crudo.