ES2934490T3 - Reactor y proceso para la gasificación y/o fusión de materias primas - Google Patents
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Abstract
Esta invención se refiere a un método y un reactor para gasificar un material de alimentación carbonoso. El método incluye los pasos de alimentar por estrangulamiento un material de alimentación carbonoso en una zona de pirólisis del reactor para formar un lecho de descarga; calentar el lecho de descarga para iniciar la pirólisis del material de alimentación para formar un producto de pirólisis; proporcionar una zona de oxidación superior situada más abajo; gasificar el producto de pirólisis para formar un lecho de carbón; convertir la energía térmica en energía química en una zona de reducción superior; proporcionar una zona de oxidación inferior situada más abajo; recoger cualquier escoria metálica y/o escoria fundida en la zona de oxidación inferior; y descargar gases reductores calientes que tienen una temperatura de al menos 1300°C y una relación CO/CO2 de >= 5, más preferiblemente >= 15. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Reactor y proceso para la gasificación y/o fusión de materias primas
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere a un método para gasificar y/o fundir sustancias. En particular, la invención se refiere a la recuperación de material y/o energía de cualquier residuo, por ejemplo, pero no exclusivamente, residuos domésticos, neumáticos usados, residuos peligrosos, amianto, residuos hospitalarios, carbón o polvo de carbón. El método también es adecuado para la gasificación y fusión de materias primas de cualquier composición o para la generación de energía mediante el uso de residuos y/o carbón.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Desde hace un tiempo se buscan soluciones para la disposición térmica de varios tipos de residuos y otros materiales. Además de los procesos de combustión, se conocen varios procesos de gasificación cuyo objetivo principal es lograr resultados con una baja carga contaminante sobre el medio ambiente y reducir el coste de tratamiento de las materias primas, y también de los gases producidos en el proceso. Sin embargo, los procesos conocidos se caracterizan por una tecnología compleja que es difícil de dominar y por los altos costes de eliminación asociados para las materias primas o los residuos a tratar.
Por ejemplo, la EP 1261 827 B1 divulga un reactor para la gasificación y/o fusión de materias primas. Este reactor no sigue el enfoque del proceso de circulación de gases usado frecuentemente con anterioridad. Por el contrario, el reactor divulgado funciona de acuerdo con el principio de corriente paralela. La eliminación completa de la gestión de gases de recirculación convencional evita muchos de los problemas asociados con la condensación de los productos de pirólisis y la formación de depósitos no deseados. Además, la EP 1261 827 B1 divulga que ya en la parte superior del reactor tiene lugar una conglomeración parcial de las materias primas debido al calentamiento tipo choque del material a granel (columna a granel), por lo que se excluyen en gran medida las adherencias a la pared interna del reactor. En la EP 1261 827 B1 se divulga que se forma una sección de reducción entre dos medios de inyección adyacentes a través de los cuales fluyen todos los gases antes de la extracción, reduciéndolos de este modo en gran medida.
Aunque el reactor divulgado en la EP 1261 827 B1 reduce en gran medida las materias primas, el gas descargado del reactor no puede usarse sin calentamiento adicional para su uso en los reactores metalúrgicos para reducir la fusión debido a las temperaturas de salida del reactor.
La WO 02/46331 A1, la DE 4030554 A1 y la DE 198 16864 A1 divulgan procesos de gasificación a alta temperatura adicionales.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar un nuevo método para gasificar y/o fundir sustancias que supere, por lo menos parcialmente, las desventajas mencionadas anteriormente y/o que sea una alternativa útil a los métodos existentes para gasificar y/o fundir sustancias.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para gasificar una materia prima carbonosa para generar gases reductores calientes usando un reactor, el método incluyendo los pasos de:
- alimentar una materia prima carbonosa a través de una compuerta para formar un lecho de descarga en una zona de pirólisis del reactor;
- calentar el lecho de descarga en la zona de pirólisis para iniciar la pirólisis en la materia prima carbonosa y formar un producto de pirólisis;
- proporcionar una zona de oxidación superior caliente situada más abajo en el reactor suministrando una fuente de oxígeno a una temperatura de por lo menos 800° C al reactor en una localización por debajo de la zona de pirólisis;
- gasificar el producto de pirólisis y la materia prima carbonosa restante sin pirolizar, si queda algo, en la zona de oxidación superior caliente para formar un lecho de residuo carbonoso en una zona de reducción superior del reactor, la zona de reducción superior estando situada por debajo de la zona de oxidación superior caliente;
- convertir la energía térmica en energía química en la zona de reducción superior;
- proporcionar una zona de oxidación inferior caliente situada más abajo en el reactor suministrando una fuente de oxígeno a una temperatura de por lo menos 800° C al reactor en una localización por debajo de una zona de reducción inferior del reactor;
- recoger cualquier masa fundida de metal y/o escoria presente en la zona de oxidación inferior;
- eliminar las masas fundidas de metal y/o escoria presentes en la zona de oxidación inferior; y
- descargar gases reductores calientes que tengan una temperatura de por lo menos 1300° C y una relación de CO/CO2 S5 que se hayan generado en la zona de reducción superior a través de una salida de gases localizada en una sección de salida de gases del reactor, la sección de salida de gases estando localizada entre la zona de reducción superior y la zona de reducción inferior del reactor.
La fuente de oxígeno puede ser aire u oxígeno puro.
Las masas fundidas de metal y/o escoria presentes en la zona de oxidación inferior pueden eliminarse de la zona de oxidación inferior golpeando suavemente las masas fundidas de metal y/o escoria.
Está previsto que los gases reductores calientes que se descargan tengan una relación de CO/CO2 S15. El método puede incluir el paso adicional de proporcionar gases calientes (por ejemplo, aire precalentado o gases de combustión, que se suministran a través de quemadores o boquillas) a la zona de pirólisis para iniciar la pirólisis en la materia prima carbonosa y formar el producto de pirólisis.
Se prevé que el calentamiento del lecho de descarga en la zona de pirólisis se realice gradualmente hasta una temperatura de por lo menos 700° C, la temperatura aumentándose gradualmente para evitar la ruptura de la materia prima carbonosa y el producto de pirólisis. Ventajosamente, esto evita la formación de materia prima carbonosa fina o en polvo, producto de pirólisis y residuo carbonoso que pueden ahogar el reactor. Por lo tanto, el método y el reactor pueden funcionar a una presión más baja que en un caso en el que se forman materia prima carbonosa fina o en polvo, producto de pirólisis y residuo carbonoso. Como ejemplo, el método y el reactor pueden implementarse y/u operarse a una presión de 50 kPa.
El caudal volumétrico de los gases calientes puede controlarse para calentar gradualmente el lecho de descarga en la zona de pirólisis.
El método puede incluir el paso adicional de secar la materia prima carbonosa antes de alimentar por estrangulamiento la materia prima carbonosa al reactor.
El caudal volumétrico de la fuente de oxígeno a la zona de oxidación inferior puede controlarse para evitar la acumulación de partículas finas de residuo carbonoso en la zona de oxidación inferior. Para aumentar la tasa de consumo de partículas finas de residuo carbonoso en la zona de oxidación inferior, puede aumentarse el caudal volumétrico de la fuente de oxígeno a la zona de oxidación inferior.
El método puede, además, incluir el paso de precalentar y presecar la materia prima carbonosa en una zona de amortiguación del reactor, la zona de amortiguación estando situada por encima de la zona de pirólisis del reactor.
Al alimentar la materia prima carbonosa en la zona de pirólisis, puede formarse un lecho de descarga que tiene un cono de descarga y la sección transversal de la zona de pirólisis puede agrandarse con respecto a la sección transversal de la zona de amortiguación.
Se prevé que el método incluya el paso adicional de pirolizar y secar la materia prima carbonosa en una zona intermedia del reactor, la zona intermedia estando situada por debajo de la zona de pirólisis.
El método puede incluir el paso adicional de descargar gases reductores calientes que tienen una temperatura de por lo menos 1300° C que se han generado en una sección de corriente paralela del reactor desde la por lo menos una salida de gases del reactor, la sección de corriente paralela puede comprender:
- una zona impelente del reactor, la zona impelente comprendiendo:
o la zona de alimentación del reactor;
o la zona de amortiguación del reactor;
o la zona de pirólisis del reactor; y
o la zona intermedia del reactor;
- la zona de oxidación superior del reactor; y
- la zona de reducción superior del reactor.
Se prevé que el método incluya el paso de descargar gases reductores calientes que tienen una temperatura de por lo menos 1300° C que se han generado en una sección de contracorriente del reactor a través de la salida de gases localizada en la sección de salida de gases del reactor, la sección de contracorriente puede
comprender la zona de oxidación inferior y la zona de reducción inferior del reactor.
La relación de volumen del volumen de la zona de oxidación superior al volumen de la zona de impelente puede ser una relación de 1 :N unidades de volumen, en donde 4 < N < 20.
La relación de volumen del volumen de la zona de oxidación superior al volumen total de la zona de reducción superior y el volumen de la zona impelente puede ser una relación de 1 :N unidades de volumen, en donde 7 < N < 25.
La relación de volumen del volumen de la sección de contracorriente al volumen total del reactor puede ser una relación de 1 :N unidades de volumen, en donde 1 < N < 10.
Suministrando por lo menos 800° C de oxígeno y/o aire caliente por debajo de la zona intermedia, se crea una zona de oxidación superior caliente que tiene una temperatura por encima de 1800° C en un área particular del revestimiento y temperaturas entre 2000° C y 4000° C en el lecho. Los productos de pirólisis y partes de la materia prima se queman, se agrietan y/o funden en esta zona de oxidación superior caliente, después de lo cual tiene lugar una coquización adicional de la materia prima aún no convertida. En la siguiente zona de reducción superior, la energía térmica se convierte luego en energía química. La conversión de energía química en energía térmica se logra parcialmente reduciendo el CO2 a CO. Aquí, la relación de volumen de gas de CO/CO2 en la salida de gases puede ser mayor de 10 o incluso mayor de 15. Por ejemplo, la relación de volumen de gas de CO/CO2 puede estar entre 10 y 1000, 15 y 10000 e incluso entre 15 y 107 (esencialmente libre de CO2).
El gas puede fluir en la sección de corriente paralela desde la zona de alimentación hasta la salida de gases en corriente paralela.
También puede crearse una zona caliente que tenga temperaturas entre 1800° C y 4000° C en la zona de oxidación inferior cónica proporcionando por lo menos oxígeno y/o aire calientes a 1000° C. Las masas fundidas de metal y/o escoria también pueden recogerse en esta zona de oxidación inferior caliente dispuesta más abajo. Estas masas fundidas de escoria y/o masas fundidas de metal pueden colarse mediante vertido de colada (por ejemplo en moldes) o pueden descargarse de manera continua (por ejemplo a una granulación de escoria) según se requiera. En la zona de oxidación inferior cónica y en la zona de reducción inferior cónica también pueden generarse gases calientes con una temperatura por encima de 1000° C y hasta 2000° C que fluyen hacia arriba (en contracorriente) en dirección de la salida del gas. La energía térmica también puede convertirse en energía química en la zona de reducción inferior, en parte mediante reduciendo el CO2 a CO. Esto asegura que la relación de volumen de gas CO/CO2 sea superior a 10 o incluso superior a 15 cuando se alcanza la salida de gases. Por ejemplo, la relación de volumen de gas CO/CO2 está entre 10 y 1000, preferiblemente entre 15 y 10000 y en particular preferiblemente entre 15 y 107(esencialmente libre de CO2). Los gases de la sección de corriente paralela (de arriba abajo) y los gases de la sección de contracorriente (de abajo arriba) se descargan de la sección de salida de gases a través de por lo menos una salida de gases. Los gases de la sección de corriente paralela y los gases de la sección a contracorriente tienen temperaturas entre 1500° C y 1750° C, preferiblemente entre 1600° C y 1750° C.
Los pasos del método esenciales para la invención pueden desarrollarse ventajosamente extrayendo los gases producidos en la sección de corriente paralela y los gases producidos en la sección a contracorriente por succión. Para ello, pueden usarse medios de succión de gases. La succión puede crear una presión negativa en el reactor. El uso de presión negativa en el reactor puede permitir el mantenimiento del reactor durante la operación, ya que puede aspirar aire cuando el gasificador está abierto, pero el gas no puede escapar.
En una realización no reivindicada, se proporciona un reactor para su uso en un método de gasificación de una materia prima carbonosa, el reactor comprendiendo:
- una sección de corriente paralela que comprende:
o una zona impelente que comprende:
• una zona de alimentación con una compuerta, en donde las materias primas se introducen en el reactor desde arriba a través de la zona de alimentación;
• una zona de amortiguamiento;
• una zona de pirólisis revestida con refractario que se une a la parte inferior de la zona de amortiguamiento a la vez que proporciona una ampliación de la sección transversal; y
• una zona intermedia revestida con refractario que linda con el fondo de la zona de pirólisis;
o una zona de oxidación superior revestida con refractario que linda con el fondo de la zona intermedia y comprende toberas en por lo menos un plano; y
o una zona de reducción superior revestida con refractario que linda con el fondo de la zona de oxidación superior;
- una sección de salida de gases con revestimiento refractario que comprende por lo menos una salida de gas; y
- una sección de contracorriente revestida con refractario que comprende:
o una zona de reducción inferior cónica que linda con dicha sección de salida de gas; y
o una zona de oxidación inferior cónica que linda con la zona de reducción inferior cónica y que comprende por lo menos una tobera y una toma,
en donde la relación de volumen del volumen de la zona de oxidación superior revestida con refractario al volumen de la zona impelente es una relación de 1 :N unidades de volumen, en donde 4 < N < 20.
La relación de volumen del volumen de la zona de oxidación superior revestida con refractario al volumen total del volumen de la zona de reducción superior revestida con refractario y el volumen de la zona impelente puede ser una relación de 1 :N unidades de volumen, donde 7 < N < 25.
La relación de volumen del volumen de la sección de contracorriente revestida con refractario al volumen total del reactor puede ser una relación de 1 :N unidades de volumen, en donde 1 < N < 10.
Se prevé que por lo menos una parte revestida con refractario del reactor consista en por lo menos dos secciones de revestimiento dispuestas una encima de la otra, en donde se forma una conexión de ranura y lengüeta entre las secciones de revestimiento dispuestas una encima de otra, en donde una de las secciones de revestimiento tiene la ranura en el lado orientado hacia el interior del reactor y la otra sección de revestimiento tiene la lengüeta en el lado orientado hacia el interior del reactor, en donde la conexión de lengüeta y ranura tiene una abertura de separación dependiente de la temperatura entre la ranura y la lengüeta.
Puede disponerse una consola refrigerada por agua circunferencial entre las por lo menos dos secciones de revestimiento.
La sección de revestimiento superior puede tener la ranura y la sección de revestimiento inferior puede tener la lengüeta.
Las por lo menos dos secciones de revestimiento pueden tener un revestimiento interior refractario y un revestimiento exterior que encierra el revestimiento interior refractario.
El revestimiento interior refractario puede ser un revestimiento hecho de ladrillos cocidos o un revestimiento monolítico.
La consola refrigerada por agua circunferencial puede ser de acero negro o inoxidable.
Las toberas de la zona de oxidación superior revestida con refractario y/o de la zona de oxidación inferior cónica revestida con refractario pueden ser de cerámica.
Como alternativa, las toberas de la zona de oxidación superior revestida con refractario y/o la zona de oxidación inferior cónica revestida con refractario pueden consistir en cobre o acero, en donde se dispone un tubo cerámico interior en cada una de las toberas, y en donde se dispone una capa resistente a la temperatura y comprimible entre el tubo interior de cerámica y la tobera respectiva.
La zona de oxidación superior revestida con refractario puede tener un ángulo de cono de entre 5° y 30°. La zona de reducción superior revestida con refractario puede disponerse por encima de la sección de salida de gases revestida con refractario de tal manera que la sección de salida de gases revestida con refractario colinde con la parte inferior de la zona de reducción superior revestida con refractario mientras a la vez que proporciona una ampliación de la sección transversal.
Una parte de la zona de reducción superior revestida con refractario puede disponerse en la sección de salida de gases revestida con refractario y la sección de salida de gases revestida con refractario puede tener un agrandamiento de la sección transversal con respecto a la zona de reducción superior revestida con refractario.
La zona de reducción inferior cónica revestida con refractario y la zona de oxidación inferior cónica revestida con refractario pueden tener un ángulo de cono de entre 50° y 70°.
Puede disponerse un medio de suministro de gas en la región del agrandamiento de la sección transversal de la zona de pirólisis revestida con refractario.
Las toberas de la zona de oxidación superior revestida con refractario pueden estar dispuestas en una
pluralidad de planos.
Se prevé que se disponga por lo menos una tobera adicional en un plano adicional de la zona de reducción inferior cónica revestida con refractario o que se disponga una tobera adicional en un plano adicional de la zona de reducción inferior cónica revestida con refractario y se disponga por lo menos una tobera adicional en la zona de reducción superior revestida con refractario.
Puede disponerse por lo menos una tobera adicional en un plano adicional de la zona de oxidación inferior cónica revestida con refractario.
Para que los gases calientes con temperaturas superiores a 1500° C, por ejemplo entre 1600° C y 1750° C, puedan descargarse desde la salida de gases, se prevé que el reactor esté diseñado de tal manera que puedan alcanzarse temperaturas superiores a 1800° C en el área periférica del material a granel (o el lecho) y entre 2000° C y 4000° C en el centro del material a granel (o el lecho) por lo menos en la zona de oxidación superior revestida con refractario. Estas altas temperaturas hacen que el revestimiento de refractario (por ejemplo, el revestimiento con ladrillos) se expanda axial, tangencial y radialmente hasta 20 mm por metro de revestimiento, creando tensiones en el revestimiento que, a su vez, afectan a la carcasa exterior de acero del reactor en una dirección radial.
Para que la estabilidad del reactor no se vea afectada por estas altas temperaturas y las tensiones resultantes en el revestimiento, se prevé de acuerdo con la invención que por lo menos una parte del reactor revestida con refractario consista en por lo menos dos secciones de revestimiento dispuestas uno encima de la otra. La por lo menos una parte revestida con refractario puede ser la zona de pirólisis revestida con refractario, la zona de amortiguación revestida con refractario, la zona de oxidación superior revestida con refractario, la zona de reducción superior revestida con refractario, la sección de salida de gases revestida con refractario, la sección de contracorriente revestida con refractario o una combinación de las mismas.
Aquí puede concebirse que el revestimiento refractario del reactor tenga una sección de revestimiento adicional cada 2 a 4 metros de altura.
Para reactores que tienen una temperatura de salida de gases de 1500° C a 1600° C, puede preverse que el revestimiento refractario tenga una sección de revestimiento adicional cada 3 a 4 metros de altura. Para reactores que tengan una temperatura de salida de gases de 1600° C y 1750° C, puede preverse que el revestimiento refractario tenga una sección de revestimiento adicional cada 2 a 3 metros de altura.
Como en la zona de oxidación superior revestida y en la zona de oxidación inferior revestida se generan temperaturas particularmente altas (temperaturas entre 1800° C y 4000° C), puede preverse que las secciones de revestimiento dispuestas una encima de la otra estén dispuestas de tal manera que exactamente una sección de revestimiento está dispuesta en cada zona de oxidación superior revestida y zona de oxidación inferior revestida. Además, puede preverse que debajo y encima de las zonas de oxidación se disponga otra sección de revestimiento. Esto asegura que las zonas de oxidación caliente estén compuestas cada una de una sola sección de revestimiento, en donde cada una de las secciones de revestimiento puede expandirse en la dirección de la respectiva sección de revestimiento adicional, de tal manera que en estas zonas no hay necesidad de consolas u otras fijaciones adicionales, que puedan dañarse a estas altas temperaturas.
Para que a través de la región entre las por lo menos dos zonas de revestimiento no sigan escapando al exterior gases calientes o altas temperaturas, también está previsto que entre las secciones de revestimiento refractario dispuestas uno encima de otro se forme una conexión de ranura y lengüeta, en donde una de las secciones de revestimiento refractario tiene la ranura en el lado orientado hacia el interior del reactor y la otra sección de revestimiento tiene la lengüeta en el lado orientado hacia el interior del reactor. La conexión de lengüeta y ranura está diseñada de tal manera que incluso cuando el reactor está parado, la lengüeta en la ranura está dispuesta en forma de bloqueo positivo, por lo que la pared exterior vertical de la lengüeta está conectada a la pared vertical de la ranura, pero queda una abertura de separación vertical entre la ranura y la lengüeta. Esto es una ventaja para garantizar que, a pesar de la abertura de separación, no pueda escapar gas durante el arranque o el alto calentamiento del reactor. Además, puede estar previsto que la abertura de separación entre la ranura y la lengüeta sea una abertura de separación dependiente de la temperatura. La abertura del espacio dependiente de la temperatura entre la ranura y la lengüeta puede ser, por ejemplo, de 50 mm. Como se ha descrito anteriormente, el revestimiento puede expandirse a altas temperaturas, donde la lengüeta puede expandirse hacia la ranura debido a la conexión de lengüeta y ranura.
Además está previsto que entre las por lo menos dos secciones de revestimiento dispuestas una encima de otra esté dispuesta una consola circunferencial refrigerada por agua para sujetar el revestimiento refractario y estabilizar el revestimiento durante el calentamiento y enfriamiento del reactor. Esta consola circunferencial refrigerada por agua puede producirse doblando tubos cilíndricos huecos con secciones transversales cuadradas o rectangulares sin costuras de soldadura. Aquí, puede estar previsto ventajosamente que la consola refrigerada por agua tenga un alto flujo térmico, lo que se logra mediante velocidades de flujo del agua de refrigeración de 2 m/s a
25 m/s, que se suministra a través de bridas de conexión. Estas altas velocidades de flujo del agua de refrigeración son ventajosas para mantener la estabilidad térmica y mecánica de la consola circunferencial cuando está dispuesta en áreas con altas temperaturas (> 1500° C).
La disposición descrita anteriormente de por lo menos dos secciones de revestimiento refractario de lengüeta y ranura superpuestas y una consola circunferencial refrigerada por agua puede disponerse en la sección de corriente paralela y/o la sección de salida de gases y/o la sección de contracorriente. Cada sección también puede tener varias disposiciones de dos secciones de revestimiento refractario dispuestas una encima de la otra con conexión de lengüeta y ranura y consola circunferencial refrigerada por agua.
La sección de corriente paralela del reactor de acuerdo con la invención comprende una zona impelente parcialmente revestida, una zona de oxidación superior revestida y una zona de reducción superior revestida.
La zona impelente parcialmente revestida comprende una zona de alimentación con por lo menos una compuerta, una zona de amortiguación, una zona de pirólisis revestida y una zona intermedia revestida.
A través de la zona de alimentación con compuerta, pueden alimentarse al reactor desde arriba materias primas como residuos, residuos tóxicos o biológicos, agua, neumáticos usados, biomasa, madera, carbón, residuos de trituración de automóviles, áridos o similares. La compuerta garantiza que se evita en la medida de lo posible la entrada incontrolada de aire ambiente y la descarga de gases del reactor. Se pretende que las compuertas puedan tener escotillas accionadas hidráulica, neumática o eléctricamente. Estas escotillas pueden diseñarse preferiblemente de tal manera que las escotillas se cierren adicionalmente en el caso de una sobrepresión no intencionada en el reactor y no pueda escapar gas de forma no intencionada.
La zona impelente también incluye una zona de amortiguación para amortiguar y presecar el volumen de materia prima. La temperatura de la zona de amortiguación es preferiblemente ajustable. Por ejemplo, puede proporcionarse una temperatura establecida de aproximadamente 100° C a 200° C para el presecado de residuos.
Además, se proporciona una zona de pirólisis revestida con refractario en la zona de cámara impelente, que está conectada al fondo de la zona de amortiguación creando un agrandamiento de la sección transversal que es preferiblemente abrupto. Preferiblemente, la sección transversal aumenta por lo menos dos veces. El agrandamiento de la sección transversal garantiza que se reduzca la velocidad de hundimiento de las materias primas y que se forme un área de descarga con forma de cono (cono de descarga) hecha de material a granel dentro del espacio de gas del reactor. El cono de descarga se suministra centralmente con las materias primas presecadas (desde la zona de amortiguación).
Los gases calientes (por ejemplo, gases de combustión, exceso de gases recirculados o almacenados temporalmente, o gases de combustión inertes proporcionados por la combustión) pueden suministrarse al cono de descarga en la zona de pirólisis revestida con refractario a través de quemadores, boquillas, aberturas de pared u otros dispositivos. El lecho se calienta por choque por los gases calientes en la superficie, por lo que se evita en la medida de lo posible que las materias primas se peguen al revestimiento (por ejemplo, revestimiento de ladrillo o revestimiento moldeable). El calentamiento por choque puede lograrse, por ejemplo, por medio de quemadores dirigidos radialmente al lecho. Alternativa o adicionalmente, el calentamiento por choque también puede lograrse por medio de un canal en forma de anillo en el que rota una llama. Esta rotación puede lograrse de manera constructiva soplando el gas caliente tangencialmente al cono de descarga y quemándolo.
La zona impelente también incluye una zona intermedia revestida con refractario situada por debajo y adyacente a la zona de pirólisis revestida con refractario. En la zona intermedia, el calor de la zona de pirólisis y el calor residual de la zona de oxidación superior revestida con refractario que se encuentra por debajo se usan para el secado final y la pirólisis completa de las materias primas. Puede estar ventajosamente previsto que la zona intermedia comprenda una carcasa de acero revestida (por ejemplo, revestida con ladrillo o revestida con material moldeable), en donde el revestimiento puede tener un espesor similar al de otras zonas. Esta realización simplifica el comisionado (puesta en marcha) del reactor, ya que en la zona intermedia también pueden producirse temperaturas altas. Puede ser ventajoso proporcionar una sección transversal ahusada en el área inferior de la zona intermedia, lo que cambia la velocidad a la que se hunde la materia prima.
Por debajo de la zona intermedia revestida con refractario en la sección de corriente paralela revestida zonalmente con refractario hay una zona de oxidación superior revestida en la que están dispuestas las toberas. Estas toberas están dispuestas en por lo menos un nivel (altura o distancia vertical desde el fondo del reactor). Como el reactor, como se ha descrito anteriormente, tiene una consola circunferencial refrigerada por agua y dos secciones de revestimiento dispuestas una encima de la otra y que tienen una conexión de lengüeta y ranura, la temperatura en la zona de oxidación superior en la región del revestimiento refractario puede aumentarse a más de 1800° C y la temperatura en un centro de material a granel (lecho) puede aumentarse a un valor entre 2000° C y 4000° C proporcionando oxígeno caliente y/o aire a por lo menos 1000° C sin comprometer la estabilidad del reactor.
Todos los materiales pueden convertirse en un gas inorgánico como monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2), agua (H2O). dióxido de carbono (CO2), sulfuro de hidrógeno (H2S), amoníaco (NH3), dióxido de nitrógeno (NO2) o dióxido de azufre (SO2) metal líquido o escoria líquida, coque o carbón (C) por estar temperaturas calientes.
Por debajo de la zona de oxidación superior está dispuesta una zona de reducción superior revestida en la sección de corriente paralela revestida, en la que esencialmente no entran componentes orgánicos.
Puede preverse ventajosamente que la zona de reducción superior revestida tenga un agrandamiento de la sección transversal en comparación con la zona de oxidación superior, lo que cambia la velocidad de hundimiento de las materias primas y aumenta el tiempo de residencia al mismo nivel. En la zona de reducción superior revestida, el gas fluye a través del lecho fijo coquizado en corriente paralela y la energía térmica se convierte en energía química, produciendo monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2). En particular, el dióxido de carbono (CO2) se convierte en monóxido de carbono (CO) y el agua (H2O) en hidrógeno (H2), por lo que el carbono aún contenido en el lecho se gasifica aún más. La reducción de CO2 a CO puede lograrse en el reactor de tal manera que la relación de volumen de gas CO/CO2 sea superior a 10 o incluso superior a 15. Por ejemplo, la relación de volumen de gas CO/CO2 está entre 10 y 1000, preferiblemente entre 15 y 10000 y en particular preferiblemente entre 15 y 107 (esencialmente libre de CO2).
A medida que pasan por la zona de reducción superior, los gases se enfrían simultáneamente, por ejemplo, a temperaturas entre aproximadamente 1000° C y aproximadamente 1600° C. Como todo los flujos de material fluyen necesariamente a través de la zona de oxidación superior y no pueden ser devueltos, ya no hay contacto con los materiales que no han reaccionado por encima de la zona de oxidación después de que hayan pasado por la zona de reducción superior. De esta manera, todas las sustancias exclusivamente inorgánicas limpiamente agrietadas y/o fundidas llegan a la sección de salida de gases sin una nueva contaminación.
Como todos los flujos de material fluyen necesariamente a través de la zona de oxidación superior y no pueden ser devuelto, ya no hay contacto con los materiales que no han reaccionado por encima de la zona de oxidación después de hayan pasado por la zona de reducción superior. De esta manera, todas las sustancias puramente agrietadas y/o fundidas, exclusivamente inorgánicas, alcanzan la sección de salida de gases sin una nueva contaminación en la sección de salida de gases revestida. Los gases de la zona de oxidación superior se enfrían a medida que pasan por la zona de reducción superior revestida. Puede preverse que los gases producidos en la zona de oxidación superior revestida estén tan calientes que al pasar a través de la zona de reducción superior se produzca un enfriamiento a una temperatura entre 1500° C y 1750° C, en donde tras el enfriamiento estos gases calientes alcancen la salida de gases.
Está previsto que la sección de salida de gases comprenda por lo menos una salida de gases. También es concebible que varias (por ejemplo, cuatro) salidas de gases estén dispuestas alrededor, preferiblemente distribuidas radialmente.
Por debajo de la sección de salida de gases revestida hay una sección de contracorriente revestida sustancialmente cónica. Esta comprende una zona de reducción cónica inferior para convertir la energía térmica del gas desde la zona de oxidación inferior cónica en energía química (principalmente CO) y para generar la contracorriente. Esta zona de reducción inferior cónica está conectada a la sección de salida de gases revestida. Por debajo de la zona de reducción inferior cónica, está dispuesta una zona de oxidación inferior cónica con la punta cortada del cono apuntando hacia abajo. En la zona de oxidación inferior cónica, el material coquizado residual se convierte en gas. En la zona de oxidación inferior cónica se dispone por lo menos una tobera en por lo menos un plano, por la que puede introducirse aire y/u oxígeno caliente a por lo menos 1000° C, que a su vez provocan temperaturas entre 1800° C y 4000° C en el lecho de la zona de oxidación inferior. Estas altas temperaturas permiten que la escoria y los metales se filtren en forma líquida a través de por lo menos una toma para la recogida y descarga.
El gas generado fluye a contracorriente a través de la zona de reducción inferior cónica hacia la sección de salida de gases, donde los gases se enfrían a temperaturas entre aproximadamente 1500° C y aproximadamente 1750° C. Aquí se puede prever que los gases generados en la zona de oxidación inferior estén tan calientes que al pasar a través de la zona de reducción inferior los gases se enfríen a una temperatura entre 1500° C y 1750° C o entre 1600° C y 1750°, que luego se descargan a través de la zona de reducción de salida de gases.
Como el reactor tiene tanto una zona de reducción en la sección de contracorriente como una zona de reducción superior en la sección de corriente paralela, el volumen total de la zona de reducción (suma de los volúmenes de las zonas de reducción inferior cónica y superior) puede ser considerablemente mayor que la de la zona de reducción de los reactores conocidos. Como ejemplo, se hace referencia a la EP 1261 827 B1, en la que solo está dispuesta una zona de reducción en el área de la sección de salida de gases.
Por tanto, el reactor consigue una utilización de material y/o energética sencilla, económica y respetuosa con el medio ambiente de las materias primas. Además, el empleo del reactor descrito en la presente permite
aumentar la capacidad y el rendimiento de una energía química y térmica.
En una realización no reivindicada del reactor se prevé que la sección de revestimiento superior tenga la ranura y la sección de revestimiento inferior tenga la lengüeta.
Esto puede hacer que el revestimiento se expanda hacia arriba cuando se expone a altas temperaturas. Una realización no reivindicada adicional del reactor prevé que cada una de las por lo menos dos secciones de revestimiento comprenda por lo menos un revestimiento interior refractario y un revestimiento exterior que recubra el revestimiento interior refractario, en donde el revestimiento interior refractario es un revestimiento de ladrillo hecho de ladrillos cocidos o un revestimiento monolítico (por ejemplo, moldeable).
Además, puede estar previsto que las secciones de revestimiento, que comprenden un revestimiento interior refractario y un revestimiento exterior, estén dispuestas en una carcasa de acero estabilizadora.
También puede ser ventajoso que entre el revestimiento exterior y la carcasa de acero esté dispuesta por lo menos otra capa aislante. La capa aislante adicional puede consistir en cartón, fieltro de alta temperatura o espumas de alta temperatura.
Esta realización no reivindicada asegura que la carcasa de acero esté mejor aislada. Por ejemplo, la capa aislante adicional puede diseñarse de tal manera que la pérdida de calor térmico a través de la carcasa de acero mejore en más del 2% en comparación con los reactores sin una capa aislante adicional y, como resultado de la misma, la temperatura exterior de la carcasa de acero también se reduce. Por ejemplo, este diseño permite que la temperatura exterior de la carcasa de acero permanezca por debajo de los 60° C durante el funcionamiento del reactor, lo que significa que no se requiere protección contra el contacto. Además, la capa aislante puede usarse para compensar una posible expansión térmica radial del revestimiento interior y/o del revestimiento exterior.
Para reducir el desgaste del revestimiento interior refractario, también puede estar previsto que el revestimiento interior esté compuesto por ladrillos de espinela corindón, cromo corindón o carburos. Puede estar previsto que la conductividad térmica de estas piedras sea de >3 W/mK.
Además, puede preverse que los ladrillos de las zonas más calientes (temperaturas de >1500° C) del reactor estén protegidos frente a condiciones químicas y/o térmicas mediante congelación de escoria.
Para permitir esta congelación de la escoria, el revestimiento exterior puede consistir en materiales termoconductores, por lo que puede lograrse una transferencia de calor suficiente del medio refrigerante (por ejemplo, un serpentín de tubería con agua refrigerante) al revestimiento interior.
Aquí es concebible que el revestimiento exterior esté formado por refractario de burbujas (por ejemplo, aluminio de burbujas), por lo que el refractario de burbujas puede fundirse, por lo que puede lograrse una conexión positiva entre un medio refrigerante (por ejemplo, un serpentín de tubería con agua refrigerante) y el revestimiento interior. Para las zonas más calientes (temperaturas de >1500° C) del reactor, también puede preverse que el refractario de burbujas consista de corindón espinela o corindón de aluminio. Alternativamente, puede preverse que el revestimiento exterior consista en masas fundidas de flujo libre con mayor estabilidad, pero debido a esto, menos propiedades aislantes.
Para las áreas menos calientes (temperaturas de <1500° C), el revestimiento exterior puede estar hecho de un refractario de burbuja aislante fundido con una conductividad térmica de <1 W/mK para reducir la pérdida de calor. Este diseño garantiza que la formación de piel de escoria se vea favorecida por el material más térmicamente conductor en las áreas más calientes y la pérdida de calor se reduce por el material menos conductor en las áreas menos calientes. Esto es particularmente ventajoso ya que las áreas menos calientes cubren un área mucho más grande del reactor que las áreas más calientes.
Otra realización ventajosa de la invención es que la consola circunferencial refrigerada por agua está realizada en acero negro o acero inoxidable.
El uso de acero negro o acero inoxidable depende del uso y funcionamiento del reactor. El acero negro es más barato y tiene una conductividad térmica más alta que el acero inoxidable. Sin embargo, el acero inoxidable es térmica y químicamente más estable que el acero negro. La simulación térmica de elementos finitos puede ayudar a determinar qué material debería usarse para la aplicación prevista.
Una realización no reivindicada de la invención prevé que las toberas (de la zona de oxidación inferior cónica y superior) estén hechas de cobre o acero. Además, puede estar previsto que una de las toberas tenga un tubo interior cerámico, o cada una de algunas de las toberas tenga un tubo interior cerámico respectivo, o cada una de las toberas tenga un tubo interior cerámico respectivo. Esta realización no reivindicada de las toberas (con un
tubo interior cerámico) permite proteger la tobera contra la fusión del metal añadiendo oxígeno y/o aire, por lo que también pueden precalentarse el oxígeno y/o el aire (por ejemplo, a temperaturas de >1000° C). También puede ser ventajoso que entre el tubo interior de cerámica y la tobera esté dispuesta una capa comprimible y resistente a la temperatura, por lo que pueden compensarse las tensiones mecánicas inducidas térmicamente. Esta capa comprimible y resistente a la temperatura consiste, por ejemplo, en fieltro de alta temperatura, cartón de alta temperatura o espuma de alta temperatura.
Una realización no reivindicada alternativa prevé que las toberas (de las zonas de oxidación inferior cónica y superior) puedan ser completamente cerámicas. Mediante esta realización puede lograrse, por ejemplo, que la zona de oxidación pueda funcionar con un suministro de aire caliente y/u oxígeno que tenga una temperatura de más de 1000° C y, por tanto, una temperatura de lecho de más de 2000° C, ya que la cerámica puede soportar temperaturas más altas que los metales.
El enfriamiento inevitablemente necesario de las toberas metálicas no es necesario para las toberas hechas completamente de cerámica, por lo que la pérdida de calor puede reducirse en más del 5%. La carga química provocada por la fusión sin enfriamiento y el alto estrés térmico pueden lograrse para estas toberas mediante una combinación de cerámica con buena conductividad térmica (por ejemplo, carburo de silicio con, por ejemplo, 85 W/mK) y congelación de escoria, seguida de cerámica aislante (por ejemplo, espinela corindón con menos de 4 W/mK).
También puede ser ventajoso para el reactor que el ángulo de conicidad (a) de la zona de oxidación superior revestida esté entre 5° y 30°.
Esta forma cónica de la zona de oxidación superior permite conseguir ventajosamente que una parte de la escoria permanezca en la superficie del revestimiento, con lo que se consigue la formación de una piel de escoria en esta área.
Para una realización no reivindicada adicional del reactor se pretende que la zona de reducción superior revestida esté dispuesta por encima de la sección de salida de gases, en donde la sección de salida de gases colinda con la parte inferior de la zona de reducción superior revestida creando un agrandamiento de la sección transversal. Aquí podría concebirse que el agrandamiento de la sección transversal sea abrupto.
Preferiblemente, el área de la sección transversal de la sección de salida de gases aumenta por lo menos el doble que el área de la sección transversal de la zona de reducción superior.
Esta realización no reivindicada garantiza que el lecho se ensancha cónicamente aumentando de este modo el área superficial o el área de descarga del lecho. La superficie o área de descarga del lecho corresponde esencialmente a la superficie exterior para un diseño en forma de cono truncado.
Una realización no reivindicada prevé que el agrandamiento de la sección transversal sea tal que el área de descarga del lecho sea por lo menos 3 veces mayor que el área de la sección transversal de la zona de reducción superior. Además, el agrandamiento de la sección transversal puede ser tan grande que el área de descarga del lecho sea por lo menos 7 veces o incluso por lo menos 9 veces mayor que el área de la sección transversal de la zona de reducción superior.
Para esta o una realización no reivindicada adicional también puede preverse que el agrandamiento de la sección transversal de la sección de salida de gases sea tal que el área de descarga del lecho aumente por lo menos 5 veces el área de la sección transversal de la zona de oxidación superior. Además, el agrandamiento de la sección transversal puede ser tan grande que el área de descarga del lecho sea por lo menos 9 veces mayor que el área de la sección transversal de la zona de oxidación superior.
La ventaja de las realizaciones no reivindicadas mencionadas anteriormente es que la velocidad del flujo de gas (a través de la salida de gases) se reduce proporcionalmente al área de descarga aumentada del lecho (en comparación con los reactores conocidos), de tal manera que el arrastre de polvo del lecho puede reducirse a minimizado.
Alternativamente, puede estar previsto para el reactor que por lo menos una parte de la zona de reducción superior revestida dispuesta en la sección de corriente paralela esté dispuesta o insertada en la sección de salida de gases.
Esta realización no reivindicada también puede prever que la sección de salida de gases tenga una sección transversal mayor que la zona de reducción superior.
Con esta realización no reivindicada, la sección de corriente paralela con una parte de la zona de reducción superior se introduce o se inserta parcialmente en la sección de salida de gases. Por ejemplo, el revestimiento (por
ejemplo, revestimiento de ladrillos o revestimiento moldeable) de la zona de reducción superior sobresale en la sección de salida de gases. Como la sección de salida de gases tiene un área de sección transversal mayor que la zona de reducción superior y la por lo menos una salida de gases está localizada en la parte del borde de la sección de salida de gases, el gas producido en la sección de corriente paralela debe evitar el revestimiento (por ejemplo, revestimiento de ladrillos o revestimiento moldeable) que se extiende hacia la sección de salida de gases para llegar a la salida de gases, por lo que entra menos polvo en la separación de polvo. Esta realización no reivindicada permite reducir la altura total del reactor, en donde al mismo tiempo puede mejorarse la separación de polvo, ya que el gas y el polvo arrastrado deben fluir adicionalmente hacia arriba para alcanzar por lo menos una salida de gases.
También puede estar previsto que el revestimiento (por ejemplo, revestimiento de ladrillos o revestimiento moldeable) de la zona de reducción superior que se extiende hacia el interior de la sección de salida de gases tenga una forma cilíndrica hueca. La forma cilíndrica hueca puede fabricarse como una construcción de soporte de acero, que está revestida por ambos lados y está protegida por refrigeración por agua contra altas tensiones térmicas y consecuentemente mecánicas.
Para una realización adicional no reivindicada, se prevé que la relación de volumen del volumen de la zona de oxidación superior al volumen de la zona impelente sea una relación de 1 :N unidades de volumen, en donde N es un número mayor o igual que (>) 4 y menor o igual que (<) 20.
Por tanto, el volumen de la zona de oxidación superior es muchas veces mayor en comparación con los reactores previamente conocidos, por lo que puede lograrse una capacidad considerablemente mayor. Aquí también es concebible además que sea 5 < N < 15 o incluso 6 < N < 11.
En una realización de reactor no reivindicada, se prevé que la relación de volumen del volumen de la zona de oxidación superior al volumen total del volumen de la zona de reducción superior y el volumen de la zona impelente sea una relación de 1 :N unidades de volumen, en donde N es un número mayor que o igual que (>) 7 y menor o igual que (<) 25.
Una realización no reivindicada adicional prevé que la relación de volumen del volumen de la zona de oxidación superior al volumen total del volumen de la zona de reducción superior y el volumen de la zona impelente sea una relación de 1: N unidades de volumen, en donde 8 < N < 15 o incluso 9 < N < 14.
Esta realización no reivindicada del reactor es ventajosa porque se logra una mayor capacidad con una misma altura ficticia del reactor. Esto es posible porque el volumen de la zona impelente en comparación con el volumen de oxidación tiene una relación más pequeña que en los reactores conocidos. Una realización adicional del reactor prevé que la relación de volumen del volumen de la sección de contracorriente al volumen total del reactor sea una relación de 1 :N unidades de volumen, donde N es un número entre 1 y 10 (1 < N < 10). Aquí también es concebible que 2 < N < 7 o incluso 3 < N < 5.
Debido al agrandamiento de la sección transversal de la zona de salida de gases y la sección de contracorriente, también se agranda el área del cono de descarga en la zona de reducción inferior cónica, por lo que fluyen velocidades de flujo de gas más pequeñas fuera del lecho y se arrastra menos polvo.
Otra realización no reivindicada ventajosa del reactor es que el ángulo de cono de la zona de reducción inferior cónica y el ángulo de cono de la zona de oxidación inferior cónica estén entre 50° y 70°. Debido a esta realización no reivindicada, la escoria, que se mantiene líquida a temperaturas suficientemente altas en la zona de oxidación inferior cónica y en la zona de reducción inferior cónica, drena mejor, ya que las paredes discurren en un ángulo de aproximadamente 50°-70°, preferentemente aproximadamente 60° C, desde la horizontal o en un ángulo de 20° a 40° desde la vertical.
Una realización no reivindicada adicional del reactor prevé que en la zona del agrandamiento de la sección transversal en la zona de pirólisis estén dispuestos medios de suministro de gas. Esta realización no reivindicada garantiza que se suministren gases calientes (por ejemplo, aire precalentado o gases de combustión) al cono de descarga.
En una realización no reivindicada, también se prevé que las toberas de la zona de oxidación superior estén dispuestas a varios niveles (alturas). Esto es particularmente ventajoso ya que se logra una mejor distribución del gas con un calentamiento uniforme del lecho. Además, esta realización no reivindicada garantiza que se evite en la medida de lo posible un sobrecalentamiento local del revestimiento (por ejemplo, revestimiento de ladrillos o revestimiento moldeable).
Otra realización no reivindicada ventajosa del reactor es que por lo menos una tobera esté dispuesta a un nivel (altura) de la zona de reducción inferior cónica.
La tobera adicional suministra adicionalmente aire y/u oxígeno de manera definida, de tal manera que no se
produce CO2 , sino casi exclusivamente CO. Además, mediante esta realización no reivindicada puede lograrse que se pueda aumentar el rendimiento. Además, esta realización no reivindicada permite un aumento del rendimiento y un aumento de la temperatura de salida del gas en la salida de gases por encima de 1500° C sin perjudicar la calidad del gas.
Para aplicaciones que prefieren la energía térmica a la energía química, puede ser más ventajoso que se disponga por lo menos una tobera adicional en la zona de reducción superior. A través de esta realización no reivindicada puede lograrse ventajosamente que la energía química (CO, H2) se convierta de nuevo en energía térmica oxidando el CO a CO2 y el H2 a H2O.
Una realización no reivindicada adicional prevé que esté dispuesta por lo menos otra tobera en un nivel adicional (altura) de la zona de oxidación inferior cónica. La tobera en el siguiente nivel se localiza preferiblemente por encima de la toma.
Al disponer la tobera por encima de la toma, puede facilitarse la fusión en el área de la toma, ya que el calor se genera en el área donde la masa fundida debe deslizarse líquida. Al mismo tiempo, la disposición de la tobera por encima de la toma asegura que la masa fundida solidificada deseada en el lado opuesto de la toma (la denominada congelación de escoria, que protege el revestimiento como, por ejemplo, el revestimiento de ladrillos) no se licua y, por lo tanto, no fluye.
Se prevé el uso del reactor como se descrito anteriormente para proporcionar gases que tienen temperaturas entre 1500° C y 1750° C y una relación CO/CO2 S15, en donde los gases se introducen en un reactor metalúrgico para la fusión por reducción. Los gases tienen preferentemente una temperatura de entre 1600° C y 1750° C. Además, se prevé que los gases puedan introducirse en un reactor metalúrgico para la fusión por reducción. La relación en volumen de gas de CO/CO2 de los gases introducidos en el reactor metalúrgico para la fusión por reducción puede ser mayor de 10 o incluso mayor de 15. Por ejemplo, la relación en volumen de gas de CO/CO2 está entre 10 y 1000, preferentemente entre 15 y 10000. y en particular preferiblemente entre 15 y 107 (esencialmente libre de CO2).
Se proporciona un sistema que comprende un reactor como se ha descrito anteriormente y un reactor metalúrgico conectado al reactor para la fusión por reducción. Aquí es concebible que el reactor funcione con el proceso descrito anteriormente, de tal manera que la relación de volumen de gas CO/CO2 en la región (sección de conexión) entre el reactor y el reactor metalúrgico para la fusión por reducción sea mayor de 10 o incluso mayor de 15. Por ejemplo, la relación en volumen de gas CO/CO2 está entre 10 y 1000, preferiblemente entre 15 y 10000 y en particular preferiblemente entre 15 y 107 (esencialmente libre de CO2).
El reactor metalúrgico para la fusión por reducción puede ser cualquier reactor o alto horno capaz de reducir metales a partir de minerales.
Se proporciona el uso del reactor como se ha descrito anteriormente para proporcionar un gas caliente para un proceso de fundición de una materia prima metalífera. El proceso para la fundición de una materia prima metalífera puede ser el proceso descrito en la solicitud de patente de fundación prioritaria holandesa número 2023109 titulada "Process for the smelting of a metalliferous feedstock material" a nombre de African Rainbow Minerals Limited.
Se proporciona el uso del reactor como se ha descrito anteriormente en el método de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención.
Otras ventajas, detalles y desarrollos resultan de la siguiente descripción de la invención, con referencia a los dibujos adjuntos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Fig. 1 muestra una vista en sección transversal simplificada de un reactor.
Fig. 2 muestra un recorte de una vista en sección transversal simplificada del reactor con dos secciones de revestimiento y conexiones lengüeta y ranura.
Fig. 3 muestra una vista en perspectiva de la consola circunferencial refrigerada por agua, que puede colocarse entre dos secciones de revestimiento y en la zona de la unión de lengüeta y ranura.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS
Los elementos con números similares en estas figuras son o idénticos o cumplen la misma función. Los elementos analizados con anterioridad no se analizan necesariamente en figuras posteriores si la función es equivalente.
A continuación, la Figura 1 describe un reactor sustancialmente cilindrico 100. En relación con la explicación de los detalles del reactor, también se especifican los pasos del método que tienen lugar durante el tratamiento de las materias primas y la generación de temperaturas de gas superiores a 1500° C en una salida de gases.
Al usar otras materias primas, pueden ser útiles modificaciones del reactor y/o del método. En general, también pueden combinarse diferentes materias primas (por ejemplo, carbón de baja calidad), por ejemplo, añadiendo materias primas con un valor energético más alto (por ejemplo, residuos orgánicos, residuos de madera contaminados, neumáticos de automóviles o similares) durante la gasificación/fusión. de materias primas no orgánicas.
El reactor 100 mostrado en la Fig. 1 tiene tres secciones. Una sección de corriente paralela parcialmente revestida 110, una sección de salida de gases revestida con refractario 120 y una sección de contracorriente revestida con refractario 130. La sección paralela 110, la sección de salida de gases 120 y la sección de contracorriente 130 están dispuestas sustancialmente concéntricas entre si (representado por la linea vertical de rayas y puntos que pasa sustancialmente por el centro del reactor). Como se muestra, varias consolas refrigeradas por agua circunferenciales 400 se muestran en la sección de corriente paralela 110 y en la sección de contracorriente 130. Las consolas refrigeradas por agua circunferenciales 400 están dispuestas entre por lo menos dos secciones de revestimiento refractario dispuestas una encima de la otra (no mostrado) en el área de las conexiones de lengüeta y ranura (no mostradas). En la sección de corriente paralela, están dispuestas una zona impelente no revestida 111, una zona de oxidación superior revestida con refractario 116 y una zona de reducción superior revestida con refractario 118. La zona impelente 111 comprende una zona de alimentación con una compuerta 112, por la que las materias primas como residuos, agua, neumáticos de automóviles, aditivos u otras materias primas se alimentan al reactor desde arriba a través de la zona de alimentación. El flujo de material de los sólidos se muestra como una flecha discontinua de arriba a abajo. Por debajo de la zona de pirólisis 114 está dispuesta una zona de amortiguación en sentido descendente para amortiguar y presecar el volumen de materia prima, que colinda con el fondo de la zona de amortiguamiento creando de este modo un agrandamiento de la sección transversal. En la zona de pirólisis 114, puede formarse un cono de descarga a partir de las materias primas (representado por las lineas discontinuas oblicuas; entre 114 y 119). Por lo tanto, la pirólisis puede tener lugar en la superficie del lecho. La zona de pirólisis también puede hacerse inerte con gas de combustión o cualquier otro gas con bajo contenido de oxigeno (por ejemplo, N2 o CO2), por lo que los gases inflamables que se desplazan hacia la compuerta 112 se queman de manera segura. Por debajo de la zona de pirólisis 114 hay una zona intermedia revestida 115 que está equipada para el secado final y la pirólisis completa. Una zona de oxidación superior revestida con refractario 116 colinda con la zona intermedia revestida con refractario 115, en donde las toberas de la zona de oxidación superior 116 están dispuestas circunferencialmente en una pluralidad de planos, como se muestra. A través de la tobera 117 se suministra oxigeno y/o aire caliente a por lo menos 1000° C, lo que aumenta la temperatura por encima de 1800° C y hasta 4000° C de tal manera que todas las sustancias se convierten en gas inorgánico, metal liquido, coque, carbono y/o escoria mineral. En la zona de reducción superior revestida con refractario 118, que colinda con la zona de oxidación superior revestida 116 y que está dispuesta sustancialmente por encima de una sección posterior de salida de gases revestida 120, tiene lugar la conversión endotérmica de energia térmica en energia quimica. Al mismo tiempo, se genera aqui la corriente paralela de gas (representada por una flecha de puntos que va de arriba a abajo), que se genera desde la zona impelente hasta la zona de reducción superior revestida con refractario 118 de arriba a abajo, y se introduce en la sección de salida de gases revestida con refractario 120.
Como se muestra, la sección de salida de gases revestida con refractario120 está conectada a la zona de reducción superior revestida con refractario 118, creando de este modo un agrandamiento de la sección transversal. El gas producido se descarga, aproximadamente en flujo transversal al lecho, en la sección de salida de gases 120 a través de por lo menos una salida de gases 121 (mostrada por una flecha de puntos que va de izquierda a derecha). Puede estar previsto, por ejemplo, que cuatro o más salidas de gases 121 estén distribuidas radialmente alrededor de la circunferencia (no mostrada), de tal manera que el gas producido en la sección de corriente paralela y en la sección de contracorriente pueda desviarse radialmente al flujo transversal. El gas descargado tiene una relación de volumen de gas CO/CO2 entre 10 y 1000, preferiblemente entre 15 y 10000 y particularmente preferiblemente entre 15 y 107 (esencialmente libre de CO2).
Debajo de la sección de salida de gases está la zona de reducción inferior cónica revestida con refractario 138. En la zona de reducción inferior cónica revestida con refractario 138 también tiene lugar la conversión de energia térmica en energia quimica.
Debajo de la zona de reducción inferior cónica revestida hay, como se muestra, una zona de oxidación inferior cónica revestida 136 en la que están dispuestos por lo menos una tobera 137 y una toma 131. La tobera 137 introduce por lo menos aire caliente a 1000° C y/u oxigeno para oxidar el material coquizado restante y evita que la masa fundida se solidifique. La recogida y descarga de masas fundidas de metal y masas fundidas de escoria tiene lugar en la toma 131.
El gas generado en la zona de oxidación inferior cónica y en la zona de reducción inferior cónica también fluye en contracorriente con el flujo del sólido a través del lecho (representado por una flecha de puntos que va de abajo hacia arriba) a la sección de salida de gases revestida con refractario 120, donde se descarga a través de por lo menos una salida de gases 121.
El reactor puede tener los siguientes volúmenes internos, por ejemplo:
Tabla 1
La Fig. 2 muestra un recorte de una vista en sección transversal simplificada de la zona intermedia revestida con refractario 115 del reactor con dos secciones revestidas 200, 300 y una conexión de lengüeta y ranura circunferencial. Como se muestra como ejemplo para la zona intermedia revestida 115, donde cada una de las porciones revestidas también puede tener por lo menos dos secciones revestidas 200, 300 con conexión de ranura y lengüeta circunferencial, esta parte revestida del reactor tiene por lo menos dos secciones revestidas 200, 300 dispuestos uno encima de la otra. Cada una de las por lo menos dos secciones revestidas 200, 300 comprende por lo menos un revestimiento refractario interior 202, 302 y un revestimiento exterior 203, 303 que encierra el revestimiento refractario interior. Es concebible que el revestimiento refractario interior 202, 302 sea un revestimiento hecho de ladrillos cocidos o un revestimiento monolítico (por ejemplo, fundido). Como se muestra adicionalmente en la Fig. 2, se forma una conexión de lengüeta y ranura entre las secciones de revestimiento 200, 300 dispuestas una encima de la otra, una de las secciones de revestimiento 200 tiene una ranura 201 en el lado orientado hacia el interior del reactor y la otra sección de revestimiento 300 tiene una lengüeta 301 en el lado orientado hacia el interior del reactor. Como se muestra aquí, puede estar previsto que la sección de revestimiento superior 200 tenga la ranura 201 y la sección de revestimiento inferior 300 tenga la lengüeta 301. Además, la conexión de lengüeta y ranura tiene una abertura de separación (vertical) dependiente de la temperatura 400 entre la ranura 201 y la lengüeta 301. Como se muestra además, una consola circunferencial refrigerada por agua 400 está dispuesta entre las por lo menos dos secciones de revestimiento 200, 300 dispuestas una encima de la otra.
En la Fig. 3 se muestra en perspectiva la consola circunferencial refrigerada por agua 400 para sujetar el revestimiento de ladrillos y estabilizar el revestimiento de ladrillos durante el calentamiento y enfriamiento elevados del reactor. Esta consola circunferencial refrigerada por agua 400 se fabrica doblando, sin costuras de soldadura, tubos cilíndricos huecos de sección cuadrada o rectangular y está hecha de acero negro. El agua de refrigeración puede suministrarse y drenarse desde la consola refrigerada por agua 400 por medio de las bridas de conexión 401 como se muestra.
Claims (11)
1. Un método para gasificar una materia prima carbonosa para generar gases reductores calientes usando un reactor, el método incluyendo los pasos de:
- alimentar por estrangulación una materia prima carbonosa a través de una compuerta para formar un lecho de descarga en una zona de pirólisis del reactor;
- calentar el lecho de descarga en la zona de pirólisis para iniciar la pirólisis en la materia prima carbonosa y formar un producto de pirólisis;
- proporcionar una zona de oxidación superior caliente situada más abajo en el reactor suministrando una fuente de oxígeno a una temperatura de por lo menos 800° C al reactor en una localización por debajo de la zona de pirólisis;
- gasificar el producto de pirólisis y la materia prima carbonosa sin pirolizar restante en la zona de oxidación superior caliente para formar un lecho de residuo carbonoso en una zona de reducción superior del reactor, la zona de reducción superior estando situada por debajo de la zona de oxidación superior caliente;
- convertir la energía térmica en energía química en la zona de reducción superior;
- proporcionar una zona de oxidación inferior caliente situada más abajo en el reactor suministrando una fuente de oxígeno a una temperatura de por lo menos 800° C al reactor en una localización por debajo de una zona de reducción inferior del reactor;
- recoger cualquier masa fundida de metal y/o escoria presente en la zona de oxidación inferior;
- eliminar las masas fundidas de metal y/o escoria presentes en la zona de oxidación inferior; y
- descargar gases reductores calientes que tienen una temperatura de por lo menos 1300° C y una relación de CO/CO2 de > 5 que se han generado en la zona de reducción superior a través de una salida de gases localizada en una sección de salida de gases del reactor, la sección de salida de gases estando localizada entre la zona de reducción superior y la zona de reducción inferior del reactor.
2. El método de la reivindicación 1, en donde los gases reductores calientes que se están descargando tienen una relación de CO/CO2 de >15.
3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el calentamiento del lecho de descarga en la zona de pirólisis se realiza gradualmente hasta una temperatura de por lo menos 700° C, la temperatura aumentándose gradualmente para evitar la ruptura de la materia prima carbonosa y el producto de pirólisis.
4. El método de cualquier reivindicación anterior, que incluye el paso de proporcionar gases calientes a la zona de pirólisis para calentar el lecho de descarga en la zona de pirólisis para iniciar la pirólisis en la materia prima carbonosa y formar el producto de pirólisis.
5. El método de la reivindicación 4, que incluye el paso de controlar el caudal volumétrico de los gases calientes que se alimentan a la zona de pirólisis para calentar gradualmente el lecho de descarga en la zona de pirólisis a una temperatura de por lo menos 700° C, incrementándose la temperatura gradualmente para evitar la ruptura de la materia prima carbonosa y el producto de pirólisis.
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye el paso de secar la materia prima carbonosa antes de alimentar por estrangulación la materia prima carbonosa al reactor.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye el paso de precalentar y presecar la materia prima carbonosa en una zona de amortiguación del reactor, la zona de amortiguación estando localizada por encima de la zona de pirólisis del reactor.
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde alimentando la materia prima carbonosa en la zona de pirólisis, se forma un lecho de descarga que tiene un cono de descarga, la sección transversal de la zona de pirólisis agrandándose con respecto a la sección transversal de la zona de amortiguación.
9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye el paso de pirolizar y secar la materia prima carbonosa en una zona intermedia del reactor, la zona intermedia estando localizada por debajo de la zona de pirólisis.
10. El método de la reivindicación 9, que incluye el paso de descargar gases reductores calientes que tienen una temperatura de por lo menos 1300° C que han sido generados en una sección de corriente paralela del reactor desde por lo menos una salida de gases del reactor, la sección de corriente paralela comprendiendo:
- una zona impelente del reactor, la zona impelente comprendiendo:
o la zona de alimentación del reactor;
o la zona de amortiguación del reactor;
o la zona de pirólisis del reactor; y
o la zona intermedia del reactor;
- la zona de oxidación superior del reactor; y
- la zona de reducción superior del reactor.
11. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el método incluye el paso de descargar gases reductores calientes que tienen una temperatura de por lo menos 1300° C que han sido generados en una sección de contracorriente del reactor a través de la salida de gases localizada en la sección de salida de gases del reactor, la sección de contracorriente comprendiendo la zona de oxidación inferior y la zona de reducción inferior del reactor.
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