ES2939115T3

ES2939115T3 - Oxidación y posterior carbonización hidrotermal de lodos

Info

Publication number: ES2939115T3
Application number: ES18891824T
Authority: ES
Inventors: Fredrik Lundqvist; Erik Oden; Fredrik Öhman
Original assignee: C Green Technology AB
Current assignee: C Green Technology AB
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2023-04-19
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: FI3728525T3; WO2019125275A1; JP7261802B2; EP3728525A4; SE1751623A1; US20210078890A1; BR112020012525A2; JP2021508589A; EP3728525A1; CN111492041A; EP3728525B1; SE541230C2

Abstract

Se proporciona un método de carbonización hidrotérmica de un lodo, que comprende los pasos de: a) precalentar el lodo para obtener un lodo precalentado; b) añadir un agente oxidante, tal como gas oxígeno, al lodo precalentado; yc) someter el lodo del paso b) a carbonización hidrotermal (HTC) en un reactor para obtener un lodo tratado con HTC. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Oxidación y posterior carbonización hidrotermal de lodos

Campo técnico

La presente descripción se refiere a un método de carbonización hidrotérmica de lodos, en particular lodos municipales o industriales de una planta de tratamiento de aguas residuales.

Antecedentes

El lodo es típicamente 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 cría de animales también es una fuente considerable de aguas residuales y lodos, por ejemplo, cría de cerdos a gran escala. Las realizaciones de la presente descripción serán útiles en todas estas áreas. Las tecnologías para el tratamiento de aguas residuales son similares a nivel general, pero incluyen soluciones específicas según el carácter de los flujos de residuos a tratar, el diseño básico, los requisitos locales y las preocupaciones ambientales. En plantas más grandes en Suecia, el proceso de tratamiento de aguas residuales a menudo comprende un pretratamiento mecánico seguido de etapas de tratamiento primario (decantación) y secundario (aeróbico). En algunos casos, también se aplican diferentes formas de tratamiento terciario para eliminar las sustancias problemáticas restantes, por ejemplo, residuos de medicamentos, 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 directamente de la planta después de la deshidratación (lodo aeróbico) o se trata primero de forma anaeróbica para la producción de biogás, donde parte del lodo se digiere y el resto se recupera como lodo anaeróbico.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales en todo el mundo producen varios cientos de millones de toneladas métricas de lodo cada año y la cantidad crece rápidamente. En Suecia, se informó que el volumen total de lodos en kilogramos (toneladas) de sólidos secos por año (tDS/y, por sus siglas en inglés) fue de 250.000.000 (250.000) en 2010 y se estima que la cifra actual es igual o superior. El manejo de lodos es, por lo tanto, un enorme desafío para la sociedad, y las soluciones actuales están asociadas con un alto costo y, con frecuencia, también con un impacto ambiental negativo. A partir de 1986, la Unión Europea ha adoptado varias directivas que regulan el tratamiento y la eliminación de los lodos de aguas residuales, abordando diferentes aspectos, como el uso de lodos como vertedero, la recuperación de fósforo, la incineración de lodos, etc. Las distintas directivas se reflejan en los reglamentos nacionales. En la legislación de los estados miembros individuales y, por ejemplo, en Suecia, la eliminación de lodos en vertederos está prohibida desde 2005. Hoy en día, los principales usos de los lodos de aguas residuales son la fertilización en la agricultura y la silvicultura, la mezcla con suelo vegetal para proyectos de construcción de suelos y la cobertura y restauración de vertederos, la incineración con recuperación de energía, la recuperación de productos químicos y la producción de fertilizantes y, finalmente, el vertedero, sin embargo, siempre que los lodos hayan sido sometidos a un pretratamiento específico, como el compostaje.

La incineración de los lodos, con recuperación de energía y un tratamiento adecuado de los gases de combustión y las cenizas para destruir los productos químicos nocivos y manipular 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. Los lodos con altas concentraciones de componentes orgánicos y/o biológicos son generalmente difíciles de deshidratar. El contenido de agua es frecuentemente tan alto que el poder calorífico neto si se incinera en una central 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 ha desarrollado un proceso para el tratamiento de lodos que implica una etapa de carbonización hidrotermal (HTC, por sus siglas en inglés). El fósforo se puede extraer del biocombustible antes de la combustión o de las cenizas después de la combustión.

El documento WO 2009/127727 describe un proceso para convertir biomasa en material similar al carbón mediante carbonización hidrotermal, posiblemente con una eventual etapa de oxidación húmeda.

Breve descripción de la invención

El funcionamiento de muchos sistemas de carbonización hidrotermal (HTC) requiere un suministro de energía externa, por ejemplo, en forma de electricidad o gas. Los presentes inventores han descubierto que la necesidad de un suministro continuo de energía externa en el tratamiento de lodos por HTC puede eliminarse añadiendo un agente de oxidación a un lodo precalentado antes de la reacción de HTC. La adición del agente de oxidación da como resultado una oxidación húmeda parcial del lodo. La oxidación húmeda parcial es exotérmica y genera suficiente calor para alcanzar la temperatura deseada de la reacción HTC. Esta forma simple de oxidación es relativamente fácil y económica de implementar.

Un beneficio de agregar el agente de oxidación a un lodo precalentado en lugar de a un lodo no calentado es que una temperatura más alta da como resultado un proceso de oxidación húmeda más rápido (la tasa de oxidación húmeda depende de la temperatura). A temperaturas superiores a 120 °C, una temperatura superior también aumenta la solubilidad del gas oxígeno en el lodo, lo que facilita aún más la oxidación húmeda (cuando el gas oxígeno es el agente oxidante). Además, la viscosidad del lodo es sustancialmente menor a temperaturas más altas, lo que permite una mezcla eficiente con el agente de oxidación.

Por lo tanto, se proporciona un método de carbonización hidrotermal de un lodo, que comprende los pasos de:

a) precalentar el lodo para obtener un lodo precalentado;

b) añadir un agente oxidante al lodo precalentado; y

c) someter el lodo del paso b) a carbonización hidrotermal (HTC) en un reactor para obtener un lodo tratado con HTC.

El agente oxidante es preferiblemente gas oxígeno. "Gas oxígeno" se refiere a un gas que comprende al menos 50 % de oxígeno en volumen, preferiblemente al menos 95 % de oxígeno en volumen. En consecuencia, "añadir gas oxígeno" en el paso b) no cubre la adición de aire (ya que el contenido de oxígeno del aire es sólo del 21 % en volumen). Una ventaja de usar gas oxígeno en lugar de aire es que se agrega menos gas inerte al reactor. Otro beneficio es una reacción de oxidación húmeda más eficiente.

Como entiende el experto en la materia, el método es un método continuo.

La temperatura del lodo precalentado al que se le añade el oxidante en el paso b) es normalmente de al menos 120 °C y preferentemente de al menos 145 °C, por ejemplo 145-195 °C. Más preferiblemente, es de al menos 150 °C, tal como 150-190 °C. Lo más preferiblemente, es al menos 165 °C, tal como 165-190 °C.

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 denominado "Sólidos totales") del lodo suele ser del 1 al 35 %, como del 2 al 35 %, como del 3 al 32 %. Si el lodo es lodo anaeróbico, el contenido de sólidos secos es normalmente del 13 al 32 %. Si el lodo es lodo aeróbico, el contenido de sólidos secos suele ser del 5 al 15 %. El contenido de cenizas suele ser del 10 al 75 %, como del 12 al 50 %, como del 30 a 50 %, del peso seco del lodo. El poder calorífico superior (HHV, por sus siglas en inglés) del lodo suele ser de 3,5 a 21 MJ/kg (peso seco), por ejemplo, de 6 a 17 MJ/kg (peso seco).

La oxidación húmeda de la presente descripción es parcial en el sentido de que no consume todo el HHV del lodo. Por lo general, consume menos del 50 % del HHV del lodo y preferiblemente consume del 5 al 20 %, como del 6 al 15 %, del HHV del lodo. La cantidad de agente de oxidación añadida en el paso b) puede adaptarse en consecuencia.

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

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

La oxidación en húmedo de la presente descripción no requiere un reactor separado. En cambio, es suficiente que la fracción se mezcle con el agente de oxidación, por ejemplo, utilizando un mezclador de gas oxígeno. Por consiguiente, en una realización, no se usa ningún reactor separado del reactor del paso c) para la reacción entre el agente oxidante y el lodo precalentado. El equipo necesario para tal realización puede ser relativamente simple y, por lo tanto, económico. Sin embargo, para lograr un mejor control del proceso, puede ser beneficioso dejar que el lodo pase a través de un reactor para la oxidación húmeda entre el paso b) y el paso c). El tiempo de retención en un reactor de este tipo suele ser más corto que el tiempo de retención en el reactor del paso c). Por ejemplo, el tiempo de retención en el reactor para la oxidación húmeda puede ser de 10 a 60 min, tal como de 20 a 40 min. En consecuencia, el volumen del reactor para la oxidación húmeda suele ser menor que el volumen del reactor del paso c). Por ejemplo, el volumen del reactor para la oxidación húmeda puede ser del 10 al 50 %, como del 20 al 40 %, del volumen del reactor del paso c).

Cuando el agente oxidante es gas oxígeno, se puede agregar en una cantidad de 60-260 kg por 1000 kg (tonelada) de lodo seco procesado por el método, preferiblemente 100-200 kg por 1000 kg (tonelada) de lodo seco procesado por el método, más preferiblemente 110-150 kg por 1000 kg (tonelada) de lodo seco procesado por el método.

El lodo tratado con HTC del paso c) puede enfriarse mediante evaporación instantánea. Dicha evaporación instantánea proporciona al menos una fracción de vapor que se utiliza preferentemente en el precalentamiento del paso a). En una realización, la evaporación instantánea proporciona al menos dos, como al menos tres, fracciones de vapor de diferentes temperaturas que se utilizan para el calentamiento secuencial del lodo en el precalentamiento del paso a).

Para tal realización, se puede utilizar una disposición, cuya disposición comprende:

- una disposición de evaporación instantánea para someter el lodo tratado con HTC del paso c) a evaporación instantánea para obtener una fracción enfriada y al menos una fracción de vapor; y

- una disposición de enrutamiento de vapor para enrutar al menos una fracción de vapor a una disposición de precalentamiento para el precalentamiento del paso a).

La disposición de evaporación instantánea puede comprender al menos dos, como al menos tres, recipientes de evaporación instantánea dispuestos en serie para proporcionar fracciones de vapor de diferentes temperaturas. Además, la disposición de precalentamiento puede comprender al menos dos, como al menos tres, mezcladores de vapor, como mezcladores venturi, dispuestos en serie. La disposición de enrutamiento de vapor conecta preferiblemente los recipientes de evaporación instantánea con los mezcladores de vapor de manera que el lodo se puede precalentar por etapas.

La temperatura del lodo tratado con HTC en el paso c) es de 180-250 °C, preferiblemente 180-230 °C y más preferiblemente 190-225 °C.

La etapa de oxidación húmeda se realiza ya que 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 en el paso c) es normalmente al menos 20 °C más alta (como 20-65 °C más alta) y preferiblemente al menos 30 °C más alta (como 30-65 °C más alta) que la temperatura del lodo precalentado al que se le adiciona el oxidante en el paso b).

El tiempo medio de retención en el reactor del paso c) es normalmente de 0,25 a 8 h y preferiblemente de 0,5 a 2 h.

Breve descripción de las figuras

Las Figs. 1 y 2 ilustran diferentes realizaciones ejemplares de un método según la presente divulgación.

Descripción detallada

Una primera realización ejemplar de un método según la presente descripción se ilustra esquemáticamente en la Fig. 1. Un lodo se recibe (A) de una fuente, que puede ser una estación depuradora de aguas residuales municipales, un proceso industrial o una instalación en agricultura o ganadería. Los lodos pueden recibirse directamente de la planta o de un tanque de almacenamiento que forma parte del sistema. El lodo tiene típicamente una temperatura inicial de unos 30 °C y un contenido de materia seca de alrededor del 30 %. Después del calentamiento inicial opcional (no mostrado), por ejemplo, por una corriente de líquido del mismo proceso/sistema, el lodo se precalienta en un dispositivo de precalentamiento 101. El precalentamiento es preferentemente llevado a cabo mediante adiciones escalonadas de vapor, por ejemplo, en un mezclador de vapor primero 102, un segundo 103 y un tercero 104 dispuestos en serie. Aguas abajo de cada mezclador de vapor 102, 103, 104, se dispone una bomba 102p, 103p, 104p. Después del dispositivo de precalentamiento 101, se obtiene un lodo precalentado que tiene una temperatura de aproximadamente 175 °C.

Se añade gas oxígeno al lodo precalentado en un mezclador de gas oxígeno 105 para conseguir una oxidación húmeda parcial del lodo precalentado. 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 1000 kg (tonelada) de lodo seco procesado en el sistema. La oxidación húmeda no es instantánea. Más bien, continuará cuando el lodo fluya aguas abajo del mezclador de gas oxígeno 105.

Después de la adición de oxígeno, el lodo se enruta a un reactor 106 para la carbonización hidrotérmica (HTC) del lodo. En una sección aguas arriba del reactor 106, las reacciones de oxidación húmeda pueden estar en curso, lo que significa que la temperatura suele ser más baja en la sección aguas arriba del reactor 106 que en una sección aguas abajo del reactor 106. En la sección aguas abajo del reactor, la temperatura está típicamente dentro del rango de 205-215 °C.

El lodo tratado con HTC del reactor 106 se somete a evaporación en una disposición de evaporación 107, que produce al menos una fracción de vapor que se usa para precalentar el lodo en la disposición de precalentamiento 101. Preferiblemente, la disposición de evaporación instantánea 107 comprende varios recipientes de evaporación instantánea dispuestos en serie para producir fracciones de vapor de diferentes temperaturas. Por ejemplo, la disposición de evaporación instantánea 107 puede comprender: un primer recipiente de evaporación instantánea 108 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente alta que se enruta al tercer mezclador de vapor 104 de la disposición de precalentamiento 101; un segundo recipiente de evaporación instantánea 109 que produce una fracción de vapor de temperatura media que se enruta al segundo mezclador de vapor 103 del dispositivo de precalentamiento 101; y un tercer recipiente de evaporación instantánea 110 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente baja que se enruta al primer mezclador de vapor 102 del dispositivo de precalentamiento 101.

La suspensión enfriada obtenida aguas abajo de la disposición de evaporación instantánea 107 se deshidrata (no se muestra) de manera que se obtiene al menos una corriente líquida (que se puede usar para el calentamiento inicial y/o la dilución del lodo entrante) y una fracción espesa que comprende carbón HTC.

El sistema 100 puede comprender un calentador 111 que utiliza calor externo, como un calentador eléctrico, para iniciar el proceso en frío. El calentador 111 está preferiblemente dispuesto aguas abajo del mezclador de gas oxígeno, pero aguas arriba del reactor 106.

En la Fig. 2 se ilustra esquemáticamente una segunda realización ejemplar de un sistema según la presente descripción. Un lodo se recibe (A) de una fuente, que puede ser una estación depuradora de aguas residuales municipales, un proceso industrial o una instalación en agricultura o ganadería. Los lodos pueden recibirse directamente de la planta o de un tanque de almacenamiento que forma parte del sistema. El lodo tiene típicamente una temperatura inicial de unos 30 °C y un contenido de materia seca de alrededor del 30 %. Después del calentamiento inicial opcional (no mostrado), por ejemplo, por una corriente de líquido del mismo proceso/sistema, el lodo se precalienta en un dispositivo de precalentamiento 101. El precalentamiento se lleva a cabo preferiblemente mediante adiciones graduales de vapor, por ejemplo, en una primera 102, una segunda 103 y una tercera 104 mezcladoras de vapor dispuestas en serie. Aguas abajo de cada mezclador de vapor 102, 103, 104, se dispone una bomba 102p, 103p, 104p. Después del dispositivo de precalentamiento 101, se obtiene un lodo precalentado que tiene una temperatura de aproximadamente 175 °C.

Se añade gas oxígeno al lodo precalentado en un mezclador de gas oxígeno 105 para conseguir una oxidación húmeda parcial del lodo precalentado. 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 1000 kg (tonelada) de lodo seco procesado en el sistema. La oxidación húmeda no es instantánea. Por lo tanto, un reactor 112 para la oxidación húmeda está dispuesto aguas abajo del mezclador de gas oxígeno 105. El tiempo de retención del lodo en dicho reactor 112 puede ser de aproximadamente 30 min, lo que se considera suficiente para las reacciones de oxidación húmeda.

La temperatura del lodo oxidado en húmedo del reactor 112 para la oxidación en húmedo es típicamente de 200-215 °C. Este lodo oxidado en húmedo se enruta a un reactor 106 para la carbonización hidrotérmica (HTC) del lodo. La temperatura puede variar ligeramente entre diferentes posiciones en el reactor HTC 106 debido a reacciones exotérmicas (por ejemplo, las reacciones HTC y posiblemente oxidaciones por el oxígeno restante) y pérdidas de calor. El tiempo de retención del lodo en el reactor ^hTC 106 puede ser de aproximadamente 1,5 h, es decir, aproximadamente tres veces mayor que el tiempo de retención en el reactor 112 para la oxidación húmeda. En consecuencia, el volumen del reactor HTC puede ser tres veces mayor que el volumen del reactor 106 para oxidación húmeda.

El lodo tratado con HTC del reactor 106 se somete a evaporación instantánea en una disposición de evaporación instantánea 107, que produce al menos una fracción de vapor que se usa para precalentar el lodo en la disposición de precalentamiento 101. Preferiblemente, la disposición de evaporación instantánea 107 comprende varios recipientes de evaporación instantánea dispuestos en serie para producir fracciones de vapor de diferentes temperaturas. Por ejemplo, la disposición de vaporización 107 puede comprender: un primer recipiente de evaporación instantánea 108 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente alta que se enruta al tercer mezclador de vapor 104 de la disposición de precalentamiento 101; un segundo recipiente de evaporación 109 que produce una fracción de vapor de temperatura media que se enruta al segundo mezclador de vapor 103 del dispositivo de precalentamiento 101; y un tercer recipiente de evaporación instantánea 110 que produce una fracción de vapor de temperatura relativamente baja que se enruta al primer mezclador de vapor 102 del dispositivo de precalentamiento 101.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de carbonización hidrotermal de un lodo, que comprende los pasos de:

a) precalentar el lodo para obtener un lodo precalentado;

b) añadir un agente oxidante, tal como gas oxígeno, al lodo precalentado; y

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además el paso:

d) someter el lodo tratado con HTC del paso c) a evaporación instantánea para obtener al menos una fracción de vapor y una fracción enfriada, donde al menos una fracción de vapor se usa en el precalentamiento del paso a).

3. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el lodo pasa a través de un reactor para oxidación húmeda entre el paso b) y el paso c).

4. El método de acuerdo con la reivindicación 3, donde el volumen del reactor para la oxidación húmeda es menor que el volumen del reactor del paso c).

5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, donde el volumen del reactor para oxidación húmeda es 10-50 % del volumen del reactor del paso c).

6. El método de acuerdo con la reivindicación 5, donde el volumen del reactor para la oxidación húmeda es 20-40 % del volumen del reactor del paso c).

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el lodo es un lodo municipal o industrial de una planta de tratamiento de aguas residuales.

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la temperatura del lodo tratado con HTC en el paso c) es de 180-250 °C, preferiblemente 180-230 °C y más preferiblemente 190-225 °C.

9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la temperatura del lodo tratado con HTC en el paso c) es al menos 20 °C mayor, preferiblemente al menos 30 °C mayor, que la temperatura del lodo precalentado al que se añade el agente oxidante en el paso b).

10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la temperatura del lodo precalentado al que se le añade el oxidante en el paso b) es de 145-195 °C, tal como 150-190 °C, preferentemente 165-190 °C.

11. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el tiempo medio de retención en el reactor del paso c) es de 0,25 a 8 h, preferiblemente de 0,5 a 2 h.

12. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la cantidad de agente oxidante añadido en el paso b) es tal que las reacciones de oxidación húmeda reducen el poder calorífico superior (HHV) del lodo en un 5 49 %, preferiblemente en un 5-20 %, más preferiblemente 6-15 %.