MX2008011353A

MX2008011353A - Metodo y aparato para producir gas de sintesis para materiales de desecho.

Info

Publication number: MX2008011353A
Application number: MX2008011353A
Authority: MX
Inventors: Robert E Klepper
Original assignee: Robert E Klepper
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-12-03
Also published as: AR059768A1; AU2007223367A1; ZA200807427B; JP2009529095A; CA2644243A1; BRPI0708375A2; WO2007103771A3; NZ587489A; US20100092352A1; PE20071279A1; NZ570827A; AU2007223367B2; WO2007103771A2; US20070205092A1; CN101395254A; EP1991640A2; SA07280092B1; US7655215B2; TW200745322A

Abstract

Un aparato (10) designado para formar gas de síntesis de materiales carbonáceos tal como carbón incluye un reactor de devolatilización (14) en combinación con un reactor reformador (16) que subsecuentemente forma gas de síntesis; el reactor reformador, a su vez, está en comunicación con un separador de partículas (18); el reactor de devolatilización se alimenta con un material utilizando un alimentador de compresión (12) que impulsa aire desde el material de alimentación, lo comprime en una zona de alimentación que forma un sello entre la tolva de alimentación y el reactor de devolatilización; el reactor reformador (16), como también los separadores de partículas (18, 20), se mantienen en un horno caliente (77) de manera que la temperatura del gas de síntesis formado no disminuya por debajo de la temperatura de reacción hasta que se haya separado el material de partículas.

Description

METODO Y APARATO PARA PRODUCIR GAS DE SINTESIS PARA MATERIALES DE DESECHO ANTECEDENTES DE LA INVENCION El material carbonáceo puede hacerse reaccionar con vapor a temperaturas elevadas para formar gas de síntesis, que es una combinación de monóxido de carbono e hidrógeno. Como se describe en la patente de E.U.A. 6,863,878, si la reacción inicial alcanza una temperatura mayor a aproximadamente 232.2°C antes de que se haga reaccionar el oxígeno disponible, ocurre la combustión. Esto produce dióxido de carbono no deseado, ceniza y escoria. Para evitar esto, como se describe en la patente de E.U.A. 6,863,878, la temperatura debe mantenerse a 232.2°C hasta después de que se hace reaccionar el oxígeno disponible.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención se expone anticipadamente en la realización de que el gas de síntesis puede producirse más eficientemente al modificar el procedimiento descrito en la patente de E.U.A. 6,863,878, cuya descripción se incorpora en la presente por referencia. En particular, el material carbonáceo en la zona de devolatilización se mantiene a una temperatura menor a 232.2°C hasta que todo el oxigeno disponible se hace reaccionar. En la presente invención, este material entonces se eleva a una temperatura de alrededor de 537.7°C en la zona de devolatilización antes de combinarse con vapor para formar el gas de síntesis en el reactor reformador. Del reactor reformador, el gas de síntesis formado pasa a través de una serie de separadores de partículas para remover cualquier ceniza formada. Estos separadores se mantienen a una temperatura mayor a 815.5°C, al almacenarlos en el mismo horno que el reactor reformador. Esto evita que puedan ocurrir reacciones no deseadas cuando el gas de síntesis se enfria y evita la formación de carbono en el aparato. El gas de síntesis del separador se templa rápidamente a una temperatura por debajo de 537.7°C preferiblemente a una temperatura de alrededor de 48.8°C. A esta temperatura el gas de síntesis es estable y no formará depósitos de carbono o permitirá reacciones no deseadas. Al mismo tiempo que el material se enfría, preferiblemente en un extintor, cualquier brea o aceite residual se separa y cualquiera se alimenta de regreso a la zona de devolatilización para reacción o se recolecta para uso adicional. En una característica adicional de la presente invención, el calor de la zona de devolatilización se dirige a una sección del pre-calentador en donde el agua y el aire de combustión se hacen circular para recuperar el calor residual. Los objetivos y ventajas de la presente invención se apreciarán además en vista de la siguiente descripción detallada y los dibujos.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las figuras 1A y 1 B son representaciones esquemáticas del aparato utilizado en la presente invención; La figura 2 es una vista en sección transversal de una modalidad de la sección de alimentación; La figura 3 es una vista en elevación esquemática de una sección de alimentación alternativa; y La figura 4 es una vista en planta de una barrena utilizada en la modalidad mostrada en la figura 3.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Como se muestra esquemáticamente en las figuras 1A y 1 B, la instalación de gas de síntesis 10 incluye una sección de alimentación 12 que se comunica con una sección de devolatilización 14, a su vez conectada a un reactor reformador 16. El reactor 16 se designa para producir gas de síntesis que pasa a través de los separadores de partículas 18 y 20. El gas se enfría, se filtra y se re-colecta para uso. Como se muestra más particularmente en las figuras A, 1 B y 2, la sección de alimentación 12 incluye una tolva 38 que tiene una barrena 40, que dirige el material de alimentación carbonáceo a la cámara de alimentación 42. La cámara de alimentación 42 se conecta a un tubo de alimentación 44 que conduce a la sección de devolatilización 14. Arriba de la sección de alimentación se encuentra un soporte cilindrico 48 que soporta un cilindro de compactación 46 designado para forzar el material de alimentación desde la cámara de alimentación 42 en el tubo de alimentación 44. El tubo de alimentación 44 conduce a un desterronador 50, que se comunica por medio de un pasaje 52 a la sección de devolatilización 14. Una válvula de compuerta 53 evita el flujo de retorno a través de la línea 55 desde el desterronador 50. La sección de devolatilización 14 incluye cuatro cámaras de reacción cilindricas 56, 58, 60 y 62. Cada cámara de reacción está en comunicación con la siguiente cámara de reacción. Cada cámara de reacción incluye una barrena 64 que se adapta para forzar el material de alimentación a través de las cámaras respectivas 56-62 a la barrena de alimentación 70. Las barrenas 64, a su vez, se operan por motores 68. La barrena de alimentación 70 se comunica con el eductor de alimentación 72. El vapor de un calentador de vapor 76 ubicado en el horno 77 se introduce en un eductor 72 a través de la entrada de vapor 74. Esto fuerza el material de manera ciclónica a través de la línea 75 al reactor 16 también ubicado en el horno 77. El horno 77 incluye un quemador 78 y una salida de combustión o cámara 80. Además del reactor 16, el horno incluye un calentador de vapor 76 y separadores 18 y 20. La salida de combustión 80 dirige el aire caliente a la zona de devolatilización 14, que, a su vez se comunica con un pre-calentador 81 que se comunica por último con una chimenea 82.

Como se muestra, el reactor reformador 16 es un reactor tubular que se comunica con el eductor 72 por medio de la línea 83. Una línea de salida 84 del reactor 16 conduce al primer separador de partículas 18. El separador 18 incluye una línea de salida de gas 86, que, su vez, conduce al segundo separador de partículas 20. La línea 91 dirige el gas del separador 20 a un eductor de templado 86 que dirige gas y agua a través de la línea 87 a un tanque de templado 88 (FIG. 1 B). El eductor de templado 86 incluye una línea de entrada de agua 89. El tanque de templado 88 es un separador de gas/agua/aceíte e incluye una salida de gas 94, una salida de agua 96 y una salida de brea/aceite 98. La salida de brea 98 como se muestra, conduce una bomba 100 que dirige brea y/o aceite por medio de la línea 102 a la línea 55 justo corriente arriba del desterronador 50. La salida de agua 96 se dirige a través de la línea 106 a través de un tanque de compensación 108. La salida de gas 94 a su vez conduce a un segundo eductor de templado 1 14, que incluye una entrada de agua 1 16 dirigida desde el tanque 1 17. La salida del eductor de templado 1 18 a su vez conduce a un extintor secundario 120. El extintor 120 incluye una salida de agua 122 y una salida de gas 124, que conduce a un depurador de templado 126. La salida de agua 122 conduce a una línea de agua 106, que a su vez conduce a un tanque de compensación 108. El depurador de templado 126 incluye una salida de agua 128 que se dirige a un drenaje 130. La salida de gas 132 del depurador de templado 126 conduce a una T 134 en donde una primera línea 136 se dirige a un filtro de agua 137 que remueve el agua. Una salida de gas 140 del filtro 137 pasa a la sección de gas del producto 142, y una salida de agua 138 conduce por medio de la línea 128 al drenaje 130. La segunda línea 146 de la T 134 se dirige a un segundo filtro de agua 148 que también incluye una salida de agua 150 que conduce de regreso al drenaje 130 por medio de la línea 128. La salida de gas 152 se dirige a un compresor 154 y, a su vez, a un depurador 156 para remover el agua residual. El depurador 156 incluye una salida de agua 158 dirigida al drenaje o a la línea de agua de aporte 244, y una salida de gas 160 que, a su vez, se dirige al quemador 78 en donde se utiliza para calentar el horno 77. Una entrada de agua de aporte 200 conduce al tanque de compensación 108. El agua en el tanque 108 puede circular a través de un paquete de tratamiento de agua opcional 204, dependiendo de las condiciones particulares del agua, tal como dureza y similares. El tanque 108 incluye una salida 206 que se dirige a filtros en tándem 208a y 208b. Los filtros tienen una salida común 210 que se dirige a la T 212. Una línea desde la T 212 se dirige a una primera bomba 214. La bomba 214 dirige el agua a través de la línea 213, un filtro 216, y, subsecuentemente, a un enfriador 218 que dirige el agua fría de regreso al tanque 108. La segunda línea 220 de la T 212 se dirige a una segunda T 226 que dirige una porción del agua a una segunda bomba 228 que la dirige a un tanque 1 17, que, a su vez, se comunica con un enfriador 234. La tercera bomba 230 dirige agua de la T 212 a través de la línea 89 en el eductor de templado 86, como se describió previamente. El aparato 10 también incluye una sección del precalentador 81 que utiliza gas de escape que ha pasado desde el horno 77 a través de la sección de devolatilización 14 para precalentar agua para el reactor de vapor 16, como también aire de combustión desde el quemador 78. El escape del horno 77 pasa a través de la cámara de escape 80 a la sección de devolatilización 14 y posteriormente a través del escape 240 a la sección del precalentador 81 . La línea de entrada de agua 244 dirige agua desionizada a través de la sección del precalentador a través de la línea 246 al calentador de vapor 76. Un soplador 250 se utiliza para introducir aire a través del precalentador 81 . Esto se escapa por medio de la línea 154 al quemador 78. En operación, la alimentación, tal como carbón pulverizado, se introduce a través de la tolva 38 y la sección de alimentación 12 en donde se comprime por el cilindro 46 y se fuerza a través de la válvula 53 y la línea 55 al desterronador 50. La alimentación se fuerza en la sección de devolatilización 14. El cilindro 46 aplica suficiente presión para comprimir el material de alimentación y saca la mayor parte del aire relacionado con el material de alimentación, generalmente 0.70-1.40 Kg/cm2 o mayor. Esta fuerza, supera cualquier presión de la sección de devolatilización y provoca que el material de alimentación actúe como un sello entre la sección de alimentación 12 y la sección de devolatilización 14. Esto remueve aire de la alimentación y evita la introducción de oxigeno no deseado en la zona de devolatilización. La barrena 64 fuerza la alimentación a través de las cámaras 56-62. La sección de devolatilización inicia con una primera cámara de temperatura inferior, seguido por una segunda cámara de temperatura superior 58 y, a su vez, una tercera 60 y cuarta 64 cámaras de temperatura superior. Las temperaturas de las cámaras se designan de manera que la temperatura del matenal de alimentación no alcance 232.2°C hasta que todo el oxígeno en el material de alimentación reaccione, con el fin de evitar la pirólisis. Generalmente, la primera cámara de reacción tendrá una temperatura inicial de alrededor de 37.7°C, con la sección de devolatilización final a 537.7°C. La mayor parte del oxígeno libre reaccionará antes de que la alimentación alcance una porción de la sección de devolatilización que se encuentra a 232.2°C. La temperatura de cada sección se controla por su proximidad a la cámara de escape 80 como también un área superficial y tiempo de residencia. La presión del tubo de alimentación 44 a través de la sección de devolatilización 14 es de alrededor de 8.78 Kg/cm2. El producto final que sale de la sección de devolatilización 14 es principalmente carbón de leña y gases liberados durante la devolatilización. Este producto final se dirige a la barrena de alimentación 70 que conduce al eductor de vapor 72. El vapor del calentador de vapor 76 se dirige a eductor 72. La temperatura del vapor debe ser de alrededor de 815.5°C y la presión es de alrededor de 8.78 Kg/cm2. El eductor entonces conduce al reactor reformador 16 en donde se crea el gas de síntesis. En el reactor 16, la temperatura del reactor se incrementa a más de 815.5°C, preferiblemente alrededor de 843.3°C a una presión de alrededor de 8.78 Kg/cm2. Una porción del flujo reactivo en el reactor 16 puede ser dirigido a través de la línea 253 a una entrada inmediatamente corriente arriba de la barrena de alimentación 70 para portar lo sólidos a una velocidad de alimentación o de flujo inferior. El producto de reacción del reactor 16, la ceniza y el gas de síntesis, se dirige a los separadores de ciclón 18 y 20, que se ubican dentro del horno 77 y se mantienen a la misma temperatura del reactor 16 de alrededor de 843.3°C a 8.78 Kg/cm2. Los separadores 18 y 20 remueven la ceniza del producto de reacción. La ceniza se dirige a la barrenas 241 y 243 que mueven la ceniza en el depósito de ceniza pulverulenta seca 245 y 247 sin permitir que el gas de síntesis escape del sistema. Después de pasar a través de los separadores 18 y 20, el gas de síntesis fluye por medio de la línea 91 desde el horno al eductor de templado 86 y el tanque de templado 88 y en donde se enfría a alrededor de 48.8°C por medio de agua desde el tanque 108 a aproximadamente 9.84 Kg/cm2. La temperatura del agua en el tanque 108 se controla por la recirculación a través de la torre de enfriamiento 218 y es preferiblemente de alrededor de 32.2°C. El tanque de templado 88 separa el gas, agua y aceite. El agua se dirige de regreso al tanque 108 y se vuelve a utilizar. El gas por sí mismo entonces se dirige desde el tanque de templado 88 a un segundo eductor de templado 1 14. El agua a 14.06 Kg/cm2 del tanque 1 17 se utiliza para enfriar además el gas de síntesis a alrededor de 21 .1 X a 8.78 Kg/cm2. El enfriador 234 se utiliza para establecer la temperatura del agua a alrededor de 15.5°C. El gas frío fluye al extintor secundario 120 que separa el agua, dirigiéndola de regreso al tanque 108, y permite que el gas fluya al depurador de templado 126, de nueva cuenta separando el agua que se envía a través de la línea 128 al drenaje desde el gas que se dirige a través de los filtros 137 y 148. El gas del filtro 37 se recolecta para uso. El gas del filtro 148 se alimenta de regreso al quemador 78 que alimenta el horno. Para arranque inicial, puede utilizarse una fuente de combustible separada. Un alimentador alternativo 250 se muestra en las figuras 3 y 4. El alimentador 250 incluye una tolva de material 252 que tiene una barrena de alimentación 254 que conduce al depósito de alimentación 256. El depósito de alimentación 256 incluye un tornillo 258 que gira por medio de un motor 260. El tornillo conduce a un tubo de alimentación 44 que se conecta a través de la salida 262 a la sección de devolatización 14. Como se muestra en la figura 4, el tornillo 258 tiene una flecha principal 266 y una cuchilla helicoidal 268. El diámetro exterior de la cuchilla 268 permanece constante mientras del diámetro de la flecha 266 incrementa desde la porción de entrada 220 a la porción de salida 272. Esto aumenta el área entre la flecha 266 y el tubo de entrada 44, comprimiendo así el material de alimentación a medida que se fuerza en el aparato 10. En uso, 20-50%, preferiblemente 40% de la compresión se prefiere.

De este modo, la presente invención tiene muchas mejoras diferentes que mejoran la eficiencia del procedimiento descrito en la patente de E.U.A. Klepper 6,863,878. La compresión de la alimentación acciona el aire no deseado y forma un sello de entrada. Además, el calentamiento del material en una zona de devolatización a 537.7°C antes de la adición de vapor mejora la eficiencia de la reacción total e incrementa el índice de reacción. Al mantener los separadores en el horno y mantener su temperatura, se evitan las reacciones no deseadas y, en particular, la deposición de carbono en el aparato se reduce al mínimo. El templado rápido del producto de reacción del gas de síntesis además evita cualquier deposición de carbono no deseada o productos de reacción. Esto ha sido una descripción de la presente invención junto con el método preferido para practicar la invención. Sin embargo, la invención por si misma debe solamente definirse por las reivindicaciones anexas.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES 1. - Un método para alimentación de material carbonáceo a un reactor de devolatilización que comprende introducir dicho material carbonáceo a una zona de alimentación; compactar dicho material para impulsar aire desde dicho material; forzar dicho material en dicho material de devolatilización. 2. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la compactación de dicho material forma un sello sustancialmente hermético al gas entre dichas zona de alimentación y dicho rector de devolatilización. 3 - El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende romper dicho material compactado entre dicho sello hermético al gas y dicho reactor de volatilización. 4. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho material carbonáceo se comprime con una barrena. 5. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho material carbonáceo se comprime con un pistón. 6. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho material carbonáceo se comprime a por lo menos 0.70 Kg/cm2. 7. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque dicho material carbonáceo es carbón. 8. - Un método para formar gas de síntesis que comprende: introducir un material de alimentación carbonáceo en un reactor de devolatilización; calentar dicho material de alimentación carbonáceo en ausencia de oxígeno agregado a una primera temperatura por debajo de 232.2°C hasta que sustancialmente todo el oxígeno en dicho material de alimentación se hace reaccionar; calentar subsecuentemente dicho material de alimentación carbonáceo en ausencia de oxígeno y sin la adición de vapor a una temperatura de al menos aproximadamente 537.7°C; añadir subsecuentemente vapor al producto de reacción de dicho reactor de devolatilización y forzar dicho producto de reacción a un reactor reformador, dicho reactor reformador calentado a una temperatura del reactor para formar gas de síntesis. 9. - El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el calor se proporciona a dicho reactor de devolatilización desde un escape de un alojamiento del horno de dicho reactor reformador. 10. - El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque comprende adicionalmente dirigir el gas de síntesis a un primer separador de partículas, manteniendo el gas de síntesis en dicho separador a dicha temperatura del reactor. 1 1. - El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque comprende adicionalmente dirigir el gas de síntesis de dicho separador a un extintor de agua en donde dicho gas de síntesis se introduce a dicho extintor de agua a dicha temperatura del reactor. 12. - El método de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente dirigir el líquido desde el extintor a un separador, y separar el gas y el agua, y el líquido carbonáceo y brea, uno del otro; dirigir dicho líquido carbonáceo y brea a una sección de alimentación de dicho reactor de devolatilización. 13. - El método de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque dicho gas de síntesis se enfría a una temperatura menor a 426.6°C en dicho extintor. 14.- El método de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque dicho gas de síntesis se dirige desde dicho primer separador de partículas a un segundo separador de partículas que también se mantiene a dicha temperatura del reactor, y en donde el gas se dirige desde el segundo separador al extintor. 15.- Un método para formar gas de síntesis que comprende introducir inmaterial de alimentación carbonáceo en un reactor de devolatilización; calentar dicho material de alimentación carbonáceo en ausencia de oxígeno en dicho reactor de devolatilización; dirigir el producto reactivo desde el reactor de devolatilización a un reactor reformador y mezclar vapor con dicho producto reactivo y calentar dicho producto a una temperatura del reactor para formar gas de síntesis; dirigir dicho gas de síntesis a un separador de partículas en donde dicho separador de partículas se mantiene a dicha temperatura del reactor; dirigir el gas de síntesis desde el separador a un extintor en donde la temperatura del gas de síntesis se reduce a menos de 426.6°C. 16. - El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque comprende adicionalmente dirigir el líquido del extintor a un separador y separar el agua, gas de síntesis y material líquido carbonáceo; y dirigir dicho material líquido carbonáceo a una sección de alimentación del reactor de devolatilización. 17. - Un aparato para formar un gas de síntesis que comprende un reactor de devolatilización en comunicación con un reactor reformador, a su vez en comunicación con un primer separador de partículas en donde dicho reactor reformador y dicho separador se mantienen en un horno. 18. - El aparato de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque comprende adicionalmente un segundo separador de partículas en comunicación con dicho primer separador de partículas en donde dicho segundo separador de partículas también se ubica en dicho horno.