ES2965008T3 - Proceso para producir gas de síntesis a través de conversión termoquímica de biomasa y materiales residuales - Google Patents

Proceso para producir gas de síntesis a través de conversión termoquímica de biomasa y materiales residuales Download PDF

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Wim Van Der Zande
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Abstract

La presente invención proporciona un proceso y aparato para convertir materia prima que comprende biomasa y/o material de desecho sólido que contiene carbono en gas de síntesis. El proceso comprende suministrar la materia prima a un gasificador que comprende una zona de lecho fluidizado y una zona de posgasificación y poner en contacto la materia prima con un agente de gasificación a una pluralidad de temperaturas operativas diferentes basadas en la temperatura de ablandamiento de las cenizas de la materia prima y finalmente recuperar el gas de síntesis. . El aparato está configurado para realizar el proceso y comprende una pluralidad de boquillas dispuestas en un ángulo agudo con respecto a un plano horizontal del gasificador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso para producir gas de síntesis a través de conversión termoquímica de biomasa y materiales residuales
Campo de la invención
La presente invención se refiere a procesos y aparatos para la conversión de materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en un gas de síntesis más útil. En particular, la presente invención se refiere a un proceso y aparato multietapa para la conversión termoquímica, sin requerir el uso de ningún catalizador externo, de dicha materia prima en gas de síntesis. La conversión se logra poniendo en contacto la materia prima con al menos vapor y oxígeno en una pluralidad de etapas a diferentes temperaturas de funcionamiento de una manera controlada y optimizada para lograr una conversión eficaz en gas de síntesis.
Antecedentes
Los materiales residuales tales como residuos sólidos urbanos (RSU), residuos agrícolas e industriales, etc., se depositan principalmente en vertederos y/o se incineran. Actualmente, el reciclaje de residuos está obteniendo cada vez más atención, ya que permite la reutilización de una gran parte de los materiales ya utilizados, tales como papel, algunos plásticos, vidrio, metales, etc. Sin embargo, otros materiales no reciclables se siguen vertiendo en vertederos o incinerando para recuperar parte de la energía química almacenada en ellos convirtiéndola en electricidad y calor. Sin embargo, esta energía no puede almacenarse.
Por lo tanto, existe necesidad de métodos y aparatos que puedan procesar mejor estos otros materiales no reciclables.
La gasificación de materiales residuales sólidos que contienen carbono no reciclable convierte los materiales residuales en gas de síntesis, proporcionando así la posibilidad de convertir residuos en productos más valiosos, tales como productos químicos o combustibles sintéticos. En otras palabras, la gasificación de residuos ayuda a reciclar los materiales residuales de manera diferente a los métodos de reciclaje convencionales convirtiendo el carbono en los materiales residuales en moléculas más útiles (es decir, gas de síntesis) que luego pueden sintetizarse en productos finales valiosos. En general, gasificar la biomasa y los materiales residuales puede proporcionar las siguientes ventajas a la comunidad: (1) la utilización de materiales residuales sólidos que contienen carbono en un proceso respetuoso con el medio ambiente, sin emisiones de sustancias tóxicas a la atmósfera (2) proporcionar la forma más eficiente de convertir la energía química almacenada en los residuos sólidos urbanos (RSU) en electricidad y (3) proporcionar la forma más eficiente de convertir el contenido de carbono de los RSU, o el combustible derivado de rechazos (CDR), en un producto muy valioso, tales como productos químicos o sintéticos.
El gas de síntesis es, de forma típica, una mezcla de gas combustible que consiste principalmente en hidrógeno, monóxido de carbono y muy a menudo algo de dióxido de carbono. Se usa comúnmente como un producto intermedio para crear gas natural sintético y para producir amoniaco o metanol. El gas de síntesis (singás) puede producirse por conversión termoquímica de materiales de fuentes que contienen carbono, tales como residuos forestales, residuos agrícolas, residuos industriales y urbanos, etc. En general, la gasificación de dichos materiales de fuentes que contienen carbono proporciona gas de síntesis bruto que puede incluir diversas impurezas tales como compuestos de azufre (principalmente sulfuro de hidrógeno, H2S y sulfuro de carbonilo, COS), amoniaco, compuestos de cloro (principalmente HCI), materias volátiles, alquitranes de peso molecular inferior y alto y finos (principalmente en forma de sales metálicas que contienen cenizas volantes micrométricas y submicrométricas) y partículas de ceniza (partículas que contienen carbono que suelen superar los 500 micrómetros). Es deseable poder convertir, en un proceso y aparato eficientes, biomasa y otros materiales residuales sólidos que contienen carbono en productos de gas de síntesis más útiles que a continuación puedan usarse para producir materiales valiosos, tales como metanol, gas natural sintético y/o combustibles de síntesis de fischer-tropsch.
Se han ideado diversos enfoques para producir, purificar y modificar el gas de síntesis bruto a partir de materiales carbonosos. A continuación se analizan brevemente estos enfoques existentes.
La patente US-6063355 describe un método para tratar residuos a través de dos reactores de lecho fluidizado y de combustión sucesivos. Los residuos solidificados y/o en suspensión se introducen en el lecho fluidizado con un patrón de flujo giratorio a una temperatura que varía de 450 °C a 650 °C, produciendo así materiales gaseosos y carbonosos. Estos productos se alimentan directamente a un reactor de combustión de flujo ciclónico, que está separado del reactor de lecho fluidizado, y que aumenta la temperatura hasta al menos 1300 °C para producir gas de síntesis. El gas de síntesis bruto producido en el segundo reactor se enfría luego para separar la escoria y el gas de síntesis bruto inactivado se hace pasar por un ciclón y un lavador para su posterior limpieza. Este método implica el uso de dos lechos fluidizados sucesivos que suponen costes de capital y operativos más altos.
El documento DE 4317319 A1 describe una tecnología basada en la gasificación para producir gas de síntesis bruto que se acondiciona posteriormente y se usa como alimentación para obtener productos finales alternativos tales como metanol, gas de síntesis limpio e hidrógeno. Los residuos triturados se alimentan a dos gasificadores de lecho fijo conectados en paralelo en donde la alimentación se hace reaccionar con oxígeno, vapor y dióxido de carbono en bruto a temperaturas de hasta 1200 °C. El gas de síntesis bruto producido se envía parcialmente a un gasificador de arrastre de flujo a una temperatura de 1400 °C y una presión de 26 bar (2600 kPa) y parcialmente a una unidad de carburador que consiste en etapas de lavado, recuperación de calor y enfriamiento, seguido de una unidad lavadora de gases de dos etapas, hidrólisis de COS y, por último, se usa para generación de energía. El gas de síntesis bruto producido en el gasificador de arrastre de flujo se procesa adicionalmente en una unidad de lavado de hollín, seguido de la conversión de CO, unidades de enfriamiento y lavado del gas y finalmente se usa para producir metanol. De nuevo, el uso de dos gasificadores de lecho fijo paralelos y un gasificador de arrastre de flujo da como resultado costes de capital y operativos más altos.
El documento EP 2376607 B1 describe un método para producir y tratar gas de síntesis bruto procedente de biomasa mediante un proceso de gasificación y reformado en tres etapas a una presión inferior a 10 atm (1013 kPa). La biomasa sólida se alimenta a la sección inferior, descrita como una zona de gasificación, de un reactor de lecho fluidizado en presencia de oxígeno y vapor, en donde la temperatura está en el intervalo de 500 °C a 750 °C (en la primera etapa). La porción de dicha biomasa oxidada producida en la primera etapa se trata directamente en una región de francobordo con un tiempo de residencia inferior a 8 s en presencia de oxígeno y vapor a temperaturas que varían de 800 °C a 850 °C (en la segunda etapa). La porción de dicha biomasa oxidada producida en la segunda etapa se trata después en un reformador térmico separado con gas oxidante que comprende oxígeno y vapor a una temperatura de al menos 900 °C y que no supera un máximo de 1000 °C para producir gas de síntesis bruto (en la tercera etapa). El gas de síntesis bruto producido en el reformador térmico se hace pasar a través de un ciclón, seguido de una unidad de recuperación de calor y finalmente lavadores para una mayor limpieza.
Este método tiene numerosas desventajas, tales como:
• la tercera etapa tiene lugar en un aparato reformador térmico separado, lo que significa que se requiere un reactor adicional, lo que conlleva costes de capital y operativos más altos;
• el método está restringido a la presión de funcionamiento del gasificador, que está por debajo de 10 atm (1013 kPa). Esto exige tamaños de unidades gasificadoras más grandes cuando se procesan cantidades más grandes de materia prima;
• debido a tiempos de residencia más cortos en la zona de postgasificación, los hidrocarburos más pesados no se descomponen completamente y, por lo tanto, se requiere una unidad de reformado térmico separada posterior (como se ha mencionado anteriormente); y
• la dependencia del uso de catalizadores externos y material de lecho para la gasificación aumenta los costes operativos del sistema.
El documento US 2005/0039400 A1 describe un método y un aparato para producir hidrógeno sustancialmente puro a partir de materiales carbonosos usando una membrana de permeación selectiva de hidrógeno incorporada en dos reactores de gasificación y/o en fase gas sucesivos. La materia prima carbonácea se alimenta a un gasificador de membrana en donde se introducen los agentes de gasificación desde la parte inferior del reactor, proporcionando fluidización y reacción dentro del sistema, que funciona a temperaturas típicamente en un intervalo de 700 °C a 200 °C y presiones en un intervalo de 1 a 200 atm (101 a 20265 kPa). El gas de síntesis bruto producido se pone en contacto con una membrana selectiva especial permeable al hidrógeno para separar el hidrógeno puro del retentado (fracción retenida). El gas de síntesis del efluente del gasificador se hace pasar a través de un proceso de reformado de combustible sucesivo en un reactor de desplazamiento provisto de una membrana de permeación selectiva al hidrógeno, en la que se produce hidrógeno sustancialmente puro y separado del gas de síntesis bruto. El gas de síntesis bruto retenido se trata y limpia adicionalmente en una unidad de limpieza de gas y retirada de CO2. Este proceso requiere temperaturas de funcionamiento muy altas de hasta 2000 °C y presiones de funcionamiento muy altas de hasta 200 atm (20265 kPa), lo que aumenta los costes totales de capital y los operativos. La incorporación de membranas a los reactores también puede producir problemas durante el funcionamiento, tales como la obstrucción de las membranas debido al alto contenido de cenizas de gas de síntesis bruto producidas. El uso de membranas en el gasificador también supone intervenciones de mantenimiento considerables durante el funcionamiento, lo que conduce a un mayor coste operativo.
El documento DE 10-2017-219783 A describe un dispositivo gasificador HTW diseñado para gasificar materias primas y para proporcionar gas de síntesis, con una cámara de reacción HTW y un sistema de retorno acoplado a la misma, que comprende un ciclón de retorno y al menos una línea de retorno establecida para devolver medios en un estado sólido de agregación desde el espacio de reacción HTW, en particular desde una zona de francobordo (FB), mediante el ciclón de retorno de vuelta a una zona de lecho fluidizado (LF) del espacio de reacción HTW, estando conectado el dispositivo gasificador HTW al dispositivo de recirculación de sólidos acoplado a la línea de retorno con una pluralidad de boquillas de fluidización, que están alineadas para introducir medio de inyección en la dirección del flujo de retorno de la línea de retorno.
El documento DE 19548324 A describe un proceso para la gasificación de materiales sólidos carbonáceos usando medios de gasificación que contienen oxígeno gaseoso que se lleva a cabo en un gasificador cilíndrico de lecho fluidizado cuya cámara de reacción tiene una sección inferior en forma de cono truncado invertido en el que la parte más grande del lecho fluidizado está contenida y al que se alimentan el medio de gasificación, la materia prima y los sólidos reciclados extraídos de la unidad.
El documento WO 2018/095781 A describe un sistema para convertir combustibles que contienen carbono en gas de síntesis, que comprende un reactor de gasificación que tiene al menos una zona de lecho fluidizado, en la que los combustibles se gasifican mediante agentes de gasificación adecuados, en donde se produce un flujo de cenizas que contiene carbono como producto de cola en una región inferior dispuesta por debajo de la zona de lecho fluidizado y en donde se dispone un dispositivo por debajo del reactor de gasificación, en cuyo dispositivo el producto de cola se oxida mediante la alimentación de un oxidante, en donde una cámara de combustión de lecho fluidizado adicional está dispuesta por debajo de la zona de lecho fluidizado del reactor de gasificación como dispositivo para oxidar el producto de cola.
El documento DE 29 49 533 A describe un reactor en el que se produce una reacción exotérmica y endotérmica mediante la inyección de agentes tales como oxígeno, vapor, dióxido de carbono, etc. tanto en el lecho como en la zona de reacción secundaria por encima del mismo. Los agentes de reacción se distribuyen a lo largo de la línea central de reacción en la zona de reacción secundaria para crear una temperatura uniforme por encima del lecho hasta el nivel donde se inyecta el último reactivo corriente abajo del flujo de salida. El contenido de CO y/o H2 del gas producido es tan alto como sea posible dentro de los límites establecidos por el punto de fusión de las cenizas.
Por lo tanto, existe la necesidad de procesos y aparatos que puedan convertir la materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis de una manera más eficiente, cómoda y rentable.
A este respecto, los inventores de la presente invención han descubierto que los principios de las tecnologías de alta temperatura de Winkler (HTW) pueden adaptarse para proporcionar un proceso y un aparato que convierte eficientemente la biomasa y/o el material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis. La gasificación HTW es un método ya establecido realizado a presiones elevadas y puede describirse como un proceso de gasificación de lecho fluidizado presurizado. El método HTW se usó originalmente para una amplia gama de aplicaciones pero, hasta ahora, ha habido dificultades para desarrollar las tecnologías HTW existentes para convertir eficientemente la biomasa y/o los materiales residuales sólidos que contienen carbono en gas de síntesis.
Resumen
En un aspecto de la invención, se proporciona un proceso para convertir materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis, comprendiendo el proceso las siguientes etapas:
(a) suministrar la materia prima a un gasificador, comprendiendo el gasificador una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación;
(b) poner en contacto la materia prima con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona del lecho fluidizado, a una temperatura promedio de entre aproximadamente 350-400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, para oxidar parcialmente la materia prima;
(c) poner en contacto al menos una parte del producto parcialmente oxidado producido en la etapa (b) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona del lecho fluidizado, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (b), estando la temperatura promedio entre aproximadamente 250-350 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima;
(d) poner en contacto al menos una parte del producto producido en la etapa (c) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona de postgasificación, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (c) , estando la temperatura promedio entre aproximadamente 200-300 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima;
(e) poner en contacto al menos una parte del producto producido en la etapa (d) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona de postgasificación, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (d) , estando la temperatura promedio entre aproximadamente 150-250 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, para producir el gas de síntesis; y
(f) recuperar el gas de síntesis del producto producido en la etapa (e).
El proceso según la invención proporciona una forma simple, de coste relativamente bajo y eficaz para convertir la materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis. El uso de un único gasificador que comprende tanto una zona de lecho fluidizado como una zona de postgasificación simplifica enormemente el proceso en comparación con aquellos procesos de la técnica anterior que dependen del uso de múltiples unidades, por ejemplo, un reactor y un reformador/cámara de combustión complementario. Se ha descubierto también que las temperaturas de funcionamiento anteriores proporcionan una conversión eficaz de la materia prima en gas de síntesis y permiten también flexibilidad en términos de las otras condiciones de funcionamiento en el gasificador, tales como la presión. En particular, el presente proceso permite el uso de presiones más altas, de hasta aproximadamente 3000 kPa, lo que permite el uso de unidades de tamaño pequeño y unidades más compactadas para mayor capacidad del producto. Además, las presiones de gasificación más altas son favorables para los procesos corriente abajo, tales como la síntesis de metanol, gas natural sintético o amoniaco del gas de síntesis producido -que requieren altas presiones. Por lo tanto, se requiere menos energía para hacer funcionar los procesos corriente abajo debido a las presiones más altas del gas de síntesis bruto del gasificador. Las etapas del proceso también pueden controlarse cómodamente a lo largo de las zonas del lecho fluidizado y postgasificación, lo que permite la optimización de las condiciones dependiendo de las características de la materia prima.
En una realización, el proceso comprende además una etapa de enfriamiento de al menos una parte del producto producido en la etapa (e) hasta una temperatura promedio inferior a la de la etapa (e), siendo la temperatura promedio no superior a aproximadamente 200 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima carbonosa, en donde esta etapa tiene lugar en la zona de postgasificación.
En una realización, la etapa de enfriamiento tiene lugar en una subzona de templado de la zona de postgasificación y la etapa de enfriamiento se realiza usando agua de templado o condensado del proceso.
Las dos realizaciones anteriores templan el gas de síntesis bruto, congelando o enfriando así las partículas pegajosas que se formaron a temperaturas más altas del proceso, y minimizando de este modo los problemas relevantes, incluyendo principalmente la obstrucción en el equipo de procesamiento corriente abajo, lo que aumenta la disponibilidad del gasificador. Por lo tanto, debido a una alta temperatura y a la posibilidad de fundir el material inorgánico de las cenizas arrastradas, tales como cloruros alcalinos y óxidos metálicos, el gas de síntesis bruto se envía a la subzona de templado para minimizar los problemas de aglomeración o deposición de materiales fundidos en las paredes en la región de postgasificación y unidades corriente abajo tales como el ciclón y el refrigerador de gas bruto.
En una realización, el proceso comprende además una etapa de enviar al menos una parte de un producto de cola, opcionalmente un residuo sólido pesado, producido en la etapa (b), a una subzona de sedimentación en la zona del lecho fluidizado.
En una realización, el proceso comprende además tratar el producto de cola en la subzona de sedimentación con un agente de gasificación que comprende vapor y/o CO<2>en donde, opcionalmente, el tratamiento se lleva a cabo a una temperatura promedio inferior a la de la etapa (b), siendo la temperatura promedio no mayor de aproximadamente 400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. El uso de vapor y/o CO<2>en la subzona de sedimentación ayuda a fluidizar el material del lecho alrededor de cualesquiera puntos de entrada del agente de gasificación en las regiones inferiores de la zona del lecho fluidizado para evitar puntos calientes y la aparición de canales delante de estos puntos de entrada.
En una realización, la etapa (f) comprende alimentar al menos una parte del gas de síntesis a un ciclón y separar el gas de síntesis producido del material en forma de partículas arrastrado, opcionalmente cenizas volantes o carbón, y recircular al menos una parte del material en forma de partículas a la etapa (b) en la zona de lecho fluidizado.
En una realización, el tiempo de residencia en la zona del lecho fluidizado es al menos de aproximadamente 8 minutos y el tiempo de residencia en la zona de postgasificación es de al menos aproximadamente 7 segundos. Un tiempo de residencia de al menos aproximadamente 7 segundos en la zona de postgasificación mejora la descomposición térmica de los hidrocarburos más pesados que incluyen alquitranes. Por lo tanto, el proceso puede producir de forma ventajosa gas de síntesis exento de alquitrán.
En una realización, el proceso comprende proporcionar los agentes de gasificación a través de una pluralidad de boquillas, opcionalmente toberas, en donde las boquillas están dispuestas en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal del gasificador.
En una realización, el proceso comprende además hacer funcionar el gasificador a una presión de aproximadamente 1000 kPa a 3000 kPa en donde, opcionalmente, el gasificador es un reactor revestido refractario.
En una realización, el proceso comprende además hacer funcionar el gasificador sin añadir material del lecho externo y catalizador. El proceso puede funcionar sin requerir la adición de catalizador externo. Esto es beneficioso para reducir los costes operativos y hacer que el proceso sea más sencillo de operar porque el catalizador externo añadido puede envenenarse rápidamente (en particular de impurezas presentes en la materia prima), así como ser difícil de manejar y reutilizar.
En una realización, el proceso comprende además suministrar el agente de gasificación al gasificador de manera que el contenido de oxígeno en el gasificador esté en el intervalo controlado de 0,28-0,52 Nm<3>/kg (daf) de la materia prima, de la que al menos aproximadamente el 20 % y no más de aproximadamente el 80 % se suministra a la zona del lecho fluidizado y de modo que la cantidad de vapor del gasificador está en el intervalo controlado de 0,23 0,52 Nm<3>/kg (daf) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente un 40 % y no más de aproximadamente un 80 % a la zona del lecho fluidizado.
En una realización, la materia prima suministrada es una materia prima peletizada, que opcionalmente comprende además presurizar la materia prima peletizada en un sistema de presurización antes de suministrar la materia prima a la zona del lecho fluidizado en la etapa (b). El uso de una materia prima peletizada es favorable a presiones elevadas y también proporciona una materia prima con mayor densidad de carbono que el material triturado o no peletizado.
En una realización, la zona de postgasificación está dispuesta en el gasificador por encima de la zona del lecho fluidizado, en donde la zona del lecho fluidizado está en una parte cónica del gasificador.
En una realización, el proceso comprende además realizar cada una de las etapas (b) a (e) en subzonas sustancialmente separadas dentro del gasificador.
También se describe en la presente memoria un aparato para realizar el proceso según el aspecto anterior o cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde el aparato comprende un gasificador, en donde el gasificador comprende una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación; y una pluralidad de boquillas, opcionalmente toberas, dentro del gasificador, en donde al menos una de las boquillas está dispuesta en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal del gasificador y en donde la pluralidad de boquillas están configuradas para suministrar el agente de gasificación durante el uso para generar tanto la fluidización requerida en el interior de la zona de lecho fluidizado como la pluralidad de temperaturas de funcionamiento dentro del lecho fluidizado y las zonas de postgasificación del gasificador.
El uso de dichas boquillas mejora el transporte localizado y los mecanismos de reacción a lo largo del gasificador. En particular, la disposición de las boquillas ayuda a optimizar las condiciones dentro del gasificador aumentando el craqueo de los hidrocarburos de alto peso molecular no deseables, tales como compuestos heterocíclicos, compuestos aromáticos y compuestos aromáticos policíclicos ligeros y pesados, en comparación con las boquillas típicas que están dispuestas en un plano horizontal del gasificador, e inyectan típicamente el agente de gasificación a lo largo de un plano sustancialmente horizontal del gasificador. Los hidrocarburos de alto peso molecular anteriormente mencionados son indeseables en el producto gaseoso de síntesis y, por lo tanto, mejora la calidad del producto gaseoso de síntesis.
Se proporciona también en la presente memoria como ejemplo útil para comprender la invención:
un proceso para convertir la materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis, comprendiendo el proceso suministrar la materia prima a un gasificador, comprendiendo el gasificador una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación y poner en contacto la materia prima con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en las zonas del lecho fluidizado y postgasificación, para producir gas de síntesis; en donde el proceso comprende además cualquiera de las siguientes características por sí mismas o en cualquier combinación:
• en donde la materia prima suministrada es una materia prima peletizada, que opcionalmente comprende además presurizar la materia prima peletizada en un sistema de presurización antes de suministrar la materia prima a la zona del lecho fluidizado en la etapa (b); y/o
• proporcionar los agentes de gasificación a través de una pluralidad de boquillas, opcionalmente toberas, en donde al menos una de las boquillas está dispuesta en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal del gasificador, opcionalmente además en donde las boquillas son multicapa; y/o
• que comprende además hacer funcionar el gasificador a una presión de aproximadamente 1000 kPa a 3000 kPa en donde, opcionalmente, el gasificador es un reactor revestido refractario; y/o
• en donde el tiempo de residencia en la zona del lecho fluidizado es al menos de aproximadamente 8 minutos y el tiempo de residencia en la zona de postgasificación es al menos de aproximadamente 7 segundos.
Se proporciona también en la presente memoria como un ejemplo útil para comprender la invención un aparato para convertir la materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis, comprendiendo el aparato uno cualquiera o más de los siguientes:
• medios para suministrar la materia prima a un gasificador;
• un gasificador que comprende una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación;
• al menos una boquilla, para suministrar un agente de gasificación al gasificador, dispuesta en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal del gasificador, opcionalmente una pluralidad de boquillas dispuestas de esa forma;
• una pluralidad de boquillas, para introducir agente de gasificación en el gasificador, dispuestas de forma que generen una pluralidad de subzonas de temperatura en uso dentro del gasificador, en donde opcionalmente la pluralidad de boquillas están dispuestas a lo largo de los lados del gasificador;
• una pluralidad de boquillas, para introducir agente de gasificación en el gasificador, dispuestas de forma que generen fluidización dentro de la zona del lecho fluidizado del gasificador; y/o
• medios para recuperar el gas de síntesis corriente abajo del gasificador.
Breve descripción de las figuras
Se muestran en el dibujo adjunto determinadas realizaciones de la presente invención y a continuación en la memoria se describen en detalle.
La Figura 1 muestra un proceso a modo de ejemplo y una disposición de aparato para convertir la materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis según una realización de la invención.
Descripción detallada
Se proporcionan en la presente memoria procesos y aparatos para la conversión de la materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis y según la presente invención reivindicada para resolver los problemas anteriores en los procesos y aparatos de la técnica anterior.
En la Figura 1 se muestra una realización del proceso y aparato de la presente invención.
En la Figura 1, una materia prima peletizada de biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono se alimenta al sistema por la línea 1, mediante un sistema de tolva 101 con esclusa y mediante la línea 2 al transportador 102 de tornillo de alimentación a presiones elevadas por la línea 3 al interior de la sección inferior de la zona 116 del lecho fluidizado del gasificador 103. El gasificador 103 tiene una zona 116 de lecho fluidizado y una zona 117 de postgasificación por encima (corriente abajo) de la zona 116 de lecho fluidizado. Las subzonas A, B y C están dentro de la zona 116 de lecho fluidizado, mientras que las subzonas D, E y F están dentro de la zona 117 de postgasificación. La materia prima peletizada se introduce al gasificador en la subzona B, la denominada zona de lecho fluidizado de entrada de sólidos, en la Figura 1.
El agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno (y opcionalmente también dióxido de carbono) se alimenta al gasificador 103 por la línea 4a. En la Figura 1 se muestra que el agente de gasificación se introduce en el gasificador 103 a través de la zona 116 del lecho fluidizado, aunque en realidad el agente de gasificación se introducirá en varios puntos diferentes a lo largo del gasificador 103, como se explicará más adelante con más detalle.
Aunque no se muestra en la Figura 1, el agente de gasificación se introduce en el gasificador 103 a un caudal controlado a través de boquillas de múltiples capas especializadas. La forma y cantidad de agente de gasificación introducido en el gasificador 103 dependerá de las propiedades de la materia prima a gasificar. Típicamente, el agente de gasificación se suministra al gasificador de manera que el contenido de oxígeno en el gasificador está en el intervalo controlado de 0,28-0,52 Nm3/kg (daf) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente el 20 % y no más de aproximadamente el 80 % a la zona del lecho fluidizado. En realizaciones adicionales, el agente de gasificación se suministra al gasificador de manera que el contenido de oxígeno en el gasificador está en el intervalo controlado de 0,35-0,45 Nm3/kg (daf) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente el 35 % y no más de aproximadamente el 65 % a la zona del lecho fluidizado. La temperatura de las subzonas depende de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. La temperatura de cada subzona se alcanza a través del contenido, las propiedades y cantidad de agente de gasificación (que comprende al menos oxígeno y vapor) añadidos al gasificador. No es necesario usar una fuente de calor externa y no se usa en las realizaciones preferidas.
La materia prima se trata a través de la zona 116 del lecho fluidizado y la zona 117 de postgasificación del gasificador 103 desplazándose y recibiendo tratamiento en las subzonas B, C, D, E y F (tratando el producto de cola en la subzona A y en lugar de dejarlo salir a través de la parte inferior del gasificador) antes de salir del gasificador como un producto de gas de síntesis bruto por la línea 8.
En la subzona B, denominada aquí como la zona de lecho fluidizado de entrada de sólidos, la materia prima peletizada se oxida parcialmente con el agente de gasificación que comprende oxígeno y vapor. El suministro de agente de gasificación se controla de manera que la temperatura promedio de la subzona B esté comprendida en el intervalo de 350-400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima peletizada. Antes de llevar a cabo el proceso, se calcula la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima peletizada y el suministro del agente de gasificación a través del gasificador se ajusta en consecuencia.
En la subzona B de la zona 116 del lecho fluidizado, parte de la materia prima en contacto con partículas de lecho fluidizado caliente se calienta y, debido a la expansión térmica y la abrasión física, se descompone en trocitos que, tras entrar en contacto con los agentes de gasificación se descomponen térmicamente, pasando por procesos de secado, pirólisis y oxidación de cenizas, produciendo de este modo un residuo pesado con un contenido de carbono de moderado a alto que se acumula en la subzona A de la zona 116 del lecho fluidizado, es decir, la zona de sedimentación. La temperatura promedio en la subzona A (la zona de sedimentación) es menor que la temperatura promedio en la subzona B y está entre 400-500 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. En la subzona de sedimentación, el producto de colas se trata con un agente de gasificación que comprende vapor (y CO<2>).
En la subzona A, el residuo carbonoso sólido pesado sedimenta y sale del gasificador a través de la parte inferior de la zona de lecho fluidizado (a través de las líneas 5a y 5b). Un agente de fluidización básico, normalmente gas inerte, se inyecta en la parte inferior de la subzona A, proporcionando una velocidad de fluidización que varía de 0,5 a 1,6 m/s dependiendo de las propiedades físicas del producto de cola. Mediante las líneas 5a y 5b, el residuo pesado se procesa a través de las tolvas 105 con esclusa, y a continuación a través de las líneas 6a y 6b a la unidad 106 de eliminación del producto de cola antes de salir por la línea 7c para usarse en la industria cementera o por la línea 7b hacia la caldera auxiliar 107, en donde se produce vapor a alta presión y las cenizas residuales generadas pueden usarse en la industria cementera.
En la subzona B, un gas producido parcialmente oxidado que contiene hidrocarburos de bajo y alto peso molecular en forma de compuestos volátiles y heterocíclicos (por ejemplo, fenol, cresol, quinolina, piridina), junto con compuestos aromáticos ligeros (por ejemplo, tolueno, xilenos, etilbenceno) e hidrocarburos poliaromáticos ligeros (por ejemplo, naftaleno, indeno, bifenilo, antraceno), junto con partes sin reaccionar del agente de gasificación, asciende desde la subzona B hasta la subzona más superior de la zona 116 del lecho fluidizado, la subzona C, denominada aquí como subzona de lecho muy fluidizado.
Nuevamente, el suministro de agente de gasificación a la subzona C se controla mediante las propiedades de la materia prima peletizada y el agente de gasificación de oxígeno y vapor se suministra de manera que la temperatura promedio en la subzona C es mayor que en la subzona B y 250-350 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. Esta condición proporciona un gradiente de temperatura óptimo a lo largo del reactor en la zona del lecho muy fluidizado (subzona C) en la que el gas producido procedente de la subzona B, en forma de pesadas burbujas de gas cargadas de cenizas volantes, se descompone adicionalmente y se transforma térmicamente en un producto bruto gaseoso con una fracción más alta de hidrocarburos de menor peso molecular.
En la zona 116 del lecho fluidizado, la materia prima peletizada que contiene carbono y el residuo con contenido de carbono generado se ponen en contacto con un agente de fluidización durante un período de tiempo de al menos 8 minutos para asegurar un alto grado de finalización para la oxidación parcial y las reacciones de descomposición térmica homogéneas y heterogéneas.
La materia prima peletizada que contiene carbono en la zona 116 del lecho fluidizado se oxida parcialmente y se descompone térmicamente para producir monóxido de carbono e hidrógeno, y compuestos volátiles de hidrocarburos de peso molecular principalmente más bajo junto con especies intermedias en forma de compuestos heterocíclicos, compuestos aromáticos ligeros, hidrocarburos poliaromáticos ligeros, la parte sin reaccionar del agente de gasificación y partículas arrastradas de cenizas volantes/carbón y, a continuación, pasa a la zona 117 de postgasificación del gasificador 103. Las partículas de cenizas volantes/carbón todavía con una elevada concentración de carbono, tienen materiales inorgánicos, tales como cloruros alcalinos, óxidos metálicos, etc., en forma de sales. Las partículas de cenizas volantes/carbón tienen normalmente un tamaño menor de 200 micrómetros y, por lo tanto, ascienden a la zona 117 de postgasificación. En la zona 117 de postgasificación, el material parcialmente oxidado se pone en contacto con un agente de gasificación que contiene oxígeno y vapor (y, algunas veces CO2) durante un período de al menos 7 s pasando por tres subzonas térmicas sucesivas que se detallan a continuación en la memoria.
El material transformado termoquímicamente de la zona 116 del lecho fluidizado entra en la zona 117 de postgasificación a través de la subzona D, denominada aquí subzona de cenizas volantes sólidas fuertemente cargadas/carbón, en la que la temperatura se ajusta a través de un suministro controlado de agente de gasificación de vapor y oxígeno de manera que la temperatura promedio es mayor que en la subzona C y está 200-300 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. En la subzona D, el carbono presente en las cenizas volantes del carbón se convierte además termoquímicamente en presencia de vapor y oxígeno para producir monóxido de carbono e hidrógeno donde, en paralelo, los hidrocarburos intermedios producidos en la subzona C experimentan craqueo, logrando así una alta eficiencia de conversión del carbono.
El gas bruto reformado y oxidado entra a continuación en la subzona E, en la zona 117 de postgasificación, denominada aquí subzona de cenizas volantes con carga baja, donde el suministro de agente de gasificación de vapor y oxígeno se controla de tal manera que la temperatura promedio de la subzona E es mayor que en la subzona D y 150-250 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. La subzona E se caracteriza por la conversión adicional del carbono presente en las partículas de carbón e incluso por la descomposición adicional de hidrocarburos intermedios y alquitranes presentes en forma de compuestos heterocíclicos, compuestos aromáticos ligeros e hidrocarburos poliaromáticos ligeros. Las altas temperaturas en la subzona de cenizas volantes con carga baja (subzona E) permiten una eficiencia de conversión del carbono aún mejor debido a reacciones de gasificación mejoradas que aumentan la conversión del carbono.
El producto bruto del gas de síntesis de la subzona E se pasa a través de la sección más superior del gasificador, subzona F, denominada aquí la subzona de templado. Esta subzona sigue dentro de la zona 117 de postgasificación del gasificador 103. En la subzona F, el gas de síntesis bruto se trata a una temperatura promedio de aproximadamente 200 °C a 250 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima y a una temperatura promedio inferior a la de la subzona E. En esta subzona, el gas de síntesis bruto se enfría usando agua de templado o condensado de proceso, que es suficiente para reducir la temperatura promedio por debajo del punto de reblandecimiento de las cenizas. Esto enfría el gas de síntesis bruto congelando o templando de este modo las partículas pegajosas formadas a temperaturas más altas y ayuda a minimizar los problemas de aglomeración o la deposición de materiales fundidos en las paredes en la zona 117 de postgasificación y unidades corriente abajo tales como el ciclón 104 y el refrigerador (108) de gas bruto.
El gas de síntesis bruto enfriado se extrae a continuación del gasificador 103 por la línea 8 y se hace pasar por un ciclón 104, en el que aproximadamente el 95 % del polvo arrastrado se separa y se recircula por la línea 9 a la zona 116 del lecho fluidizado del gasificador 103. En general, la recirculación de dichas partículas que comprenden compuestos inorgánicos recubiertos con carbono puede mejorar la eficiencia general de conversión del carbono aumentando el tiempo de residencia de las partículas de cenizas volantes/carbón en el gasificador.
El gas de síntesis exento de alquitrán se extrae del ciclón 104 por la línea 10 y pasa por el refrigerador 108 de gas bruto para producir vapor saturado. Parte del vapor puede reutilizarse en el proceso yendo por la línea 11 al sobrecalentador 115 y el vapor sobrecalentado se recircula al gasificador 103 por la línea 12. El gas de síntesis enfriado con una temperatura mínima de 250 °C se somete a procesamiento adicional, mejora y purificación, incluido el filtrado en la unidad de eliminación 109 de cenizas volantes y carbón en base seca por la línea 13, en donde el polvo con el tamaño de partícula mayor de 5 micrómetros se filtra y, como subproducto, se puede enviar bien a la unidad de peletización 114 de materia prima (por la línea 15a) o la industria cementera (por la línea 15b) mediante la tolva con esclusa 110 y la unidad de eliminación 111 de polvo. A través de la línea 16 hacia la unidad 112 de templado y lavado (incluidas las líneas, 17, 18, 18a y 19) donde (a) el gas de síntesis exento de alquitrán se satura, lo que es una condición favorable para el procesamiento corriente abajo, por ejemplo, el desplazamiento de CO y la hidrólisis de COS, y (b) las impurezas tales como el cloruro de hidrógeno se absorben en la solución alcalina, mientras que otras impurezas incluyen H<2>S, COS, NH<3>, HCN, etc., se eliminan parcialmente ajustando el pH de la solución alcalina. El agua ácida de la unidad 112 de templado y lavado se envía a la unidad 113 de tratamiento de aguas residuales (por la línea 18b) para un arrastre y tratamiento adicionales. El producto final de gas de síntesis se obtiene a partir de la unidad 112 de templado y lavado.
El agente de gasificación se introduce en el gasificador en varios puntos de entrada en toda la zona 116 de lecho fluidizado y la zona 117 de postgasificación. Las condiciones optimizadas en todo el gasificador se consiguen mediante el uso de boquillas multicapa especializadas (no mostradas en la Figura 1) que introducen el agente de gasificación en el gasificador en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal. El agente de gasificación se suministra en cantidad y contenido suficientes para oxidar parcialmente y descomponer termoquímicamente la materia prima peletizada y obtener gas de síntesis de alta calidad, exento de alquitrán. Como entenderá el experto en la técnica, las condiciones dentro del gasificador también pueden optimizarse adicionalmente basándose en las propiedades termoquímicas de la materia prima peletizada, tal como el contenido de carbono fijo, el valor de calentamiento, el contenido de metales y otros niveles de impurezas, etc.
El proceso y el aparato de la invención se describirán ahora con más detalle.
Proceso para la conversión de materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis
El proceso de la presente invención para convertir materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis comprende generalmente las siguientes etapas:
(a) suministrar la materia prima a un gasificador, comprendiendo el gasificador una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación;
(b) poner en contacto la materia prima con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona del lecho fluidizado, a una temperatura promedio de entre aproximadamente 350-400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, para oxidar parcialmente la materia prima;
(c) poner en contacto al menos una parte del producto parcialmente oxidado producido en la etapa (b) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona del lecho fluidizado, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (b), estando la temperatura promedio entre aproximadamente 250-350 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima;
(d) poner en contacto al menos una parte del producto producido en la etapa (c) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona de postgasificación, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (c) , estando la temperatura promedio entre aproximadamente 200-300 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima;
(e) poner en contacto al menos una parte del producto producido en la etapa (d) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona de postgasificación, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (d) , estando la temperatura promedio entre aproximadamente 150-250 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, para producir el gas de síntesis; y
(f) recuperar el gas de síntesis del producto producido en la etapa (e).
Como entenderá una persona experta en la técnica, a menos que se prohíba explícitamente en el texto explicativo de las etapas, puede haber otras etapas adicionales realizadas entre las etapas (a) y (f). Como también se entenderá, el producto de gas de síntesis en la etapa (e) normalmente estará en forma de gas de síntesis bruto (o singás) y puede ser necesario realizar varias etapas de purificación para convertir el gas de síntesis bruto en un producto de gas de síntesis de una calidad que pueda utilizarse.
Materia prima
La materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono se alimenta a la zona de lecho fluidizado del gasificador. La materia prima puede alimentarse a la zona del lecho fluidizado a través de un sistema de tolva con esclusa y transportador de tornillo de alimentación a presiones elevadas. El sistema de alimentación (no mostrado en detalle en la Figura 1) puede incluir una serie de tolvas con esclusa, alimentadores de cangilones y transportadores de tornillo que se presurizan con CO<2>. En determinadas realizaciones, el CO<2>se separa del gas de síntesis bruto durante el procesamiento corriente abajo en métodos conocidos en la técnica. En determinadas realizaciones, el CO<2>separado se reutiliza como agente de presurización en el sistema de alimentación para permitir que el sistema de alimentación funcione a una presión similar a la del gasificador.
Alternativamente, se puede usar cualquier aparato adecuado para alimentar la materia prima a la zona del lecho fluidizado del gasificador.
Cualquier materia prima adecuada que comprenda biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono es adecuada para procesarse en el proceso de la presente invención. En realizaciones alternativas, la materia prima comprende biomasa. En una realización alternativa, la materia prima comprende un material residual sólido que contiene carbono. En algunas realizaciones, la materia prima comprende solo biomasa, en otras realizaciones solo material residual sólido que contiene carbono y en realizaciones adicionales comprende una mezcla de biomasa y material residual sólido que contiene carbono.
El proceso de la presente invención permite procesar materias primas homogéneas y heterogéneas. En determinadas realizaciones, la materia prima es una materia prima homogénea. En otras realizaciones, la materia prima es una materia prima heterogénea. El término “ materia prima homogénea” se refiere a un material de origen único, por ejemplo, árboles, residuos agrícolas, astillas de madera. “ Materia prima heterogénea” se refiere a materiales de origen múltiple, por ejemplo, materiales tales como residuos de madera de los aserraderos, telas, papel, plástico, cartón, compuestos de hidrocarburos y compuestos contaminantes.
La biomasa se refiere a materiales típicamente clasificados como biomasa, es decir, materia orgánica. Los ejemplos de biomasa que pueden usarse en la invención son madera y plantas. El material residual sólido que contiene carbono se define como cualquier tipo de residuo sólido que comprenda material que contienen carbono. Los ejemplos de residuos sólidos que contienen carbono incluyen residuos tales como residuos de madera, residuos agrícolas, residuos sólidos urbanos (RSU), combustibles derivados de rechazos (CDR), lodo de aguas residuales secos y residuos industriales. Los materiales anteriores pueden procesarse en la invención solos o en combinación entre sí en una mezcla. Las materias primas preferidas incluyen: Los CDR, RSU, madera residual (preferiblemente sin tratar) y madera dura, todos los cuales pueden procesarse solos o en combinación entre sí. En particular, las materias primas preferidas se seleccionan de CDR solo, RSU solo, mezcla de CDR y RSU, CDR con plástico, madera sin tratar y madera dura. Es particularmente preferido el uso de una mezcla CDR y RSU.
Diversas materias primas diferentes que comprenden biomasa y material residual sólido que contiene carbono, y en varias formas diferentes, son materias primas adecuadas en el presente proceso. Sin embargo, particularmente preferido es el uso de una materia prima peletizada. Puede usarse cualquier método de peletización (granulación) adecuado conocido en la técnica. La materia prima peletizada se presuriza preferiblemente en un sistema de presurización antes de suministrarse al gasificador. El uso de un material peletizado no solo es favorable para procesos de gasificación a presiones elevadas, sino que también proporciona una materia prima con mayor densidad aparente que el material triturado o no peletizado. El uso de material de flujo peletizado facilita el funcionamiento a altas presiones, consiguiendo dos ventajas principales; a saber, la mayor densidad de alimentación conduce a un menor consumo de CO<2>, que es ventajoso para el proceso y mejora la fluidez del material de alimentación que puede ser importante cuando se usa un sistema de gravedad de la tolva con esclusa para la presurización. Además, existe la posibilidad de mezclar polvo con un contenido de carbono moderado a alto, retirado del proceso con materia prima peletizada, y aumentar de este modo la eficiencia general de conversión del carbono global del sistema. Existe la posibilidad de premezclar cantidades minoritarias de aditivos incluyendo, aunque no de forma limitativa, compuestos de magnesio para neutralizar impurezas tales como cloro, flúor y azufre que estén inherentemente presentes en el material que contiene carbono peletizado.
Agente de gasificación
El agente de gasificación comprende oxígeno y vapor. En determinadas realizaciones, el agente de gasificación comprende además cualquier otro agente de gasificación adecuado. En determinadas realizaciones, el agente de gasificación comprende además aire. En determinadas realizaciones, el agente de gasificación comprende además CO<2>. En determinadas realizaciones, el agente de gasificación es oxígeno y vapor; es decir, el agente de gasificación no comprende ningún otro gas sustancial (con la excepción de impurezas). Preferiblemente, el agente de gasificación es oxígeno y vapor u oxígeno, vapor y aire, con máxima preferencia oxígeno y vapor. En posibles realizaciones alternativas, el agente de gasificación es aire. El agente de gasificación se alimenta a la zona del lecho fluidizado del gasificador usando cualquier medio de alimentación adecuado.
Se prefiere que el agente de gasificación se introduzca en el gasificador a través de un caudal controlado, opcionalmente a través de un sistema de boquilla de una o varias capas, como se describe con más detalle en la presente memoria.
En algunas realizaciones, el contenido del agente de gasificación y la cantidad de agente de gasificación introducida en el gasificador dependerá de la identidad de la materia prima y sus características y propiedades. En algunas realizaciones, esto incluye propiedades de la materia prima tales como el contenido de carbono fijo, el valor de calentamiento, el punto de fusión de las cenizas y el contenido de metal y otros niveles de impurezas. En determinadas realizaciones, el contenido y la cantidad proporcionados deberían ser suficientes para oxidar parcialmente y descomponer termoquímicamente la materia prima a gas de síntesis de alta calidad exento de alquitrán, como se entenderá en la técnica. En última instancia, en realizaciones preferidas, el agente de gasificación se selecciona para que sea suficiente para convertir la materia prima en gas de síntesis bruto.
En determinadas realizaciones, sujetas a la materia prima específica que se utilice en el proceso, el agente de gasificación se suministra al gasificador para que el contenido de oxígeno en el gasificador esté en el intervalo controlado de 0,28-0,52 Nm3/kg (daf) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente el 20 % y no más de aproximadamente el 80 % a la zona del lecho fluidizado. En realizaciones adicionales, el agente de gasificación se suministra al gasificador de manera que el contenido de oxígeno en el gasificador está en el intervalo controlado de 0,35-0,45 Nm3/kg (daf) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente el 35 % y no más de aproximadamente el 65 % a la zona del lecho fluidizado.
daf o DAF = contenido exento de cenizas secas, el porcentaje en peso del material seco y exento de cenizas, se calcula de la siguiente manera:
daf = 100/(100-TM-ceniza)
donde TM = contenido de humedad total de la materia prima, ceniza = contenido de ceniza en la materia prima. El TM se calcula usando la norma ISO 18134-1 y el contenido de cenizas usando la norma ISO 18122.
En determinadas realizaciones, sujetas a la materia prima específica que se utilice en el proceso, el agente de gasificación se suministra al gasificador, de modo que la cantidad de vapor del gasificador está en el intervalo controlado de 0,23-0,52 Nm3/kg (daf) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente el 40 % y no más de aproximadamente el 80 % a la zona del lecho fluidizado. En realizaciones adicionales, sujetas a la materia prima específica que se utilice en el proceso, el agente de gasificación se suministra al gasificador para que la cantidad de vapor del gasificador esté en el intervalo controlado de 0,30-0,45 Nm3/kg (df) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente el 50 % y no más de aproximadamente el 70 % a la zona del lecho fluidizado.
Funcionamiento del gasificador
El gasificador comprende una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación, es decir, ambas zonas están presentes en un solo reactor (es decir, el gasificador). En determinadas realizaciones, la zona del lecho fluidizado está por debajo de la zona de postgasificación. Una zona de lecho fluidizado toma su significado habitual en la técnica y en la gasificación h Tw , concretamente un lecho de material en el que las propiedades durante el funcionamiento son tales que el material en el mismo se comporta como un fluido. En determinadas realizaciones, el lecho fluidizado con burbujeo incluye restos sólidos producidos internamente de materia prima gasificada, denominados aquí material de lecho. En general, los materiales de lecho tienen un tamaño de partícula que varía de aproximadamente 200 a aproximadamente 1600 micrómetros.
La zona de postgasificación como se utiliza en la presente memoria también toma su significado habitual en la técnica y en la gasificación HTW. En realizaciones preferidas, la zona de postgasificación es una zona francobordo.
En determinadas realizaciones, el gasificador comprende una porción cónica. En determinadas realizaciones, la zona del lecho fluidizado se localiza dentro de la porción cónica y la zona de postgasificación se localiza dentro de la porción no cónica. En determinadas realizaciones, la porción cónica está en un ángulo entre 3 y 12 grados. Tener la zona de lecho fluidizado situada en la parte cónica permite una velocidad del gas casi constante y un suministro de oxígeno uniforme a través de la altura del lecho fluidizado con la ventaja de las condiciones de proceso controladas que conducen a una formación de burbujas homogénea en la zona del lecho fluidizado que mejora de este modo la oxidación parcial y la descomposición térmica de la materia prima.
Las temperaturas de funcionamiento del gasificador dependen de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima a gasificar. Por lo tanto, en realizaciones preferidas, la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima a gasificar se mide antes de hacer funcionar el gasificador.
“ Temperatura de reblandecimiento de las cenizas” tiene su significado habitual en la técnica, concretamente la temperatura a la que las partículas de cenizas obtenidas de la materia prima comenzarán a deformarse (es decir, ablandarse) o fusionarse. La temperatura de reblandecimiento de las cenizas cuando se hace referencia en la presente memoria se mide experimentalmente usando el método normalizado CEN/TS 15370-1.
A continuación se proporciona la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de algunas materias primas ilustrativas en condiciones de atmósfera reductora:
Los valores anteriores se toman de materias primas particulares que se han analizado. En general, los CDR tendrán una temperatura de reblandecimiento de las cenizas que varía entre 1130 y 1230 °C y una madera típica no tratada y dura de 1150 a 1600 °C, aunque las impurezas de la misma pueden dar como resultado temperaturas de reblandecimiento de las cenizas que se encuentran fuera de estos intervalos. Por lo tanto, los intervalos de temperatura se proporcionan simplemente como intervalos aproximados.
Se ha identificado que hacer funcionar el gasificador a temperaturas basadas en la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima da como resultado una conversión altamente eficiente de la materia prima en gas de síntesis. Se ha descubierto que el funcionamiento del proceso dentro de estos intervalos de temperatura evita ventajosamente fundir la ceniza del gasificador y las partículas se vuelven pegajosas, lo que puede conducir a aglomeraciones que dañen el lecho fluidizado.
La materia prima de biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono (según se ha descrito en detalle anteriormente) se suministra al gasificador (por los medios descritos en detalle anteriormente), preferiblemente en forma peletizada. Preferiblemente, la materia prima se suministra al gasificador en la zona del lecho fluidizado, es decir, a través de un punto de entrada en la zona del lecho fluidizado. En determinadas realizaciones, la materia prima se suministra al gasificador en hasta 3 puntos de entrada diferentes dentro de la zona del lecho fluidizado. En determinadas realizaciones hay 3 puntos de entrada, en otras realizaciones 3 puntos de entrada y en realizaciones adicionales solo 1 punto de entrada.
En determinadas realizaciones, los agentes de gasificación se suministran al gasificador en múltiples localizaciones a lo largo del gasificador. En determinadas realizaciones, el agente de gasificación se suministra tanto en la zona del lecho fluidizado como en la zona de postgasificación del gasificador. En determinadas realizaciones, el agente de gasificación se suministra al gasificador en aproximadamente 2 a 15 localizaciones a lo largo del gasificador, preferiblemente de 4 a 10 localizaciones, preferiblemente de 5 a 8 localizaciones junto con el gasificador.
En determinadas realizaciones, el agente de gasificación se suministra al gasificador a través de una pluralidad de boquillas. En determinadas realizaciones, cada una de las boquillas son multicapa. En realizaciones preferidas, al menos una de las boquillas está dispuesta en un ángulo agudo con respecto a un plano horizontal del gasificador. En determinadas realizaciones, las boquillas son toberas. A continuación se proporciona más información sobre las boquillas en la sección del aparato.
En determinadas realizaciones, el gasificador funciona a presiones que varían de aproximadamente 100 a aproximadamente 3000 kPa, preferiblemente de aproximadamente 1000 a aproximadamente 2000 kPa, preferiblemente de aproximadamente 1100 a aproximadamente 1700 kPa, preferiblemente de aproximadamente 1200 a aproximadamente 1400 kPa. En determinadas realizaciones, la presión elevada permite una capacidad de producción muy alta en una unidad compactada. En determinadas realizaciones, la presión de funcionamiento en el gasificador es superior a aproximadamente 1000 kPa. En algunas realizaciones, tener una presión de funcionamiento superior a aproximadamente 1000 kPa facilita el tratamiento posterior y el procesamiento posterior del gas de síntesis a alta presión, lo que da como resultado un menor coste de capital para el procesamiento posterior típico del gas de síntesis hacia combustibles avanzados tales como biometanol.
En el proceso, la materia prima se pone en contacto con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en el gasificador a las siguientes temperaturas:
(a) suministrar la materia prima a un gasificador, comprendiendo el gasificador una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación
(b) entre aproximadamente 350-400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima para oxidar parcialmente la materia prima en la zona del lecho fluidizado;
(c) a continuación, al menos una parte del producto de la etapa (b) se trata a una temperatura más alta, estando la temperatura entre aproximadamente 250-350 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, en la zona del lecho fluidizado;
(d) a continuación, al menos una parte del producto de la etapa (c) se trata a una temperatura más alta, estando la temperatura entre aproximadamente 200-300 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, en la zona de postgasificación;
(e) a continuación, al menos una parte del producto de la etapa (d) se trata a una temperatura más alta, estando la temperatura entre aproximadamente 150-250 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, en la zona de postgasificación.
En determinadas realizaciones, cada una de las etapas anteriores tiene lugar sustancialmente en diferentes subzonas dentro del gasificador. La subzona a la que se hace referencia en este contexto se refiere a una zona dentro del lecho fluidizado o de las zonas de postgasificación. En determinadas realizaciones, cada etapa posterior tiene lugar en una subzona ubicada encima de la subzona de la etapa anterior dentro del gasificador, es decir, cada etapa tiene lugar progresivamente más arriba dentro del gasificador a medida que la materia prima asciende desde arriba del gasificador desde la zona de lecho fluidizado hasta la zona de postgasificación hasta que sale del gasificador. En el gasificador, la temperatura generalmente aumenta desde la parte inferior hasta la parte superior del gasificador, como es habitual en la técnica. Se entenderá que probablemente habrá algún solapamiento de temperaturas alrededor de los límites de cada subzona y, por lo tanto, el uso del término “ sustancialmente” anterior. De manera similar, se entenderá que puede haber algún solapamiento similar entre las zonas de lecho fluidizado y de postgasificación.
En realizaciones preferidas, hay al menos un aumento de 5 °C, o 10 °C, o 20 °C, o 30 °C, o 50 °C, de la temperatura entre cada una de las etapas (b) a (e) (es decir, entre las subzonas B a E).
En realizaciones preferidas, las subzonas térmicas o de temperatura anteriores dentro del gasificador se generan a través de la adición controlada del agente de gasificación. Es decir, que en realizaciones preferidas, no se utiliza una fuente de calor externa. Por el contrario, en las realizaciones preferidas, el agente de gasificación, que comprende oxígeno y vapor, se inyecta en el gasificador en forma y cantidad suficientes para generar la pluralidad de subzonas térmicas. En realizaciones preferidas adicionales, el agente de gasificación se inyecta en el gasificador en una forma y cantidad suficientes para oxidar eficazmente la materia prima y convertirla en el gas de síntesis del producto. En realizaciones preferidas adicionales, el agente de gasificación se proporciona en forma y cantidad adecuadas para generar la fluidización dentro de la zona del lecho fluidizado.
En determinadas realizaciones, el funcionamiento del gasificador también comprende una etapa de enfriamiento de al menos una parte del producto producido en la etapa (e) a una temperatura inferior a la temperatura en la etapa (e), siendo la temperatura no superior a aproximadamente 200 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, en donde esta etapa tiene lugar en la zona de postgasificación. En determinadas realizaciones, la etapa de enfriamiento tiene lugar en una subzona de templado de la zona de postgasificación y la etapa de enfriamiento se realiza mediante el uso de agua de templado o condensado de proceso. En realizaciones preferidas, la etapa de enfriamiento tiene lugar en una subzona por encima de la etapa (d) en la zona de postgasificación. En realizaciones preferidas, la etapa de enfriamiento tiene lugar en la parte superior de la zona de postgasificación y en la parte superior del gasificador. En realizaciones preferidas, el agua de templado o el condensado de proceso se inyecta utilizando una boquilla, preferiblemente en donde la boquilla se localiza dentro de la subzona de enfriamiento. En determinadas realizaciones, la temperatura en esta etapa es de 200 a 300 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, preferiblemente de 200 a 250 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. En realizaciones preferidas, la subzona se enfría mediante la adición del agua de templado o el condensado de proceso, preferiblemente en donde no se usa ninguna fuente de enfriamiento externa adicional.
En determinadas realizaciones, el proceso comprende además una etapa adicional de eliminar al menos una parte de un producto de cola, tal como un residuo sólido pesado, producido en la etapa (b) en una subzona de sedimentación en la zona del lecho fluidizado. En determinadas realizaciones, el proceso comprende además tratar el producto de cola en la subzona de sedimentación con un agente de gasificación que comprende vapor de CO2. En realizaciones preferidas, el agente de gasificación comprende vapor, en realizaciones preferidas adicionales, el agente de gasificación es vapor. En determinadas realizaciones, el tratamiento se lleva a cabo a una temperatura inferior a la temperatura en la etapa (b), siendo la temperatura no superior a aproximadamente 400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. En realizaciones preferidas, la temperatura está entre aproximadamente 400 °C y 500 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima. En realizaciones preferidas, esta etapa tiene lugar en una zona inferior por debajo de la subzona de la etapa (b). En realizaciones preferidas, esta etapa tiene lugar en la parte inferior de la zona del lecho fluidizado y en la parte inferior del gasificador. En realizaciones preferidas, el agente de gasificación se inyecta en esta subzona en una forma y cantidad (de manera controlada) para generar la temperatura y la fluidización requeridas dentro de esta subzona, es decir, no se utiliza otra fuente de calor externa.
En realizaciones preferidas, el proceso comprende la etapa de templado (es decir, la subzona de templado o subzona A) y la etapa de eliminación del producto de cola (es decir, la subzona de sedimentación o subzona F) además de las etapas (b) a (e) (es decir, las subzonas B a E). En esta realización preferida, el gasificador comprende seis subzonas térmicas, tres dentro de la zona del lecho fluidizado y tres dentro de la zona de postgasificación.
El experto en la técnica entenderá que, en realizaciones preferidas, los intervalos de temperatura referidos en los párrafos anteriores en relación con las etapas y/o subzonas que tienen lugar dentro del gasificador se refieren a temperaturas promedio dentro de cada etapa y/o subzona y que la temperatura puede ser realmente mayor y/o menor en determinadas partes de cada etapa y/o subzona. El uso del término “temperatura promedio” en la presente memoria tiene el significado habitual dentro de la técnica y se refiere a la temperatura promedio de cada etapa y/o subzona y se entenderá que dentro de cada etapa y/o subzona hay temperaturas más altas/más bajas que la promedio que estará probablemente presente. Para evitar dudas, en realizaciones alternativas, los intervalos de temperatura expresados en la presente memoria pueden referirse a intervalos de temperatura absolutos en lugar de intervalos de temperatura promedio.
En determinadas realizaciones, la zona del lecho fluidizado tiene un tiempo de residencia de al menos aproximadamente 8 minutos. Preferiblemente, el tiempo de residencia es de aproximadamente 8 minutos a aproximadamente 90 minutos, preferiblemente de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 75 minutos, preferiblemente de aproximadamente 25 minutos a aproximadamente 60 minutos, preferiblemente de aproximadamente 35 minutos a aproximadamente 45 minutos. En determinadas realizaciones, la zona de postgasificación tiene un tiempo de residencia de al menos aproximadamente 7 segundos, preferiblemente al menos aproximadamente 10 segundos, preferiblemente al menos aproximadamente 12 segundos, preferiblemente al menos aproximadamente 15 segundos. Preferiblemente, el tiempo de residencia en la zona de postgasificación no es superior a aproximadamente 20 segundos, preferiblemente no superior a aproximadamente 15, preferiblemente no superior a aproximadamente 10 segundos. Los tiempos de residencia más altos en la zona de postgasificación ayudan a mejorar la descomposición térmica de los hidrocarburos más pesados, ayudando así a reducir la cantidad de alquitrán presente en el gas de síntesis del producto.
En realizaciones preferidas, no se añade un catalizador externo al sistema, es decir, el gasificador funciona sin la adición de catalizador externo (o reciente). Esto significa que no se añade específicamente catalizador externo al gasificador durante el funcionamiento. En cambio, en la realización preferida, el material de las cenizas dentro de la materia prima se usa esencialmente como catalizador. A este respecto, el producto de cola del presente proceso contiene típicamente tanto cenizas como carbono y las cenizas contienen muchos materiales diferentes tales como aluminio, hierro, níquel, etc. que actúan como catalizador. Como se explica en la presente memoria, es particularmente ventajoso no tener que manipular ni añadir un catalizador externo en el proceso.
Recuperación del gas de síntesis
Después que se ha producido el gas de síntesis bruto en el gasificador, éste se recupera del proceso.
Durante esta recuperación del gas de síntesis, el gas de síntesis bruto puede tratarse y/o procesarse según cualesquiera tratamientos/procesos adecuados conocidos en la técnica para refinar el gas de síntesis bruto. Estos tratamientos implican típicamente eliminar impurezas y material no deseado del gas de síntesis bruto.
Dichos procesos incluyen, aunque no de forma limitativa:
• tratamiento en un ciclón para eliminar el polvo arrastrado que opcionalmente se recircula de nuevo a la zona del lecho fluidizado del gasificador;
• tratamiento en al menos un enfriador de gas bruto, en donde el vapor saturado se produce opcionalmente y se recircula en la zona del lecho fluidizado del gasificador;
• tratamiento en una unidad de eliminación de cenizas volantes de carbono (base seca); y/o
• tratamiento en una unidad de templado y lavado.
T ras recuperar el gas de síntesis, el gas de síntesis sin alquitrán tratado se puede procesar adicionalmente en una materia prima adecuada para la producción de diversos productos útiles tales como biocombustibles/combustibles avanzados, mediante procesos conocidos por los expertos en la técnica. Dichos procesos pueden ofrecer gas de síntesis exento de alquitrán como materia prima adecuada para producir materiales de alto valor, tales como metanol, gas natural sintético y/o combustibles de síntesis de fischer-tropsch.
Aparato para la conversión de materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis
En la Figura 1 se muestra un ejemplo esquemático de la disposición del aparato para realizar la invención.
El aparato generalmente puede comprender cualquiera de los componentes y unidades que se muestran en la Figura 1 y como se ha descrito anteriormente. El aparato también puede comprender cualquier componente alternativo y unidades que no se muestran en la Figura 1, pero que se sabe que se usan en procesos de gasificación.
En particular, el aparato de la invención puede contener cualquier componente y unidades adecuadas para realizar el proceso de la invención.
En particular, el aparato puede comprender medios para suministrar la materia prima al gasificador y el gasificador en sí mismo puede comprender al menos un punto de entrada para la materia prima, preferiblemente de 1 a 3 puntos de entrada para la materia prima. El aparato también puede comprender cualquier medio adecuado para recuperar el gas de síntesis corriente abajo del gasificador.
Como se ha explicado anteriormente en la descripción, en determinadas realizaciones, el gasificador, que incluye una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación, tiene una parte cónica en la que se sitúa la zona del lecho fluidizado, aunque el gasificador puede tomar cualquier forma y/o forma del gasificador adecuada. En determinadas realizaciones, el gasificador es un gasificador revestido refractario.
En un aspecto de la invención, el gasificador incluye una pluralidad de boquillas dentro del gasificador. Las boquillas están configuradas para introducir los agentes de gasificación en el gasificador. En particular, las boquillas están configuradas para suministrar el agente de gasificación en uso para generar tanto la fluidización requerida en el interior de la zona del lecho fluidizado como la pluralidad de temperaturas de funcionamiento dentro del lecho fluidizado y las zonas de postgasificación del gasificador. En realizaciones alternativas, las boquillas pueden configurarse para otros fines. En realizaciones alternativas adicionales, las boquillas están configuradas para suministrar el agente de gasificación en uso para generar la pluralidad de temperaturas de funcionamiento dentro de las zonas de lecho fluidizado y postgasificación del gasificador, es decir, la pluralidad de subzonas o etapas de temperatura descritas anteriormente.
En realizaciones preferidas al menos una de las boquillas está dispuesta en el lado del gasificador, aunque también es posible que las boquillas estén situadas en la base/parte inferior del gasificador. También es posible una combinación de boquillas situadas en la parte inferior del gasificador y en los lados del gasificador. En la zona del lecho fluidizado se prefiere que las boquillas estén situadas en los lados del gasificador. En realizaciones preferidas, una pluralidad de boquillas está situada a lo largo de los lados del gasificador, preferiblemente dentro del lecho fluidizado y de la zona de postgasificación.
En realizaciones preferidas, las boquillas están situadas en múltiples localizaciones a lo largo del gasificador. En realizaciones preferidas adicionales, los agentes de gasificación se inyectan a través de las boquillas tanto en la zona del lecho fluidizado como en la zona de postgasificación del gasificador. En determinadas realizaciones, el agente de gasificación se suministra al gasificador en aproximadamente 2 a 15 localizaciones a lo largo del gasificador, preferiblemente de 4 a 10 localizaciones, con máxima preferencia de 5 a 8 localizaciones a lo largo del gasificador.
Como entenderá el experto en la técnica, es posible cualquier disposición de boquillas que sea capaz de inyectar los agentes de gasificación de manera que se genere la pluralidad de etapas/subzonas de temperatura y fluidización según lo requiera el proceso de la invención.
En el aparato se puede utilizar cualquier boquilla adecuada para suministrar los agentes de gasificación al gasificador. Preferiblemente, las boquillas son boquillas de inyección, preferiblemente toberas. En determinadas realizaciones, las boquillas pueden describirse como lanzas.
En una realización preferida, cada boquilla es una boquilla multicapa. En determinadas realizaciones preferidas, la boquilla es multicapa como se describe en el documento EP 2885381 A1. En este documento se describen boquillas multicapa que tienen al menos tres tubos mutuamente coaxiales, cada uno de los cuales delimita al menos un hueco anular. El tubo más externo está diseñado para conducir vapor sobrecalentado y tiene un punto de suministro de vapor, el tubo central está diseñado como un hueco anular, y el tubo más interno está diseñado para conducir el oxígeno a una temperatura no superior a 180 °C y tiene un punto de suministro de oxígeno. Un sensor de temperatura está dispuesto dentro del tubo más interno, extendiéndose dicho sensor de temperatura hasta justo delante de la abertura del tubo más interno. El tubo más interno se estrecha en forma de una boquilla antes de la abertura; el tubo más interno se abre en el tubo central; y la abertura del tubo central sobresale más con respecto a la abertura del tubo más externo. Por lo tanto, las boquillas tienen una estructura “ multicapa” , es decir, una pluralidad de tubos dispuestos coaxialmente entre sí.
Al menos una de las boquillas está dispuesta en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal del gasificador, es decir, está configurada en un ángulo con respecto a, o lejos de, el plano horizontal. El término “ ángulo agudo” utilizado en la presente memoria toma su significado normal que es menor de 90 grados y mayor de 0 grados. Los planos horizontales se definen de la manera normal en relación con un gasificador, concretamente los planos perpendiculares al eje vertical del gasificador (el eje vertical que se define desde la parte inferior hasta la parte superior del gasificador).
En esencia, la al menos una boquilla está configurada en un ángulo orientado lejos de un plano horizontal del gasificador (en un ángulo por encima o por debajo del plano horizontal). En realizaciones preferidas, la al menos una boquilla también puede disponerse en un ángulo agudo con respecto a un plano vertical o eje del gasificador. En realizaciones preferidas, la boquilla está dispuesta en un ángulo entre 5 y 85 grados con respecto al plano horizontal, más preferido en un ángulo entre 10 y 80 grados con respecto al plano horizontal o entre 20 y 60 grados con respecto al plano horizontal.
En determinadas realizaciones, más de una de las boquillas están dispuestas en un ángulo agudo con respecto a un plano horizontal del gasificador. En determinadas realizaciones, todas las boquillas están dispuestas en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal, es decir, todas las boquillas están configuradas en un ángulo.
Se ha descubierto que disponer las boquillas en un ángulo con respecto al plano horizontal del gasificador, así como usar en determinadas realizaciones las disposiciones de boquilla preferidas y la configuración multicapa, mejora el transporte localizado y los mecanismos de reacción a lo largo del gasificador. Esto se debe a que el agente de gasificación se introduce en un ángulo agudo con respecto al plano horizontal del gasificador.
En particular, el ángulo de las boquillas proporciona ventajas en relación con la llama (chorro). Siempre que el oxígeno (es decir, el agente de gasificación) se inyecta en el gasificador, se observa una llama en la salida de la boquilla de inyección. La longitud de la llama no debe exceder el radio interior (la mitad del diámetro interior) del recipiente del gasificador. Esto es para evitar cualquier tipo de contacto entre la punta de llama de la boquilla de inyección y un revestimiento del gasificador, tal como un revestimiento refractario (en el otro lado). Por lo tanto, las boquillas de la invención son capaces de tener longitudes de llama más largas que ayudan a mejorar el craqueo de los hidrocarburos de alto peso molecular, tales como naftaleno, en comparación con las boquillas típicas que están dispuestas en un plano horizontal del gasificador, y típicamente inyectan el agente de gasificación a lo largo de un plano sustancialmente horizontal en el gasificador. El naftaleno no es deseable en el gas de síntesis del producto y, por lo tanto, se mejora la calidad del gas de síntesis del producto.
Se han llevado también a cabo determinadas pruebas utilizando el presente proceso y aparato.
Se han realizado pruebas exitosas basadas en el proceso y el aparato descritos en la presente memoria. Las materias primas probadas incluyeron las siguientes: i) gránulo de madera residual (WW), ii) 75 % CDR/25 % WW, iii) 50 % CDR/50 % WW, (iv) 25 % CDR/75 % WW y v) 100 % CDR. Las pruebas mostraron una conversión eficiente de la materia prima en gas de síntesis, con una eficiencia de conversión del carbono (CCE) de aproximadamente el 95 % (en donde el CCE representa el porcentaje de carbono total en la materia prima del gasificador que se convierte con éxito en gases de producto, que contienen carbono (tales como CO, CO<2>, CH<4>, C<2>H<2>, C<2>H<4>, C<2>H<6>, C<2>H<6>y C<10>H<8>).
El orden de las etapas de los procesos descritos en la presente memoria es ilustrativo (a menos que se requiera un cierto orden a través de la redacción explícita de las etapas), pero las etapas pueden llevarse a cabo simultáneamente cuando sea apropiado. Además, pueden añadirse etapas sin desviarse del alcance del objeto descrito en la presente memoria.
Se entenderá que la descripción de las realizaciones preferidas en la presente memoria se proporciona solo a modo de ejemplo y que los expertos en la técnica pueden realizar diversas modificaciones. Lo que se ha descrito anteriormente incluye ejemplos de una o más realizaciones. Por supuesto, no es posible describir cada modificación y alteración concebibles del proceso y aparato anteriores con el fin de describir los aspectos mencionados anteriormente, pero un experto en la técnica puede reconocer que son posibles muchas modificaciones y permutaciones adicionales de diversos aspectos. Por consiguiente, los aspectos descritos pretenden abarcar todas estas alteraciones, modificaciones y variaciones que se encuentran comprendidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Un proceso para convertir materia prima que comprende biomasa y/o material residual sólido que contiene carbono en gas de síntesis, comprendiendo el proceso las siguientes etapas:
    (a) suministrar la materia prima a un gasificador, comprendiendo el gasificador una zona de lecho fluidizado y una zona de postgasificación;
    (b) poner en contacto la materia prima con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona del lecho fluidizado, a una temperatura promedio de entre aproximadamente 350-400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, para oxidar parcialmente la materia prima;
    (c) poner en contacto al menos una parte del producto parcialmente oxidado producido en la etapa (b) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona del lecho fluidizado, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (b), estando la temperatura promedio entre aproximadamente 250-350 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima;
    (d) poner en contacto al menos una parte del producto producido en la etapa (c) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona de postgasificación, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (c), estando la temperatura promedio entre aproximadamente 200-300 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima; (e) poner en contacto al menos una parte del producto producido en la etapa (d) con un agente de gasificación que comprende vapor y oxígeno en la zona de postgasificación, a una temperatura promedio más alta que en la etapa (d), estando la temperatura promedio entre aproximadamente 150-250 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima, para producir el gas de síntesis; y
    (f) recuperar el gas de síntesis procedente del producto producido en la etapa (e).
  2. 2. El proceso de la reivindicación 1, en donde el proceso comprende además una etapa de enfriamiento de al menos una parte del producto producido en la etapa (e) hasta una temperatura promedio inferior a la de la etapa (e), siendo la temperatura promedio no superior a aproximadamente 200 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima carbonosa, en donde esta etapa tiene lugar en la zona de postgasificación.
  3. 3. El proceso de la reivindicación 2, en donde la etapa de enfriamiento tiene lugar en una subzona de templado de la zona de postgasificación y la etapa de enfriamiento se realiza usando agua de templado o condensado del proceso.
  4. 4. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además una etapa de enviar al menos una parte de un producto de cola, opcionalmente un residuo sólido pesado, producido en la etapa (b), a una subzona de sedimentación en la zona del lecho fluidizado.
  5. 5. El proceso de la reivindicación 4, que comprende además tratar el producto de cola en la subzona de sedimentación con un agente de gasificación que comprende vapor y/o CO2 en donde, opcionalmente, el tratamiento se lleva a cabo a una temperatura promedio inferior a la de la etapa (b), siendo la temperatura promedio no mayor de aproximadamente 400 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento de las cenizas de la materia prima.
  6. 6. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa (f) comprende alimentar al menos una parte del gas de síntesis a un ciclón y separar el gas de síntesis producido del material en forma de partículas arrastrado, opcionalmente cenizas volantes o carbón, y recircular al menos una parte del material en forma de partículas a la etapa (b) en la zona de lecho fluidizado.
  7. 7. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el proceso comprende proporcionar los agentes de gasificación a través de una pluralidad de boquillas, opcionalmente toberas, en donde al menos una de las boquillas está dispuesta en un ángulo agudo con respecto a un plano horizontal del gasificador.
  8. 8. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además hacer funcionar el gasificador a una presión de aproximadamente 1000 kPa a 3000 kPa en donde, opcionalmente, el gasificador es un reactor revestido refractario.
  9. 9. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además hacer funcionar el gasificador sin añadir catalizador externo.
  10. 10. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además suministrar el agente de gasificación al gasificador de manera que el contenido de oxígeno en el gasificador esté en el intervalo controlado de 0,28-0,52 Nm3/kg (daf) de la materia prima, de la que al menos aproximadamente el 20 % y no más de aproximadamente el 80 % se suministra a la zona del lecho fluidizado y de modo que la cantidad de vapor del gasificador está en el intervalo controlado de 0,23-0,52 Nm3/kg (daf) de la materia prima, de la que se suministra al menos aproximadamente un 40 % y no más de aproximadamente un 80 % a la zona del lecho fluidizado.
  11. 11. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la materia prima suministrada es una materia prima peletizada, que comprende además opcionalmente presurizar la materia prima peletizada en un sistema de presurización antes de suministrar la materia prima a la zona del lecho fluidizado en la etapa (b).
  12. 12. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la zona de postgasificación está dispuesta en el gasificador por encima de la zona del lecho fluidizado, en donde la zona del lecho fluidizado está en una parte cónica del gasificador.
  13. 13. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además realizar cada una de las etapas (b) a (e) en subzonas sustancialmente separadas dentro del gasificador.
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