ES2955373A1 - DUAL FLUIDIZED BED MODULE FOR SOLAR-POWERED BIOMASS AND WASTE GASIFICATION AND ASSOCIATED INSTALLATION AND OPERATION METHOD (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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Abstract

Dual fluidized bed module (2) with input of fluctuating solar energy and installation (1) for obtaining syngas, and associated operating method, where the dual fluidized bed module (2) comprises a gasification unit (3), a combustion unit (5), separate sealing chambers (6, 7), a cyclone (16) and extraction elements for the extraction of solid heat-carrying particles (13) that are heated and stored in an installation that comprises a heating unit. concentrating solar energy (10) and in separate storage tanks (11, 12), where said solid heat-transfer particles (13) are introduced into the gasification unit (3) to produce a syngas through an external solar energy contribution that is fluctuating . (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

MÓDULO DE LECHO FLUIDIZADO DUAL PARA GASIFICACIÓN DE BIOMASA Y RESIDUOS CON ENERGÍA SOLAR E INSTALACIÓN Y MÉTODO DE OPERACIÓN DUAL FLUIDIZED BED MODULE FOR SOLAR ENERGY BIOMASS AND WASTE GASIFICATION AND INSTALLATION AND OPERATION METHOD

ASOCIADOASSOCIATED

OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un módulo de lecho fluidizado dual, a una instalación y a un método de operación asociado, que permiten producir syngas a partir de biomasa y energía solar de forma continua con alta flexibilidad pese a las intermitencias características de la energía solar. En particular, el módulo de lecho fluidizado dual se alimenta con partículas sólidas caloportadoras previamente calentadas en un receptor que concentra energía solar térmica, y los diferentes elementos del módulo están configurados para compensar las fluctuaciones térmicas de calor solar externo, permitiendo operar en un modo altamente alotérmico (donde la mayor parte de la energía necesaria para mantener el proceso al nivel térmico adecuado procede de la energía solar), así como en un modo autotérmico (donde el calor requerido para la gasificación procede únicamente de la combustión del char), así como en cualquier modo intermedio de operación.The present invention refers to a dual fluidized bed module, an installation and an associated operating method, which allow syngas to be produced from biomass and solar energy continuously with high flexibility despite the intermittencies characteristic of solar energy. In particular, the dual fluidized bed module is fed with solid heat-carrying particles previously heated in a receiver that concentrates solar thermal energy, and the different elements of the module are configured to compensate for thermal fluctuations of external solar heat, allowing it to operate in a highly allothermal (where most of the energy needed to maintain the process at the appropriate thermal level comes from solar energy), as well as in an autothermal mode (where the heat required for gasification comes only from the combustion of char), as well as in any intermediate mode of operation.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

La gasificación de biomasa/residuos con vapor está ampliamente estudiada y ha alcanzado el desarrollo industrial mediante el uso de gasificadores de lecho fluidizado dual (DFBG, de sus siglas en inglés). Estos dispositivos cuentan con dos unidades principales: un gasificador en el que tiene lugar la volatilización de la biomasa y la conversión parcial del residuo carbonoso del combustible (char), y un combustor en el que se quema con aire el char no convertido en el gasificador (junto con combustible adicional si es necesario). El calor liberado por la combustión se transporta al gasificador mediante la circulación de un sólido caloportador entre las dos unidades. Al llevar a cabo la combustión del char en una unidad separada se obtienen dos corrientes gaseosas: una de gas de síntesis procedente del gasificador y otra de gas de combustión del combustor. Al generarse dichas corrientes de forma separada, el gas de síntesis (syngas) tiene un poder calorífico y contenido en hidrógeno relativamente alto comparado con otros sistemas de gasificación. La unidad de gasificación se considera alotérmica, ya que recibe el calor del combustor, sin embargo, el sistema en su conjunto (gasificador combustor) es autotérmico (considerando que no se añade combustible adicional en el combustor). Esta es la forma usual de operar de los DFBGs que existen actualmente como los desarrollados por en la Universidad Técnica de Viena, ECN (Energy Research Centre of the Netherlands) y comercializados por compañías como Repotec o Dahlman [1], [2],Biomass/waste gasification with steam is widely studied and has reached industrial development through the use of dual fluidized bed gasifiers (DFBG). These devices have two main units: a gasifier in which the volatilization of the biomass and the partial conversion of the carbonaceous residue of the fuel (char) takes place, and a combustor in which the unconverted char is burned with air in the gasifier. (along with additional fuel if necessary). The heat released by combustion is transported to the gasifier through the circulation of a solid heat transfer between the two units. By carrying out the combustion of the char in a separate unit, two gaseous streams are obtained: one of synthesis gas from the gasifier and another of combustion gas from the combustor. When these currents are generated separately, the synthesis gas (syngas) has a calorific value and hydrogen content. relatively high compared to other gasification systems. The gasification unit is considered allothermal, since it receives heat from the combustor, however, the system as a whole (combustor gasifier) is autothermal (considering that no additional fuel is added to the combustor). This is the usual way of operating of the DFBGs that currently exist, such as those developed by the Technical University of Vienna, ECN (Energy Research Center of the Netherlands) and marketed by companies such as Repotec or Dahlman [1], [2],

Aunque este proceso es de gran interés, desde el punto de vista maximizar la fracción renovable en los procesos de producción de energía, lo realmente interesante es suministrar el calor necesario para la gasificación a partir de una fuente externa renovable como el sol. De este modo, la energía química del syngas producido contiene no solo la energía de la biomasa, sino también una fracción adicional de energía solar.Although this process is of great interest, from the point of view of maximizing the renewable fraction in energy production processes, what is really interesting is supplying the heat necessary for gasification from an external renewable source such as the sun. In this way, the chemical energy of the syngas produced contains not only the energy of the biomass, but also an additional fraction of solar energy.

Además, al reducir la cantidad de char que se oxida en el combustor (más cuanto mayor es la fracción de energía solar introducida en el sistema), aumenta la fracción de carbono en el syngas (disminuyendo la que sale en forma de CO2 con los gases de combustión). Ello permite aumentar la cantidad de carbono capturado ya que, en aplicaciones de síntesis (por ejemplo producción de hidrógeno o biocarburantes líquidos), el acondicionamiento del gas permite extraer el CO2 para su secuestro (CCS) o su uso (CCSU). Este aspecto es una gran ventaja respecto a la gasificación convencional (no solar) llevada a cabo en DFBG, donde la fracción del combustible que acaba en forma CO2 en el gas de combustión es mucho mayor y no se puede separar de forma económica al estar muy diluida en nitrógeno.Furthermore, by reducing the amount of char that is oxidized in the combustor (more so the greater the fraction of solar energy introduced into the system), the fraction of carbon in the syngas increases (reducing the fraction that comes out in the form of CO 2 with the Combustion gases). This makes it possible to increase the amount of carbon captured since, in synthesis applications (for example hydrogen production or liquid biofuels), gas conditioning allows CO 2 to be extracted for sequestration (CCS) or use (CCSU). This aspect is a great advantage over conventional (non-solar) gasification carried out at DFBG, where the fraction of the fuel that ends up as CO 2 in the combustion gas is much higher and cannot be separated economically as it is very diluted in nitrogen.

En cuanto a los gasificadores solares que se han planteado hasta la fecha, se pueden clasificar en función de cómo la energía solar entra en contacto con los reactivos en: gasificadores directamente irradiados [3]—[7], en los que el combustible está expuesto directamente a la radiación, e indirectamente irradiados, en los que la radiación incide en un material intermedio. Dentro de los indirectamente irradiados se han propuesto tres enfoques: (i) irradiando las paredes externas del reactor [8]; (ii) utilizando un reactor de dos cavidades [9] y (iii) utilizando un portador de calor [10]-[12] (procesos como el presentado en [13] combina los enfoques (i) y (iii)). Regarding the solar gasifiers that have been proposed to date, they can be classified depending on how the solar energy comes into contact with the reactants into: directly irradiated gasifiers [3]—[7], in which the fuel is exposed directly to the radiation, and indirectly irradiated, in which the radiation hits an intermediate material. Within the indirectly irradiated, three approaches have been proposed: (i) irradiating the external walls of the reactor [8]; (ii) using a two-cavity reactor [9] and (iii) using a heat carrier [10]-[12] (processes such as the one presented in [13] combine approaches (i) and (iii)).

A pesar de las ventajas mencionadas, los gasificadores solares no han alcanzado el desarrollo comercial debido a varios retos y dificultades que aun entrañan su diseño y operación, entre ellos, la necesidad de transferir el calor a la velocidad adecuada y el funcionamiento en continuo del gasificador teniendo en cuenta el carácter intermitente de la energía solar.Despite the aforementioned advantages, solar gasifiers have not reached commercial development due to several challenges and difficulties that still entail their design and operation, among them, the need to transfer heat at the appropriate speed and the continuous operation of the gasifier. taking into account the intermittent nature of solar energy.

El primer intento de abordar el problema de la intermitencia solar, con el fin de garantizar una operación de gasificación en continuo, fue llevado a cabo por Bruckner en 1985 [14], Su propuesta se basaba en desacoplar el reactor del receptor solar mediante el uso de dos fluidos caloportadores: escorias fundidas que se calentaban en un receptor solar de torre y se almacenaban (el almacenamiento térmico tenía una capacidad de 16 h) y una corriente de vapor que se utilizaba como HTF entre el almacenamiento y el gasificador. El vapor actuaba también como reactivo en la gasificación del carbón, aunque solo una pequeña fracción del mismo se convertía (18 %) mientras que el resto era recirculado (previa recuperación de calor).The first attempt to address the problem of solar intermittency, in order to guarantee a continuous gasification operation, was carried out by Bruckner in 1985 [14]. His proposal was based on decoupling the reactor from the solar receiver by using of two heat transfer fluids: molten slag that was heated in a solar tower receiver and stored (the thermal storage had a capacity of 16 h) and a steam stream that was used as HTF between the storage and the gasifier. The steam also acted as a reagent in the gasification of the coal, although only a small fraction of it was converted (18%) while the rest was recirculated (after heat recovery).

Posterior al intento de Bruckner han surgido otros dos conceptos cercanos [10], [11], [15], en los que se simplifica el sistema utilizando únicamente partículas sólidas como fluido caloportador. El concepto presentado por Guo et al. [10], [11] plantea un proceso de gasificación solar en DFBG para la producción de combustibles líquidos por medio de Fisher Tropsch. La idea se basa en la posibilidad de circular los sólidos que salen de la unidad de combustión del DFBG directamente a la unidad de gasificación, como en un DFBG convencional, o bien dirigirlos a un receptor solar en el que se aumenta su carga térmica antes de ser circulados de nuevo al gasificador. Dos depósitos de sólidos intermedios (uno para los sólidos templados que salen del combustor y otro para los sólidos calientes procedentes del receptor solar) permiten amortiguar la intermitencia del recurso solar en el proceso. A pesar de que los trabajos de Guo et al. son los primeros en los que se plantea un concepto de gasificador solar de esta tipología, sus estudios se centran en el análisis del desempeño solar en el proceso global de síntesis de líquidos de Fischer-Tropsch donde, la conversión del char es tratada meramente como parámetro constante en el tiempo (e independiente del recurso solar).After Bruckner's attempt, two other close concepts have emerged [10], [11], [15], in which the system is simplified by using only solid particles as heat transfer fluid. The concept presented by Guo et al. [10], [11] propose a solar gasification process in DFBG for the production of liquid fuels through Fisher Tropsch. The idea is based on the possibility of circulating the solids leaving the DFBG combustion unit directly to the gasification unit, as in a conventional DFBG, or directing them to a solar receiver in which their thermal load is increased before be circulated back to the gasifier. Two intermediate solids tanks (one for the warm solids coming out of the combustor and another for the hot solids coming from the solar receiver) make it possible to cushion the intermittency of the solar resource in the process. Although the works of Guo et al. They are the first to propose a solar gasifier concept of this type. Their studies focus on the analysis of solar performance in the overall Fischer-Tropsch liquid synthesis process where the char conversion is treated merely as a parameter. constant over time (and independent of the solar resource).

Un concepto similar al de Guo et al. se ha propuesto recientemente [16], [17], El procedimiento combina la tecnología de los lechos fluidizados duales con la tecnología de los receptores solares de torre. Partículas sólidas (de tipo B según la clasificación de Geldart) actúan como HTF circulando entre el receptor solar y el gasificador. Para amortiguar la intermitencia solar se usan dos tanques: el tanque de material caliente, en el que se almacenan los sólidos que han sido calentados en el receptor solar, y el tanque de material templado, en el que se almacenan los sólidos extraídos del DFBG. El concepto de gasificación solar fue analizado a partir de un modelo de gasificación, identificando el rango de condiciones de operación razonables para llevar a cabo el proceso. Además, se estudió de forma genérica el desempeño del concepto (sin conocer aún la geometría, el diseño, ni el procedimiento de operación de la unidad) unido a un campo solar de referencia para conocer las dimensiones del campo solar, así como el tamaño de almacenamiento térmico que permitiría operar un proceso de gasificación solar de biomasa de referencia. Por otro lado, en [18] (donde se desarrolla y valida un modelo hidrodinámico de una unidad experimental fría de un DFBG convencional) se identifican los principales problemas (relacionados con la hidrodinámica) que surgen al intentar implementar el concepto de gasificación solar en un DFBG.A concept similar to that of Guo et al. has been recently proposed [16], [17]. The procedure combines the technology of dual fluidized beds with the technology of solar tower receivers. Solid particles (type B according to the Geldart classification) act as HTF circulating between the solar receiver and the gasifier. To dampen solar intermittency, two tanks are used: the hot material tank, in which the solids that have been heated in the solar receiver are stored, and the warm material tank, in which the solids extracted from the DFBG are stored. The concept of solar gasification was analyzed based on a gasification model, identifying the range of reasonable operating conditions to carry out the process. In addition, the performance of the concept was studied in a generic way (without yet knowing the geometry, design, or operating procedure of the unit) together with a reference solar field to know the dimensions of the solar field, as well as the size of thermal storage that would allow a reference biomass solar gasification process to operate. On the other hand, in [18] (where a hydrodynamic model of a cold experimental unit of a conventional DFBG is developed and validated) the main problems (related to hydrodynamics) that arise when trying to implement the concept of solar gasification in a conventional DFBG are identified. DFBG.

Hasta la fecha, en ningún trabajo se ha explicado cómo llevar a cabo el diseño y la operación real de un reactor que permita implementar en la práctica la idea esbozada de forma general en [16], [17] y [18], Es decir, no existe ninguna solución técnica que permita realizar la hibridación de la gasificación de biomasa con energía solar mediante el uso de partículas sólidas como HTF permitiendo la operación continua de la unidad, independientemente del aporte de calor externo (recurso solar).To date, no work has explained how to carry out the design and actual operation of a reactor that allows the idea generally outlined in [16], [17] and [18] to be implemented in practice. That is, , there is no technical solution that allows the hybridization of biomass gasification with solar energy through the use of solid particles such as HTF, allowing the continuous operation of the unit, regardless of the external heat input (solar resource).

[1] J. Karl and T. Proll, ''Steam gasification of biomass in dual fluidized bed gasifiers: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018, doi: 10.1016/j.rser.2018.09.010.[1] J. Karl and T. Proll, ''Steam gasification of biomass in dual fluidized bed gasifiers: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018, doi: 10.1016/j.rser.2018.09.010.

[2] J. Corella, J. M. Toledo, and G. Molina, “A review on dual fluidized-bed biomass gasifiers,” Ind. Eng. Chem. [2] J. Corella, JM Toledo, and G. Molina, “A review on dual fluidized-bed biomass gasifiers,” Ind. Eng. Chem.

Res., vol. 46, no. 21, pp. 6831-6839, 2007, doi: 10.1021/ie0705507. Res., vol. 46, no. 21, pp. 6831-6839, 2007, doi: 10.1021/ie0705507.

[3] R. W. Taylor, R. Berjoan, and J. P. Coutures, “Solar gasification of carbonaceous materials,” Sol. Energy, vol. 30, no. 6, pp. 513-525, 1983, doi: 10.1016/0038-092X(83)90063-4.[3] RW Taylor, R. Berjoan, and JP Coutures, “Solar gasification of carbonaceous materials,” Sol. Energy, vol. 30, no. 6, pp. 513-525, 1983, doi: 10.1016/0038-092X(83)90063-4.

[4] J. P. Murray and E. A. Fletcher, “Reaction of steam with cellulose in a fluidized bed using concentrated sunlight,” Energy, vol. 19, no. 10, pp. 1083-1098, 1994, doi: 10.1016/0360-5442(94)90097-3.[4] JP Murray and EA Fletcher, “Reaction of steam with cellulose in a fluidized bed using concentrated sunlight,” Energy, vol. 19, no. 10, pp. 1083-1098, 1994, doi: 10.1016/0360-5442(94)90097-3.

[5] G. J. Nathan, B. B. Dally, Z. T. Alwahabi, P. J. Van Eyk, M. Jafarian, and P. J. Ashman, “Research challenges in combustion and gasification arising from emerging technologies employing directly irradiated concentrating solar thermal radiation,” Proc. Combust. Inst., vol. 36, no. 2, pp. 2055-2074, 2017, doi: 10.1016/j.proci.2016.07.044. [5] GJ Nathan, BB Dally, ZT Alwahabi, PJ Van Eyk, M. Jafarian, and PJ Ashman, “Research challenges in combustion and gasification arising from emerging technologies employing directly irradiated concentrating solar thermal radiation,” Proc. Fuel Inst., vol. 36, no. 2, pp. 2055-2074, 2017, doi: 10.1016/j.proci.2016.07.044.

[6] T. Kodama, “High-temperature solar chemistry for converting solar heat to Chemical fuels,” Prog. Energy Combust. Sci., vol. 29, no. 6, pp. 567-597, 2003, doi: 10.1016/S0360-1285(03)00059-5.[6] T. Kodama, “High-temperature solar chemistry for converting solar heat to Chemical fuels,” Prog. Energy Combust. Sci., vol. 29, no. 6, pp. 567-597, 2003, doi: 10.1016/S0360-1285(03)00059-5.

[7] K. ZENG et al., “Concentrated solar gasification biomass system for synthesis gas preparation and metal smelting,” CN109355108A, 2019.[7] K. ZENG et al., “Concentrated solar gasification biomass system for synthesis gas preparation and metal smelting,” CN109355108A, 2019.

[8] G. Flamant et al., “Dense suspension of solid particles as a new heat transfer fluid for concentrated solar thermal plants: On-sun proof of concept,” Chem. Eng. Sci., vol. 102, pp. 567-576, 2013, doi: 10.1016/j.ces.2013.08.051.[8] G. Flamant et al., “Dense suspension of solid particles as a new heat transfer fluid for concentrated solar thermal plants: On-sun proof of concept,” Chem. Eng. Sci., vol. 102, pp. 567-576, 2013, doi: 10.1016/j.ces.2013.08.051.

[9] E. D. Gordillo and A. Belghit, “A bubbling fluidized bed solar reactor model of biomass char high temperature steam-only gasification,” Fuel Process. Technol., vol. 92, no. 3, pp. 314-321, 2011, doi: 10.1016/j.fuproc.2010.09.021.[9] ED Gordillo and A. Belghit, “A bubbling fluidized bed solar reactor model of biomass char high temperature steam-only gasification,” Fuel Process. Technol., vol. 92, no. 3, pp. 314-321, 2011, doi: 10.1016/j.fuproc.2010.09.021.

[10] P. Guo, P. J. Van Eyk, W. L. Saw, P. J. Ashman, G. J. Nathan, and E. B. Stechel, “Performance assessment of Fischer-Tropsch liquid fuels production by solar hybridized dual fluidized bed gasification of lignite,” Energy and Fuels, vol. 29, no. 4, pp. 2738-2751, 2015, doi: 10.1021/acs.energyfuels.5b00007.[10] P. Guo, PJ Van Eyk, WL Saw, PJ Ashman, GJ Nathan, and EB Stechel, “Performance assessment of Fischer-Tropsch liquid fuels production by solar hybridized dual fluidized bed gasification of lignite,” Energy and Fuels, vol . 29, no. 4, pp. 2738-2751, 2015, doi: 10.1021/acs.energyfuels.5b00007.

[11] P. Guo, W. L. Saw, P. J. Van Eyk, E. B. Stechel, P. J. Ashman, and G. J. Nathan, “System Optimization for Fischer-Tropsch Liquid Fuels Production via Solar Hybridized Dual Fluidized Bed Gasification of Solid Fuels,” Energy and Fuels, vol. 31, no. 2, pp. 2033-2043, 2017, doi: 10.1021/acs.energyfuels.6b01755.[11] P. Guo, WL Saw, PJ Van Eyk, EB Stechel, PJ Ashman, and GJ Nathan, “System Optimization for Fischer-Tropsch Liquid Fuels Production via Solar Hybridized Dual Fluidized Bed Gasification of Solid Fuels,” Energy and Fuels, vol. 31, no. 2, pp. 2033-2043, 2017, doi: 10.1021/acs.energyfuels.6b01755.

[12] P. LYU, X. SONG, Y. BAI, J. WANG, W. SU, and G. YU, “System and a method for co-producing oil and gas by grading conversion of biomass heated by solar energy,” CN113444536A.[12] P. LYU, X. SONG, Y. BAI, J. WANG, W. SU, and G. YU, “System and a method for co-producing oil and gas by graduating conversion of biomass heated by solar energy, ” CN113444536A.

[13] F. PENG, L. YONGJUN, Z. YUCHUN, and W. BING, “System for Producing High-Quality Gas,” US 2021/0115345 Al, 2021.[13] F. PENG, L. YONGJUN, Z. YUCHUN, and W. BING, “System for Producing High-Quality Gas,” US 2021/0115345 Al, 2021.

[14] A. P. Bruckner, “Continuous duty solar coal gasification system using molten slag and direct-contact heat exchange,” Sol. Energy, vol. 34, no. 3, pp. 239-247, 1985, doi: 10.1016/0038-092X(85)90061-1.[14] A. P. Bruckner, “Continuous duty solar coal gasification system using molten slag and direct-contact heat exchange,” Sol. Energy, vol. 34, no. 3, pp. 239-247, 1985, doi: 10.1016/0038-092X(85)90061-1.

[15] A. Nzihou, G. Flamant, and B. Stanmore, “Synthetic fuels from biomass using concentrated solar energy - A review,” Energy, vol. 42, no. 1, pp. 121-131, 2012, doi: 10.1016/j.energy.2012.03.077.[15] A. Nzihou, G. Flamant, and B. Stanmore, “Synthetic fuels from biomass using concentrated solar energy - A review,” Energy, vol. 42, no. 1, pp. 121-131, 2012, doi: 10.1016/j.energy.2012.03.077.

[16] M. Suárez-Almeida, A. Gómez-Barea, A. F. Ghoniem, and C. Pfeifer, “Solar gasification of biomass in a dual fluidized bed,” Chem. Eng. J., vol. 406, 2021, doi: 10.1016/j.cej.2020.126665.[16] M. Suárez-Almeida, A. Gómez-Barea, A. F. Ghoniem, and C. Pfeifer, “Solar gasification of biomass in a dual fluidized bed,” Chem. Eng. J., vol. 406, 2021, doi: 10.1016/j.cej.2020.126665.

[17] A. Gómez-Barea, M. Suárez-Almeida, and A. Ghoniem, “Analysis of fluidized bed gasification of biomass assisted by solar-heated particles,” Biomass Convers. Biorefinery, vol. 11, no. 1, pp. 143-158, 2021, doi: 10.1007/s13399-020-00865-0.[17] A. Gómez-Barea, M. Suárez-Almeida, and A. Ghoniem, “Analysis of fluidized bed gasification of biomass assisted by solar-heated particles,” Biomass Convers. Biorefinery, vol. 11, no. 1, pp. 143-158, 2021, doi: 10.1007/s13399-020-00865-0.

[18] M. Suárez-Almeida, A. Gómez-Barea, C. Pfeifer, and B. Leckner, “Fluid dynamic analysis of dual fluidized bed gasifier for solar applications,” Powder Technol., vol. 390, pp. 482-495, 2021, doi: 10.1016/j.powtec.2021.05.032.[18] M. Suárez-Almeida, A. Gómez-Barea, C. Pfeifer, and B. Leckner, “Fluid dynamic analysis of dual fluidized bed gasifier for solar applications,” Powder Technol., vol. 390, pp. 482-495, 2021, doi: 10.1016/j.powtec.2021.05.032.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invención pretende solucionar alguno de los problemas mencionados en el estado de la técnica. Más en particular, en un primer aspecto de la presente invención se describe un módulo de lecho fluidizado dual para la gasificación de biomasa hibridado con aportación energética procedente de una fuente solar. El módulo de lecho fluidizado dual propuesto presenta flexibilidad a distintas cargas térmicas, por lo que permite trabajar en continuo incluso bajo fuertes intermitencias en la aportación de energía exterior, en este caso, de energía solar.The present invention aims to solve some of the problems mentioned in the state of the art. More particularly, in a first aspect of the present invention a dual fluidized bed module for the gasification of hybridized biomass with energy input from a solar source. The proposed dual fluidized bed module presents flexibility to different thermal loads, which allows it to work continuously even under strong intermittencies in the contribution of external energy, in this case, solar energy.

El módulo de lecho fluidizado dual comprende una unidad de gasificación que opera como lecho fluidizado burbujeante y es alimentada por biomasa, vapor y por unas partículas sólidas caloportadoras que son previamente calentadas en una unidad de energía solar de concentración o en la unidad de combustión, generando así un syngas de salida y un residuo carbonoso conocido como char. The dual fluidized bed module comprises a gasification unit that operates as a bubbling fluidized bed and is fed by biomass, steam and solid heat transfer particles that are previously heated in a concentrating solar energy unit or in the combustion unit, generating thus an output syngas and a carbonaceous residue known as char.

Asimismo, el módulo comprende una unidad de combustión dotada de un tubo ascendente de combustión, dicha unidad de combustión opera como lecho fluidizado circulante y está configurada para quemar, mediante una combustión con aire/aire enriquecido, el char generado en la unidad de gasificación.Likewise, the module comprises a combustion unit provided with a combustion riser tube, said combustion unit operates as a circulating fluidized bed and is configured to burn, through combustion with air/enriched air, the char generated in the gasification unit.

Ambas unidades descritas están unidas entre sí por sendas cámaras de sellado (conocidas en la técnica como “loop seáis” por su denominación en inglés).Both units described are linked to each other by separate sealing chambers (known in the art as “loop seais” due to its name in English).

La primera cámara de sellado o cámara de sellado inferior conecta la unidad de gasificación con la unidad de combustión sellando ambas unidades de forma estanca a los gases, evitando el paso de gases entre ambas unidades.The first sealing chamber or lower sealing chamber connects the gasification unit with the combustion unit, sealing both units in a gas-tight manner, preventing the passage of gases between both units.

Asimismo, dicha primera cámara de sellado es alimentada con vapor (o aire, según el proceso) para circular una corriente de sólidos que comprende el char desde la unidad de gasificación hasta la unidad de combustión a través de una cámara de suministro inferior y una cámara de reciclo inferior.Likewise, said first sealing chamber is fed with steam (or air, depending on the process) to circulate a stream of solids comprising the char from the gasification unit to the combustion unit through a lower supply chamber and a chamber lower recycle.

La segunda cámara de sellado o cámara de sellado superior conecta la unidad de combustión con la unidad de gasificación, la cual es alimentada con vapor, permite la circulación del material sólido desde la unidad de combustión hasta la unidad de gasificación e impide que los gases pasen de una unidad a otra (sellado de gas). Este trasiego de sólidos permite recuperar la energía de la combustión para ser usada en la gasificación y finalmente incorporarse al syngas. The second sealing chamber or upper sealing chamber connects the combustion unit with the gasification unit, which is fed with steam, allows the circulation of solid material from the combustion unit to the gasification unit and prevents gases from passing through. from one unit to another (gas sealing). This transfer of solids allows the combustion energy to be recovered to be used in gasification and finally incorporated into the syngas.

Un ciclón operativamente conectado a la unidad de combustión y a la segunda cámara de sellado, separa los gases de combustión de los materiales sólidos procedentes del lecho de la unidad de combustión.A cyclone operatively connected to the combustion unit and the second sealing chamber separates the combustion gases from the solid materials coming from the bed of the combustion unit.

A mayor fracción de energía solar introducida en el sistema, menor cantidad de char residual es necesaria quemar en la unidad de combustión. Además, esto permite aumentar la fracción de carbono en el syngas (disminuyendo la que sale en forma de CO2 con los gases de combustión). Ello permite aumentar la cantidad de carbono capturado ya que, en aplicaciones de síntesis, el acondicionamiento del gas permite extraer el CO2 para su secuestro (CCS) o su uso (CCSU). Este aspecto es una gran ventaja respecto a la gasificación convencional (no solar) llevada a cabo en DFBG, donde la fracción del combustible que acaba en forma CO2 en el gas de combustión es mucho mayor y no se puede separar de forma económica al estar muy diluida en nitrógeno.The greater the fraction of solar energy introduced into the system, the less residual char needs to be burned in the combustion unit. Furthermore, this allows increasing the fraction of carbon in the syngas (reducing that which comes out in the form of CO 2 with the combustion gases). This allows increasing the amount of carbon captured since, in synthesis applications, gas conditioning allows CO 2 to be extracted for sequestration (CCS) or use (CCSU). This aspect is a great advantage over conventional (non-solar) gasification carried out at DFBG, where the fraction of the fuel that ends up as CO 2 in the combustion gas is much higher and cannot be separated economically as it is very diluted in nitrogen.

Tal y como se ha comentado, el módulo fluidizado dual tiene por objeto producir syngas bajo cualquier carga externa de calor (en forma de partículas sólidas caloportadoras calentadas previamente con energía solar), se ha encontrado que para hacer esto posible:As mentioned, the dual fluidized module aims to produce syngas under any external heat load (in the form of solid heat transfer particles previously heated with solar energy), it has been found that to make this possible:

(i) la unidad de gasificación debe ser diseñada con la suficiente anchura para que permita alcanzar el tiempo de residencia requerido por el char para alcanzar la conversión máxima requerida (cuando el aporte de calor externo al sistema es máximo) a las condiciones de operación dadas, bajo una pérdida de carga máxima del lecho fluidizado que sea razonable y, que a la vez permita la operación en condiciones autotérmicas (mínima conversión del char) dando lugar a una pérdida de carga mínima del lecho fluidizado tal que la operación del mismo sea posible(i) the gasification unit must be designed with sufficient width to allow the residence time required by the char to be achieved to achieve the maximum required conversion (when the external heat input to the system is maximum) at the given operating conditions. , under a maximum pressure loss of the fluidized bed that is reasonable and, at the same time, allows operation in autothermal conditions (minimum char conversion) giving rise to a minimum pressure loss of the fluidized bed such that its operation is possible.

(ii) el diseño de la cámara de suministro (SC, de sus siglas en inglés “supply chamber”) del loop seal inferior con una longitud y una sección transversal tal que permita compensar (modificando la velocidad relativa gas-sólido en la SC, i.e., a partir de cambios en la circulación de sólidos del sistema y/o cambios en la alimentación de gas del loop seal inferior) la variación de pérdida de carga que tiene lugar en el sistema debido a la reducción/incremento del inventario de la unidad de gasificación fruto de la reducción/incremento del aporte de calor externo al sistema (i.e., Pérdida de carga máxima en el gasificados Pérdida de carga mínima en el gasificador)(ii) the design of the supply chamber (SC) of the lower loop signal with a length and cross section such that it allows compensation (modifying the relative gas-solid velocity in the SC, ie, from changes in the solids circulation of the system and/or changes in the gas feed of the lower signal loop) the variation of pressure loss that takes place in the system due to the reduction/increase of the unit inventory gasification result of the reduction/increase of the external heat input to the system (ie, Maximum pressure loss in the gasifier Minimum pressure loss in the gasifier)

La cámara de sellado inferior y su configuración es fundamental, regula la hidrodinámica del sistema permitiendo que pueda operar tanto en modo completamente autotérmico (sin aporte de calor externo del campo solar) como a cargas intermedias y altas de energía solar.The lower sealing chamber and its configuration is essential, it regulates the hydrodynamics of the system allowing it to operate both in completely autothermal mode (without external heat input from the solar field) and at intermediate and high solar energy loads.

La cámara de suministro inferior presenta una configuración geométrica que permite compensar variaciones de pérdidas de carga como consecuencia de fluctuaciones en el aporte de calor externo, y la unidad de gasificación es lo suficientemente ancha para alcanzar conversiones del char de hasta el 80% en tiempos de residencia de entre 1 hasta 30 minutos.The lower supply chamber has a geometric configuration that makes it possible to compensate for variations in pressure losses as a result of fluctuations in the external heat input, and the gasification unit is wide enough to achieve char conversions of up to 80% in operating times. residence of between 1 to 30 minutes.

La unidad de gasificación debe estar dimensionada para presentar unas pérdidas de cargas máximas de 300 mbar y unas pérdidas de carga mínimas de 10 mbar. Asimismo, la configuración de la cámara de suministro inferior debe ser tal que permita compensar dichas fluctuaciones de presión de la unidad de gasificación.The gasification unit must be sized to present maximum pressure losses of 300 mbar and minimum pressure losses of 10 mbar. Likewise, the configuration of the lower supply chamber must be such that it allows these pressure fluctuations of the gasification unit to be compensated.

En un primer modo de operación, la cámara de sellado inferior está configurada para ser alimentada con un caudal de sólidos que comprende el char no convertido y una corriente interna de material de lechoIn a first mode of operation, the lower seal chamber is configured to be fed with a solids flow comprising unconverted char and an internal stream of bed material.

En dicho primer modo de operación, dicha corriente de sólidos es variable y no se permite a la temperatura de la unidad de combustión fluctuar.In said first mode of operation, said solids stream is variable and the temperature of the combustion unit is not allowed to fluctuate.

En un segundo modo de operación, la cámara de sellado inferior está configurada para ser alimentada con un caudal de sólidos que comprende, además, las partículas caloportadoras de la corriente externa, donde dicho caudal de sólidos es constante, variando la temperatura de la unidad de combustión.In a second mode of operation, the lower sealing chamber is configured to be fed with a flow of solids that also includes the heat transfer particles of the external stream, where said flow of solids is constant, varying the temperature of the unit. combustion.

Preferentemente, para cualquiera de los dos modos de operación la cámara de suministro inferior (6) presenta una altura (h) entre 0.7 hasta 2 m. Preferably, for either of the two modes of operation, the lower supply chamber (6) has a height (h) between 0.7 to 2 m.

Para el primer modo de operación, la cámara de suministro inferior presenta una sección transversal que es entre un 0.03 y un 3% de la sección transversal de la unidad de gasificación.For the first mode of operation, the lower supply chamber has a cross section that is between 0.03 and 3% of the cross section of the gasification unit.

Para el segundo modo de operación, preferentemente la cámara de suministro inferior presenta una sección transversal que es entre un 0.07% y un 7% de la sección transversal de la unidad de gasificación (3).For the second mode of operation, preferably the lower supply chamber has a cross section that is between 0.07% and 7% of the cross section of the gasification unit (3).

Con cualquiera de las configuraciones arriba descritas, en un caso extremo sin aporte de fracción solar, el módulo puede operar en modo autotérmico (sin aporte de calor externo). Bajo una importante cantidad de energía solar disponible opera en modo altamente alotérmico, y en cualquier otro punto intermedio es capaz de operar variando la cantidad de char quemada en el combustor.With any of the configurations described above, in an extreme case without contribution of solar fraction, the module can operate in autothermal mode (without contribution of external heat). Under a significant amount of available solar energy it operates in a highly allothermic mode, and at any other intermediate point it is capable of operating by varying the amount of char burned in the combustor.

El módulo puede estar dotado, además, de unos primeros elementos de extracción, conectados o formando parte de la unidad de gasificación, que están configurados para extraer las partículas sólidas caloportadoras de la corriente externa.The module may also be provided with first extraction elements, connected to or forming part of the gasification unit, which are configured to extract the solid heat-transfer particles from the external stream.

Asimismo, como alternativa puede disponer de unos segundos elementos de extracción, conectados o formando parte de la unidad de combustión, que están configurados para extraer las partículas sólidas caloportadoras de la corriente externa.Likewise, as an alternative, it may have second extraction elements, connected to or forming part of the combustion unit, which are configured to extract the solid heat-carrying particles from the external stream.

Las ventajas operativas arriba mencionadas, así como otras ventajas operativas, resultarán evidentes a continuación al detallar el método de operación y la instalación objetos de la presente invención.The above-mentioned operational advantages, as well as other operational advantages, will become evident below when detailing the method of operation and the installation subject to the present invention.

En un segundo aspecto de la presente invención se describe una instalación que comprende el módulo de lecho fluidizado dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones arriba mencionadas y la unidad de energía solar de concentración.In a second aspect of the present invention, an installation is described comprising the dual fluidized bed module according to any of the above-mentioned embodiments and the concentrating solar energy unit.

Más en particular, la instalación comprende, además:More particularly, the installation further comprises:

- un primer depósito de almacenamiento que recibe un caudal conjunto de partículas sólidas caloportadoras una vez éstas han sido calentadas en la unidad de energía solar de concentración, - a first storage tank that receives a joint flow of solid heat-transfer particles once they have been heated in the concentrating solar energy unit,

- un segundo depósito de almacenamiento que recibe partículas sólidas caloportadoras a la salida de la unidad de gasificación o a la salida de la unidad de combustión,- a second storage tank that receives solid heat-transfer particles at the outlet of the gasification unit or at the outlet of the combustion unit,

donde la unidad de concentración solar comprende una pluralidad de heliostatos que concentran la radiación en un receptor de una torre solar donde se calientan las partículas sólidas caloportadoras procedentes del segundo depósito de almacenamiento.where the solar concentration unit comprises a plurality of heliostats that concentrate the radiation in a receiver of a solar tower where the solid heat-transfer particles from the second storage tank are heated.

En un tercer aspecto de la presente invención se describe un método de operación del módulo arriba descrito, que comprende las siguientes etapas:In a third aspect of the present invention, a method of operation of the module described above is described, which comprises the following steps:

- introducir biomasa, vapor, las partículas sólidas caloportadoras provenientes del primer depósito de almacenamiento y/o una corriente interna de material caloportador procedente de la unidad de combustión, en la unidad de gasificación,- introducing biomass, steam, the solid heat transfer particles from the first storage tank and/or an internal stream of heat transfer material from the combustion unit, into the gasification unit,

- convertir, en la unidad de gasificación, dicha biomasa en un syngas de salida y en un char residual generado tras la volatilización de dicha biomasa, en un tiempo de residencia del char en dicha unidad de gasificación que comprende de 1 a 30 minutos dando a lugar a conversiones del char de entre de 15-80% en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras,- convert, in the gasification unit, said biomass into an output syngas and into a residual char generated after the volatilization of said biomass, in a residence time of the char in said gasification unit that comprises from 1 to 30 minutes giving leads to char conversions of between 15-80% depending on the thermal load of the heat transfer particles,

- introducir un gas, que puede ser vapor o aire, en la cámara de sellado inferior y transportar una corriente de sólidos que comprende la corriente interna de partículas sólidas caloportadoras y char no convertido, desde la unidad de gasificación hasta la unidad de combustión a través de la cámara de sellado inferior, manteniendo la temperatura de la unidad de combustión constante, - ajustar el caudal de dicha corriente de sólidos en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras de la corriente externa para cumplir con la demanda energética de la unidad de gasificación,- introducing a gas, which may be vapor or air, into the lower sealing chamber and transporting a stream of solids comprising the internal stream of solid heat transfer particles and unconverted char, from the gasification unit to the combustion unit through of the lower sealing chamber, maintaining the temperature of the combustion unit constant, - adjust the flow rate of said stream of solids depending on the thermal load of the heat transfer particles of the external stream to meet the energy demand of the combustion unit. gasification,

- combustionar el char no convertido en la unidad de combustión con un exceso de oxígeno mínimo sobre el estequiométrico del 5%,- combust the unconverted char in the combustion unit with a minimum oxygen excess over the stoichiometric of 5%,

- introducir vapor en la segunda cámara de sellado haciendo circular material del lecho desde la unidad de combustión hasta la unidad de gasificación, transfiriendo así la energía de la combustión a la gasificación,- introducing steam into the second sealing chamber by circulating bed material from the combustion unit to the gasification unit, thus transferring combustion energy to gasification,

En un cuarto aspecto de la presente invención se describe un método de operación del módulo arriba descrito, que comprende las siguientes etapas: In a fourth aspect of the present invention, a method of operation of the module described above is described, which comprises the following steps:

- introducir biomasa, vapor y las partículas sólidas caloportadoras provenientes de un primer depósito de almacenamiento y/o una corriente interna de material caloportador procedente de la unidad de combustión, en la unidad de gasificación,- introducing biomass, steam and solid heat transfer particles from a first storage tank and/or an internal stream of heat transfer material from the combustion unit, into the gasification unit,

- convertir, en la unidad de gasificación, dicha biomasa en un syngas de salida y en un char residual generado tras la volatilización de dicha biomasa, en un tiempo de residencia del char en dicha unidad de gasificación que comprende de 1 a 30 minutos dando a lugar a conversiones del char de entre de 15-80% en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras de la corriente externa,- convert, in the gasification unit, said biomass into an output syngas and into a residual char generated after the volatilization of said biomass, in a residence time of the char in said gasification unit that comprises from 1 to 30 minutes giving lead to char conversions of between 15-80% depending on the thermal load of the heat transfer particles of the external current,

- alimentar la cámara de sellado inferior con vapor, y circular una corriente de sólidos que comprende partículas caloportadoras de la corriente externa, las partículas caloportadoras de la corriente interna, y char sin convertir, desde la unidad de gasificación hasta la unidad de combustión a través de dicha cámara de sellado inferior,- feeding the lower sealing chamber with steam, and circulating a stream of solids comprising heat transfer particles from the external stream, heat transfer particles from the internal stream, and unconverted char, from the gasification unit to the combustion unit through of said lower sealing chamber,

- mantener constante la corriente de sólidos que atraviesa la cámara de suministro inferior,- maintain a constant flow of solids passing through the lower supply chamber,

- ajustar la temperatura de la unidad de combustión en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras de la corriente externa para cumplir con la demanda energética de la unidad de gasificación,- adjust the temperature of the combustion unit depending on the thermal load of the heat transfer particles of the external current to meet the energy demand of the gasification unit,

- combustionar el char en la unidad de combustión con un exceso de oxígeno mínimo sobre el estequiométrico del 5%,- combust the char in the combustion unit with a minimum oxygen excess over the stoichiometric of 5%,

- introducir vapor en la segunda cámara de sellado haciendo circular la corriente interna de material caloportador desde la unidad de combustión hasta la unidad de gasificación, transfiriendo así la energía de la combustión a la gasificación.- introducing steam into the second sealing chamber by circulating the internal flow of heat transfer material from the combustion unit to the gasification unit, thus transferring the energy from combustion to gasification.

El modo de operación dos se lleva a cabo bajo una circulación de sólidos caloportadores constante de la unidad de gasificación a la unidad de combustión variando la temperatura de la unidad de combustión a medida que se varía el aporte de calor externo por medio de los sólidos caloportadores provenientes del primer depósito de almacenamiento (esta operación es conveniente ya que, para cualquier carga de calor externo, no solo se circula al combustor la corriente requerida para satisfacer la demanda energética por la combustión del char sino que además se circulan los sólidos caloportadores que se dirigen al segundo depósito de almacenamiento). Mode of operation two is carried out under a constant circulation of heat transfer solids from the gasification unit to the combustion unit, varying the temperature of the combustion unit as the external heat input through the heat transfer solids is varied. coming from the first storage tank (this operation is convenient since, for any external heat load, not only is the current required to satisfy the energy demand for the combustion of char circulated to the combustor, but the heat transfer solids that are go to the second storage tank).

Ambos métodos propuestos son alternativas para resolver el mismo problema, a saber, permitir la operación de un módulo fluidizado dual con una aportación solar fluctuante. En otras palabras, los métodos arriba descritos, así como el módulo propuesto, permite operar a la vez como:Both proposed methods are alternatives to solve the same problem, namely, allowing the operation of a dual fluidized module with a fluctuating solar input. In other words, the methods described above, as well as the proposed module, allow operating at the same time as:

(i) un DBFG convencional, autotérmico, en el que el calor requerido para la gasificación procede únicamente de la combustión del char, dando lugar a conversiones del char en la unidad de gasificación inferiores al 30% lo que resulta en tiempos de residencia del char en la unidad de gasificación bajos (1-5 minutos);(i) a conventional, autothermal DBFG, in which the heat required for gasification comes solely from the combustion of the char, resulting in char conversions in the gasification unit of less than 30% resulting in char residence times in the gasification unit low (1-5 minutes);

(ii) un DBFG altamente alotérmico, en el que la mayor parte del calor requerido para la gasificación procede de una fuente externa (energía solar en forma de partículas calientes) y solo una pequeña fracción se obtiene a partir de la combustión del char; esto implica que la mayor parte del char (-80%) se convierte a syngas en la unidad de gasificación, requiriendo, por tanto, un alto tiempo de residencia, por ejemplo 20-35 minutos (siendo valores muy superiores a los alcanzados en DFBG convencionales);(ii) a highly allothermic DBFG, in which most of the heat required for gasification comes from an external source (solar energy in the form of hot particles) and only a small fraction is obtained from the combustion of char; This implies that most of the char (-80%) is converted to syngas in the gasification unit, therefore requiring a high residence time, for example 20-35 minutes (being values much higher than those achieved in DFBG conventional);

(iii) además, la unidad de gasificación debe ser capaz de operar en todos los puntos intermedios de aporte de calor externo situados entre los dos extremos definidos en los apartados (i) y (ii)(iii) In addition, the gasification unit must be capable of operating at all intermediate points of external heat input located between the two extremes defined in sections (i) and (ii).

Las pérdidas de carga compensadas en la cámara de sellado se realizan modificando la velocidad relativa gas-sólido en la SC, por ejemplo, haciendo variar la circulación de sólidos del sistema (modo de operación 1) y/o haciendo variar la alimentación de vapor/aire. No obstante, la cámara de sellado debe estar dimensionada para permitir unas pérdidas de carga máximas y mínimas en un rango razonable, por ejemplo, entre 10 mbar-300 mbar.Compensated pressure losses in the sealing chamber are carried out by modifying the relative gas-solid velocity in the SC, for example, by varying the solids circulation of the system (operation mode 1) and/or by varying the steam feed/ air. However, the sealing chamber must be sized to allow maximum and minimum pressure losses in a reasonable range, for example, between 10 mbar-300 mbar.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, in accordance with a preferred example of its practical implementation, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

Figura 1.- Muestra una vista esquemática de una realización preferente del módulo de lecho fluidizado dual de acuerdo con la presente invención, donde se muestra la unidad de gasificación, la unidad de combustión, sendas cámaras de sellado y el ciclón.Figure 1.- Shows a schematic view of a preferred embodiment of the dual fluidized bed module according to the present invention, showing the gasification unit, the combustion unit, each sealing chamber and the cyclone.

Figura 2.- Muestra una vista esquemática de la instalación de una realización preferente de la presente invención, donde se muestra los depósitos de almacenamiento y la unidad de energía solar de concentración con heliostatos.Figure 2.- Shows a schematic view of the installation of a preferred embodiment of the present invention, showing the storage tanks and the concentration solar energy unit with heliostats.

Figura 3.- Muestra una vista esquemática de dos métodos distintos de operación del módulo de lecho fluidificado dual de acuerdo con la presente invención.Figure 3.- Shows a schematic view of two different methods of operation of the dual fluidized bed module according to the present invention.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

A continuación, se describe con la ayuda de las figuras 1-3, un módulo de lecho fluidizado dual, una instalación para producir syngas con almacenamiento térmico de energía solar, y un método de operación asociado a dicho módulo.Next, with the help of Figures 1-3, a dual fluidized bed module, an installation for producing syngas with thermal storage of solar energy, and an operation method associated with said module are described.

Tal y como se describe en la figura 1, un primer aspecto de la presente invención tiene por objeto un módulo de lecho fluidizado dual (2) para la obtención de syngas mediante gasificación de biomasa con una aportación energética solar, que comprende una unidad de gasificación (3) que opera como lecho fluidizado burbujeante y es alimentada por biomasa (17), vapor (18) y por unas partículas sólidas caloportadoras procedentes de una circulación interna (24) y, en caso de operación no autotérmica, además, con una corriente externa (13) de partículas caloportadoras que son previamente calentadas en una unidad de energía solar de concentración (10), generando así un syngas de salida (4) y un residuo carbonoso o char.As described in Figure 1, a first aspect of the present invention has as its object a dual fluidized bed module (2) for obtaining syngas by gasification of biomass with a solar energy contribution, which comprises a gasification unit (3) which operates as a bubbling fluidized bed and is fed by biomass (17), steam (18) and by solid heat transfer particles from an internal circulation (24) and, in the case of non-autothermal operation, also with a current external (13) of heat transfer particles that are previously heated in a concentrating solar energy unit (10), thus generating an output syngas (4) and a carbonaceous residue or char.

El módulo de lecho fluidizado dual (2), comprende, además, una unidad de combustión (5) dotada de un tubo ascendente de combustión (5’) que opera por lecho fluidizado circulante, configurado para quemar el char generado en la unidad de gasificación (3) mediante una combustión con aire/aire enriquecido (15).The dual fluidized bed module (2) also comprises a combustion unit (5) provided with a combustion riser tube (5') that operates by circulating fluidized bed, configured to burn the char generated in the gasification unit. (3) through combustion with air/enriched air (15).

Asimismo, una cámara de sellado inferior (6) conecta interiormente la unidad de gasificación (3) con la unidad de combustión (5) sellando ambas unidades (3,5) de forma estanca a los gases, donde dicha cámara de sellado inferior (6) es alimentada con vapor/aire (23) para circular el char y los sólidos caloportadores desde la unidad de gasificación (3) hasta la unidad de combustión (5) a través de una cámara de suministro inferior (6’) y una cámara de reciclo inferior (6”),Likewise, a lower sealing chamber (6) internally connects the gasification unit (3) with the combustion unit (5), sealing both units (3.5) of gas-tight form, where said lower sealing chamber (6) is fed with steam/air (23) to circulate the char and heat transfer solids from the gasification unit (3) to the combustion unit (5) through of a lower supply chamber (6') and a lower recycle chamber (6"),

Una cámara de sellado superior (7) que conecta la unidad de combustión (5) con la unidad de gasificación (3) sellando ambas unidades (3,5) de forma estanca a los gases, en el que dicha cámara de sellado superior (7) es alimentada con vapor (25) para circular una corriente interior (24) que comprende material sólido caloportador del lecho de la unidad de combustión (5), hasta la unidad de gasificación (3) a través de una cámara de suministro superior (7’) y una cámara de reciclo superior (7”),An upper sealing chamber (7) that connects the combustion unit (5) with the gasification unit (3) sealing both units (3.5) in a gas-tight manner, in which said upper sealing chamber (7 ) is fed with steam (25) to circulate an internal stream (24) that comprises solid heat transfer material from the bed of the combustion unit (5), to the gasification unit (3) through an upper supply chamber (7 ') and an upper recycle chamber (7”),

La figura 1 muestra además que el módulo de lecho fluidizado dual en la realización preferente siendo descrita, comprende, un ciclón (16) operativamente conectado a la unidad de combustión (5) y a la segunda cámara de sellado (7), donde dicho ciclón (16) separa los gases de combustión (19) de los materiales sólidos procedentes del lecho de la unidad de combustión (5).Figure 1 further shows that the dual fluidized bed module in the preferred embodiment being described, comprises a cyclone (16) operatively connected to the combustion unit (5) and to the second sealing chamber (7), where said cyclone ( 16) separates the combustion gases (19) from the solid materials from the bed of the combustion unit (5).

La cámara de suministro inferior (6’) debe presentar una configuración geométrica que permite compensar variaciones de pérdidas de carga como consecuencia de fluctuaciones en el aporte de calor externo (energía solar), y la unidad de gasificación (3) lo suficientemente ancha para conversiones de hasta el 80% del char en tiempos de residencia de entre 1 hasta 30 minutos, con pérdidas de cargas máximas de 200­ 300 mbar.The lower supply chamber (6') must have a geometric configuration that makes it possible to compensate for variations in pressure losses as a result of fluctuations in the external heat input (solar energy), and the gasification unit (3) must be wide enough for conversions. of up to 80% of the char in residence times of between 1 and 30 minutes, with maximum pressure losses of 200 300 mbar.

La figura 2 muestra un segundo aspecto de la presente invención que tiene por objeto una instalación (1) que comprende el módulo de lecho fluidizado dual (2) y la unidad de energía solar de concentración (10) arriba descritos.Figure 2 shows a second aspect of the present invention that has as its object an installation (1) comprising the dual fluidized bed module (2) and the concentrating solar energy unit (10) described above.

Además, la instalación comprende:Additionally, the installation includes:

- un primer depósito de almacenamiento (11) que recibe un caudal conjunto de partículas sólidas caloportadoras una vez éstas han sido calentadas en la unidad de energía solar de concentración (10), - a first storage tank (11) that receives a joint flow of solid heat-transfer particles once they have been heated in the concentrating solar energy unit (10),

- un segundo depósito de almacenamiento (12) que recibe partículas sólidas caloportadoras (13) a la salida de la unidad de gasificación (3) o a la salida de la unidad de combustión (5), y- a second storage tank (12) that receives solid heat-transfer particles (13) at the outlet of the gasification unit (3) or at the outlet of the combustion unit (5), and

Tal y como muestra la figura 2, la unidad de concentración solar (10) comprende una pluralidad de heliostatos (20) que concentran la radiación en un receptor de una torre solar (22) donde se calientan las partículas sólidas caloportadoras (13) procedentes del segundo depósito de almacenamiento (12).As shown in Figure 2, the solar concentration unit (10) comprises a plurality of heliostats (20) that concentrate the radiation in a receiver of a solar tower (22) where the solid heat-carrying particles (13) from the second storage tank (12).

La figura 3 muestra un diagrama de bloques para ilustrar dos modos de operación del módulo de lecho fluidizado dual, de acuerdo con la presente invención. Dichos modos de operación serán descritos en detalle a continuación.Figure 3 shows a block diagram to illustrate two modes of operation of the dual fluidized bed module, according to the present invention. These modes of operation will be described in detail below.

En un primer modo de operación, el método comprende las siguientes etapas:In a first mode of operation, the method comprises the following steps:

- introducir biomasa (17), vapor (18), las partículas sólidas caloportadoras (13) provenientes de un primer depósito de almacenamiento (11) y/o la corriente interna (24) de material caloportador de la unidad de combustión (5), en la unidad de gasificación (3),- introducing biomass (17), steam (18), the solid heat-transfer particles (13) from a first storage tank (11) and/or the internal stream (24) of heat-transfer material from the combustion unit (5), in the gasification unit (3),

- convertir, en la unidad de gasificación (3), dicha biomasa (17) en un syngas de salida (4) y en un char residual generado tras la volatilización de dicha biomasa (17), en un tiempo de residencia del char en dicha unidad de gasificación (3) que comprende de 1 a 30 minutos dando a lugar a conversiones del char de entre de 15-80% en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13),- convert, in the gasification unit (3), said biomass (17) into an output syngas (4) and into a residual char generated after the volatilization of said biomass (17), in a residence time of the char in said gasification unit (3) that lasts from 1 to 30 minutes giving rise to char conversions of between 15-80% depending on the thermal load of the heat transfer particles (13),

- introducir un gas (23) en la cámara de sellado inferior (6) y transportar una corriente de sólidos que a su vez comprende char sin convertir, y la corriente interna de partículas caloportadoras (24),- introducing a gas (23) into the lower sealing chamber (6) and transporting a stream of solids which in turn comprises unconverted char, and the internal stream of heat-transfer particles (24),

desde la unidad de gasificación (3) hasta la unidad de combustión (5) a través de dicha cámara de sellado inferior (6),from the gasification unit (3) to the combustion unit (5) through said lower sealing chamber (6),

- mantener la temperatura de la unidad de combustión (5) constante,- maintain the temperature of the combustion unit (5) constant,

- ajustar el caudal de dicha corriente de sólidos en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13) para cumplir con la demanda energética de la unidad de gasificación (3),- adjust the flow rate of said stream of solids depending on the thermal load of the heat transfer particles (13) to meet the energy demand of the gasification unit (3),

- combustionar el char en la unidad de combustión (5) con un exceso de oxígeno mínimo sobre el estequiométrico del 5%, - combust the char in the combustion unit (5) with a minimum oxygen excess over the stoichiometric of 5%,

- introducir vapor (25) en la segunda cámara de sellado (7) haciendo circular la corriente interior (24) desde la unidad de combustión (5) hasta la unidad de gasificación (3), transfiriendo así la energía de la combustión a la gasificación.- introduce steam (25) into the second sealing chamber (7) by circulating the internal current (24) from the combustion unit (5) to the gasification unit (3), thus transferring the energy from combustion to gasification .

Preferentemente, las pérdidas de carga se compensan por la variación del caudal de sólidos en la cámara de suministro inferior.Preferably, the pressure losses are compensated by the variation of the solids flow rate in the lower supply chamber.

En un segundo modo de operación, el método de operación comprende las siguientes etapas:In a second mode of operation, the operation method comprises the following steps:

- introducir biomasa (17), vapor (18) y las partículas sólidas caloportadoras (13) provenientes de un primer depósito de almacenamiento (11) y una corriente interior (24) de material caloportador de la unidad de combustión (5), en la unidad de gasificación (3),- introducing biomass (17), steam (18) and the solid heat-transfer particles (13) from a first storage tank (11) and an internal stream (24) of heat-transfer material from the combustion unit (5), into the gasification unit (3),

- convertir, en la unidad de gasificación (3), dicha biomasa (17) en un syngas de salida (4) y en un char residual generado tras la volatilización de dicha biomasa (17), en un tiempo de residencia del char en dicha unidad de gasificación (3) que comprende de 1 a 30 minutos dando a lugar a conversiones del char de entre de 15-80% en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13),- convert, in the gasification unit (3), said biomass (17) into an output syngas (4) and into a residual char generated after the volatilization of said biomass (17), in a residence time of the char in said gasification unit (3) that lasts from 1 to 30 minutes giving rise to char conversions of between 15-80% depending on the thermal load of the heat transfer particles (13),

- alimentar la cámara de sellado inferior (6) con un gas (23) que es vapor, y circular la corriente de sólidos que comprende, además, las partículas caloportadoras (13) desde la unidad de gasificación (3) hasta la unidad de combustión (5) a través de dicha cámara de sellado inferior (6),- feeding the lower sealing chamber (6) with a gas (23) that is steam, and circulating the stream of solids that also includes the heat transfer particles (13) from the gasification unit (3) to the combustion unit (5) through said lower sealing chamber (6),

- mantener constante la corriente de sólidos que atraviesa la cámara de suministro inferior (6),- maintain a constant flow of solids that passes through the lower supply chamber (6),

- ajustar la temperatura de la unidad de combustión (5) en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13) para cumplir con la demanda energética de la unidad de gasificación (3),- adjust the temperature of the combustion unit (5) depending on the thermal load of the heat transfer particles (13) to meet the energy demand of the gasification unit (3),

- combustionar el char en la unidad de combustión (5) con un exceso de oxígeno mínimo sobre el estequiométrico del 5%,- combust the char in the combustion unit (5) with a minimum oxygen excess over the stoichiometric of 5%,

- introducir vapor (25) en la segunda cámara de sellado (7) haciendo circular la corriente interna (24) desde la unidad de combustión (5) hasta la unidad de gasificación (3), transfiriendo así la energía de la combustión a la gasificación. - introduce steam (25) into the second sealing chamber (7) by circulating the internal current (24) from the combustion unit (5) to the gasification unit (3), thus transferring the energy from combustion to gasification .

Preferentemente, cualquiera de los métodos propuestos comprende una etapa de hacer variar el caudal de gas (23) alimentado a la cámara de sellado inferior (6) para compensar perdidas de carga. Como se ha detallado a lo largo del documento el caudal de gas (23) puede ser vapor o aire en algunos casos determinados, preferentemente bajo el primer modo de operación.Preferably, any of the proposed methods comprises a step of varying the gas flow rate (23) fed to the lower sealing chamber (6) to compensate for pressure losses. As has been detailed throughout the document, the gas flow (23) can be steam or air in certain cases, preferably under the first mode of operation.

EJEMPLOSEXAMPLES

Los siguientes ejemplos de aplicación sirven para ilustrar un ejemplo del módulo de lecho fluidizado dual objeto de la presente invención, pero no limita, en ningún caso, el alcance de la presente invención.The following application examples serve to illustrate an example of the dual fluidized bed module object of the present invention, but do not limit, in any case, the scope of the present invention.

Como ejemplo para ilustrar la invención se muestran los principales parámetros de diseño y operación de un módulo de lecho fluidizado dual (2) para la gasificación de biomasa (17) con vapor hibridada con energía solar, tal y como la mostrada en la figura 1, en un modo de operación de acuerdo con la primera opción de la figura 3 donde las partículas sólidas caloportadoras (13) son extraídas de la unidad de gasificación (3). La unidad de gasificación (3) de ejemplo tiene una capacidad de 10 MWt de biomasa (17), lo que supone un caudal de biomasa de 1800 kg/h con un poder calorífico superior de 20 MJ/kg.As an example to illustrate the invention, the main design and operation parameters of a dual fluidized bed module (2) for the gasification of biomass (17) with steam hybridized with solar energy are shown, as shown in Figure 1, in an operating mode according to the first option of Figure 3 where the solid heat-transfer particles (13) are extracted from the gasification unit (3). The example gasification unit (3) has a capacity of 10 MWt of biomass (17), which represents a biomass flow rate of 1800 kg/h with a higher calorific value of 20 MJ/kg.

La Tabla 1 muestra los principales parámetros de la geometría que permiten operar la unidad bajo calores externos de entre 2.4 y 0 MJ por kg de biomasa (seca y sin ceniza). Se considera que que el “l oop sea!" superior (7) puede tener una sección transversal que es la mitad que el “loop seal” inferior (6) y que para un mismo loop seal la cámara de suministro y la cámara de reciclo tienen la misma sección. La altura del “ríser” de la unidad de combustión debe ser tal que permita el arrastre de los flujos de sólidos requeridos bajo cualquier carga de calor externo, una altura de 7.5 m se puede tomar como referencia para el caso del ejemplo.Table 1 shows the main geometry parameters that allow the unit to operate under external heats of between 2.4 and 0 MJ per kg of biomass (dry and ashless). It is considered that the “l oop sea! " upper (7) can have a cross section that is half that of the lower “loop seal” (6) and that for the same loop seal the supply chamber and the recycle chamber have the same section. The height of the “riser” ” of the combustion unit must be such that it allows the entrainment of the required solid flows under any external heat load, a height of 7.5 m can be taken as a reference for the example case.

Sección unidad de gasificación (m2) 12Gasification unit section (m2) 12

Sección unidad de combustión (m2) 0.44Combustion unit section (m2) 0.44

Sección "loop seal" inferior (m2) 0.22Lower loop seal section (m2) 0.22

Altura "loop seal" inferior (m) 1.38Lower loop seal height (m) 1.38

Tabla 1. Principales parámetros geométricos de la unidad de ejemplo Table 1. Main geometric parameters of the example unit

La operación se lleva a cabo para unas temperaturas de 850 0C en la unidad de gasificación (3) y 905 0C en la unidad de combustión (5). Las partículas sólidas caloportadoras (13) provenientes del campo solar o del almacenamiento térmico entran a la unidad de gasificación (3) a 9500C.The operation is carried out for temperatures of 850 0C in the gasification unit (3) and 905 0C in the combustion unit (5). The solid heat transfer particles (13) from the solar field or thermal storage enter the gasification unit (3) at 9500C.

La unidad de gasificación (3) se fluidiza con vapor precalentado a 500oC bajo una razón vapor/biomasa de 0.44. En la unidad de combustión (5) se alimenta aire a temperatura ambiente. La cantidad de aire alimentada a la unidad de combustión (5) debe ser tal que permita la combustión completa del char que llega a la unidad de combustión (se fija un exceso mínimo sobre el aire estequiométrico del 5%) y a la vez que permita el arrastre del flujo de sólidos requerido.The gasification unit (3) is fluidized with preheated steam at 500oC under a steam/biomass ratio of 0.44. Air at room temperature is fed into the combustion unit (5). The amount of air fed to the combustion unit (5) must be such that it allows the complete combustion of the char that reaches the combustion unit (a minimum excess over the stoichiometric air of 5% is set) and at the same time allows the entrainment of the required solids flow.

Los “loop seáis” o cámaras de sellado (6,7) se alimentan con vapor a 500oC. En el “loop sea!" superior la cantidad de vapor alimentada debe ser siempre la mínima que permita circular los sólidos y evitar el dragado de gas desde la cámara de suministro a la cámara de reciclo.The “loop seais” or sealing chambers (6,7) are fed with steam at 500oC. In the upper "loop sea!" the amount of steam fed must always be the minimum that allows solids to circulate and avoid dredging of gas from the supply chamber to the recycle chamber.

El “loop sea!" inferior, bajo el modo de operación mencionado más arriba, de acuerdo con un ejemplo de diseño, operará del mismo modo ya que el cambio en la velocidad de los sólidos en la cámara de suministro al variar la carga de calor externo es suficiente para compensar los cambios de pérdida de carga de la unidad de gasificación.The lower "loop sea!" , under the mode of operation mentioned above, according to a design example, will operate in the same way since the change in the velocity of the solids in the supply chamber when varying the heat load external is sufficient to compensate for changes in pressure loss of the gasification unit.

Como partículas sólidas caloportadoras de material inerte se utiliza arena con un tamaño medio de partícula de 200 pm, densidad de 2500 kg/m3 y esfericidad de 0.87.Sand with an average particle size of 200 pm, density of 2500 kg/m3 and sphericity of 0.87 is used as solid heat-transfer particles of inert material.

La tabla 2 muestra datos del módulo de lecho fluidizado dual propuesto bajo distintas condiciones de operación, donde se demuestra que es suficientemente flexible para adaptar la operación bajo un amplio rango de aporte de calor externo al sistema. Conforme aumenta la cantidad de calor suministrado se observa como la conversión del char en la unidad de gasificación aumenta desde el 15 al 73 %. Bajo menor de cantidad de calor suministrado por las partículas sólidas caloportadoras (13), menor char es convertido, y, como consecuencia, mayor masa de partículas sólidas es recirculada a la unidad de combustión (5). Por el contrario, bajo condiciones de alta energía calorífica disponible por parte de las partículas sólidas caloportadores de material inerte, menor cantidad de cantidad material caloportador será necesario recircular a la unidad de combustión (5).Table 2 shows data of the proposed dual fluidized bed module under different operating conditions, where it is shown to be flexible enough to adapt the operation under a wide range of external heat input to the system. As the amount of heat supplied increases, it is observed that the char conversion in the gasification unit increases from 15 to 73%. Under the lower amount of heat supplied by the solid heat-carrying particles (13), less char is converted, and, as a consequence, a greater mass of solid particles is recirculated to the combustion unit (5). On the contrary, under conditions of high heat energy available from the solid heat-carrying particles of inert material, a smaller amount of heat transfer material will need to be recirculated to the combustion unit (5).

Para conseguir la máxima conversión posible (aproximadamente un 73%) se requiere de un inventario de material inerte de partículas sólidas caloportadoras en la unidad de gasificación (3), 16.5 veces superior al de la operación autotérmica (sin aportación). Además, es interesante observar cómo disminuye la pérdida de carga de la cámara de suministro (SC) del “loop sea!" inferior al aumentar el aporte de calor externo, para compensar el incremento de pérdida de carga de la unidad de gasificación (5), permitiendo que se satisfaga la operación hidrodinámicamente para todo el rango de aporte de calor externo.To achieve the maximum possible conversion (approximately 73%), an inventory of inert material of solid heat transfer particles is required in the gasification unit (3), 16.5 times greater than that of autothermal operation (without contribution). Furthermore, it is interesting to observe how the pressure loss of the supply chamber (SC) of the lower "loop sea!" decreases as the external heat input increases, to compensate for the increase in pressure loss of the gasification unit (5). , allowing the operation to be satisfied hydrodynamically for the entire range of external heat input.

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Figure imgf000020_0001

Tabla 2. Parámetros de operación de la unidad del ejemplo bajo distintos niveles de aporte de calor externo Table 2. Operating parameters of the example unit under different levels of external heat input

Considerando lo anterior expuesto, particularmente el ancho necesario de unidad de gasificación, la altura de la cámara de suministro y su sección transversal, considerados parámetros claves, y las consideraciones relativas a la configuración seleccionada para la extracción de sólidos, se obtienen los siguientes parámetros geométricos que permiten escalar unidades SDFBG:Considering the above, particularly the necessary width of the gasification unit, the height of the supply chamber and its cross section, considered key parameters, and the considerations related to the configuration selected for the extraction of solids, the following geometric parameters are obtained that allow SDFBG units to be scaled:

Tabla 3.

Figure imgf000021_0001
Parámetros adimensionales y alturas propuestas a modo de ejemplo para una realización de la invenciónTable 3.
Figure imgf000021_0001
Dimensionless parameters and exemplary proposed heights for an embodiment of the invention

**La altura del riser debe ser tal que permita el arrastre de los flujos de sólidos requeridos bajo cualquier carga de calor externo, una altura de 7.5 m se puede tomar como referencia.**The height of the riser must be such that it allows the entrainment of the required solid flows under any external heat load, a height of 7.5 m can be taken as a reference.

Donde:Where:

Ariser: sección tubo ascendente de combustiónAriser: combustion riser section

Agasifier: sección de la unidad de gasificación,Agasifier: section of the gasification unit,

ASC.LLS: sección de la cámara de suministro inferior,ASC.LLS: lower supply chamber section,

ARC.LLS: sección de la cámara de reciclaje inferior,ARC.LLS: lower recycle chamber section,

ASC.ULS: sección de la cámara de suministro superior,ASC.ULS: upper supply chamber section,

ARC.ULS: sección de la cámara de reciclaje superior,ARC.ULS: upper recycling chamber section,

hSC,LLS: altura de la cámara de suministro inferior,hSC,LLS: height of the lower supply chamber,

hriser: altura del tubo ascendente de combustión.hriser: height of the combustion riser.

De acuerdo a lo anteriormente expuesto parámetros razonables de diseño para el primer modo de operación, pueden ser:According to the above, reasonable design parameters for the first mode of operation can be:

- Gasto másico de biomasa: 150 kg h'1 mgasificador2- Mass consumption of biomass: 150 kg h'1 mgasifier2

- Pérdida de carga máxima en el gasificador: 200 mbar- Maximum pressure loss in the gasifier: 200 mbar

- Pérdida de carga mínima en el gasificador: 10 mbar - Minimum pressure loss in the gasifier: 10 mbar

- Conversión del char mínima: 16% (lo que resulta en un tiempo de residencia mínimo del char de1.1 min*)- Minimum char conversion: 16% (resulting in a minimum char residence time of 1.1 min*)

- Exceso de oxígeno (sobre el estequiométrico necesario para quemar completamente el char) mínimo en el combustor: 5%- Excess oxygen (above the stoichiometric necessary to completely burn the char) minimum in the combustor: 5%

- Agente fluidizante: aire- Fluidizing agent: air

- Velocidad superficial en el riser durante la operación autotérmica: 5 m/s- Surface speed in the riser during autothermal operation: 5 m/s

Mientras que para el modo de operación dos, pueden ser:While for operation mode two, they can be:

- Gasto másico de biomasa: 150 kg h'1 mgasificador2- Mass consumption of biomass: 150 kg h'1 mgasifier2

- Pérdida de carga máxima en el gasificador: 185 mbar- Maximum pressure loss in the gasifier: 185 mbar

- Pérdida de carga mínima en el gasificador: 25 mbar- Minimum pressure loss in the gasifier: 25 mbar

- Conversión del char mínima: 25% (lo que resulta en un tiempo de residencia mínimo del char de 2.1 min*)- Minimum char conversion: 25% (resulting in a minimum char residence time of 2.1 min*)

- Exceso de oxígeno (sobre el estequiométrico necesario para quemar completamente el char) mínimo en el combustor: 5%- Excess oxygen (above the stoichiometric necessary to completely burn the char) minimum in the combustor: 5%

- Agente fluidizante: aire enriquecido 40% O2 v/v y aire- Fluidizing agent: enriched air 40% O 2 v/v and air

- Velocidad superficial en el riser durante la operación autotérmica: 7 m/s.- Surface speed in the riser during autothermal operation: 7 m/s.

*Tiempos de residencia basados en las mismas condiciones de operación utilizadas en el ejemplo anterior. *Residence times based on the same operating conditions used in the previous example.

Claims (13)

REIVINDICACIONES 1.- Módulo (2) de lecho fluidizado dual para la obtención de syngas mediante gasificación de biomasa con una aportación energética solar materializada a través de unas partículas caloportadoras (13) cuyo aporte de calor es fluctuante, donde dicho módulo (2) comprende:1.- Dual fluidized bed module (2) for obtaining syngas through biomass gasification with a solar energy contribution materialized through heat transfer particles (13) whose heat contribution is fluctuating, where said module (2) comprises: - una unidad de gasificación (3) que opera como lecho fluidizado burbujeante y es alimentada por biomasa (17), vapor (18), una corriente interna (24) de recirculación de material de lecho caloportador, y, cuando opera bajo un modo no autotérmico, por partículas sólidas caloportadoras (13) que son previamente calentadas en una unidad de energía solar de concentración (10), generando así un syngas de salida (4) y un char sin convertir,- a gasification unit (3) that operates as a bubbling fluidized bed and is fed by biomass (17), steam (18), an internal recirculation stream (24) of heat transfer bed material, and, when operating under a non-recirculating mode autothermal, by solid heat-transfer particles (13) that are previously heated in a concentrating solar energy unit (10), thus generating an output syngas (4) and an unconverted char, - una unidad de combustión (5) dotada de un tubo ascendente de combustión (5’) que opera como lecho fluidizado circulante, configurado para quemar el char generado en la unidad de gasificación (3) mediante una combustión con aire/aire enriquecido (15),- a combustion unit (5) provided with a combustion riser tube (5') that operates as a circulating fluidized bed, configured to burn the char generated in the gasification unit (3) through combustion with air/enriched air (15 ), - una cámara de sellado inferior (6) que conecta la unidad de gasificación (3) con la unidad de combustión (5) sellando ambas unidades (3,5) de forma estanca a los gases, donde dicha cámara de sellado inferior (6) es alimentada con un gas (23) para circular una corriente de solidos desde la unidad de gasificación (3) hasta la unidad de combustión (5) a través de una cámara de suministro inferior (6’) y una cámara de reciclo inferior (6”), donde dicha corriente de sólidos comprende, al menos, char sin convertir y la corriente interna (24),- a lower sealing chamber (6) that connects the gasification unit (3) with the combustion unit (5) sealing both units (3.5) in a gas-tight manner, where said lower sealing chamber (6) It is fed with a gas (23) to circulate a stream of solids from the gasification unit (3) to the combustion unit (5) through a lower supply chamber (6') and a lower recycle chamber (6). "), where said solids stream comprises at least unconverted char and the internal stream (24), - una cámara de sellado superior (7) que conecta la unidad de combustión (5) con la unidad de gasificación (3) sellando ambas unidades (3,5) de forma estanca a los gases, en el que dicha segunda cámara de sellado (7) es alimentada con vapor (25) para circular la corriente interna (24) de la unidad de combustión (5) hasta la unidad de gasificación (3) a través de una cámara de suministro superior (7’) y una cámara de reciclo superior (7”),- an upper sealing chamber (7) that connects the combustion unit (5) with the gasification unit (3) sealing both units (3,5) in a gas-tight manner, in which said second sealing chamber ( 7) is fed with steam (25) to circulate the internal current (24) of the combustion unit (5) to the gasification unit (3) through an upper supply chamber (7') and a recycle chamber top (7”), estando dicho módulo caracterizado por que está configurado para ser usado con partículas caloportadoras (13) con una carga térmica fluctuante que generan unas fluctuaciones de presión variables en la unidad de gasificación (3) que son compensadas por la cámara de suministro inferior (6’) que está dimensionada para tal efecto, y donde la unidad de gasificación (3) es lo suficientemente ancha para alcanzar conversiones de hasta el 80% del char en tiempos de residencia de entre 1 hasta 30 minutos.said module being characterized in that it is configured to be used with heat transfer particles (13) with a fluctuating thermal load that generate variable pressure fluctuations in the gasification unit (3) that are compensated by the lower supply chamber (6'). which is sized for this purpose, and where the gasification unit (3) is wide enough to achieve conversions of up to 80% of the char in residence times of between 1 and 30 minutes. 2. - El módulo (2) de la reivindicación 1, en el que la cámara de suministro inferior (6) presenta una altura (h) entre 0.7 hasta 2 m.2. - The module (2) of claim 1, wherein the lower supply chamber (6) has a height (h) between 0.7 to 2 m. 3. - El módulo (2) de la reivindicación 1, en el que la unidad de combustión (3) opera a una temperatura constante y cámara de sellado inferior (6) compensa fluctuaciones de presión mediante:3. - The module (2) of claim 1, wherein the combustion unit (3) operates at a constant temperature and the lower sealing chamber (6) compensates for pressure fluctuations by: - una variación de la corriente de sólidos que comprende char no convertido y la corriente interna de material caloportador, y/o- a variation of the solids stream comprising unconverted char and the internal heat transfer material stream, and/or - una variación del caudal del gas (23) que comprende vapor y/o aire.- a variation in the flow rate of the gas (23) that comprises steam and/or air. 4. - El módulo (2) de la reivindicación 3, en el que la cámara de suministro inferior (6) presenta una sección transversal que es entre un 0.03 y un 3% de la sección transversal de la unidad de gasificación (3).4. - The module (2) of claim 3, wherein the lower supply chamber (6) has a cross section that is between 0.03 and 3% of the cross section of the gasification unit (3). 5. - El módulo (2) de la reivindicación 1, en el que la corriente de sólidos que atraviesa la cámara de sellado inferior (6) es constante y comprende, además, partículas caloportadoras (13), y la unidad de combustión (5) está configurada para operar a una temperatura variable.5. - The module (2) of claim 1, wherein the stream of solids that passes through the lower sealing chamber (6) is constant and also comprises heat transfer particles (13), and the combustion unit (5 ) is configured to operate at a variable temperature. 6. - El módulo (2) de la reivindicación 5, en el que la cámara de suministro inferior (6) presenta una sección transversal que es entre un 0.07% y un 7% de la sección transversal de la unidad de gasificación (3).6. - The module (2) of claim 5, wherein the lower supply chamber (6) has a cross section that is between 0.07% and 7% of the cross section of the gasification unit (3) . 7. - El módulo (2) de la reivindicación 1, que comprende un ciclón (16) operativamente conectado a la unidad de combustión (5) y a la cámara de sellado superior (7), donde dicho ciclón (16) separa los gases de combustión (19) de los materiales sólidos procedentes del lecho de la unidad de combustión (5).7. - The module (2) of claim 1, which comprises a cyclone (16) operatively connected to the combustion unit (5) and the upper sealing chamber (7), where said cyclone (16) separates the gases from combustion (19) of the solid materials from the bed of the combustion unit (5). 8. - El módulo (2) de la reivindicación 1, que comprende unos primeros elementos de extracción, conectados o formando parte de la unidad de gasificación (3), que están configurados para extraer las partículas sólidas caloportadoras (13). 8. - The module (2) of claim 1, which comprises first extraction elements, connected to or forming part of the gasification unit (3), which are configured to extract the solid heat-transfer particles (13). 9. - El módulo (2) de la reivindicación 1, que comprende unos segundos elementos de extracción, conectados o formando parte de la unidad de combustión (5), que están configurados para extraer las partículas sólidas caloportadoras (13).9. - The module (2) of claim 1, which comprises second extraction elements, connected to or forming part of the combustion unit (5), which are configured to extract the solid heat-transfer particles (13). 10. - Método de operación del de lecho fluidizado dual (2) de una cualquiera de las reivindicaciones 1a9, que comprende las etapas de:10. - Method of operation of the dual fluidized bed (2) of any one of claims 1 to 9, which comprises the steps of: - introducir biomasa (17), vapor (18), las partículas sólidas caloportadoras (13) provenientes de un primer depósito de almacenamiento (11) y la corriente interna (24) de material caloportador de la unidad de combustión (5), en la unidad de gasificación (3),- introducing biomass (17), steam (18), the solid heat-transfer particles (13) from a first storage tank (11) and the internal flow (24) of heat-transfer material from the combustion unit (5), into the gasification unit (3), - convertir, en la unidad de gasificación (3), dicha biomasa (17) en un syngas de salida (4) y en un char residual generado tras la volatilización de dicha biomasa (17), en un tiempo de residencia del char en dicha unidad de gasificación (3) que comprende de 1 a 30 minutos dando a lugar a conversiones del char de entre de 15-80% en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13),- convert, in the gasification unit (3), said biomass (17) into an output syngas (4) and into a residual char generated after the volatilization of said biomass (17), in a residence time of the char in said gasification unit (3) that lasts from 1 to 30 minutes giving rise to char conversions of between 15-80% depending on the thermal load of the heat transfer particles (13), - introducir un gas (23) en la cámara de sellado inferior (6) y transportar la corriente de sólidos desde la unidad de gasificación (3) hasta la unidad de combustión (5) a través de dicha cámara de sellado inferior (6),- introducing a gas (23) into the lower sealing chamber (6) and transporting the stream of solids from the gasification unit (3) to the combustion unit (5) through said lower sealing chamber (6), - mantener la temperatura de la unidad de combustión (5) constante,- maintain the temperature of the combustion unit (5) constant, - ajustar el caudal de dicha corriente de sólidos en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13) para cumplir con la demanda energética de la unidad de gasificación (3),- adjust the flow rate of said stream of solids depending on the thermal load of the heat transfer particles (13) to meet the energy demand of the gasification unit (3), - combustionar el char en la unidad de combustión (5) con un exceso de oxígeno mínimo sobre el estequiométrico del 5%,- combust the char in the combustion unit (5) with a minimum oxygen excess over the stoichiometric of 5%, - introducir vapor (25) en la segunda cámara de sellado (7) haciendo circular la corriente interior (24) desde la unidad de combustión (5) hasta la unidad de gasificación (3), transfiriendo así la energía de la combustión a la gasificación.- introduce steam (25) into the second sealing chamber (7) by circulating the internal current (24) from the combustion unit (5) to the gasification unit (3), thus transferring the energy from combustion to gasification . 11. Método de operación del lecho fluidizado dual (2) de una cualquiera de las reivindicaciones 1a9, que comprende:11. Method of operation of the dual fluidized bed (2) of any one of claims 1 to 9, comprising: - introducir biomasa (17), vapor (18) y las partículas sólidas caloportadoras (13) provenientes de un primer depósito de almacenamiento (11) y una corriente interior (24) de material caloportador de la unidad de combustión (5), en la unidad de gasificación (3), - introducing biomass (17), steam (18) and the solid heat-transfer particles (13) from a first storage tank (11) and an internal stream (24) of heat-transfer material from the combustion unit (5), into the gasification unit (3), - convertir, en la unidad de gasificación (3), dicha biomasa (17) en un syngas de salida (4) y en un char residual generado tras la volatilización de dicha biomasa (17), en un tiempo de residencia del char en dicha unidad de gasificación (3) que comprende de 1 a 30 minutos dando a lugar a conversiones del char de entre de 15-80% en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13),- convert, in the gasification unit (3), said biomass (17) into an output syngas (4) and into a residual char generated after the volatilization of said biomass (17), in a residence time of the char in said gasification unit (3) that lasts from 1 to 30 minutes giving rise to char conversions of between 15-80% depending on the thermal load of the heat transfer particles (13), - alimentar la cámara de sellado inferior (6) con un gas (23) que es vapor, y circular la corriente de sólidos que comprende, además, las partículas caloportadoras (13), desde la unidad de gasificación (3) hasta la unidad de combustión (5) a través de dicha cámara de sellado inferior (6),- feeding the lower sealing chamber (6) with a gas (23) that is steam, and circulating the stream of solids that also includes the heat transfer particles (13), from the gasification unit (3) to the combustion (5) through said lower sealing chamber (6), - mantener constante dicha corriente de sólidos que atraviesa la cámara de suministro inferior (6),- maintain constant said stream of solids that passes through the lower supply chamber (6), - ajustar la temperatura de la unidad de combustión (5) en función de la carga térmica de las partículas caloportadoras (13) para cumplir con la demanda energética de la unidad de gasificación (3),- adjust the temperature of the combustion unit (5) depending on the thermal load of the heat transfer particles (13) to meet the energy demand of the gasification unit (3), - combustionar el char en la unidad de combustión (5) con un exceso de oxígeno mínimo sobre el estequiométrico del 5%,- combust the char in the combustion unit (5) with a minimum oxygen excess over the stoichiometric of 5%, - introducir vapor (25) en la segunda cámara de sellado (7) haciendo circular la corriente interior (24) desde la unidad de combustión (5) hasta la unidad de gasificación (3), transfiriendo así la energía de la combustión a la gasificación.- introduce steam (25) into the second sealing chamber (7) by circulating the internal current (24) from the combustion unit (5) to the gasification unit (3), thus transferring the energy from combustion to gasification . 12. - El método de la reivindicación 11, que comprende una etapa que comprende variar el caudal de gas (23) alimentado a la cámara de sellado inferior (6) para compensar fluctuaciones de presión.12. - The method of claim 11, comprising a step comprising varying the flow rate of gas (23) fed to the lower sealing chamber (6) to compensate for pressure fluctuations. 13. - Instalación (1) que comprende el módulo de lecho fluidizado dual (2) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, la unidad de energía solar de concentración (10), y, además:13. - Installation (1) comprising the dual fluidized bed module (2) of any one of claims 1 to 9, the concentrating solar energy unit (10), and, furthermore: - un primer depósito de almacenamiento (11) que recibe un caudal conjunto de partículas sólidas caloportadoras (13) una vez éstas han sido calentadas en la unidad de energía solar de concentración (10),- a first storage tank (11) that receives a joint flow of solid heat-transfer particles (13) once they have been heated in the concentrating solar energy unit (10), - un segundo depósito de almacenamiento (12) que recibe partículas sólidas caloportadoras (13) a la salida de la unidad de gasificación (3) o a la salida de la unidad de combustión (5),- a second storage tank (12) that receives solid heat-transfer particles (13) at the outlet of the gasification unit (3) or at the outlet of the combustion unit (5), donde la unidad de concentración solar (10) comprende una pluralidad de heliostatos (20) que concentran la radiación en un receptor de una torre solar (22) donde se calientan las partículas sólidas caloportadoras procedentes del segundo depósito de almacenamiento (12). where the solar concentration unit (10) comprises a plurality of heliostats (20) that concentrate the radiation in a receiver of a solar tower (22) where it is They heat the solid heat-transfer particles from the second storage tank (12).
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SUÁREZ-ALMEIDA M ET AL. Solar gasification of biomass in a dual fluidized bed.. Chemical Engeneering Journal, 14/08/2020, Vol. 406, ISSN 1385-8947, (DOI: doi:10.1016/j.cej.2020.126665) figura 1, figura 3, sección 2.2.1, sección 4. *

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