ES2915695A1 - Instalacion y procedimiento de conversion termoquimica de un combustible solido en un gas de sintesis - Google Patents
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Abstract
Instalación y procedimiento de conversión termoquímica de un combustible sólido en un gas de síntesis. La presente invención se puede incluir en el campo técnico de instalaciones y/o procedimientos de conversión termoquímica de al menos un combustible sólido en un gas de síntesis (6) dentro de un reactor (17) de lecho fluido burbujeante, estando la instalación y el procedimiento configurados para trabajar con combustibles como biomasas y residuos como astillas de madera, residuos agrícolas, harinas cárnicas, lodos de depuradora, plásticos, combustibles sólidos recuperados y combustibles derivados de residuos, especialmente combustibles que contienen cenizas complejas y/o elementos contaminantes como cloro y/o azufre.
Description
DESCRIPCIÓN
INSTALACIÓN Y PROCEDIMIENTO DE CONVERSIÓN TERMOQUÍMICA DE UN COMBUSTIBLE SÓLIDO EN UN GAS DE SÍNTESIS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se puede incluir en el campo técnico de instalaciones y/o procedimientos de conversión termoquímica de al menos un combustible sólido en un gas de síntesis dentro de un reactor de lecho fluido burbujeante. Más en particular, la presente invención tiene como objeto un procedimiento y una instalación configurada para trabajar con combustibles como biomasas y residuos como astillas de madera, residuos agrícolas, harinas cárnicas, lodos de depuradora, plásticos, combustibles sólidos recuperados y combustibles derivados de residuos, especialmente combustibles que contienen cenizas complejas y/o elementos contaminantes como cloro y/o azufre.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La gasificación es un proceso de transformación termoquímica de un combustible sólido en un combustible gaseoso, denominado gas de síntesis o Syngas.
Un lecho fluidizado o lecho fluido es un fenómeno físico que ocurre cuando una cantidad de una sustancia sólida particulada (generalmente presente en un recipiente de contención) se coloca en condiciones apropiadas para hacer que una mezcla sólido / fluido se comporte como un fluido. Esto generalmente se logra mediante la introducción de un fluido presurizado a través del medio de partículas. Esto da como resultado que el medio tenga muchas propiedades y características de los fluidos normales, como la capacidad de fluir libremente por gravedad, o de ser bombeado utilizando tecnologías de tipo fluido.
El fenómeno resultante se llama fluidización. Los lechos fluidizados se utilizan para varios propósitos, como reactores de lecho fluidizado (tipos de reactores químicos), separación de sólidos, craqueo catalítico de fluidos, combustión en lecho fluidizado.
El proceso de gasificación en lecho fluido es conocido, concentrándose básicamente en dos tipos: burbujeante y circulante.
El reactor de lecho fluidizado es aquel donde el agente gasificante mantiene en suspensión a un inerte y a la biomasa, hasta que las partículas de éste se gasifican y se convierten en cenizas volátiles las cuales son arrastradas por la corriente correspondiente. Un reactor de lecho burbujeante se comporta como un líquido efervescente de baja viscosidad. De este modo, la forma de las burbujas es parecida en ambos casos: casi esféricas las de pequeño tamaño, alargadas y deformadas cuando crecen, y esféricas con forma de tapón las de mayor tamaño. En los dos casos se observa el ascenso lento de las burbujas pequeñas, que pasa a ser más rápido en las grandes, pudiendo una serie de burbujas formar por coalescencia burbujas de mayor tamaño.
Sin embargo, los procesos y dispositivos conocidos en el estado de la técnica presentan diversos problemas como no poder utilizar combustibles sólidos con cenizas complejas y otros contaminantes como Cloro y Azufre. Además, no presentan capacidad para usar partículas de tamaño reducido y de baja densidad.
Asimismo, la aglomeración y fusión de las cenizas en el lecho del reactor es un problema habitual en el estado del arte.
Las instalaciones y procesos conocidos en el estado del arte presentan una baja conversión de carbono, alcanzan gas de síntesis con alta cantidad de contaminantes y/o son complejos de operar y controlar como los gasificadores que presentan dos reactores y necesitan un combustible externo para regular temperatura entre los dos reactores.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención pretende solucionar alguno de los problemas mencionados en el estado de la técnica. Más en particular, en un primer aspecto de la primera invención se describe un procedimiento o de conversión termoquímica de al menos un combustible sólido en un gas de síntesis dentro de un reactor de lecho fluido burbujeante, donde dicho procedimiento comprende, al menos, las etapas:
a.- inyectar al menos un caudal de aire en el lecho mediante un inyector de aire a velocidades comprendidas entre 60 y 150 m/s;
b.- extraer material de lecho mediante un tubo de extracción de lecho localizado en una placa distribuidora de aire dentro del lecho del reactor.
Preferentemente, el procedimiento comprende inyectar, además, un caudal de vapor) y distribuir la mezcla con el caudal de aire, mediante unos inyectores de aire/vapor de alta velocidad que introducen dicha mezcla en el lecho a unas velocidades comprendidas entre 60 y 150 m/s.
En una realización preferente, el procedimiento comprende asimismo el recircular el material de lecho y reinyectarlo en el reactor junto con el combustible sólido, a una relación de al menos 0,5 kg de material de lecho por cada 3 kg de combustible.
El procedimiento puede estar provisto de una etapa de refrigeración, que comprende refrigerar el material de lecho con cenizas de fondo en al menos un intercambiador de calor antes de mezclarlo con el combustible sólido y el reinyectarlo en el reactor.
El procedimiento puede estar provisto de una etapa de refrigeración, que comprende limpiar el material de lecho de cenizas volantes posterior a la refrigeración y anterior a mezclarlo con el combustible sólido y el reinyectarlo en el reactor.
<Más en particular, en una realización preferente la salida de gas de síntesis se hace pasar por un separador de partículas y por medio de ciclones se separan las cenizas con alto contenido en carbono para aumentar su reactividad. Dichas cenizas con alto contenido al carbono se mezclan con el segundo material de lecho mencionado más arriba.
Asimismo, en una realización preferente al reintroducir el retorno de lecho y cenizas a una zona inferior del lecho, esto se realiza a una distancia de menos de 500mm de una placa distribuidora de aire dispuesta dentro del lecho del reactor.
De esta forma se genera una corriente descendente de sólidos con alto contenido de carbono por las paredes del reactor, y hacia la zona de mayor contenido de oxígeno, además de eliminar el problema de arrastre de partículas de carbono en el centro de las burbujas ascendentes.
Preferentemente, el proceso comprende, además, extraer un segundo material de lecho a alta temperatura que se hace pasar por un bucle de carbono de acoplamiento cerrado
("Close Coupled Carbón Loop”) donde el segundo material de lecho se mezcla con cenizas que comprenden alto contenido en carbono y se reintroduce la salida de retorno de lecho y cenizas al reactor.
Las etapas arriba descritas aumentan la concentración de carbono en el lecho y atenúan los cambios de composición del combustible, además de reducir los picos de temperatura. En el bucle de carbono de acoplamiento cerrado ("Close Coupled Carbon Loop”) se recogen partículas separadas del gas de síntesis por el ciclón, y se reintroducen en el reactor habiendo sido mezcladas previamente con el segundo material del lecho para aumentar la reactividad, permitiendo orientar el carbón al fondo del lecho y eliminar la posibilidad de arrastre de char por burbujas de aire/gas. Bajo este procedimiento se atenúan las reacciones y se genera un gas de síntesis mucho más estable comparado con lechos fluidos burbujeantes y circulantes.
Además, permite la absorción de gases ácidos como H2S dentro del lecho del reactor y del bucle de carbono de acoplamiento cerrado por la inyección de sorbentes a la temperatura de alta reactividad.
Los gases resultantes del bucle de carbono de acoplamiento cerrado pueden ser dirigidos al proceso posterior de oxidación térmica del gas de síntesis, donde son aprovechados como agente oxidante o de dilución.
Alternativamente, pueden utilizados en procesos térmicos posteriores.
En una realización preferente, el proceso comprende, además, inyectar en el bucle de carbono de acoplamiento cerrado al menos un gas o una mezcla de gases seleccionados de la lista:
- aire;
- vapor;
- dióxido de carbono; y
- nitrógeno.
En una realización preferente se inyecta vapor como agente fluidificante y el calor requerido para las reacciones es aportado al lecho mediante intercambio a alta temperatura proveniente de una de las siguientes fuentes:
a. calor procedente de plantas solares de concentración;
b. calor recuperado en la zona de enfriamiento de los hornos de cemento, c. calor recuperado en la salida de los hornos de fusión de vidrio;
d. calor recuperado en la salida de los hornos de palanquilla;
e. calor recuperado en la salida de los hornos de acero y aluminio;
f. calor recuperado en la zona de alta temperatura de los hornos túneles de ladrillos o tejas; y
g. calor recuperado en los hornos cerámicos,
Además, el procedimiento puede comprender, además, calentar el vapor como agente fluidificante mencionado arriba a una temperatura de entre 600° y 1000° por medio de un intercambio a alta temperatura proveniente de una de las fuentes mencionadas. En un segundo aspecto de la invención se divulga una instalación capaz de llevar a cabo el procedimiento antes mencionado, donde dicha instalación comprende, al menos:
- un reactor de lecho fluido burbujeante,
- elementos adaptados para canalizar un caudal de aire y un caudal de vapor y adaptados para distribuir la mezcla mediante unos inyectores de aire/vapor de alta velocidad adaptados para introducir dicha mezcla en el lecho a unas velocidades comprendidas entre 60 y 150 m/s,
- una placa distribuidora de aire dentro del lecho del reactor que comprende un tubo de extracción configurado para extraer el material de lecho, elementos de recirculación y elementos de reinyección capaces de reinyectar el material de lecho en el reactor junto con el combustible sólido, a una relación de al menos 0,5 kg de material de lecho por cada 3 kg de combustible.
Preferentemente, la instalación comprende un bucle de carbono de acoplamiento cerrado y elementos de extracción para extraer un segundo material de lecho a alta temperatura del lecho, que se hace pasar por dicho bucle de carbono de acoplamiento cerrado donde el segundo material de lecho se mezcla con cenizas que comprenden alto contenido en carbono y se reintroduce la salida de la mezcla como retorno de lecho y cenizas al reactor.
La instalación puede estar dotada de una placa distribuidora de aire dispuesta a menos de 500 mm de la entrada de retorno de lecho y cenizas al reactor.
Asimismo, en una realización preferente, la instalación esta provista de un separador de partículas dispuesto a la salida del gas de síntesis y configurado para, por medio de ciclones, separar las cenizas con alto contenido en carbono, donde dichas cenizas son posteriormente mezcladas con el segundo material de lecho en el bucle de carbono de acoplamiento cerrado.
Asimismo, la instalación puede estar provista de un intercambiador de calor dispuesto a la salida del reactor y configurado para refrigerar el material de lecho con cenizas antes de mezclarlo con el combustible sólido y el reinyectarlo en el reactor.
La extracción y tratamiento del lecho por separación dimensional en continuo, así como un enfriamiento por contacto indirecto y la reinyección con el combustible, permite generar de forma estable y eficiente el gas de síntesis, al favorecer la penetración del combustible dentro de la zona de oxidación del lecho y eliminar las aglomeraciones y obstrucciones en el sistema de alimentación.
En una realización preferente, la instalación comprende un dispositivo de limpieza configurado para limpiar el material de lecho de cenizas volantes posterior a la refrigeración y anterior a mezclarlo con el combustible sólido y reinyectarlo en el reactor.
La instalación preferentemente comprende uno de los elementos de la siguiente lista para calentar el vapor inyectado como agente fluidificante y/o el lecho en un reactor separado para aportar parte o la totalidad del calor requerido para mantener las reacciones de gasificación:
a. plantas solares de concentración;
b. hornos de cemento;
c. hornos de fusión de vidrio;
d. hornos de palanquilla,
e. hornos de acero y aluminio;
f. hornos túneles de ladrillos o tejas;
g. hornos cerámicos.
La instalación y el procedimiento descrito tienen multitud de ventajas como emplear de forma eficiente combustibles complejos para la valorización energética, generando un gas de síntesis limpio y estable para la exigencia de las aplicaciones térmicas, eléctricas y combustibles como SNG y H2 Green, con una muy alta conversión de carbono.
Asimismo, tiene capacidad para emplear combustibles con tamaño de partículas reducido o de baja densidad en reactores de lecho fluido burbujeante, sin problemas pérdida de temperatura o de aglomeraciones. Más en particular, no hay problemas de aglomeración de lecho.
Asimismo, permite emplear cualquier tipo de combustible, en granulometría mínima y densidades.
Además, presenta una alta conversión de carbono comparada con lechos burbujeantes tradicionales, tanto burbujeante como circulante, debido a la integración del bucle de carbono de acoplamiento cerrado con las características técnicas arriba descritas.
Presenta una baja inversión y costes operativos por las características constructivas y operacionales de la instalación y del procedimiento y no tiene problemas de desgaste ni puntos de alta temperatura comparado con los lechos fluidos circulantes.
Elimina los contaminantes del combustible antes del aprovechamiento final del gas de síntesis.
Más sencillo de operar y controlar que gasificadores de dos reactores, y sin necesidad de un combustible externo para regular temperatura entre los dos reactores.
Asimismo, puede ser aplicado para la valorización energética y transformación termoquímica de:
- harinas cárnicas;
- madera;
- residuos forestales y/ agrícolas
- combustibles derivados de residuos.
Además, puede sustituir los combustibles actualmente empleados en la industria:
- cementera,
- cerámica,
- acero,
- minerales,
- papelera,
- aluminio.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquemática, a modo de ejemplo, de una realización preferente de la presente invención, donde se muestran los equipos que conforman la instalación y los flujos que interactúan con dicha instalación para llevar a cabo el procedimiento propuesto.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Seguidamente se ofrece, con ayuda de las figuras adjuntas 1 antes descrita, una descripción en detalle de un ejemplo de realización preferente del procedimiento y la instalación objeto de la presente invención.
Más en particular, el objeto de la invención es un procedimiento y una instalación de conversión termoquímica de al menos un combustible (1) sólido en un gas de síntesis (6) dentro de un reactor (17) de lecho fluido burbujeante, donde dicho procedimiento comprende, al menos, las etapas:
a.- inyectar un caudal de aire (2) y un caudal de vapor (3) y distribuir la mezcla mediante unos inyectores de aire/vapor de alta velocidad que introducen dicha mezcla en el lecho a unas velocidades comprendidas entre 60 y 150 m/s,
- extraer material de lecho (11), recircularlo y reinyectarlo en el reactor (17) junto con el combustible (1) sólido, a una relación de al menos 1 kg de material de lecho (9) por cada 3 kg de combustible (1).
Tal y como muestra la figura 1, el procedimiento comprende, además, extraer un segundo material de lecho (9) a alta temperatura que se hace pasar por un bucle de carbono de acoplamiento cerrado (18) donde el segundo material de lecho (9) se mezcla con cenizas (8) que comprenden alto contenido en carbono y se reintroduce la salida de retorno de lecho y cenizas (10) al reactor (17).
En la realización preferente descrita por la figura 1, la salida de gas de síntesis (6) se hace pasar por un separador de partículas (20) y por medio de ciclones se separan las cenizas (8) con alto contenido en carbono que son posteriormente mezcladas con el segundo material de lecho (9).
La reintroducción del retorno de lecho y cenizas (10) se realiza en una zona inferior del lecho a una distancia de menos de 500mm de una placa distribuidora de aire (19) dispuesta dentro del lecho del reactor.
De esta forma se genera una corriente descendente de sólidos con alto contenido de carbono por las paredes del reactor (17), y hacia la zona de mayor contenido de oxígeno, además de eliminar el problema de arrastre de partículas de carbono en el centro de las burbujas ascendentes.
Además, en una realización preferente, el procedimiento comprende refrigerar el material de lecho (11) con cenizas en al menos un intercambiador de calor (21) antes de mezclarlo con el combustible (1) sólido y de reinyectarlo en el reactor (17).
Tal y como se muestra en la figura 1 el procedimiento contempla limpiar el material de lecho (11) con cenizas mediante un dispositivo de limpieza (22) y posterior a la refrigeración y anterior a mezclarlo con el combustible (1) sólido para reinyectarlo en el reactor (17).
En la realización preferente, el caudal de aire (2) se inyecta a través de un soplante de aire de fluidificación (24) y pasa por un quemador de arranque (25).
Por otro lado, el combustible sólido (1) en la realización preferente descrita, se introduce en una tolva de alimentación (23) antes de ser mezclado con el material de lecho (11) recirculado.
Una vez se ha mezclado el material de lecho recirculado (11) con el combustible sólido (1) tras haber pasado por la tolva de alimentación (23) se introduce en el circuito un aire de presurización (5) y se hace pasar por un gasificador (26) antes de entrar al reactor (17).
Claims (19)
1. - Procedimiento de conversión termoquímica de al menos un combustible (1) sólido en un gas de síntesis (6) dentro de un reactor (17) de lecho fluido burbujeante, donde dicho procedimiento comprende, al menos, las etapas:
a.- inyectar al menos un caudal de aire (2) en el lecho mediante un inyector de aire a velocidades comprendidas entre 60 y 150 m/s;
- extraer material de lecho (11) mediante un tubo de extracción de lecho localizado en una placa distribuidora de aire (19) dentro del lecho del reactor (17).
2. - El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende inyectar, además, un caudal de vapor (3) y distribuir la mezcla con el caudal de aire (2), mediante unos inyectores de aire/vapor de alta velocidad que introducen dicha mezcla en el lecho a unas velocidades comprendidas entre 60 y 150 m/s.
3. - El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende recircular el material de lecho (11) y reinyectarlo en el reactor (17) junto con el combustible (1) sólido, a una relación de al menos 0,5 kg de material de lecho (9) por cada 3 kg de combustible (1).
4. - El procedimiento de la reivindicación 3, que comprende, además, refrigerar el material de lecho (11) con cenizas de fondo en al menos un intercambiador de calor (21) antes de mezclarlo con el combustible (1) sólido y el reinyectarlo en el reactor (17).
5. - El procedimiento de la reivindicación 3, que comprende, además, limpiar el material de lecho (11) de cenizas volantes posterior a la refrigeración y anterior a mezclarlo con el combustible (1) sólido y el reinyectarlo en el reactor (17).
6. - El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende, además, extraer un segundo material de lecho (9) a alta temperatura que se hace pasar por un bucle de carbono de acoplamiento cerrado (18) donde el segundo material de lecho (9) se mezcla con cenizas (8) que comprenden alto contenido en carbono y se reintroduce la salida de retorno de lecho y cenizas (10) al reactor (17).
7. - El procedimiento de la reivindicación 6, en el que la salida de gas de síntesis (6) se hace pasar por un separador de partículas (20) y por medio de ciclones se separan las cenizas (8) con alto contenido en carbono.
8. - El procedimiento de la reivindicación 6, en el que introducir el retorno de lecho y cenizas (10) se realiza a una distancia de menos de 500mm de la placa distribuidora de aire (19) dentro del lecho del reactor (17).
9. - El procedimiento de la reivindicación 6, en el que los gases resultantes (4) del bucle de carbono de acoplamiento cerrado (18) son dirigidos al proceso posterior de oxidación térmica del gas de síntesis (6), donde son aprovechados como agente oxidante o de dilución.
10. - El procedimiento de la reivindicación 6, que comprende, además, inyectar en el bucle de carbono de acoplamiento cerrado (18) al menos un gas o una mezcla de gases seleccionados de la lista:
- aire;
- vapor;
- dióxido de carbono; y/o
- nitrógeno.
11. - El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se inyecta vapor como agente fluidificante y el calor requerido para las reacciones es aportado al lecho mediante intercambio a alta temperatura proveniente de una de las siguientes:
a. calor procedente de plantas solares de concentración;
b. calor recuperado en la zona de enfriamiento de los hornos de cemento, c. calor recuperado en la salida de los hornos de fusión de vidrio;
d. calor recuperado en la salida de los hornos de palanquilla;
e. calor recuperado en la salida de los hornos de acero y aluminio;
f. calor recuperado en la zona de alta temperatura de los hornos túneles de ladrillos o tejas; y
g. calor recuperado en los hornos cerámicos,
12. - El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende calentar el vapor como agente fluidificante a una temperatura de entre 600° y 1000° por medio de un intercambio a alta temperatura proveniente de una de las fuentes mencionadas en la reivindicación anterior.
13. - Instalación para llevar a cabo el procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha instalación comprende:
- un reactor (17) de lecho fluido burbujeante,
- elementos adaptados para canalizar un caudal de aire (2) y un caudal de vapor (3) y adaptados para distribuir la mezcla mediante unos inyectores de aire/vapor de alta velocidad adaptados para introducir dicha mezcla en el lecho a unas velocidades comprendidas entre 60 y 150 m/s,
- una placa distribuidora de aire (19) dentro del lecho del reactor (11) que comprende un tubo de extracción configurado para extraer el material de lecho (11), elementos de recirculación y elementos de reinyección capaces de reinyectar el material de lecho (11) en el reactor (17) junto con el combustible (1) sólido, a una relación de al menos 0,5 kg de material de lecho (9) por cada 3 kg de combustible (1).
14. - La instalación de la reivindicación 13, que comprende un bucle de carbono de acoplamiento cerrado (18) y elementos de extracción para extraer un segundo material de lecho (9) a alta temperatura que se hace pasar por dicho bucle de carbono de acoplamiento cerrado (18) donde el segundo material de lecho (9) se mezcla con cenizas (8) que comprenden alto contenido en carbono y se reintroduce la salida de retorno de lecho y cenizas (10) al reactor (17).
15. - La instalación de la reivindicación 13, en la que la placa distribuidora de aire (19) está dispuesta a menos de 500 mm de la entrada de retorno de lecho y cenizas (10) al reactor (17).
16. - La instalación de la reivindicación 13, que comprende un separador de partículas (20) dispuesto a la salida del gas de síntesis (6) y configurado para, por medio de ciclones, separar las cenizas (8) con alto contenido en carbono que se mezclan con el segundo material de lecho (9).
17. - La instalación de la reivindicación 13, que comprende un intercambiador de calor (21) dispuesto a la salida del reactor (17) y configurado para refrigerar el material de lecho (11) con cenizas antes de mezclarlo con el combustible (1) sólido y el reinyectarlo en el reactor (17).
18.- La instalación de la reivindicación 13, un dispositivo de limpieza (23) configurado para limpiar el material de lecho (11) de cenizas volantes posterior a la refrigeración y anterior a mezclarlo con el combustible (1) sólido y el reinyectarlo en el reactor (17).
19.- La instalación de la reivindicación 13, que comprende uno de los elementos de la siguiente lista para calentar el vapor inyectado como agente fluidificante y/o el lecho en un reactor separado para aportar parte o la totalidad del calor requerido para mantener las reacciones de gasificación::
a. plantas solares de concentración;
b. hornos de cemento;
c. hornos de fusión de vidrio;
d. hornos de palanquilla,
e. hornos de acero y aluminio;
f. hornos túneles de ladrillos o tejas;
g. hornos cerámicos.
Priority Applications (3)
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