ES2946936T3

ES2946936T3 - Inyección de biomasa en reactor de pirólisis catalítica de lecho fluido

Info

Publication number: ES2946936T3
Application number: ES19755711T
Authority: ES
Inventors: Benjamin Thomas Amblard; Raghava Dasarathy; Frédéric Jean-Michel Feugnet; Thierry Albert Pierre Gauthier; Eugene Schmelzer; Charles Mitchel Sorensen; Sina Tebianian
Original assignee: Anellotech Inc
Current assignee: Anellotech Inc
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2039-07-16
Also published as: WO2020018517A1; CN112469802B; EP3824043B1; MX2021000082A; JP2021532206A; JP7350023B2; BR112021000789B1; BR112021000789A2; BR112021000789A8; EP3824043A1; CN112469802A; US11479725B2; US20200017770A1; AU2019306525A1; CA3102616A1; AU2019306525B2; KR20210031911A

Abstract

Se proporciona un proceso mejorado para la pirólisis catalítica de biomasa, que comprende inyectar neumáticamente una alimentación de biomasa a través de una línea de inyección neumática en un medio de calor fluidizado, por ejemplo, un catalizador caliente, con un gas portador a una velocidad de 5 a 40 m/s en al menos una zona de mezcla en comunicación con un reactor de pirólisis en el que se produce la pirólisis catalítica, y manteniendo una relación de caudal de mezcla de catalizador/biomasa (C/B) de 4 a 40 aguas abajo del punto de inyección del catalizador a través de una línea de inyección de catalizador en el al menos una zona de mezcla. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Inyección de biomasa en reactor de pirólisis catalítica de lecho fluido

Campo de la invención

[0001] La presente invención se refiere a un proceso para la pirólisis catalítica de biomasa y, en particular, a un proceso para suministrar biomasa a un reactor de pirólisis catalítica.

Antecedentes de la invención

[0002] El tratamiento y suministro de biomasa en reactores termoquímicos para procesos como la pirólisis, la gasificación y la combustión es un criterio de diseño crucial para garantizar un funcionamiento fiable. En los procesos de pirólisis catalítica (PC) de biomasa, por ejemplo, diferentes condiciones de funcionamiento pueden provocar el bloqueo del dispositivo de suministro, lo que da lugar a la imposibilidad de proporcionar un flujo uniforme y continuo del suministro. Por lo tanto, es deseable un método para el suministro continuo de la materia prima de biomasa en el reactor que garantice su distribución uniforme.

[0003] A pesar de los esfuerzos de investigadores e ingenieros, el desarrollo de sistemas de suministro innovadores y eficaces, flexibles en el tratamiento de materiales de biomasa de diferentes formas, tamaños y densidades, sigue siendo un área necesitada de investigación y desarrollo.

[0004] Se conocen varias disposiciones de inyección de suministro utilizadas en procesos termoquímicos que tratan materiales sólidos como la biomasa, en los que el calor para la reacción lo proporciona un medio sólido de transferencia de calor (por ejemplo, catalizadores, sólidos inertes). Kulprathinpanja et al (US 2015/0240167A1) describe un proceso de craqueo catalítico fluido verde en el que, además de una materia prima de hidrocarburo, se utiliza una barrena independiente para introducir las partículas de biomasa en el tubo vertical y mezclarlas con el catalizador caliente. La zona de mezcla podría conseguirse directamente en el tubo vertical o en una cámara de mayor diámetro conectada a la sección inferior del tubo vertical. Boon et al (US 2012/0271074A1) describe un proceso similar para producir biocombustible o productos bioquímicos mediante cualquier sistema conocido de suministro de biomasa con preferencia por los dosificadores de hélice. Mills (US 2010/0162625) describe un sistema de pirólisis rápida de biomasa que utiliza un tubo vertical como reactor y una cámara de combustión de carbón para la recuperación de calor. El sistema de suministro de biomasa sugerido es un dosificador de hélice.

[0005] En ejemplos en los que la biomasa se suministra a presión, se ha propuesto acoplar tolvas de esclusa o tornillos cónicos con un dosificador de hélice. Un sistema de suministro de biomasa de este tipo fue descrito por Bartek (US 2011/0174597A1) en el que se utiliza una combinación de tolva de esclusa, alimentador vibratorio y dosificador de hélice para inyectar la biomasa en un reactor a alta presión. Smith (US 2014/0044602) describe un sistema de suministro de biomasa que incluye asistencia de gas, en el que las partículas de biomasa que fluyen desde una tolva de esclusa/transportador mecánico se mezclan con gas a presión para facilitar el transporte al reactor. No se proporciona una descripción detallada de la zona de mezcla aguas abajo en términos del flujo de gas requerido ni de los parámetros de introducción. Además, permiten la inyección directa de la biomasa en el reactor, así como la mezcla previa con catalizador en el conducto de alimentación antes de la inyección en el reactor. Bartek et al (US 2012/0090977) describe un reactor para el craqueo fluidizado de material sólido de biomasa particulada. El reactor consiste en un tubo vertical equipado con dos zonas de mezcla. La primera zona de mezcla está destinada a mezclar las partículas de biomasa con el gas de elevación y la segunda zona de mezcla está destinada a introducir el medio de calor en el tubo vertical. Sugieren que la inyección del medio de calor (por ejemplo, partículas de catalizador) en una biomasa ya fluidizada evitaría el precalentamiento de la biomasa en el conducto de inyección. Sugieren una velocidad del gas de elevación de entre 1,5 y 11 m/s en la primera zona de mezcla y una inyección de biomasa principalmente mediante dispositivos mecánicos o gravitatorios o mediante una combinación de un alimentador de lecho fluidizado y una válvula de control. Para la inyección del medio de calor en la segunda zona de mezcla sugieren que puede utilizarse cualquier medio conocido por el experto en la materia relacionada con el craqueo catalítico fluido, dando preferencia a los medios gravitatorios. Palmas et al (US 2013/0327629A1) describe un proceso de manipulación de carbón en un sistema de pirólisis. Una de las configuraciones descritas es un tubo vertical donde, en primer lugar, las partículas de carbón segregadas se mezclan con parte del medio de calor drenado (sólidos de la cámara de combustión), iniciando la combustión, que se completa cuando la mezcla de sólidos se transporta a una cámara de combustión de lecho fluidizado utilizando una corriente de gas que contiene oxígeno como gas de elevación. Ambos sólidos (carbón y medio de transferencia de calor) se introducen en el tubo vertical mediante un tubo montante equipado con una válvula.

[0006] Mazanec et al (US 2014/0206913A1) describe un sistema de alimentación para introducir biomasa en un reactor de pirólisis, como un reactor catalítico de lecho fluidizado de pirólisis rápida, que emplea una corriente de chorro de gas o vapor para inyectar las partículas de biomasa directamente en el lecho fluidizado. La biomasa se mantiene fría, puede dosificarse antes de un chorro de gas y puede inyectarse mucho en el lecho fluidizado.

[0007] Las publicaciones mencionadas anteriormente describen el suministro de biomasa en un reactor mediante dispositivos mecánicos o gravitatorios convencionales, como dosificadores de hélice, tolvas de esclusa, etc., e incluso cuando la biomasa se inyecta a presión no hay ninguna indicación de que dicha inyección se realice a una velocidad mucho mayor que la de, por ejemplo, la alimentación por gravedad. Dichas técnicas no proporcionan una mezcla óptima, ni reducen o previenen fácilmente el taponamiento ni la obstrucción periférica en el conducto de inyección.

Sumario de la invención

[0008] La presente invención proporciona un proceso, según la reivindicación 1, para la pirólisis catalítica de biomasa en un reactor que comprende un lecho fluidizado de catalizador de partículas, comprendiendo el proceso:

1. (a) suministrar un medio de calor fluidizado que comprende el catalizador de partículas al reactor a través de un tubo de elevación que se comunica con el fondo del reactor, donde el diámetro del reactor de lecho fluidizado es al menos 2 veces el diámetro del tubo de elevación y donde el catalizador de partículas se inyecta en el tubo de elevación a través de un conducto de inyección de catalizador;

2. (b) inyectar neumáticamente un suministro de biomasa en un medio de calor fluidizado que comprende el catalizador de partículas en el tubo de elevación, inyectándose el suministro de biomasa en el tubo de elevación a través de un conducto de inyección neumática aguas abajo del conducto de inyección de catalizador con un gas portador a una velocidad de entre 5 y 40 m/s para producir una mezcla de catalizador y biomasa en la que la relación de caudal de mezcla catalizador/biomasa (C/B) se mantiene en un intervalo de 4 a 40.

[0009] El conducto de inyección de biomasa en la al menos una zona de mezcla tendrá una orientación horizontal, ascendente o descendente con un ángulo de desviación de 0 a 60 grados como, por ejemplo, 45 grados, con respecto a la zona de mezcla.

[0010] En las reivindicaciones dependientes 2-14, se definen modos de realización adicionales.

Breve descripción de los dibujos

[0011]

En la figura 1, se presenta un esquema de un proceso según un modo de realización de la invención.

En la figura 2, se muestra una simulación de los resultados obtenidos cuando se utiliza una única línea de inyección de biomasa en el proceso mostrado en la figura 1.

En la figura 3, se muestra la temperatura (K) media de los sólidos en el conducto de inyección de biomasa de la figura 2.

Descripción detallada de la invención

[0012] En la presente invención, la biomasa se inyecta en una zona de mezcla, es decir, un tubo de elevación, a una velocidad mucho mayor que en el pasado. En particular, la biomasa no se combina simplemente con un gas portador, sino que se inyecta neumáticamente a alta velocidad en el catalizador caliente, que ya está fluidizado. El sistema de inyección de la presente invención aborda la cuestión del taponamiento y la mezcla deficiente mediante parámetros de funcionamiento detallados y, en consecuencia, mediante el empleo de dicha inyección neumática de la biomasa en el flujo de catalizador. Para un proceso de pirólisis catalítica en el que el reactor es un lecho fluidizado, la presente invención aborda la importancia de los parámetros del proceso al mezclar el catalizador caliente con la biomasa en una zona de mezcla que inyecta el suministro en el fondo del reactor principal en una posición central. Esta configuración da lugar a una velocidad de calentamiento más rápida dada por la mayor temperatura del catalizador que fluye desde un regenerador de catalizador en comparación con el catalizador presente en el reactor. La distribución uniforme de los reactivos está garantizada por la inyección central en el fondo del reactor de lecho fluidizado que evita la heterogeneidad de temperatura resultante de la alta concentración de la biomasa cuando se introduce directamente en el reactor de lecho fluidizado a través de la inyección lateral. La mezcla de las partículas de biomasa con el medio de calor en una zona de mezcla, es decir, un tubo de elevación, en lugar de directamente en el reactor de lecho fluidizado, es más eficaz y fácil de conseguir debido al diámetro considerablemente más pequeño de la zona de mezcla en comparación con el reactor. El diámetro del reactor de lecho fluidizado es al menos el doble del diámetro de la zona de mezcla.

[0013] Por lo tanto, la invención proporciona un sistema de suministro de biomasa comercialmente sencillo y fiable para procesos como la pirólisis catalítica, en los que el medio de transferencia de calor consiste en sólidos. El sistema de suministro comprende una zona de mezcla, es decir, un tubo de elevación, con diferentes conductos de inyección conectados a su pared (véase la figura 1) que sirve como zona de mezcla para suministrar sólidos y gas a un reactor de lecho fluidizado. El catalizador caliente fluye desde uno o varios tubos montantes conectados al fondo del tubo de elevación o cerca de él, donde un distribuidor de gas mantiene los sólidos fluidizados. La biomasa se inyecta neumáticamente a través de uno o más conductos situados aguas abajo del conducto de retorno del catalizador, con el fin de alcanzar una velocidad de introducción de la biomasa especificada. Esta velocidad de introducción se adapta en función del intervalo de la relación de caudal de la mezcla catalizador/biomasa para lograr unas condiciones de mezcla óptimas. Además de un suministro continuo de la biomasa, el gas portador sirve para inyectar la biomasa con una velocidad adecuada con el fin de que penetre en la corriente de flujo de catalizador a una profundidad mayor que la lograda anteriormente con las técnicas del estado de la técnica. Una buena penetración de la biomasa permite la mezcla con el medio caliente, por ejemplo, el catalizador, lo que proporciona el calor necesario para la pirólisis. La invención permite la penetración en el tubo de elevación en un valor de D/3 a D, donde D es el diámetro del tubo de elevación.

[0014] El gas generado a partir de la biomasa al entrar en contacto con el medio de calor es el fluido primario para elevar la mezcla catalizador/biomasa y transportar la mezcla al reactor, donde continúan las reacciones catalíticas tras la inyección de suministro. Puede añadirse elevación de gas adicional a lo largo de la zona de mezcla, a través de múltiples puntos de inyección como, por ejemplo, de 2 a 8 puntos de inyección, o puede modificarse el diámetro del tubo de elevación para ajustar la velocidad superficial del gas en la misma. Parte del producto de la reacción puede utilizarse también como gas portador para la inyección de biomasa y elevación de gas adicional a lo largo del tubo de elevación. Parte del producto también puede utilizarse para conseguir la fluidización del catalizador en el fondo de la zona de mezcla y el reactor principal como, por ejemplo, mediante un distribuidor de gas. La penetración y la mezcla de la biomasa logrados por el presente proceso constituyen una mejora significativa en comparación con el funcionamiento continuo anterior. La presente invención evita cualquier precalentamiento involuntario de la biomasa antes de entrar en contacto con el medio de calor, lo que podría dar lugar a la producción de coque en el conducto de inyección neumática y provocar aglomeración de sólidos y taponamiento. El sistema de la invención garantiza un tiempo de permanencia de sólidos extremadamente bajo en el punto de unión sensible del conducto de inyección neumática, es decir, el tubo inyector de biomasa, y la zona de mezcla caliente, lo que da lugar a un precalentamiento insignificante de la biomasa.

[0015] El tubo de elevación, de cierta longitud (dependiendo del perfil de equilibrio de presión) está conectado al fondo del reactor de lecho fluidizado. Dada la alta velocidad de los sólidos y el gas procedentes del tubo de elevación, puede haber un desvío en el reactor que impida que el suministro se distribuya de manera uniforme en el sistema. La alta velocidad del gas también puede provocar salpicaduras o derrames de sólidos en la zona de desacoplamiento del reactor, lo que genera problemas de funcionamiento (sobrecarga del ciclón, desgaste del catalizador, erosión del material, etc.). Un dispositivo de terminación se monta preferiblemente en la parte superior del tubo de elevación y dentro del reactor para evitar cualquier posible canalización. Entre los dispositivos de terminación eficaces para este fin se incluye, por ejemplo, una seta montada en una jaula como se describe en la publicación de patente francesa n.° 3006607-A1.

[0016] Según se emplea en el presente documento, el término «pirólisis» posee su significado convencional en la técnica y hace referencia a la transformación de un compuesto, p. ej., un material sólido hidrocarbonado, en una o varias sustancias distintas, p. ej., compuestos orgánicos volátiles, gases y coque, mediante calor, preferiblemente sin la adición de oxígeno o en ausencia de oxígeno molecular, es decir, O₂. Preferiblemente, la fracción en volumen de oxígeno presente en una cámara de reacción de pirólisis es de un 0,5 % o inferior. La pirólisis puede producirse con o sin el uso de un catalizador. El término "pirólisis catalítica" hace referencia a pirólisis realizada en presencia de un catalizador, y puede implicar las etapas descritas con mayor detalle a continuación. La pirólisis rápida catalítica, que implica la transformación de biomasa en un reactor catalítico de lecho fluido para producir una mezcla de aromáticos, olefinas y varios materiales distintos es un proceso de pirólisis que resulta especialmente ventajoso. Se describen ejemplos de procesos de pirólisis catalítica, por ejemplo, en Huber, G.W. et al., "Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Engineering", Chem. Rev. 106, (2006), pp. 4044-4098, que se incorpora en la presente memoria por referencia.

[0017] Según se emplea en el presente documento, el término "biomasa" posee su significado convencional en la técnica y se refiere a cualquier fuente orgánica de energía o productos químicos que sea renovable. Sus componentes principales pueden ser: (1) árboles (madera) y resto de vegetación; (2) productos y residuos agrícolas (maíz, fruta, ensilado de residuos, etc.); (3) algas y otras plantas marinas; (4) desechos metabólicos (estiércol, aguas residuales) y (5) residuos urbanos celulósicos. Se describen ejemplos de materiales de biomasa, por ejemplo, en Huber, G.W. et al. "Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Engineering", Chem. Rev. 106, (2006), pp. 4044-4098. Las partículas de biomasa pueden tener un tamaño medio de partícula comprendido entre 20 μm y 20 mm.

[0018] Convencionalmente, la biomasa se define como el material biológico vivo o muerto recientemente que puede ser transformado para su uso como combustible o para la producción industrial. El criterio como biomasa es que el material debería haber participado recientemente en el ciclo del carbono, de manera que la liberación de carbono en el proceso de combustión no dé como resultado un incremento neto medio durante un período de tiempo razonablemente breve (por este motivo, los combustibles fósiles, como la turba, el lignito y el carbón, no se consideran biomasa según esta definición, ya que contienen carbono que no ha participado en el ciclo del carbono durante mucho tiempo, de manera que su combustión deriva en un incremento neto del dióxido de carbono atmosférico). Más frecuentemente, la biomasa hace referencia a la materia vegetal cultivada para su uso como biocombustible, aunque también incluye materia vegetal o animal utilizada para la producción de fibras, productos químicos o calor. La biomasa también puede incluir residuos o subproductos biodegradables que se pueden quemar como combustible o convertirse en productos químicos, incluyendo residuos urbanos, residuos verdes (los residuos biodegradables compuestos por residuos de jardines o parques, como flores o hierba segada y restos de poda de setos), subproductos agrícolas, incluyendo estiércol animal, desechos del procesamiento de alimentos, lodos de depuración y licor negro de pulpa de madera o algas. En la biomasa se excluye la materia orgánica que ha sido transformada mediante procesos geológicos en sustancias como carbón, esquisto bituminoso o petróleo. Normalmente, la biomasa se obtiene de manera generalizada de plantas, incluyendo Miscanthus, euforbia, girasol, pasto varilla, cáñamo, maíz, álamo, sauce, caña de azúcar y palma aceitera (aceite de palma), siendo la totalidad de las raíces, tallos, hojas, cáscaras de semillas y frutos potencialmente útiles. El procesamiento de la materia prima para su introducción en la unidad de procesamiento puede variar según las necesidades de la unidad y la forma de la biomasa. La biomasa se puede distinguir del carbono derivado de combustibles fósiles por la presencia de 14C en cantidades significativamente superiores a las que se encuentran en combustibles fósiles.

[0019] La composición de catalizador particularmente ventajosa en el reactor de lecho fluidizado en el que la al menos una zona de mezcla comprende un tamiz molecular cristalino que se caracteriza por una RSA mayor que 12 y un IC de 1 a 12. Entre los ejemplos no limitativos de estos tamices moleculares cristalinos se encuentran los que presentan la estructura de Zs M-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-48, ZSM-50 o combinaciones de las mismas. Por ejemplo, la composición de catalizador comprende un tamiz molecular cristalino caracterizado por una RSA de entre más de 12 hasta 240 y un IC de entre 5 y 10, como, por ejemplo, tamices moleculares que tienen la estructura de ZSM-5, ZSM-11, ZSM-22, ZSM-23 o combinaciones de los mismos. El método con el que se determina el IC se describe con mayor detalle en la patente estadounidense n.° 4,029,716, que se incorpora por referencia para ver los detalles del método.

[0020] Para la composición de catalizador, se puede emplear el tamiz molecular adecuado junto con un material de soporte o aglutinante como, por ejemplo, un soporte de óxido inorgánico poroso o un aglutinante de arcilla. Entre los ejemplos no limitativos de tales materiales aglutinantes se incluye alúmina, circonia, sílice, magnesia, toria, titania, boria y combinaciones de los mismos, generalmente en forma de geles de óxido inorgánico seco y precipitados gelatinosos. Los materiales de arcilla adecuados incluyen, a modo de ejemplo, bentonita, kieselgur y combinaciones de los mismos. La proporción relativa de tamiz molecular cristalino adecuado de la composición de catalizador total puede variar ampliamente con el contenido de tamiz molecular, que va de un 30 a un 90 por ciento en peso y, más habitualmente, desde un 40 a un 70 por ciento en peso de la composición. La composición de catalizador puede estar en forma de microesferas fluidizables.

[0021] El tamiz molecular para su uso en la presente memoria o la composición de catalizador que comprende el mismo pueden tratarse térmicamente a altas temperaturas. Este tratamiento térmico se realiza generalmente mediante calentamiento a una temperatura de al menos 370 °C durante al menos 1 minuto y, por lo general, no más de 20 horas (normalmente, en una atmósfera que contiene oxígeno, preferiblemente aire). Aunque puede emplearse una presión subatmosférica para el tratamiento térmico, se desea una presión atmosférica por razones de conveniencia. El tratamiento térmico puede realizarse a una temperatura de hasta aproximadamente 925 °C. El producto tratado térmicamente es particularmente útil en el presente proceso.

[0022] Las partículas de catalizador, como las microesferas fluidizables, que comprenden la composición de catalizador particularmente ventajosa en el reactor de lecho fluidizado en el que se suministra la al menos una zona de mezcla pueden describirse utilizando el criterio desarrollado por Geldart (Powder Technol. 7, 285-292, 1973, que se incorpora a la presente memoria por referencia). Los conjuntos de partículas se describen por su diámetro medio y densidad de partículas en las clasificaciones de Geldart. Las clasificaciones «A» y «B» de Geldart son las más útiles en el lecho fluidizado para la pirólisis de biomasa. Las partículas más grandes y densas, como granos de arroz, arena seca y sal de mesa (tamaño medio superior a 0,150 mm) son de la clase «B» de Geldart. Las partículas más pequeñas y ligeras (tamaño medio entre 0,020 y 0,150 mm) son de clase «A» de Geldart.

[0023] El medio de calor que fluye desde un regenerador de catalizador y, por tanto, el medio de calor fluidizado al que se alimenta la biomasa, puede estar a temperaturas comprendidas entre 550 y 800 °C, por ejemplo, entre 600 y 800 °C, y la relación del caudal de mezcla catalizador/biomasa (C/B) depende de las condiciones de funcionamiento. La C/B es independiente de la velocidad del gas y se refiere a la biomasa antes de la pirólisis. Los valores típicos de C/B pueden estar en el intervalo de 4 a 40, como de 6 a 30, por ejemplo, de 10 a 20. La biomasa puede estar a temperatura ambiente o precalentarse, pero preferiblemente no a temperaturas superiores a ~150 °C para evitar una pirólisis prematura en ausencia de contacto con el catalizador y para evitar obstrucciones en el conducto de inyección neumática.

[0024] El suministro continuo de la biomasa en el conducto de inyección neumática, es decir, antes de la inyección neumática en el tubo de elevación, puede controlarse mediante cualquier dispositivo de suministro tradicional, como una tolva y una tolva de esclusa, una válvula rotativa, una válvula de corredera, un dosificador de hélice o su combinación. A continuación, un flujo de gas portador, tras liberarse del dispositivo de alimentación, transportará neumáticamente los sólidos de biomasa que fluyen desde el dispositivo mencionado y entregará los sólidos con una velocidad de gas preferiblemente en el rango de 5 a 40 m/s, tal como de 8 a 30 m/s, por ejemplo, de 15 a 25 m/s. Este valor puede ajustarse en función de las condiciones de funcionamiento y de las características de la biomasa para evitar condiciones de saltación y estrangulamiento, y depende de la capacidad de la unidad, del número de conductos de inyección y de las dimensiones del tubo de elevación, etc. La velocidad del gas portador puede ajustarse para obtener una penetración adecuada en el flujo de catalizador para diferentes C/B. Las CB más altas, como la 40, necesitarán velocidades de gas portador más altas en comparación con las CB más bajas, como la 5, para obtener la misma mezcla entre las partículas de catalizador y biomasa. Los rangos de C/B entre 4-40, 6-30 y 10-20 requerirán respectivamente velocidades de gas portador entre 5 40 m/s, 8-30 m/s y 15-25 m/s. El sistema puede funcionar a diferentes presiones. La velocidad del sólido está relacionada con la velocidad del gas como fracción de la misma, y depende del factor de deslizamiento gas/sólido. Por lo general, pueden utilizarse uno o varios conductos de inyección de catalizador y biomasa en función de la geometría y la viabilidad. Cuantos más conductos de inyección de suministro haya, mejor será la distribución de la biomasa en el tubo de elevación. Sin embargo, la existencia de múltiples conductos de inyección da lugar también a más sistemas de control para garantizar un suministro continuo. Los conductos de inyección de biomasa y catalizador se disponen deseablemente con el mayor ángulo de desviación posible. Por ejemplo, si se utiliza un catalizador y dos conductos de inyección de biomasa, es preferible que los conductos de inyección de biomasa estén situados en lados opuestos con un desplazamiento de 90° con respecto a la entrada de catalizador. El tubo de inyección de biomasa puede tener una orientación horizontal, ascendente o descendente con ángulos de desviación que oscilan entre 0 y 60 grados (como 45 grados) con respecto a la dirección horizontal. Se prefiere la orientación descendente, ya que permite una mayor penetración y facilidad en la entrega para evitar el reflujo y el flujo turbulento de sólidos.

[0025] Mientras que el distribuidor de gas en el fondo del tubo de elevación sirve para mantener los sólidos en un estado fluidizado (U^g>U^mf), es posible añadir más gas (por ejemplo, mediante inyección lateral) aguas arriba del conducto de inyección neumática de biomasa para establecer un flujo más diluido y ayudar a la penetración de la biomasa. Este gas puede ser vapor o, por ejemplo, gas de reciclaje de pirólisis catalítica compuesto por CO, CO₂, hidrocarburos ligeros y combinaciones de los mismos. Las velocidades superficiales de gas típicas en el fondo del tubo de elevación por debajo de las conductos de inyección de biomasa oscilan entre 0,1 y 2 m/s, como, por ejemplo, entre 0,3 y 1 m/s.

[0026] La distancia vertical entre el catalizador y los puntos de inyección de biomasa en la zona de mezcla, por ejemplo, el tubo de elevación, debe ser suficiente para permitir el establecimiento del flujo de catalizador. Esta distancia depende de la geometría y escala de una instalación determinada, y puede determinarse rutinariamente. A continuación, se ofrece un ejemplo.

[0027] Las velocidades superficiales de gas típicas en la parte superior del tubo de elevación pueden oscilar entre 5 y 25 m/s, como por ejemplo, entre 8 y 20 m/s. Independientemente de la velocidad superficial en la parte superior del tubo de elevación, la velocidad de la inyección neumática de biomasa controla la prevención de taponamientos y mezclas deficientes. Incluso cuando la velocidad superficial de la mezcla catalizador/biomasa es igual o similar a la de los procesos existentes, se mantiene el efecto ventajoso de la introducción neumática de biomasa.

[0028] Un dispositivo de terminación y redistribución del flujo de gas y sólidos se monta preferentemente a la salida del tubo de elevación para evitar la canalización del gas y mejorar la distribución del suministro en el lecho fluidizado. Este dispositivo puede consistir, por ejemplo, en una seta montada sobre una jaula (p. ej., la publicación de patente francesa n.° 3006607-A1), o cualquier otro aparato de terminación utilizado habitualmente para este fin. El lecho fluidizado puede estar equipado con un distribuidor de gas para mantener los sólidos fluidizados y mejorar la mezcla con el suministro procedente del tubo de elevación.

[0029] En un modo de realización adicional de la invención, la al menos una zona de mezcla puede comprender uno o más tubos de elevación, por ejemplo, de 1 a 4, para suministrar el gas y los sólidos de biomasa a un reactor de lecho fluidizado. Sin embargo, el sistema sugerido que consiste en un tubo de elevación equipado con un dispositivo de terminación es preferible debido a la facilidad de control.

Ejemplos

[0030] Los experimentos que demuestran el sistema de inyección de suministro de la presente invención se llevaron a cabo utilizando simulaciones de modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) de la sección inferior de un tubo de elevación para investigar la viabilidad en términos de penetración de biomasa y velocidad de calentamiento. El catalizador fluye desde un tubo montante y la biomasa se inyecta neumáticamente en el sistema, donde entran en contacto e intercambian calor. En la tabla 1, se muestran las condiciones de funcionamiento utilizadas en los experimentos:

Tabla 1

[0031] La pirólisis catalítica requiere un calentamiento rápido de la biomasa (-400-500 °C/s) a temperaturas en el rango de (400-600 °C). Los resultados de las simulaciones de CFD se analizaron considerando el comportamiento de las partículas de biomasa en el sistema funcionando en estado constante. Además, se realizaron simulaciones para demostrar que las partículas de biomasa en el conducto de inyección neumática permanecen a baja temperatura para evitar una pirólisis prematura en ausencia de catalizador, lo que podría provocar la obstrucción del conducto. Para ello, se consideró el peor escenario en el que la pared del conducto de inyección de biomasa se encuentra a la temperatura del fondo del tubo de elevación de 690 °C, en las mismas condiciones de flujo indicadas en la tabla 1.

[0032] Refiriéndose más en concreto a la figura 1, se muestra un esquema de un modo de realización de la presente invención. En la figura 1, un tubo de elevación alimenta el fondo de un reactor de lecho fluidizado con un dispositivo de terminación encima del tubo de elevación y en el fondo del reactor. En la base del tubo de elevación hay un distribuidor de gas. Partículas calientes de catalizador, como las que comprenden partículas de clase "A" de Geldart que comprenden zeolita con la estructura de ZSM-5, como las procedentes de una instalación de regeneración de catalizador, entran en el tubo de elevación por encima del distribuidor de gas como medio de calor fluidizado. El suministro de biomasa con un gas portador que comprende vapor, gas de reciclaje de pirólisis catalítica, o una combinación de los mismos, se inyecta neumáticamente en el tubo de elevación a una velocidad de entre 5 y 40 m/s y en las partículas calientes de catalizador en un punto por encima de la inyección de catalizador. Se inyecta gas adicional que comprende vapor, gas de reciclaje de pirólisis catalítica, o una combinación de los mismos, en el tubo de elevación en varios puntos, con el resultado de que la relación de caudal catalizador/biomasa aguas abajo del punto de inyección neumática de biomasa se mantiene entre 4 y 40.

[0033] Haciendo referencia más concretamente a la figura 2, que muestra algunos resultados visuales obtenidos cuando se utiliza un único conducto de inyección neumática de biomasa en el proceso mostrado en la figura 1. La biomasa penetra bien en la sección transversal y se mezcla adecuadamente con el catalizador. La mayoría de las partículas de biomasa se convierten en gas y vapor de pirólisis en el tubo de elevación, muy cerca del punto de entrada del conducto de inyección de biomasa. La fracción de partículas de biomasa no convertidas inmediatamente en gas y vapor era inferior al 1 % en esta región de mezcla, y la biomasa sin reaccionar se pirolizó rápidamente en la sección superior. La rápida conversión de biomasa sólida en vapores de pirólisis demuestra que el sistema de suministro propuesto es adecuado para la pirólisis catalítica, en la que los gases y vapores interactúan con el catalizador para convertirse en valiosos productos químicos y combustibles hidrocarburos.

[0034] Haciendo referencia más concretamente a la figura 3, se proporciona una representación de la temperatura (K) media de los sólidos en el conducto de inyección de biomasa cuando su pared se mantiene a una temperatura elevada. El movimiento extremadamente rápido de las partículas de biomasa dio lugar a un calentamiento insignificante (menos de 10 °C/m) de las partículas. Este resultado confirma la importancia del transporte neumático de la presente invención para evitar la aglomeración de sólidos. Como se muestra en la figura 3, la temperatura media de los sólidos alcanzada en el conducto de inyección se mantiene en gran medida en torno a los 300 K.

[0035] Sin entrar en más detalles, se cree que un experto en la materia puede, utilizando la descripción anterior, utilizar la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas en toda su extensión. Los modos de realización específicos preferidos anteriores deben, por lo tanto, interpretarse como meramente ilustrativos y no limitativos del resto de la divulgación en modo alguno.

[0036] En lo anterior y en los ejemplos, todas las temperaturas se establecen sin corregir en grados Celsius y todas las partes y porcentajes son en peso, a menos que se indique lo contrario.

[0037] Los ejemplos anteriores pueden repetirse con éxito similar sustituyendo los reactivos descritos genérica o específicamente y/o las condiciones de funcionamiento de la presente invención por los utilizados en los ejemplos anteriores.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Proceso para la pirólisis catalítica de biomasa en un reactor comprendiendo un lecho fluidizado de catalizador de partículas, comprendiendo el proceso:

(a) suministrar un medio de calor fluidizado que comprende el catalizador de partículas al reactor a través de un tubo de elevación que se comunica con el fondo del reactor, donde el diámetro del reactor de lecho fluidizado es al menos 2 veces el diámetro del tubo de elevación y donde el catalizador de partículas se inyecta en el tubo de elevación a través de un conducto de inyección de catalizador;

(b) inyectar neumáticamente un suministro de biomasa en un medio de calor fluidizado que comprende el catalizador de partículas en el tubo de elevación, inyectándose el suministro de biomasa en el tubo de elevación a través de un conducto de inyección neumática aguas abajo del conducto de inyección de catalizador con un gas portador a una velocidad de entre 5 y 40 m/s para producir una mezcla de catalizador/biomasa en la que la relación de caudal de mezcla catalizador/biomasa (CB) se mantiene en un intervalo de 4 a 40.

2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, donde el suministro de biomasa se inyecta a través del conducto de inyección neumática en el tubo de elevación que tiene una orientación horizontal, ascendente o descendente con un ángulo de desviación de entre 0 y 60 grados.

3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 2, donde el ángulo de desviación es de 45 grados.

4. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde hay dos conductos de inyección neumática situados en lados opuestos del tubo de elevación, con un desplazamiento de 90° con respecto a una entrada de medio de calor.

5. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el tubo de elevación está conectado al fondo del reactor de lecho fluidizado mediante un dispositivo de terminación montado en la parte superior del tubo de elevación para reducir la canalización y mejorar una distribución uniforme.

6. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el suministro de biomasa en el conducto de inyección neumática antes de la inyección neumática en el tubo de elevación se controla mediante una tolva, una tolva de esclusa, una válvula de corredera, una válvula rotativa, un dosificador de hélice o su combinación.

7. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el gas generado a partir de la pirólisis de la biomasa en el tubo de elevación proporciona gas portador adicional para transportar la mezcla catalizador/biomasa al reactor de lecho fluidizado.

8. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el medio de calor fluidizado tiene una temperatura de entre 600 y 800 °C, y la biomasa en el conducto de inyección neumática está a temperatura ambiente o se precalienta a una temperatura que no provoque obstrucciones en el conducto de inyección neumática.

9. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde se inyecta gas adicional en el tubo de elevación aguas arriba del conducto de inyección neumática de biomasa.

10. Proceso de acuerdo con la reivindicación 9, donde el gas adicional se inyecta en el tubo de elevación en una pluralidad de puntos a lo largo del tubo de elevación para ajustar la velocidad superficial de gas en el tubo de elevación.

11. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior teniendo una velocidad superficial de gas en el fondo del tubo de elevación por debajo del conducto de inyección de biomasa de entre 0,1 y 2 m/s.

12. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior teniendo una velocidad superficial de gas en la parte superior del tubo de elevación de entre 5 y 25 m/s.

13. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el catalizador comprende un tamiz molecular cristalino que presenta la estructura de ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-48, ZSM-50 o sus combinaciones.

14. Proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el caudal de biomasa en el conducto de inyección neumática es continuo.