ES2926949T3 - Carbonización hidrotérmica - Google Patents

Abstract

Se proporciona un método de carbonización hidrotérmica de un lodo, que comprende las etapas de: precalentar el lodo para obtener un lodo precalentado; mezclar el lodo precalentado con una fracción oxidada en húmedo para obtener una mezcla de reacción; someter la mezcla de reacción a carbonización hidrotermal (HTC) en un reactor para obtener un lodo tratado con HTC; separar una fracción del lodo tratado con HTC; y mezclar la fracción con un agente oxidante, tal como gas oxígeno, para obtener la fracción oxidada en húmedo, donde la temperatura de la fracción antes de la oxidación en húmedo es al menos 15 °C más alta que la temperatura del lodo precalentado. También se proporciona un sistema correspondiente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Carbonización hidrotérmica

Campo de invención

La presente divulgación se refiere a un método de carbonización hidrotérmica de lodo, en particular de lodo municipal o industrial de una planta de tratamiento de aguas residuales.

Antecedentes de la invención

El lodo es normalmente lo que queda después del tratamiento de aguas residuales en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales o industriales. Las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales tratan las aguas residuales de las ciudades, mientras que las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales tratan los efluentes de agua de diferentes procesos industriales, por ejemplo, fábricas de pulpa y papel, instalaciones industriales de producción de alimentos, etc. La ganadería también es una fuente considerable de aguas residuales y lodo, por ejemplo, la ganadería porcina a gran a escala. Las realizaciones de la presente divulgación serán útiles en todas estas áreas.

Las tecnologías de tratamiento de aguas residuales son similares a nivel general, pero incluyen soluciones específicas dependiendo del carácter de los flujos de residuos a tratar, el diseño básico, los requisitos locales y los problemas ambientales. En las plantas más grandes de Suecia, el proceso de tratamiento de aguas residuales a menudo comprende un pretratamiento mecánico seguido de etapas de tratamiento primario (sedimentación) y secundario (aeróbico). En algunos casos, también se aplican diferentes formas de tratamiento terciario para quitar las sustancias problemáticas restantes, por ejemplo, residuos de fármacos, sustancias orgánicas tóxicas, etc., en el agua tratada. En plantas más pequeñas, a menudo se pueden omitir una o más de estas etapas.

Casi todas las plantas de tratamiento de aguas residuales en uso generan lodos que necesitan ser manejados. El lodo se recupera ya sea directamente de la planta después de la deshidratación (lodo aeróbico) o se trata primero de forma anaeróbica para la producción de biogas, donde parte del lodo se digiere y el resto se recupera como lodo anaeróbico.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales de todo el mundo producen varios cientos de millones de toneladas métricas de lodo cada año y la cantidad está creciendo rápidamente. En Suecia, el volumen total de lodo en toneladas de sólidos secos al año (tSS/a) fue de 250000 en 2010 y se estima que la cifra actual es igual o superior. El manejo de lodo es, por lo tanto, un enorme reto para la sociedad y las soluciones actuales se asocian con un alto costo y, con frecuencia, también a un impacto ambiental negativo.

A partir de 1986, la Unión Europea adoptó varias directivas que regulan el tratamiento y la eliminación de lodo de aguas residuales, abordando diferentes aspectos tales como la utilización de lodo en los vertederos, la recuperación de fósforo, incineración de lodo, etc. Las distintas directivas se reflejan en la legislación nacional de los distintos estados miembros y, por ejemplo, en Suecia, la eliminación de lodo en vertederos está prohibida desde 2005.

En la actualidad, los principales usos del lodo de aguas residuales son la fertilización en la agricultura y la forestación/silvicultura, mezcla en el suelo vegetal para proyectos de construcción de terrenos y la cobertura y restauración de vertederos, incineración con recuperación de energía, recuperación de productos químicos y la producción de fertilizantes, y finalmente el vertido, sin embargo, siempre que los lodos hayan sido sometidos a un pretratamiento específico, tal como el compostaje.

La incineración de lodo, con recuperación de energía y un tratamiento adecuado de los gases de combustión y cenizas para destruir los productos químicos nocivos y manejar con seguridad los metales pesados, sigue siendo una alternativa atractiva. Sin embargo, la composición exacta del lodo depende de la composición de las aguas residuales entrantes y del tipo de planta de tratamiento de aguas residuales. El lodo con altas concentraciones de componentes orgánicos y/o biológicos es generalmente difícil de deshidratar. El contenido de agua es frecuentemente tan alto que el valor calorífico neto si se incinera en una planta eléctrica es muy bajo o incluso negativo y puede ser necesaria la adición de combustibles de apoyo, a menudo combustibles fósiles.

C-Green Technology AB desarrolló un proceso para el tratamiento de lodo que involucra una etapa de carbonización hidrotérmica (HTC por sus siglas en inglés). El fósforo se puede extraer del biocombustible ya sea antes de la combustión o de las cenizas después de la combustión.

El documento WO2009127727 divulga un proceso de carbonización hidrotérmica para la preparación de material similar al carbón utilizando biomasa. El proceso comprende una etapa (i) de calentamiento de una mezcla de reacción que comprende agua y biomasa para obtener una mezcla de reacción que comprende biomasa activada; y una etapa (ii) de adición de un iniciador de polimerización a la mezcla de reacción obtenida en la etapa (i) para polimerizar la biomasa activada y obtener una mezcla de reacción que comprende material similar al carbón.

El documento WO2017003358 divulga un sistema de tratamiento de lodo, el cual está dispuesto en un contenedor adaptado para ser transportado por un camión y comprende: una entrada de lodo para recibir un lodo; un reactor que comprende una disposición de calentamiento eléctrico para el tratamiento térmico de lodo, cuyo reactor está dispuesto de forma descendente de la entrada del lodo; una disposición de vaporización instantánea para enfriar el lodo tratado en el reactor y proporcionar al menos una fracción de vapor, cuya disposición de vaporización instantánea está dispuesta de forma descendente del reactor; una disposición de conducción de vapor capaz de conducir la al menos una fracción de vapor de la disposición de vaporización instantánea para precalentar el lodo transportado de la entrada del lodo al reactor; y una disposición de separación para separar el lodo enfriado procedente de la disposición de vaporización instantánea en una primera fracción y una segunda fracción, en donde el contenido de sólidos suspendidos es superior en la primera fracción que en la segunda fracción.

Breve descripción de la invención

El funcionamiento de muchos sistemas de carbonización hidrotérmica (HTC) requiere un suministro de energía externa, por ejemplo, en forma de electricidad o gas. Los presentes inventores descubrieron que la necesidad de un suministro continuo de energía externa en el tratamiento HTC de lodo se puede eliminar sometiendo una fracción de lodo tratado con HTC a una oxidación húmeda y haciendo recircular después la fracción oxidada húmeda para recuperar el calor liberado por la oxidación. Una ventaja de llevar a cabo la oxidación húmeda en lodo que ya han sido sometidos a un tratamiento HTC es que el tratamiento HTC aumenta la demanda química de oxígeno (DQO) del lodo y una mayor DQO significa más combustible para el proceso de oxidación húmeda.

Además, el lodo tratado con HTC tiene una temperatura superior que el lodo entrante o precalentado y la temperatura superior da lugar a un proceso de oxidación húmeda más rápido, el cual depende de la temperatura. A temperaturas por encima de 120°C, una temperatura superior también aumenta la solubilidad del gas oxígeno en el lodo, lo cual facilita aún más la oxidación húmeda (cuando el gas oxígeno es el agente oxidante).

Como un primer aspecto de la presente divulgación, se proporciona así un método de carbonización hidrotérmica de un lodo, que comprende las etapas de:

precalentar el lodo para obtener un lodo precalentado;

mezclar el lodo precalentado con una fracción oxidada húmeda para obtener una mezcla de reacción;

someter la mezcla de reacción a la carbonización hidrotérmica (HTC) en un reactor para obtener un lodo tratado con HTC; separar una fracción del lodo tratado con HTC; y

mezclar la fracción con un agente oxidante para obtener la fracción oxidada húmeda.

El agente oxidante es preferiblemente gas oxígeno. El "gas oxígeno" se refiere a un gas que comprende al menos 80 % de oxígeno en volumen, preferiblemente al menos 95 % de oxígeno en volumen. Por consiguiente, la "adición de gas oxígeno" en la etapa b) no contempla la adición de aire (ya que el contenido de oxígeno del aire es sólo del 21 % en volumen). Una ventaja de utilizar gas oxígeno en lugar de aire es que se añade menos gas inerte al reactor. Otra ventaja es una reacción de oxidación húmeda más eficiente

Tal como entiende el experto, el método es un método continuo.

El lodo de la presente divulgación es preferiblemente un lodo municipal o industrial de una planta de tratamiento de aguas residuales.

El contenido de sólidos secos (también denominados como "sólidos totales") de los lodos normalmente es de 1 a 35 %, tal como 2 a 35 %, tal como 3 a 32 %. Si el lodo es lodo anaeróbico, el contenido de sólidos secos generalmente es de 13 a 32 %. Si el lodo es lodo aeróbico, el contenido de sólidos secos normalmente es de 5 a 15 %. El contenido de cenizas normalmente es de 10 a 75 %, tal como 12 a 50 %, tal como 30 a 50 %, del peso seco del lodo.

El valor calorífico superior (HHV por sus siglas en inglés) del lodo normalmente es de 0,8 a 5 Mcal/kg (3,5 a 21 MJ/kg), como, por ejemplo, de 1,4 a 4,1 Mcal/kg (6 a 17 MJ/kg) (peso seco).

La oxidación húmeda de la presente divulgación normalmente no consume todo el HHV del lodo. Generalmente, consume menos del 50 % del HHV del lodo y, preferiblemente, consume 5 a 20 %, tal como 6 a 15 %, del HHV del lodo. La cantidad de agente oxidante añadido en el método se puede adaptar en consecuencia.

La presente divulgación facilita la separación del fósforo (P). En consecuencia, el lodo de la presente divulgación comprende preferiblemente fósforo, por ejemplo, en una cantidad de 0,5 a 9 % del peso seco del lodo, tal como 1a 9 % del peso seco del lodo, tal como 1,5a 9 % del peso seco del lodo.

Además, el lodo tratado se utiliza como combustible para el proceso de oxidación húmeda. El carbón HTC final también normalmente se utiliza como combustible. Por lo tanto, el lodo de la presente divulgación comprende preferiblemente carbono (C), por ejemplo, en una cantidad de 9 a 46 % del peso seco del lodo, tal como el 20 a 46 % del peso seco del lodo.

La oxidación húmeda de la presente divulgación no requiere un reactor por separado. En cambio, es suficiente con que la fracción se mezcle con el agente oxidante, por ejemplo, utilizando un mezclador de gas de oxígeno. En consecuencia, en una realización del primer aspecto, no se utiliza ningún reactor por separado del reactor antes mencionado para el HTC para la reacción entre el agente oxidante y la fracción. Sin embargo, para lograr un mejor control del proceso, puede ser beneficioso permitir que la fracción oxidada húmeda pase por un reactor antes de que se mezcle con el lodo precalentado. El tiempo de retención en dicho reactor puede ser, por ejemplo, de 10 a 60 minutos, tal como 20 a 40 minutos. El volumen de dicho reactor puede ser, por ejemplo, de 10 a 50 %, tal como 20 a 40 % del volumen del reactor para el HTC.

Cuando el agente oxidante es gas oxígeno, se puede añadir en una cantidad de 60 a 260 kg por tonelada de lodo seco procesado por el método, preferiblemente 100 a 200 kg por tonelada de lodo seco procesado por el método, más preferiblemente de 110 a 150 kg por tonelada de lodo seco procesado por el método.

De acuerdo con una realización, la fracción es una fracción pobre en partículas, lo que significa que su contenido de sólidos suspendidos totales (SST) es inferior al contenido de SST del lodo tratado con HTC. Por ejemplo, el contenido de SST de la fracción pobre en partículas puede ser inferior a 50 g/l, preferiblemente inferior a 30 g/l, más preferiblemente inferior a 20 g/l.

Una ventaja de un contenido relativamente bajo de SST en la fracción es que se mejora la combinación del agente de oxidación, tal como el gas oxígeno, en la fracción.

Los metales pesados y el fósforo tienden a estar unidos a las partículas sólidas de los lodos y existe el riesgo de que los procesos de oxidación húmeda liberen dichas sustancias al líquido. Otra ventaja de un contenido relativamente bajo de SST en la fracción (la cual se somete a oxidación húmeda) es, por lo tanto, que dicha liberación se minimiza.

El método puede comprender la obtención de una segunda fracción de los lodos tratados con HTC.

La segunda fracción puede ser una fracción rica en partículas, la cual significa que su contenido de SST es superior que el contenido de SST de la fracción que se mezcla con el agente oxidante.

El lodo tratado con HTC se puede separar en la fracción pobre en partículas y la fracción rica en partículas en un separador dispuesto de forma descendente del reactor. El experto sabe cómo llevar a cabo dicha separación.

Alternativamente, el reactor puede estar provisto de una primera salida para la fracción pobre en partículas y una segunda salida para la fracción rica en partículas. En este caso, la primera salida está dispuesta por encima de la segunda, de manera tal que se puede utilizar la sedimentación y/o la fluidización para la separación. A continuación, se describe un reactor diseñado para permitir la separación basada en la fluidización con referencia a las figuras 1a y 1b.

La segunda fracción se puede enfriar por vaporización instantánea. Dicha vaporización instantánea proporciona al menos una fracción de vapor que es/son utilizada(s) preferiblemente en la etapa de precalentamiento. En una realización, la vaporización instantánea proporciona al menos dos, tal como al menos tres, fracciones de vapor de diferentes temperaturas que se utilizan para el calentamiento secuencial del lodo en la etapa de precalentamiento.

La temperatura del lodo tratado con HTC (es decir, el lodo a la salida del reactor) normalmente es de 180 a 250°C y, preferiblemente, de 180 a 230°C. Más preferiblemente, es de 190 a 225°C.

La etapa de oxidación húmeda se lleva a cabo porque el precalentamiento no es suficiente para que el lodo alcance la temperatura del tratamiento HTC en el reactor. La temperatura del lodo tratado con HTC generalmente es al menos 20°C superior (tal como 20 a 65°C superior) y preferiblemente al menos 30°C superior (tal como 30 a 65°C superior) que la temperatura del lodo precalentado que se mezcla con la fracción oxidada húmeda.

El tiempo de retención promedio en el reactor normalmente es de 0,25 a 8 h y preferiblemente de 0,5 a 2 h.

Preferiblemente, el caudal de flujo volumétrico de la fracción es de 10 a 50 % del caudal de flujo volumétrico del lodo precalentado.

Para proporcionar suficiente combustible para el proceso de oxidación húmeda, la demanda química de oxígeno (DQO) de la fracción normalmente es de al menos 15 g/l, preferiblemente de al menos 20 g/l, más preferiblemente de al menos 30 g/l, y más preferiblemente de al menos 40 o 50 g/l.

En general, se considera más práctico mezclar el lodo precalentado con la fracción oxidada húmeda en una posición ascendente al reactor, tal como en una tubería que conduce al reactor, que en el reactor.

En una realización preferida, el lodo precalentado se mezcla por lo tanto con la fracción oxidada húmeda en una posición ascendente del reactor. En las figuras 1a y 2a se muestran ejemplos de dicha realización.

En una realización alternativa, el lodo precalentado se mezcla con la fracción oxidada húmeda en el reactor. En las figuras 1b y 2b se muestran ejemplos de dicha realización.

Como se mencionó anteriormente, una ventaja de añadir el agente oxidante a la fracción de lodo tratado con HTC en lugar del lodo precalentado es que la temperatura de la fracción es superior. La temperatura de la fracción antes de la oxidación húmeda (es decir, antes de que se mezcle con el agente oxidante) es al menos 15°C superior (tal como 15 a 65°C superior), preferiblemente al menos 20°C superior (tal como 20 a 65°C superior) y más preferiblemente al menos 25°C superior (tal como 25 a 65°C superior) que la temperatura del lodo precalentado. Otras realizaciones del primer aspecto se pueden derivar de la discusión sobre el segundo aspecto que se expone a continuación.

Como un segundo aspecto, no reivindicado, de la presente divulgación, se proporciona un sistema para la carbonización hidrotérmica de un lodo, que comprende:

- una entrada para recibir el lodo;

- un reactor para someter el lodo a una carbonización hidrotérmica (HTC) de tal manera que se obtengan lodos tratados con HTC;

- una disposición de conducción para conducir el lodo de la entrada hasta el reactor, la cual comprende una disposición de precalentamiento; y

- una disposición de recirculación para conducir una primera fracción del lodo tratado con HTC a una posición en la disposición de conducción entre la disposición de precalentamiento y el reactor o al reactor, cuya disposición de recirculación comprende un mezclador para mezclar la primera fracción con un agente oxidante, tal como el gas oxígeno.

Tal como entiende el experto, la disposición de recirculación está conectada a una salida del reactor.

La acción del mezclador da lugar a que la primera fracción del lodo tratado con HTC se convierta en una "fracción oxidada húmeda".

En las figuras 1a y 2a se muestran ejemplos de una disposición de recirculación para conducir la fracción a una posición en la disposición de conducción entre la disposición de precalentamiento y el reactor. De acuerdo con dichos ejemplos, la fracción oxidada húmeda se mezcla/fusiona con el lodo precalentado de forma ascendente del reactor, pero de forma descendente de la disposición de precalentamiento.

De la discusión anterior se desprende que la disposición de conducción puede comprender una conexión de tipo T u otro dispositivo de mezcla dispuesto de forma descendente de la disposición de precalentamiento. En dicho caso, la disposición de conducción se conecta a la conexión de tipo T del dispositivo de mezcla.

En las figuras 1b y 2b se muestran ejemplos de una disposición de recirculación para conducir la fracción al reactor. De acuerdo con dichos ejemplos, la fracción oxidada húmeda se mezcla con lodo precalentado en el reactor.

La conducción de la fracción a una posición en la disposición de conducción entre la disposición de precalentamiento y el reactor permite una mezcla práctica y, por lo tanto, es más preferible que la conducción de la fracción al reactor.

Tal como entiende el experto, el sistema está adaptado para un proceso continuo y el reactor es un reactor continuo.

El agente oxidante es preferiblemente gas oxígeno y el mezclador es preferiblemente un mezclador de gas oxígeno. También se pueden utilizar otros tipos de equipos de oxidación, tales como los reactores de flujo contrario o concurrente o las torres de absorción.

El sistema puede comprender, además:

- una disposición de vaporización instantánea para someter una segunda fracción de lodo tratado con HTC a vaporización instantánea para obtener una segunda fracción enfriada y al menos una fracción de vapor; y

- una disposición de conducción de vapor para conducir la al menos una fracción de vapor a la disposición de precalentamiento.

La disposición de vaporización instantánea puede comprender al menos dos, tales como, al menos tres, recipientes de vaporización instantánea dispuestos en serie para proporcionar fracciones de vapor de diferentes temperaturas. Además, la disposición de precalentamiento puede comprender al menos dos, tal como, al menos tres, mezcladores de vapor dispuestos en serie. La disposición de conducción de vapor conecta preferiblemente los recipientes de vaporización instantánea con los mezcladores de vapor, de tal manera que el lodo pueda precalentarse por etapas.

El (los) mezclador(es) de vapor puede(n) ser un mezclador venturi.

En una realización, el reactor comprende una primera salida para la primera fracción y una segunda salida para la segunda fracción, en donde la primera salida está dispuesta por encima de la segunda salida. Dicho reactor puede comprender: una entrada del reactor dispuesta en la parte superior del reactor, cuya entrada está conectada a la disposición de conducción; un primer canal que se extiende hacia abajo de la entrada del reactor para guiar el material de entrada hasta una sección inferior del reactor; un segundo canal que se extiende hacia arriba desde la sección inferior a la primera salida, la cual está conectada a la disposición de recirculación; y la segunda salida, que puede estar conectada a la disposición de vaporización instantánea.

Como se mencionó anteriormente, la oxidación húmeda de la presente divulgación no requiere un reactor por separado. En una realización del segundo aspecto, no hay por lo tanto ningún reactor dispuesto en disposición de recirculación de forma descendente del mezclador para mezclar la primera fracción con el agente oxidante.

Por lo demás, las realizaciones del primer aspecto se aplican al segundo aspecto mutatis mutandis.

Breve descripción de los dibujos

Las figuras 1a, 1b, 2a y 2b ilustran diferentes realizaciones ejemplares de un sistema de tratamiento de lodo de acuerdo con la presente divulgación.

Descripción detallada de la invención

En la figura 1a se ilustra esquemáticamente una primera realización ejemplar de un sistema 100 de acuerdo con la presente divulgación. Para el proceso en el sistema, se recibe un lodo (A) de una fuente, la cual puede ser una planta de tratamiento de aguas residuales municipales, un proceso industrial o una instalación en la agricultura o la ganadería. El lodo se puede recibir directamente de la planta o de un tanque de almacenamiento que forma parte del sistema. El lodo suele normalmente tiene una temperatura inicial de aproximadamente 30°C y un contenido de materia seca de aproximadamente 30 %. Después de un calentamiento inicial opcional (no mostrado), por ejemplo, mediante una corriente líquida del mismo proceso/sistema, el lodo se precalienta en una disposición de precalentamiento 101. El precalentamiento se lleva a cabo preferiblemente mediante adiciones de vapor por etapas, por ejemplo, en un primer mezclador 102, un segundo 103 y un tercer mezclador 104 de vapor dispuestos en serie. De forma descendente de cada mezclador de vapor 102,103,104, se dispone una bomba 102p, 103p, 104p. La última bomba eleva la presión hasta la presión de la reacción HTC que se discute a continuación. Después de la disposición de precalentamiento 101, se obtiene un lodo precalentado que tiene una temperatura de aproximadamente 175°C. En una conexión tipo T 105 (o un dispositivo más avanzado para mezclar dos flujos), el lodo precalentado se fusiona con una fracción oxidada húmeda para formar una mezcla de reacción, la cual se introduce en un reactor vertical 106, preferiblemente a través de una entrada 107 dispuesta en la parte inferior del reactor 106. En el reactor 106, la mezcla de reacción se somete a una carbonización hidrotérmica (HTC). La temperatura del lodo puede variar entre las distintas posiciones del reactor 106 debido a las reacciones exotérmicas (por ejemplo, las reacciones HTC y la oxidación húmeda que se discuten más adelante) y a las pérdidas de calor. Un lodo tratado con HTC se retira del reactor 106, preferiblemente a través de una salida 108 dispuesta en una sección superior del reactor 106. La temperatura del lodo tratado térmicamente es de 200-215°C cuando se retira del reactor 106.

Se separa una fracción 109 de los lodos tratados con HTC. La presión de la fracción se aumenta ligeramente mediante una bomba 110. A continuación, se añade gas oxígeno a la fracción en un mezclador de gas oxígeno 111 de tal manera que se obtiene la "fracción oxidada húmeda". El mezclador de gas oxígeno está conectado a un tanque de oxígeno (no mostrado). La cantidad de gas oxígeno puede ser de unos 130 kg por tonelada de lodo seco procesado en el sistema. La oxidación húmeda no es instantánea. Más bien, estará en curso cuando la fracción fluya de forma descendente del mezclador de gas oxígeno 111 y posiblemente también después de la fusión con el lodo precalentado.

El caudal de flujo volumétrico de la fracción es de 10 a 50 % del caudal de flujo volumétrico del lodo precalentado.

El lodo restante tratado con HTC forma una segunda fracción que, en lugar de ser recirculada, se somete a vaporización instantánea en una disposición de vaporización instantánea 112, la cual produce al menos una fracción de vapor que se utiliza para precalentar el lodo en la disposición de precalentamiento 101. Preferiblemente, la disposición de vaporización instantánea 112 comprende varios recipientes de vaporización instantánea dispuestos en serie para producir fracciones de vapor de diferentes temperaturas. Por ejemplo, la disposición de vaporización instantánea 112 puede comprender: un primer recipiente de vaporización instantánea 113 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente alta que se conduce al tercer mezclador de vapor 104 de la disposición de precalentamiento 101; un segundo recipiente de vaporización instantánea 114 que produce una fracción de vapor de temperatura media que se conduce al segundo mezclador de vapor 103 de la disposición de precalentamiento 101; y un tercer recipiente de vaporización instantánea 115 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente baja que se conduce a un primer mezclador de vapor 102 de la disposición de precalentamiento 101.

El lodo enfriado que se obtiene de forma descendente de la disposición de vaporización instantánea 112 se deshidrata (no se muestra) de tal manera que se obtiene al menos una corriente líquida (que se puede utilizar para el calentamiento inicial y/o la dilución del lodo entrante) y una fracción gruesa que comprende carbón HTC.

El sistema 100 puede comprender un calentador 116 que utiliza calor externo, tal como un calentador eléctrico, para iniciar el proceso en frío. El calentador 116 se dispone preferiblemente de forma descendente del punto de fusión 105, pero de forma ascendente del reactor 106.

Una variante de la primera realización ejemplar se ilustra en la figura1 b. La diferencia entre la figura 1b y la figura 1 a es que la fracción oxidada húmeda no se fusiona con el lodo precalentado en una posición ascendente del reactor 106. En la figura 1b, la fracción oxidada húmeda y los lodos precalentados se añaden por separado a una parte ascendente del reactor 106 y se mezclan por lo tanto en el reactor 106 para formar la mezcla de reacción.

En la figura 2a se ilustra esquemáticamente una segunda realización ejemplar de un sistema 200 de acuerdo con la presente divulgación. Para el proceso en el sistema 200, se recibe un lodo (A) de una fuente, la cual puede ser una planta de tratamiento de aguas residuales municipales, un proceso industrial o una instalación en la agricultura o la ganadería. El lodo se puede recibir directamente de la planta o de un tanque de almacenamiento que forma parte del sistema. El lodo suele normalmente tiene una temperatura inicial de aproximadamente 30°C y un contenido de materia seca de aproximadamente 30 %. Después de un calentamiento inicial opcional (no mostrado), por ejemplo, mediante una corriente líquida del mismo proceso/sistema, el lodo se precalienta en una disposición de precalentamiento 201. El precalentamiento se lleva a cabo preferiblemente mediante adiciones de vapor por etapas, por ejemplo, en un primer mezclador 202, un segundo 203 y un tercer mezclador 204 de vapor dispuestos en serie. De forma descendente de cada mezclador de vapor 202, 203, 204, se dispone una bomba 202p, 203p, 204p. La última bomba eleva la presión hasta la presión de la reacción HTC que se discute a continuación. Después de la disposición de precalentamiento 201, se obtiene un lodo precalentado que tiene una temperatura de aproximadamente 175°C. En una conexión tipo T 205 (o un dispositivo más avanzado para mezclar dos flujos), el lodo precalentado se fusiona con una fracción oxidada húmeda para formar una mezcla de reacción, la cual se alimenta a un reactor vertical 206, en la cual la mezcla de reacción se somete a la carbonización hidrotérmica (HTC) y el lodo tratado con HTC se separa en una fracción pobre en partículas y una fracción rica en partículas. El reactor 206 comprende: una entrada del reactor 207 dispuesta en la parte superior del reactor 206; un primer canal 206c1 que se extiende hacia abajo desde la entrada del reactor 207 para guiar la mezcla de reacción de la entrada 207 a una sección inferior del reactor 206; un segundo canal 206c2 que se extiende hacia arriba de la sección inferior a una salida de recirculación 208 para retirar la fracción pobre en partículas; y una salida inferior 209 para retirar la fracción rica en partículas. El diseño del reactor 206 permite una fluidización que facilita la separación en la fracción pobre en partículas y la fracción rica en partículas (ver la solicitud de patente SE1750284 A1).

Preferiblemente, una parte de la corriente pobre en partículas se recircula hacia una entrada inferior 207b del reactor 206. Un flujo a través de dicha entrada inferior ayuda a la fluidización.

El gas oxígeno se añade a la otra parte de la fracción pobre en partículas o a toda ella en caso de que se omita la recirculación a la entrada inferior. Mediante la adición de oxígeno, se obtiene la "fracción oxidada húmeda". La adición se realiza por medio de un mezclador de gas oxígeno 211, el cual está conectado a un tanque de oxígeno (no mostrado). La cantidad de gas oxígeno puede ser de unos 130 kg por tonelada de lodo seco procesado en el sistema. La oxidación húmeda no es instantánea. Más bien, estará en curso cuando la fracción fluya de forma descendente del mezclador de gas oxígeno 211 y posiblemente también después de la fusión con el lodo precalentado. Antes del mezclador de gas oxígeno 211, la presión de la fracción pobre en partículas se aumenta ligeramente mediante una bomba 210.

El caudal de flujo volumétrico de la fracción oxidada húmeda es de 10 a 50 % del caudal de flujo volumétrico del lodo precalentado.

La temperatura varía ligeramente entre las distintas posiciones del reactor 206 debido a las reacciones exotérmicas (por ejemplo, las reacciones HTC y la oxidación húmeda) y a las pérdidas de calor. La fracción pobre en partículas y la fracción rica en partículas tienen una temperatura dentro del intervalo de 200 a 215°C cuando se retiran del reactor 206.

La fracción rica en partículas se somete a vaporización instantánea en una disposición de vaporización instantánea 212, la cual produce al menos una fracción de vapor que se utiliza para precalentar el lodo en la disposición de precalentamiento 201. Preferiblemente, la disposición de vaporización instantánea 212 comprende varios recipientes de vaporización instantánea dispuestos en serie para producir fracciones de vapor de diferentes temperaturas. Por ejemplo, la disposición de vaporización instantánea 212 puede comprender: un primer recipiente de vaporización instantánea 213 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente alta que se conduce al tercer mezclador de vapor 204 de la disposición de precalentamiento 201; un segundo recipiente de vaporización instantánea 214 que produce una fracción de vapor de temperatura media que se conduce al segundo mezclador de vapor 203 de la disposición de precalentamiento 201; y un tercer recipiente de vaporización instantánea 215 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente baja que se conduce a un primer mezclador de vapor 202 de la disposición de precalentamiento 201.

El lodo enfriado que se obtiene de forma descendente de la disposición de vaporización instantánea 212 se deshidrata (no se muestra) de tal manera que se obtiene al menos una corriente líquida (que se puede utilizar para el calentamiento inicial y/o la dilución del lodo entrante) y una fracción gruesa que comprende carbón HTC.

El sistema 200 puede comprender un calentador 216 que utiliza calor externo, tal como un calentador eléctrico, para iniciar el proceso en frío. El calentador 216 se dispone preferiblemente de forma descendente del punto de fusión 205, pero de forma ascendente del reactor 206.

Una variante de la segunda realización ejemplar se ilustra en la figura 2b. La diferencia entre la figura 2b y la figura 2a es que la fracción oxidada húmeda no se fusiona con el lodo precalentado en una posición ascendente del reactor 206. En la figura 1b, la fracción oxidada húmeda y los lodos precalentados se añaden por separado en lugar de una parte ascendente del reactor 206 y se mezclan por lo tanto en el reactor 206 para formar la mezcla de reacción.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Un método de carbonización hidrotérmica de un lodo, que comprende las etapas de:

precalentar el lodo para obtener un lodo precalentado;

mezclar el lodo precalentado con una fracción oxidada húmeda para obtener una mezcla de reacción;

someter la mezcla de reacción a la carbonización hidrotérmica (HTC) en un reactor para obtener un lodo tratado con HTC; separar una fracción del lodo tratado con HTC; y

mezclar la fracción con un agente oxidante para obtener la fracción oxidada húmeda,

en donde la temperatura de la fracción antes de la oxidación húmeda es al menos 15°C superior que la temperatura del lodo precalentado.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el contenido de SST de la fracción es inferior a 50 g/l, preferiblemente inferior a 30 g/l, más preferiblemente inferior a 20 g/l y más preferiblemente en un intervalo de 0 a 10 g/l.

3. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprende además obtener una segunda fracción del lodo tratado con HTC y someter la segunda fracción a vaporización instantánea para obtener al menos una fracción de vapor y una fracción enfriada, en donde la al menos una fracción de vapor se utiliza en la etapa de precalentamiento.

4. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el lodo es un lodo municipal o industrial procedente de una planta de tratamiento de aguas residuales.

5. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la temperatura del lodo tratado con HTC es de 180 a 250°C, preferiblemente de 180 a 230°C y más preferiblemente de 190 a 225°C.

6. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la temperatura del lodo tratado con HTC es al menos 20°C superior, preferiblemente al menos 30°C superior, que la temperatura del lodo precalentado que se mezcla con la fracción oxidada húmeda.

7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el tiempo de retención promedio en el reactor es de 0,25 a 8 h, preferiblemente de 0,5 a 2 h.

8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el caudal de flujo volumétrico de la fracción es de 10 a 50 % del caudal de flujo volumétrico del lodo precalentado.

9. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el lodo precalentado se mezcla con la fracción oxidada húmeda en el reactor.

10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el lodo precalentado se mezcla con la fracción oxidada húmeda en una posición ascendente del reactor.

11. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la temperatura de la fracción antes de la oxidación húmeda es al menos 20°C superior, preferiblemente al menos 25°C superior, que la temperatura del lodo precalentado.