ES2949733T3 - Método para la reducción de alquitrán en la gasificación de materiales carbonosos - Google Patents
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Abstract
Un método y conjunto para producir gas producto sustancialmente libre de alquitrán a partir de la gasificación de material carbonoso. El conjunto incluye preferiblemente un gasificador de primera etapa para producir cenizas carbonizadas y gas producto cargado de alquitrán y un gasificador de segunda etapa que tiene una zona de calentamiento de cenizas carbonizadas, al menos un ciclón y al menos un tubo vertical con el fin de permitir la entrega selectiva de cenizas carbonizadas a la zona de calentamiento de cenizas carbonizadas. Se prefiere una zona de calentamiento de cenizas carbonizadas que utiliza la oxidación de las cenizas carbonizadas y esto da como resultado el calor necesario para convertir el alquitrán, un rendimiento adicional de gas producto y una superficie de carbón activado oxidado para facilitar la conversión de alquitrán en el tubo ascendente, reduciendo así la temperatura requerida para lograr la conversión de alquitrán deseada. Alternativamente, se suministra calor externo a la zona de calefacción. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método para la reducción de alquitrán en la gasificación de materiales carbonosos
Campo de la invención
La presente invención se refiere, en general, al campo de los procesos para la conversión de materiales carbonosos, tales como biomasa, residuos, carbón mineral, materiales orgánicos, etc., en gas de producto, que es uno de gas productor, obtenido típicamente a partir de la gasificación por soplado de aire, o gas de síntesis, obtenido típicamente a partir de la gasificación indirecta o por soplado de oxígeno que está esencialmente libre de alquitrán o compuestos formadores de alquitrán y en donde la conversión de carbono y el rendimiento del gas de producto aumentan.
Antecedentes
Cuando los materiales carbonosos se calientan durante un proceso de gasificación, las especies gaseosas de pesos moleculares variables se liberan en forma de gas de producto. La producción de gas de producto a través de la gasificación de recursos renovables ha sido un foco para los investigadores durante décadas. Con este fin, los materiales carbonosos incluyen, pero sin limitación, biomasa, residuos, carbón mineral, etc.
El gas de producto, tal como se usa en el presente documento, es una mezcla de hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO) y otros gases combustibles y no combustibles, considerando que se aumentan al máximo las concentraciones de hidrógeno y monóxido de carbono, y se puede contemplar como gas de combustible donde, típicamente, se quema directamente como combustible para producir calor y/o energía eléctrica o como producto intermedio para múltiples usos, tales como la síntesis de combustibles líquidos, productos químicos u otros materiales.
Las especies carbonosas en el gas de producto con pesos moleculares mayores que el benceno (PM = 78), generalmente, se clasifican como alquitranes. Tal como se produjeron inicialmente, estos alquitranes son reactivos o problemáticos debido a sus grupos funcionales químicos, incluyendo, pero sin limitación: hidroxilos, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, alquenos, alquinos, estructuras heterocíclicas, en cualquier combinación, lo que puede permitir que se polimericen y, de este modo, provoquen obstrucciones, la formación de coque u otros depósitos sólidos, provocar el agarrotamiento de los equipos o que tengan otros efectos nocivos. La presencia de estos alquitranes reactivos o problemáticos en el gas de producto ha asolado la mayoría de los proyectos de gasificación y ha sido el talón de Aquiles de la gasificación.
Las necesidades de capital para la conversión de materiales carbonosos en gas de producto son sustanciales y los procesos y equipos disponibles aún dejan mucho que desear en términos de eficiencia de producción y facilidad de operación y mantenimiento. Aunque el proceso de gasificación se ha practicado durante décadas y se han inventado muchísimos diseños de gasificadores, no existe ningún gasificador que pueda producir un gas de producto libre de alquitrán a escalas comerciales adecuadas para la conversión económicamente convincente de materiales carbonosos en combustibles líquidos, energía eléctrica o productos químicos.
Lo que se necesitaba era un método que realizara la conversión de alquitrán en gran medida, que aumentara la producción de gas de producto y la conversión de carbono, y que pudiera hacerlo en condiciones que evitaran la fundición, la formación de escoria, la clinkerización o la aglomeración de partículas de cenizas de carbón vegetal y que se pudiera construir a una escala y un coste económicamente viables. Tal como se usa en el presente documento, la "conversión de alquitrán" significa la eliminación, modificación o transformación de grupos funcionales químicos dentro de las especies de alquitrán, incluyendo, pero sin limitación: desoxigenación, hidrogenación, reformado, agrietamiento, despolimerización u otras reacciones químicas que dan como resultado especies de alquitrán menos problemáticas y/o especies de menor peso molecular, incluyendo gases, tales como H2 y/o CO.
Tal como se conoce en la materia, Ziad Abu El-Rub, Biomass Char as an In-situ Catalyst for Tar Removal in Gasification Systems, tesis doctoral, Universidad de Twente, Enschede, Países Bajos, marzo de 2008, las cenizas de carbón vegetal (también conocido como carbón vegetal de origen biológico, carbón vegetal, cenizas volantes o simplemente cenizas) se pueden usar como catalizador para convertir los alquitranes producidos en la gasificación de material carbonoso. Resultaría deseable oxidar parcialmente el carbono residual en las cenizas de carbón vegetal, evitando al mismo tiempo la oxidación del hidrógeno u otros constituyentes valiosos en el gas de producto para generar CO adicional en el gas de producto, generar suficiente calor para soportar/permitir reacciones endotérmicas de conversión de alquitrán, potenciar o mejorar la actividad catalítica de las cenizas de carbón vegetal para las reacciones de conversión de alquitrán y aumentar al máximo la conversión de carbono, permitiendo al mismo tiempo, simultáneamente, volúmenes de reactor más pequeños o temperaturas de reactor reducidas, conduciendo todo a un coste más bajo y operaciones más sólidas.
El documento US 4032305 A divulga un aparato de gasificación con dos reactores de lecho fluidizado, en donde el segundo reactor trata los sólidos y gases producidos mediante el primer reactor.
Sumario de la invención
El primer objetivo de la presente invención consiste en aumentar el rendimiento de gas de producto;
un segundo objetivo de la presente invención consiste en aumentar la activación de la superficie de las cenizas de carbón vegetal para aumentar su actividad catalítica;
un tercer objetivo de la presente invención consiste en "retener" las cenizas de carbón vegetal para aumentar la relación de cenizas de carbón vegetal con respecto al gas de producto en el proceso y potenciar el contacto entre el gas de producto y las cenizas de carbón vegetal;
un cuarto objetivo de la presente invención consiste en proporcionar el calor necesario para la conversión de alquitrán sin causar o requerir la oxidación del gas de producto;
un quinto objetivo consiste en convertir el alquitrán en condiciones donde se favorezca esa reacción y en condiciones que den como resultado un rendimiento de gas de producto aumentado;
un sexto objetivo de la presente invención consiste en aumentar la conversión de carbono, pero controlar, simultáneamente, la temperatura durante la oxidación parcial del carbono mediante la provisión de un exceso de cenizas de carbón vegetal y múltiples oportunidades para la oxidación parcial de las cenizas de carbón vegetal; y un séptimo objetivo de la presente invención consiste en utilizar cualquiera de las múltiples fuentes de oxígeno, incluyendo el aire, el aire enriquecido con oxígeno (mezclas de aire y oxígeno) o el oxígeno puro con cantidades variables de vapor, dióxido de carbono u otros gases como constituyentes de reacción y/o elemento regulador.
Un octavo objetivo de la presente invención consiste en reducir el tiempo de residencia del gas de producto cargado de alquitrán después de producirse inicialmente en un entorno de baja concentración de cenizas de carbón vegetal para evitar las reacciones de alquitrán que pueden formar alquitranes refractarios de mayor peso molecular.
La presente invención comprende un método para la conversión de alquitranes y el aumento de la eficacia de la producción de gas de producto, tal como se define en la reivindicación 1.
La invención proporciona medios para separar y, a continuación, retener las cenizas de carbón vegetal del gas de producto con el fin de realizar reacciones de conversión de alquitrán. La invención también proporciona un medio de aumento del rendimiento de gas de producto mediante la oxidación parcial de cenizas de carbón vegetal elutriadas para potenciar la cantidad de CO producido, evitando al mismo tiempo la combustión de hidrógeno u otros gases deseados del gas de producto.
Existen muchos otros métodos de producción de gas de producto y las invenciones de gasificadores son casi tan numerosas como el número de gasificadores construidos. Los gasificadores, generalmente, se pueden clasificar según la forma en que se aplica el calor al proceso, ya sean directos o indirectos. Los ejemplos de gasificadores directos incluyen de lecho fijo, lecho fluido o flujo arrastrado. Los ejemplos de gasificadores indirectos incluyen de plasma o alotérmicos.
Los sistemas alotérmicos se basan en la combustión de cenizas de carbón vegetal en un reactor separado de donde tienen lugar las reacciones de gasificación con el fin de producir calor. A continuación, el calor se hace circular de vuelta al gasificador a través de algún medio de transferencia de calor (normalmente, un sólido granular, tal como arena o material catalizador granular) y las cenizas de carbón vegetal y el gas de combustión de la combustión de cenizas de carbón vegetal se eliminan del reactor de combustión. Al emplear una reacción alotérmica y no permitir que las cenizas de carbón vegetal entren en contacto con el gas de producto en gran medida, estos métodos no pueden aprovechar el efecto catalítico de las cenizas de carbón vegetal y el aumento resultante en la producción de gas de producto. Los sistemas de plasma dependen de la electricidad para formar un arco de plasma que proporciona la energía requerida para volatilizar los gases y elevar la mezcla gaseosa hasta una temperatura en la que todos los gases se reducen a un peso molecular bajo. Si bien muchos gasificadores de plasma pueden producir un gas de producto con un contenido de alquitrán bajo, estos presentan una eficacia termodinámica muy baja, son difíciles de ampliar en escala y, típicamente, son muy caros.
Los gasificadores directos tampoco pueden aprovechar el efecto catalítico de las cenizas de carbón vegetal sin la correspondiente destrucción del gas de producto o la creación de una zona de alta temperatura que conduzca a los problemas de fundición de cenizas descritos anteriormente, a menos que, tal como se prevé en la descripción de la presente invención, se proporcione una zona para separar las cenizas de carbón vegetal del gas de síntesis donde pueda tener lugar la oxidación parcial de las cenizas de carbón vegetal sin quemar, simultáneamente, el gas de producto.
Los métodos para el tratamiento del alquitrán en gasificadores directos a menudo emplean altas temperaturas para convertir térmicamente el alquitrán y/o depuradores/absorbentes/condensadores, etc. para eliminar el alquitrán. Las altas temperaturas pueden crear la fundición o el reblandecimiento de los componentes de la ceniza y esto puede crear la formación de escoria y/o aglomeración, lo que, a su vez, requiere un mantenimiento y/o procesos específicos para la eliminación de aglomerados con el fin de conservar la capacidad del reactor para producir gas de producto.
Por ejemplo, los gasificadores de corriente descendente usan una alta temperatura y la retención de cenizas de carbón vegetal para aprovechar los efectos catalíticos de las cenizas de carbón vegetal para reducir los alquitranes. Los
gasificadores de corriente descendente son conocidos por los expertos en la materia como gasificadores de baja producción de alquitrán debido a este efecto. Sin embargo, el problema con estos gasificadores de lecho fijo es que estos no se pueden ampliar en escala a unidades de tamaño muy grande o productividad grande, dado que el lecho fijo de las cenizas de carbón vegetal puede desarrollar patrones de flujo preferenciales (conocidos como formación de canales o formación de vacíos) que pueden causar el desvío del lecho de cenizas de carbón vegetal, la interrupción del flujo de cenizas de carbón vegetal u otros problemas.
Los sistemas de gasificadores que emplean la depuración de base líquida del alquitrán del gas de producto experimentan pérdidas de eficacia termodinámica, pueden crear una corriente de aguas residuales, pueden contaminar el equipo con compuestos peligrosos y requieren operaciones unitarias adicionales, costosas y de alto consumo energético, para lograr una baja concentración de alquitrán.
El método de la presente invención aborda las deficiencias de otros métodos. La presente invención comprende la separación de una primera fase de gasificación de una segunda fase de conversión de alquitrán y el calentamiento de cenizas de carbón vegetal. Las partículas de cenizas de carbón vegetal se elutrian de la primera fase de gasificación. Lo que más se prefiere es que estas partículas estén finamente divididas y tengan un intervalo de tamaño que les permita pasar de la primera fase a la segunda fase. Al evitar las partículas más grandes de cenizas de carbón vegetal, se potencia el efecto catalítico de las cenizas de carbón vegetal debido a que se reduce el efecto de difusión que se espera con partículas más grandes y que, típicamente, presenta limitaciones en las velocidades de reacción. El método usa una fuente de calor interna para proporcionar el calor necesario para convertir el alquitrán. Tal como se usa en el presente documento, una fuente de calor "externa" significa una fuente de energía distinta de la energía química disponible en las cenizas de carbón vegetal o el gas de producto, incluyendo, pero sin limitación, electricidad, radiación electromagnética, combustión de combustibles dentro o fuera del límite de la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal, fluidos térmicos, etc. El método de la invención de provisión de una fuente de calor interna consiste en oxidar parcialmente las cenizas de carbón vegetal en la zona de calentamiento que, en este método, es una zona rica en cenizas de carbón vegetal y pobre en gas de producto. Esta oxidación controlada de cenizas de carbón vegetal proporciona el calor necesario para la conversión de alquitrán, al tiempo que aumenta la producción de CO y evita la combustión de hidrógeno u otros constituyentes deseables del gas de producto, dando como resultado, de este modo, un aumento en el rendimiento de gas de producto. En este método particular, es necesaria la creación de una zona separada rica en cenizas de carbón vegetal, porque, de lo contrario, el gas de producto tenderá a oxidarse primero y en mayor medida debido a la cinética más rápida de la combustión del gas en comparación con la oxidación del carbono sólido en las cenizas de carbón vegetal.
La presente invención incluye dos fases de gasificación, el envío de gas de producto de gasificación cargado de alquitrán y cargado de cenizas de carbón vegetal de la primera fases a una segunda fase de gasificación donde se proporciona a los alquitranes el espacio, el contacto con las cenizas de carbón vegetal, el tiempo y la temperatura adecuados para la conversión de los alquitranes en el gas de producto que se produce como resultado de la retención de las cenizas de carbón vegetal y la mayor relación resultante de cenizas de carbón vegetal/gas de producto posible en la segunda fase de gasificación. La segunda fase de gasificación comprende una o más zonas: una o más zonas de conversión de alquitrán donde se emplea una relación alta de cenizas de carbón vegetal/gas de producto para convertir los alquitranes y una o más zonas de calentamiento de cenizas de carbón vegetal donde las cenizas de carbón vegetal experimentan un calentamiento a través de una fuente interna.
En la invención, la oxidación de cenizas de carbón vegetal se usa como fuente interna de calor. En este caso, en la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal, se oxidan parcialmente las cenizas de carbón vegetal que producen calor y activan el carbono en la superficie de las partículas de cenizas de carbón vegetal. Se espera que la superficie de carbono oxidada tenga una actividad de conversión de alquitrán significativamente mayor que la esperada en una superficie de carbono en un estado reducido, especialmente para la conversión de los alquitranes refractarios más problemáticos, tales como los hidrocarburos poliaromáticos, incluyendo naftaleno, antraceno, coroneno, etc. La superficie de carbono sirve como sitio para el oxígeno adsorbido y, por lo tanto, puede actuar como catalizador de transferencia de oxígeno, que también puede potenciar la selectividad de la conversión de alquitrán sobre la oxidación en fase gaseosa de Co o H2, debido a la característica de adsorción en fase sólida de los alquitranes pesados que se prefieren con respecto a los gases ligeros. Este efecto de adsorción de oxígeno también puede reducir significativamente las temperaturas requeridas en la zona de conversión de alquitrán para lograr la conversión de alquitrán deseada.
Las cenizas de carbón vegetal activadas y calientes y el gas de producto que contiene alquitrán se ponen en contacto en la/s zona/s de conversión del alquitrán, lo que permite que se produzca la conversión del alquitrán sobre la superficie de las cenizas de carbón vegetal. El gas de producto libre de alquitrán se separa de las cenizas de carbón vegetal mediante ciclones, donde la mayor parte de las cenizas de carbón vegetal se envía de vuelta a la zona de oxidación de cenizas de carbón vegetal y el gas de producto sale del reactor.
En los métodos que emplean oxidación de cenizas de carbón vegetal en la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal, la temperatura en la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal se mantiene por debajo del umbral de temperatura que daría como resultado la fundición o formación de escoria de las cenizas. La velocidad de circulación de cenizas de carbón vegetal en la/s zona/s de conversión de alquitrán se debe aumentar al máximo. Una
relación más alta de cenizas de carbón vegetal/gas en la/s zona/s de conversión de alquitrán reduce la temperatura necesaria para lograr velocidades beneficiosas de conversión de alquitrán. El aumento al máximo de la velocidad de circulación de cenizas de carbón vegetal aumenta la relación de cenizas de carbón vegetal respecto a oxígeno en la zona de oxidación de cenizas de carbón vegetal, aumentando, de este modo, el rendimiento de CO en relación con el dióxido de carbono (CO2) producido en la zona de oxidación de cenizas de carbón vegetal. Asimismo, el aumento al máximo de la velocidad de circulación de cenizas de carbón vegetal aumenta la tasa de masa a través de la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal, lo que aumenta la relación de las cenizas de carbón vegetal respecto al gas de producto entrante y reduce, de este modo, la temperatura de la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal necesaria para alcanzar la temperatura deseada en la zona de conversión de alquitrán.
El método se puede lograr a través de varios conjuntos de aparatos alternativos no reivindicados.
En su forma más simple, un primer conjunto incluye un segundo reactor separado del gasificador de primera fase, que tiene únicamente una zona de conversión de alquitrán. El gas de producto y las cenizas de carbón vegetal suspendidas en el gas de producto de un gasificador de primera fase separado entran en una zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal y en la parte inferior de la zona de conversión de alquitrán en el segundo reactor; las cenizas de carbón vegetal se separan del gas de producto después de salir del segundo reactor en uno o varios ciclones; las cenizas de carbón vegetal se devuelven a la zona de conversión de alquitrán y el gas de producto sale del reactor.
Otro conjunto incluye un segundo reactor separado de un gasificador de primera fase, teniendo el segundo reactor una zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal y una zona de conversión de alquitrán. El gas de producto y las cenizas de carbón vegetal suspendidas en el gas de producto del gasificador de primera fase separado entran en la parte inferior de una zona de conversión de alquitrán en el segundo reactor; las cenizas de carbón vegetal se separan del gas de producto después de salir del segundo reactor en uno o varios ciclones; las cenizas de carbón vegetal se devuelven a la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal a través de al menos un conducto vertical para el calentamiento mediante medios externos hasta una temperatura de salida deseada. Esto proporciona calor para impulsar las reacciones endotérmicas de conversión de alquitrán en la zona de conversión de alquitrán.
Otro conjunto incluye un segundo reactor separado del gasificador de primera fase, que tiene una zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal y una zona de conversión de alquitrán. El gas de producto y las cenizas de carbón vegetal suspendidas en el gas de producto de un gasificador separado entran en la parte inferior de una zona de conversión de alquitrán en el segundo reactor; las cenizas de carbón vegetal se separan del gas de producto después de salir del segundo reactor en uno o varios ciclones; las cenizas de carbón vegetal se devuelven a la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal a través de al menos un conducto vertical donde se introduce un agente oxidante y las cenizas de carbón vegetal se oxidan parcialmente hasta una temperatura de salida diana sin oxígeno en el gas que sale de la zona de oxidación de cenizas de carbón vegetal. Esto proporciona calor para impulsar las reacciones endotérmicas de conversión de alquitrán en la zona de conversión de alquitrán. La oxidación parcial deja la superficie de las cenizas de carbón vegetal en un estado activado y, por tanto, mejora la actividad catalítica para la conversión de alquitrán.
Otra disposición emplea un conducto vertical dividido, donde el tramo inferior envía las cenizas de carbón vegetal a la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal. El tramo superior opera en un régimen de flujo continuo y, por lo tanto, la mayor parte del gas de producto arrastrado con los sólidos de cenizas de carbón vegetal se devuelve a la zona de conversión de alquitrán, por lo que se envía menos gas de producto arrastrado a la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal. La zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal puede operar en un régimen de lecho fluidizado burbujeante desbordante, lecho fluidizado rápido o flujo arrastrado.
Otro conjunto más emplea una serie de ciclones. Un primer ciclón o una primera serie de ciclones reciclan las cenizas de carbón vegetal de vuelta a una zona de conversión de alquitrán a través de un conducto vertical o una serie de conductos verticales localizados internamente en el reactor y un segundo ciclón, que puede ser interno o externo al reactor, recicla las cenizas de carbón vegetal de vuelta a la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal. Esta disposición envía, preferentemente, cenizas de carbón vegetal con un contenido de carbono más bajo a la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal y puede dar como resultado una conversión de carbono global mejorada.
En otro conjunto, un solo recipiente alberga ambas fases de gasificación (ambos reactores). Esta disposición posiciona el gasificador de primera fase debajo de la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal. La zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal incluye dentro de la misma conductos verticales de desbordamiento para devolver cualquier medio de lecho arrastrado (típicamente, pero sin limitación, arena, piedra caliza, dolomita, olivino, óxido de aluminio, carburo de silicio u otros sólidos granulares) de vuelta al gasificador de primera fase. El gas de producto, y el alquitrán y las cenizas de carbón vegetal del gasificador de primera fase se desvían de la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal a través de conductos de transferencia de gas de producto que los envían a la zona de conversión de alquitrán. En la parte superior de la zona de conversión de alquitrán, están presentes ciclones internos y conductos verticales (conductos verticales de cenizas de carbón vegetal) para enviar las cenizas de carbón vegetal de vuelta a la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal que opera en un régimen de lecho fluidizado burbujeante desbordante. Las cenizas de carbón vegetal se separan del gas de producto arrastrado mediante las cenizas de carbón vegetal en la salida de los conductos verticales de cenizas de carbón vegetal, lo que
permite que el gas de producto arrastrado se desplace de vuelta hacia arriba por la zona de conversión de alquitrán hasta la entrada del ciclón y lo que permite que las cenizas de carbón vegetal se devuelvan a la zona de oxidación. La zona de oxidación de cenizas de carbón vegetal se puede operar en regímenes de burbujeo, de fluidización turbulenta o rápida o de flujo arrastrado. El gas de producto del gasificador de primera fase se mezcla con el gas de producto de la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal; la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal, cuando se opera para causar la oxidación parcial de las cenizas de carbón vegetal, proporciona el calor necesario y el catalizador de cenizas de carbón vegetal activado para que las reacciones de conversión de alquitrán tengan lugar dentro de la zona de conversión de alquitrán. Este conjunto proporciona un alcance de escalabilidad más amplio que las realizaciones mencionadas anteriormente y puede aumentar el diámetro del recipiente sin detrimento de una buena distribución del flujo. Un francobordo más pequeño y más corto o un volumen más pequeño proporcionado en el primer reactor se puede emplear en esta u otras realizaciones, lo que a su vez permite aplicar o utilizar más volumen del recipiente para la conversión. Esto puede reducir los costes de fabricación de recipientes, pero también puede proporcionar menos tiempo de residencia para que el gas de producto exista en un entorno de baja relación de cenizas de carbón vegetal/gas de producto, lo que puede reducir el grado de maduración de alquitranes menos refractarios en alquitranes más refractarios.
También existen otras modificaciones y conjuntos. Por ejemplo, pero sin limitación, las siguientes modificaciones y conjuntos se pueden considerar dentro del alcance de la presente invención: se pueden emplear secciones estampadas para ajustar los diámetros, efectuar los tiempos de residencia deseados y la retención de sólidos en los lechos fluidizados, el conducto de subida, los conductos verticales u otras secciones del proceso. Se pueden añadir intercambiadores de calor para eliminar de o transferir calor a: la zona de conversión de alquitrán, los conductos verticales, la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal u otras partes del sistema, que pueden tener aplicación en las condiciones de arranque, suspensión u operación para potenciar la selectividad, la conversión o la protección de la metalurgia o los materiales de construcción. También resultan posibles las variaciones en los materiales de construcción de la carcasa del recipiente o las partes internas y las variaciones en el diseño refractario y pueden incluir mejoras para potenciar o reducir la transferencia de calor, reducir la erosión, la corrosión, o proporcionar otra protección de la carcasa del recipiente o protección para las estructuras internas. Se puede usar la adición de adsorbentes, minerales u otros catalizadores en el proceso para potenciar la conversión de alquitrán o para efectuar la estabilidad o selectividad del proceso. Se puede considerar la adición de productos químicos (tales como, pero sin limitación, azufre) a la materia prima, con el fin de mejorar la vida de la metalurgia de las partes internas o potenciar la actividad catalítica de las cenizas de carbón vegetal. Se pueden emplear sorbentes líquidos, sólidos o gaseosos que actúen como captadores de los contaminantes del proceso para abordar la presencia de metales pesados, metales tóxicos, haluros u otras especies no deseadas. Finalmente, se pueden añadir partes internas a la sección de conducto de subida o se puede invertir el reactor para que la zona de conversión de alquitrán se opere en modo de flujo descendente para mejorar el contacto de gas/sólido y/o la distribución del flujo mediante el aumento de la retención de sólidos, la turbulencia, o mediante la reducción de los efectos de separación de gas/sólidos. Muchas de estas variaciones se pueden usar tal como se describe en Wen-Chin Yang, Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems, CRC Press, 2003, y/o Fluidization engineering, Chemical Engineering Series, Daizo Kunii, Octave Levenspiel, Edición 2, Publisher Butterworth-Heinemann, 1991, ISBN 0409902330, 9780409902334.
Estas y otras consideraciones se pueden usar en combinación con o como mejoras de la presente invención.
Otros objetos, características y ventajas de la presente invención se apreciarán fácilmente a partir de la siguiente descripción. La descripción hace referencia a los dibujos adjuntos, que se proporcionan para ilustrar la realización preferida. Sin embargo, tal realización no representa el alcance completo de la invención. La materia objeto que los inventores consideran como su invención se indica particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones al final de la presente memoria descriptiva.
Dibujos:
La Fig. 1 es un conjunto de gasificación de la técnica anterior;
la Fig. 2 es una realización de la presente invención que comprende una zona de conversión de alquitrán, un ciclón externo y un conducto vertical en un recipiente de reactor separado del gasificador de primera fase;
la Fig. 3 es una realización de la presente invención que comprende una zona de conversión de alquitrán, un ciclón externo y un conducto vertical dividido;
la Fig. 4 es una realización de la presente invención que comprende una zona de conversión de alquitrán, al menos un ciclón interno y un conducto vertical asociado y un ciclón externo y un conducto vertical asociado en una recipiente de reactor separado; y
la Fig. 5 es una realización de la presente invención que comprende un único recipiente donde tienen lugar las reacciones de conversión de alquitrán en la primera fase y en la segunda fase.
Descripción detallada de la invención
Los conjuntos de gasificación de la técnica anterior pueden incluir uno o varios tipos de procesos de gasificación. Como ejemplo, la Figura 1 muestra un aparato que incluye un recipiente 1012 que comprende una zona de oxidación 1014 de cenizas de carbón vegetal donde las cenizas de carbón vegetal 1020 se oxidan parcialmente y una zona de
conversión 1016 de alquitrán que tiene una salida 1028. Dicha salida 1028 está conectada de manera fluida a un ciclón 1022 para la separación de las partículas del gas, gas que se recoge a continuación. A continuación, el material en partículas separado se descarta o se puede enviar al lecho debajo de la zona de oxidación de cenizas de carbón vegetal. Los gasificadores de esta naturaleza se divulgan y describen en textos, tales como Handbook of Biomass Gasification, editado por H. A. M. Knoef, BTG Biomass Technology Group, Krukkerij Giethoorn ten Brink, Meppel, Países Bajos, 2005, ISBN 90-810068-1-9, y Combustion and Gasification in Fluidized Beds, Prabir Basu, CRC Press, 2006, ISBN 0-8493-3396-2, y Biorenewable Resources Engineering new Products from Agriculture, Robert Brown, Iowa State Press, 2003, ISBN 0-8138-2263-7.
La presente invención comprende un método para la gasificación de material carbonoso, que incluye dos fases de gasificación. El gas de producto y las cenizas de carbón vegetal de la primera fase se envían a una segunda fase donde se mezclan con una corriente de cenizas de carbón vegetal caliente que sale de una zona de oxidación de cenizas de carbón vegetal que proporciona calor y cenizas de carbón vegetal con una superficie de carbono activado o una zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal que proporciona calor. Esto aumenta la acción catalítica necesaria para la conversión adecuada del alquitrán, reduce la oxidación de CO y H2, lo que da como resultado un rendimiento de gas de producto aumentado, y reduce la temperatura requerida para la conversión de alquitrán deseada. El método también puede incluir cualquiera de las mejoras mencionadas anteriormente.
Se pueden emplear diversos conjuntos de aparatos. Una primera realización de tal conjunto que se muestra en la Fig. 2 incluye un recipiente de gasificador 210 de primera fase y un recipiente separado 212 en donde dicho recipiente separado 212 comprende, además, una zona de oxidación 214 de cenizas de carbón vegetal donde las cenizas de carbón vegetal 220 se oxidan parcialmente con un oxidante 238 (tal como, pero sin limitación, aire, oxígeno enriquecido (mezcla de aire y oxígeno) o cualquier gas que contenga oxígeno) y un conducto de subida que comprende una zona de conversión 216 de alquitrán que tiene una salida 228. Dicha salida 228 está conectada de manera fluida a un ciclón 22 que, a su vez, está conectado de manera fluida a un conducto vertical 218 que tiene un primer extremo 218a y un segundo extremo 218b. El segundo extremo 218b está asociado de manera fluida a la zona de oxidación 214 de cenizas de carbón vegetal del recipiente separado 212. El gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y alquitrán 234 del recipiente de gasificador 210 de primera fase entra en el recipiente separado 212 por encima de la zona de oxidación 214 de cenizas de carbón vegetal. Las cenizas de carbón vegetal 220 se oxidan parcialmente en la zona de oxidación 214 de cenizas de carbón vegetal y, a continuación, entran en contacto con el gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y alquitrán 234 entrante. Ambos se desplazan hacia arriba del recipiente separado 212 hasta la salida 228 al ciclón 222, por donde sale el gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y libre de alquitrán 238, y las cenizas de carbón vegetal 220 separadas se devuelven a través del conducto vertical 218 a la zona de oxidación 214 de cenizas de carbón vegetal. Aunque el gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y alquitrán 234 y las cenizas de carbón vegetal 220 parcialmente oxidadas están presentes en la zona de conversión 216 de alquitrán, el alquitrán se convierte en productos de gas de producto de bajo peso molecular mediante la acción catalítica de las cenizas de carbón vegetal 220. Las condiciones son tales que las reacciones de conversión de alquitrán se seleccionan sobre la oxidación en fase gaseosa de CO o H2, lo que da como resultado, de este modo, un mayor rendimiento del gas de producto libre de alquitrán 238.
Un segundo conjunto que se muestra en la Fig. 3 incluye el recipiente de gasificador 310 de primera fase, el recipiente separado 312, la zona de oxidación 314 de cenizas de carbón vegetal, la zona de conversión 316 de alquitrán que tiene la salida 328 conectada al ciclón 322, que a su vez se conecta de manera fluida al conducto vertical 318. En este caso, dicho conducto vertical 318 está dividido para comprender un tramo superior 330 y un tramo inferior 332. El tramo superior 330 opera en un flujo continuo al igual que el resto del conducto vertical 318 por encima del tramo superior 330, pero el tramo inferior 332 opera en un régimen de flujo de lecho compacto o de deslizamiento por adherencia. El efecto del conducto vertical 318 dividido consiste en reducir la cantidad de gas de producto arrastrado enviado a la zona de calentamiento 314 de cenizas de carbón vegetal, dado que la mayor parte del gas de producto arrastrado que desciende por el conducto vertical 318 se moverá a través del tramo superior 330 y eludirá la zona de calentamiento 314 de cenizas de carbón vegetal y, en su lugar, se enviará al recipiente separado 312 en la zona de conversión 316 de alquitrán y, en otra realización donde las cenizas de carbón vegetal se oxidan parcialmente, evitará el contacto con el oxidante 338 en la zona de calentamiento 314 de cenizas de carbón vegetal.
Un tercer conjunto en la Fig. 4 incluye un recipiente de gasificador 410, un recipiente separado 412, una zona de calentamiento 414 de cenizas de carbón vegetal, un conducto de subida que comprende una zona de conversión 416 de alquitrán que tiene una salida 428 y un ciclón de primera fase o una pluralidad de ciclones de primera fase 440. Dicha salida 428 y un ciclón de segunda fase 430 externo al recipiente separado 412 están asociados de manera fluida a un conducto vertical 418. El conducto vertical 418 devuelve las cenizas de carbón vegetal 20 a la zona de calentamiento 414 de cenizas de carbón vegetal. Se permite que el gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y libre de alquitrán 436 salga de la zona de conversión 416 de alquitrán por la salida 428. Dicho ciclón de primera fase o pluralidad de ciclones de primera fase 440 comprenden, cada uno, una salida de sólidos a través de un conducto vertical 445 de cenizas de carbón vegetal y una salida de gas conectada de manera fluida a la salida 428. Cada dicho conducto vertical 445 incluye una salida 445a que proporciona espacio suficiente para que la mayor parte de las cenizas de carbón vegetal 20 se separe de cualquier gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y libre de alquitrán 436 que también fluya hacia abajo del conducto vertical 445, de tal manera que el gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y libre de alquitrán 36 arrastrado pueda volver a la zona de conversión 416 de
alquitrán y parte de las cenizas de carbón vegetal 20 se puedan mezclar en la zona de calentamiento 414 de cenizas de carbón vegetal. El conducto vertical 445 recicla las cenizas de carbón vegetal 20 de vuelta a la parte inferior de la zona de conversión 416 de alquitrán, pero por encima de la zona de calentamiento 414 de cenizas de carbón vegetal. El ciclón de segunda fase 430 sirve para proporcionar una eficacia de captura mejorada de las cenizas de carbón vegetal 20. Debido a la menor carga de sólidos en el ciclón de segunda fase 430, se reduce la cantidad de gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y libre de alquitrán 436 que se arrastra en el conducto vertical 418 de segunda fase, de tal manera que este conducto vertical pueda operar en régimen de lecho compacto o de deslizamiento por adherencia, reduciendo la cantidad de gas de producto 436 que entra en la zona de calentamiento 414 de cenizas de carbón vegetal. El gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y libre de alquitrán 436 sale del sistema por la salida 424 de gas de producto.
Un cuarto conjunto en la Fig. 5 comprende un solo recipiente 512 que tiene un gasificador 510 de primera fase, una zona de calentamiento 514 de cenizas de carbón vegetal, donde las cenizas de carbón vegetal se oxidan parcialmente con un oxidante 538, y una zona de conversión 516 de alquitrán, donde tienen lugar las reacciones de conversión de alquitrán. Esta realización es posible mediante la colocación de dos categorías separadas de conductos verticales que proporcionan un medio para que las cenizas de carbón vegetal 20 se devuelvan a la zona de calentamiento, que el gas de producto 34 del gasificador 510 de primera fase se transfiera a su través y, por tanto, eluda la zona de calentamiento 514 de cenizas de carbón vegetal y que los medios de lecho arrastrados se devuelvan a la fase densa del gasificador 510 de primera fase. Específicamente, el recipiente 512 incluye, además, uno o una serie de ciclones 540. Cada uno de dichos ciclones comprende una salida de gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y libre de alquitrán 36 conectada de manera fluida a la salida 528 de gas de recipiente y a uno o más conductos verticales 545 para permitir que las cenizas de carbón vegetal 20 se transporten a la zona de oxidación 514 de cenizas de carbón vegetal. En la salida del/de los conducto/s vertical/es 545, se permite que el gas de producto 36 arrastrado se separe de las cenizas de carbón vegetal 20 para volver a subir a través de la zona de conversión 516 de alquitrán. Las cenizas de carbón vegetal 20 del/de los conducto/s vertical/es 545 se mezclan con las cenizas de carbón vegetal 20 en la zona de oxidación 514 de cenizas de carbón vegetal. El recipiente 512 también incluye al menos uno o una pluralidad de conductos verticales 550 de medios de lecho para devolver cualquier medio de lecho arrastrado al gasificador 510 de primera fase. El recipiente incluye, además, al menos uno o una pluralidad de conductos de transferencia 560 de gas de producto para permitir que el gas de producto cargado de cenizas de carbón vegetal y alquitrán 34 pase directamente del gasificador 510 de primera fase a la zona de conversión 516 de alquitrán, eludiendo la zona de oxidación 514 de cenizas de carbón vegetal.
Por tanto, la presente invención se ha descrito de una manera ilustrativa.
Claims (2)
1. Un método para la producción de gas de producto sustancialmente libre de alquitrán mediante la gasificación de material carbonoso, en donde dicho método comprende dos fases de gasificación,
comprendiendo el método:
i) producir cenizas de carbón vegetal (220) y un gas de producto cargado de alquitrán en una primera fase de gasificación y transportar dichas cenizas de carbón vegetal (220) y gas de producto cargado de alquitrán de la primera fase de gasificación a
ii) una segunda fase de gasificación para proporcionar el espacio, el contacto con las cenizas de carbón vegetal (220), el tiempo y la temperatura adecuados para que se produzca la conversión de alquitranes en el gas de producto como resultado de la retención de las cenizas de carbón vegetal (220), donde al menos una parte de dicho alquitrán se convierte en alquitrán menos problemático, en donde la segunda fase de gasificación comprende: una zona de conversión de alquitrán y una zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal, en donde las cenizas de carbón vegetal (220) experimentan un calentamiento a través de una fuente de calor interna y se oxidan parcialmente las cenizas de carbón vegetal (220), lo que produce calor y activa el carbono en una superficie de las partículas de cenizas de carbón vegetal;
en donde la zona de calentamiento de cenizas de carbón vegetal es una zona rica en cenizas de carbón vegetal y pobre en gas de producto.
2. El método de la reivindicación 1, en donde la conversión de dicha al menos una parte de alquitrán incluye la conversión en alquitrán menos problemático para reducir al menos un efecto seleccionado del grupo que consiste en: aglomeración, formación de coque, obstrucción, condensación de alquitrán y polimerización de alquitrán.
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