MX2010010859A - Dispositivos autotermicos y moviles de torrefaccion. - Google Patents

Abstract

La presente invención proporciona un dispositivo autotérmico de torrefacción, que puede ser ya sea estacionario o móvil. Las modalidades de la presente invención incluyen una cámara de torrefacción que tiene una entrada de la cámara para recibir biomasa y al menos una salida de la cámara. La cámara de torrefacción puede rodearse sustancialmente por un alojamiento exterior que define una camisa externa y que tiene una entrada de camisa y una salida de camisa. La camisa externa y cámara de torrefacción definen un espacio entre las mismas, de tal modo que una unidad de quemador que incluye una entrada conectada de manera operativa a la salida de la cámara y una salida conectada de manera operativa a la entrada de camisa, permita que los vapores producidos o liberados desde dentro de la cámara de torrefacción viajen hacia la unidad de quemador para la combustión de al menos una porción de los vapores y subsecuentemente viajen a través del espacio entre la camisa y la cámara de torrefacción para proporcionar calor necesario para la torrefacción autotérmica de biomasa.

Description

DISPOSITIVOS AUTOTÉRMICOS Y MÓVILES DE TORREFACCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona en general con un dispositivo autotérmico de torrefacción que en gran medida se calienta automáticamente, es móvil o estacionario, y con un proceso para la torrefacción de biomasa.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La torrefacción se considera como una tecnología de pre-tratamiento para hacer a la biomasa más adecuada para su combustión conjunta con aplicaciones carboneras. La torrefacción es un proceso térmico operado entre 200 °C y 300 °C en ausencia de oxígeno, y caracterizado por tiempos de residencia típicamente de alrededor de 1 hora o mayores. Los procesos de torrefacción usualmente se llevan a cabo a presiones casi atmosféricas. La biomasa torrefactada exhibe fragilidad incrementada y capacidad de trituración mejorada, lo cual puede permitir índices incrementados de combustión conjunta en el futuro.

Durante la torrefacción de la biomasa, la biomasa se descompone parcialmente y despide diversos gases y vapor de agua, lo cual resulta en pérdida de masa y energía hacia la fase de gas. Sin embargo, se encuentra bastante reconocido que se pierde más masa que energía a la fase de gas durante la torrefacción. Este fenómeno resulta en la densificación de la energía. De esta manera, la torrefacción de la biomasa produce un producto sólido con un contenido inferior de humedad y un contenido superior de energía, en comparación con el material en la biomasa inicial. Específicamente, la biomasa torrefactada exhibe numerosas propiedades deseables, tal como tener un contenido reducido de humedad, valores caloríficos incrementados y una naturaleza hidrofóbica. Como tal, la torrefacción se ha identificado como una metodología factible para mejorar las propiedades de la biomasa, de modo que sea más adecuada como combustible.

Sin embargo, las metodologías tradicionales carecen de la eficiencia para proporcionar un medio rentable para la torrefacción de biomasa. Esta ineficiencia ha obstaculizado las aplicaciones comerciales potenciales de la torrefacción de la biomasa. Los dispositivos previos de torrefacción han sido estacionarios y dependientes de cantidades significativas de calor complementario a partir de fuentes externas, tales como centrales eléctricas, para producir una biomasa torrefactada. Como tales, los dispositivos tradicionales de torrefacción en gran medida no son auto-suficientes en cuanto a la energía calorífica usada para la torrefacción.

Otro desafío afrontado por los futuros recolectores y vendedores de biomasa de celulosa, como virutas de madera, es su baja densidad física y energética, y bajo valor, lo cual lo hace económicamente desfavorable para enviarlo a un usuario a más de 48.28 a 80.47 kilómetros (30 a 50 millas). En pocas palabras, los dispositivos y métodos previos requieren transportar la biomasa sin tratar, la cual a menudo incluye hasta 50% de agua en peso, desde varias ubicaciones alejadas hasta el sitio del usuario, donde el proceso de torrefacción puede tener lugar.

Por lo tanto, permanece una necesidad de un dispositivo y proceso de torrefacción más eficientes para pre-tratar la biomasa, para diversos usuarios y aplicaciones. Además, permanece una necesidad de un dispositivo de torrefacción viable que sea móvil y/o modular, de modo que pueda ser portátil en campo y pueda auto-calentarse, para reducir los costos de transportación para la producción de combustible y eliminar tales costos para el secuestro de carbono y la mejora de los suelos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención satisface al menos algunas de las necesidades mencionadas anteriormente, al proporcionar un dispositivo autotérmico de torrefacción. En ciertas modalidades, la presente invención satisface al menos algunas de las necesidades mencionadas anteriormente, al proporcionar un dispositivo autotérmico móvil de torrefacción, junto con opciones para modificar además la biomasa tratada, en su fuente o recolección, a gránulos y otras formas útiles. En otras modalidades, el dispositivo autotérmico de torrefacción es estacionario. Las modalidades de la presente invención incluyen una cámara de torrefacción que tiene una entrada de la cámara para recibir la biomasa y al menos una salida de la cámara. La cámara de torrefacción puede rodearse sustancialmente por un alojamiento exterior que define una camisa externa y que tiene una entrada de la camisa y una salida de la camisa. La camisa externa y cámara de torrefacción definen un espacio entre las mismas, de tal modo que una unidad de quemador que incluye una entrada conectada de manera operativa a la salida de la cámara, y una salida conectada de manera operativa a la entrada de la camisa, permita que los vapores producidos o liberados desde el interior de la cámara de torrefacción viajen hacia la unidad de quemador para la combustión de al menos una porción de los vapores, y subsecuentemente viajen a través del espacio entre la camisa y la cámara de torrefacción para proporcionar el calor necesario para la torrefacción autotérmica de la biomasa. Como tal, fuera del combustible para precalentar el dispositivo y una llama piloto para garantizar que los gases derivados de la biomasa se enciendan, toda la energía calorífica usada para la torrefacción vendrá de la biomasa en sí.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un proceso para la torrefacción autotérmica de biomasa. Las modalidades de la presente invención incluyen calentar indirectamente la biomasa a través de las paredes de una cámara de torrefacción, a una temperatura suficiente para producir biomasa torrefactada. Los gases derivados de la biomasa, producidos o liberados desde el interior de la cámara de torrefacción, se transfieren a una unidad de quemador y arde al menos una porción de los vapores derivados de la biomasa. El gas de proceso del quemador viaja a través de un espacio ubicado entre la cámara de torrefacción y un alojamiento exterior que rodea sustancialmente la cámara de torrefacción. Los vapores que salen del quemador proporcionan el calor necesario para la torrefacción autotérmica de la biomasa dentro de la cámara de torrefacción. Por consiguiente, fuera del combustible para precalentar el dispositivo y una llama piloto para garantizar que los gases derivados de la biomasa se enciendan, toda la energía calorífica usada para la torrefacción vendrá de la biomasa en sí.

Adicionalmente, la presente invención proporciona métodos para incrementar la rentabilidad de usar biomasa torrefactada como combustible. Las modalidades de la presente invención incluyen proporcionar al menos un dispositivo autotérmico de torrefacción en un punto de operación, tal como un punto de recolección, el cual puede incluir, pero no se limita a, granjas y bosques en una ubicación alejada de una central eléctrica, cargar la biomasa ubicada en el punto de operación en el dispositivo autotérmico de torrefacción, y convertir la biomasa ubicada en el punto de operación en biomasa torrefactada. Como tales, los costos, por joule (BTU), de embarcar las materias primas, se reducen en gran medida, dado que el costo de transportar agua en la biomasa sin tratar se elimina sustancialmente y el combustible ahora es más denso energéticamente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Al haber descrito de esta manera la invención en términos generales, ahora se hará referencia a los dibujos adjuntos, los cuales no se ilustran necesariamente a escala, y en donde: La Figura 1 representa un dispositivo autotérmico de torrefacción que tiene un flujo contracorriente y un pre-calentador de biomasa; La Figura 2 representa un dispositivo autotérmico de torrefacción que tiene una sola salida de la cámara de torrefacción; La Figura 3 representa una vista en sección transversal de una modalidad que tiene múltiples cámaras de torrefacción; y La Figura 4 representa una vista en sección transversal de otra modalidad que tiene múltiples cámaras de torrefacción; y La Figura 5 representa una cámara de torrefacción de acuerdo con una modalidad de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención ahora se describirá de manera más completa a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales se muestran algunas, pero no todas las modalidades de las invenciones. En efecto, estas invenciones pueden representarse en muchas formas diferentes, y no deben interpretarse como limitadas a las modalidades establecidas en este documento; en lugar de ello, estas modalidades se proporcionan para que esta descripción cumpla con los requerimientos legales aplicables. Los números similares se refieren a elementos similares en todas partes.

La biomasa puede transformarse por calor, en un ambiente con baja tensión de oxígeno, a un material hidrofóbico, resistente a la descomposición, que puede usarse como sustituto de combustible carbonífero o aditivo combustible de biomasa. La biomasa torrefactada también se conoce como bio-carbonizado, y se investiga tanto como material de secuestro permanente de carbono en el suelo, y asi también como una mejora del suelo que puede incrementar los índices de crecimiento vegetal. La biomasa torrefactada también puede usarse como materia prima para la gasificación adicional de la biomasa, y una materia prima para sustitutos de combustibles líquidos. Adicionalmente, la biomasa torrefactada puede usarse para combustible, fertilizante y almacén de carbono a largo plazo.

De importancia particular, la biomasa torrefactada usada en las plantas existentes de carbón, puede satisfacer la necesidad de usar combustibles renovables con la infraestructura existente para generar electricidad. Además, la biomasa torrefactada tiene el beneficio agregado de proporcionar esta energía en una forma neutra de carbono, dado que no se agrega carbono a la biósfera. Asimismo, la biomasa torrefactada usada en una aplicación bio-carbonizada, puede remover el carbono de la atmósfera durante varios cientos a varios miles de años.

Debe entenderse que el término biomasa, como se usa en este documento, es un término general, que incluye toda la materia orgánica (por ejemplo, toda la materia que se origina de la fotosíntesis). A menudo, la biomasa es una materia prima heterogénea, cuya composición puede variar dependiendo del origen, ubicación física, edad y estación del año, entre otros factores. En diversas modalidades, los tipos de biomasa pueden incluir numerosos tipos de madera, plantas, aceites vegetales, desperdicios verdes e incluso estiércol y sedimentos de aguas residuales.

De acuerdo con las modalidades de la presente invención, un dispositivo autotérmico de torrefacción convierte diversas formas de biomasa a una biomasa parcialmente pirolizada y torrefactada, que puede ser apropiada para su uso como combustible neutro de carbono, para su uso como sustituto de carbono en las calderas existentes encendidas con carbón, para tratamiento posterior a través de gasificación, y también para secuestro de carbono y mejora del suelo. En una modalidad, el dispositivo autotérmico de torrefacción puede cargarse, continuamente o por lotes, con biomasa fresca que incluye un contenido de humedad de hasta alrededor de 55% en peso. Alternativamente, la biomasa puede pre-secarse y/o pre-calentarse antes de cargarse a una cámara de torrefacción. En ciertas modalidades, la biomasa fresca cargada en el dispositivo de torrefacción, se encuentra libre de aditivos que no son biomasa, tales como materiales plásticos.

En una modalidad, un dispositivo autotérmico de torrefacción, que puede ser móvil y/o modular, o estacionario, incluye una cámara de torrefacción que tiene una entrada de cámara para recibir biomasa, y al menos una salida de cámara. La cámara de torrefacción puede rodearse sustancialmente por un alojamiento exterior que define una camisa externa y que tiene una entrada de la camisa y una salida de la camisa. La camisa externa y cámara de torrefacción definen un espacio entre las mismas, de tal modo que una unidad de quemador que incluye una entrada conectada de manera operativa a la salida de la cámara, y una salida conectada de manera operativa a la entrada de la camisa, permita que los vapores producidos o liberados desde el interior de la cámara de torrefacción viajen hacia la unidad de quemador para la combustión de al menos una porción de los vapores, y subsecuentemente viajen a través del espacio entre la camisa y la cámara de torrefacción para proporcionar el calor necesario para la torrefacción autotérmica de la biomasa. En tales modalidades, los gases de la combustión/proceso del quemador, calientan indirectamente la biomasa a través de las paredes de la cámara de torrefacción. A medida que la biomasa se mueve a través de la cámara de torrefacción, la biomasa puede producir vapor de agua, compuestos orgánicos volátiles, gases de pirólisis y breas de fase de vapor. En una modalidad, estos vapores se mueven al quemador bajo su propia presión en conjunto con una corriente de chimenea natural. Los gases combustibles producidos y/o liberados en la cámara de torrefacción arden al menos parcialmente en el quemador para generar calor del proceso para la torrefacción posterior de la biomasa, en conjunto con el calor disponible de cualquier vapor impulsado a partir de la biomasa en la cámara de torrefacción. En una modalidad, todos los vapores combustibles liberados de la cámara de torrefacción arden en el quemador.

En ciertas modalidades, no hay necesidad de segregar el vapor de agua de los otros gases emitidos por la biomasa, donde la biomasa puede tener un contenido de humedad de hasta alrededor de 55% en peso, o alrededor de 50% en peso, o alrededor de 45% en peso, o alrededor de 40% en peso, o alrededor de 35% en peso, o alrededor de 30% en peso, o alrededor de 20% en peso, o alrededor de 15% en peso, o alrededor de 10% en peso, o 5% en peso. De manera provechosa, tanto el vapor como los gases combustibles derivados de la biomasa se dirigen hacia el quemador. El calor disponible tanto del vapor como de los gases de combustión, se utiliza para proporcionar calor para la torrefacción de la biomasa. Por ejemplo, este calor se hace pasar a través de una camisa que rodea la cámara de torrefacción, de tal modo que la biomasa se calienta indirectamente por el vapor y gases de combustión a través de las paredes de la cámara de torrefacción. De esta manera, fuera del combustible para precalentar el dispositivo y una llama piloto para el quemador para garantizar la ignición de los gases, toda la energía calorífica usada para la torrefacción vendrá de la biomasa, vendrá de la biomasa en sí.

En modalidades preferidas, el quemador o caja de combustión se diseña de tal modo que los gases se oxiden por completo antes de que alcancen la camisa externa. Esto permite qué toda la energía se extraiga de los gases, lo que da la máxima cantidad de calor disponible para las cámaras de torrefacción. En particular, la distancia entre el quemador y la camisa externa no debe ser menor a alrededor de 2.134 metros (7 pies), o no menor a alrededor de 2.743 metros (9 pies), o no menor a alrededor de 3.658 metros (12 pies). Tal distancia garantiza que los gases se oxiden por completo antes de entrar en contacto con el exterior de las cámaras de torrefacción. De manera provechosa, tal diseño también protege las cámaras de torrefacción de los gases corrosivos. Como tales, estas modalidades permiten el uso de acero dulce, en lugar de aceros refractarios. Por consiguiente, estas modalidades permiten ahorros económicos y permiten una mejor transferencia térmica hacia la biomasa transportada dentro de las cámaras.

En otras modalidades, la cámara de torrefacción se diseña de tal modo que un área de transferencia térmica suficiente esté disponible para transferir calor de los gases de la combustión/proceso y el vapor para elevar los gases que rodean la biomasa a una temperatura entre alrededor de 300 °C a alrededor de 500 °C durante aproximadamente 5 minutos. En diversas modalidades, los gases que rodean la biomasa pueden calentarse a entre alrededor de 310 °C a alrededor de 390 °C, o alrededor de 320 °C a alrededor de 380 °C, o alrededor de 330 °C a alrededor de 370 °C, o alrededor de 340 °C a alrededor de 360 °C. De esta manera, en ciertas modalidades, el ambiente que rodea la biomasa durante la torrefacción está en al menos alrededor de 300 °C, a menudo al menos alrededor de 320 °C, y típicamente al menos alrededor de 340 °C. En ciertas modalidades, la cámara de torrefacción se diseña de tal modo que un área de transferencia térmica suficiente esté disponible para transferir calor de los gases de la combustión/proceso y el vapor para elevar los gases que rodean la biomasa a cualquiera de los intervalos de temperatura mencionados previamente durante alrededor de 2 a alrededor de 16 minutos, o alrededor de 3 a alrededor de 15 minutos, o alrededor de 4 a alrededor de 12 minutos, o alrededor de 5 a alrededor de 10 minutos. En una diversidad de modalidades, la temperatura de los vapores dentro de la cámara de torrefacción puede incrementarse en temperatura desde casi la temperatura ambiental próxima a la entrada de la cámara de torrefacción, hasta dentro de cualquiera de los intervalos de temperatura mencionados previamente, próximos a la salida de la cámara de torrefacción. De acuerdo con diversas modalidades, el tiempo de residencia de la biomasa dentro de la cámara de torrefacción puede variar de alrededor de 2 a alrededor de 16 minutos, o alrededor de 3 a alrededor de 15 minutos, o alrededor de 4 a alrededor de 12 minutos, o alrededor de 5 a alrededor de 10 minutos. En ciertas modalidades, el tiempo de residencia de la biomasa no es de más de alrededor de 10 minutos, a menudo no más de alrededor de 8 minutos, y frecuentemente no más de alrededor de 6 minutos o no más de alrededor de 5 minutos. En modalidades adicionales, los gases que rodean la biomasa pueden elevarse a cualquiera de los intervalos de temperatura mencionados previamente durante alrededor de 2 a alrededor de 9 minutos, o alrededor de 2 a alrededor de 8 minutos, o alrededor de 2 a alrededor de 7 minutos, o alrededor de 3 a alrededor de 8 minutos, o alrededor de 5 a alrededor de 7 minutos. En una diversidad de modalidades, la temperatura de los vapores dentro de la cámara de torrefacción puede incrementarse en temperatura desde casi la temperatura ambiental próxima a la entrada de la cámara de torrefacción, hasta dentro de cualquiera de los intervalos de temperatura mencionados previamente, próximos a la salida de la cámara de torrefacción. De acuerdo con diversas modalidades, el tiempo de residencia de la biomasa dentro de la cámara de torrefacción puede variar de alrededor de 2 a alrededor de 9 minutos, o alrededor de 2 a alrededor de 8 minutos, o alrededor de 2 a alrededor de 7 minutos, o alrededor de 3 a alrededor de 8 minutos, o alrededor de 5 a 7 minutos.

Además de la transferencia indirecta de calor de los gases de combustión y vapor a la biomasa, de acuerdo con tales modalidades, la biomasa en sí puede comenzar a liberar calor cuando alcanza temperaturas por arriba de alrededor de 300 °C. Dado que la biomasa típicamente es heterogénea en su tamaño de partícula, las partículas más pequeñas en este proceso se pirolizan de manera más completa tanto al recibir calor de la torrefacción que se amuralla de manera más efectiva en virtud de su más grande relación área de superficie a volumen, como al abandonar los gases calientes a medida que alcanzan temperaturas por arriba de alrededor de 300 °C. Cuando se maneja biomasa, tales como diversas maderas y plantas, por ejemplo, una porción del material se astillará o romperá en piezas significativamente más pequeñas. Por ejemplo, tales piezas más pequeñas pueden incluir astillas de madera, aserrín, hojas y corteza. El calor de las paredes de la cámara de torrefacción y el calor de los gases de las partículas pequeñas de biomasa, hacen posible que las piezas grandes de biomasa alcancen la temperatura clave de torrefacción de alrededor de 270 °C. Como tales, las piezas de dimensiones más pequeñas, al calentarse indirectamente por los gases del proceso, proporcionan algo de la energía usada para la torrefacción de las piezas más grandes de biomasa.

La Figura 1 ilustra un dispositivo autotérmico de torrefacción de acuerdo con una modalidad de la presente invención. En esta modalidad particular, la biomasa húmeda o fresca 1 de una fuente se pre-seca al menos parcialmente y se pre-calienta por un intercambiador térmico directo o indirecto 10 antes de cargarse en una tolva alimentadora 20 al utilizar el calor de desecho del dispositivo de torrefacción. Tales modalidades, por lo tanto, de manera provechosa, no requieren u sistema de secado separado para pre-secar o pre-calentar la biomasa. Una válvula de bloqueo de aire 30 se ubica en la descarga de la tolva de alimentación para controlar o medir la biomasa en una cámara de torrefacción 40 mediante una entrada de la cámara 41. En esta modalidad, la biomasa se transporta a través de la cámara de torrefacción por un dispositivo de manejo de material 50 (por ejemplo, transportador de tornillo) para transportar la biomasa de la entrada de la cámara 41 a la salida de la cámara 43. El dispositivo de manejo de material se impulsa por un motor 60. En una modalidad preferida, el dispositivo autotérmico de torrefacción es modular y operable en campo. En tales casos, la energía para impulsar el motor puede proporcionarse por un generador 300. La cámara de torrefacción incluye una entrada de la cámara para recibir la biomasa, y al menos una salida de la cámara. La Figura 1 ilustra una cámara de torrefacción que tiene dos salidas de cámara. Una primera salida de la cámara 43 se proporciona cerca de la parte inferior de la cámara de torrefacción, de modo que la biomasa torrefactada pueda salir de la cámara al caer a la parte inferior de la cámara. Si se desea, la biomasa torrefactada de salida puede hacerse caer en un alojamiento intermedio o tanque de aumento (no mostrado). Independientemente, la biomasa que sale de la cámara de torrefacción puede medirse por una válvula de bloqueo de aire 70 en un tanque de retención transportable 80. Este tanque de retención 80 puede transportarse a una central eléctrica existente, accionada por carbón, para aplicaciones de combustión conjunta. La segunda salida de la cámara de torrefacción 44 puede colocarse cerca de la parte superior de la cámara para permitir que los gases derivados de la biomasa, producidos o liberados dentro de la cámara de torrefacción viajen a un quemador 90. Los vapores, incluyendo vapor liberado de la biomasa, viajan al quemador donde al menos una porción de los vapores combustibles se quema. Después de la combustión, los vapores, incluyendo cualquier vapor liberado o impulsado desde la biomasa en la cámara de torrefacción, viajan a través de un espacio entre y definido por un alojamiento exterior que define una camisa externa 120, la cual rodea sustancialmente la cámara de torrefacción 40. La camisa externa incluye una entrada de camisa 122 y una salida de camisa 124 de modo que los vapores que salen del quemador viajan hacia la camisa mediante la entrada de camisa, a través del espacio entre la camisa y la cámara de torrefacción, y fuera de la salida de la camisa. En una modalidad preferida, los vapores que salen de la camisa externa se hacen pasar a través de un intercambiador térmico 10 donde el calor restante contenido en estos vapores se utiliza en pre-calentar y/o pre-secar la biomasa fresca 1. De manera provechosa, los vapores derivados de la biomasa, incluyendo cualquier vapor liberado de la biomasa, producido o liberado desde dentro de la cámara de torrefacción, proporcionan en última instancia el calor necesario para la torrefacción autotérmica de la biomasa. Por consiguiente, tales modalidades de manera deseable son auto-suficientes en términos de calor, en donde las fuentes externas de calor son necesarias sólo para iniciar y mantener una llama piloto en el quemador. Para tales casos, un tanque de gas portátil 100 (por ejemplo, cilindro de propano) puede usarse fácilmente en las modalidades móviles y/o modulares. Cuando el gas no es necesario, una válvula 1 10 puede cerrarse.

Aunque una fuente externa de calentamiento, tal como una fuente de gas combustible, puede usarse para propósitos de calentar el dispositivo de torrefacción a la temperatura de operación deseada, una vez que se alcanza la temperatura deseada, el aporte de energía a partir de fuentes externas de calentamiento se reduce en gran medida de acuerdo con la presente invención. Por ejemplo, durante el inicio, el aporte de energía al dispositivo de torrefacción puede ser tan alto como alrededor de 6.857864e+008 joules/h (650,000 BTU/h). Sin embargo, una vez que las temperaturas iniciales de torrefacción se alcanzan, el aporte de energía al sistema a partir de una fuente externa (es decir, energía no derivada de la combustión de gases producidos por el proceso de torrefacción) puede caer a no más de alrededor de 52,752,800 joules/h (50,000 BTU/h), a menudo no más de alrededor de 42,202,240 joules/h (40,000 BTU/h), y típicamente no más de alrededor de 31 ,651 ,680 joules/h (30,000 BTU/h).

En modalidades preferidas, la tolva 20 actúa como un bloqueo de vapor. Más específicamente, el agua en la biomasa y el agua creada a partir de reacciones de deshidrogenación se expande cuando se expone a calor y regresa a vapor dentro de la cámara de torrefacción 40. Este vapor llena la cámara de torrefacción y viaja no sólo fuera de la salida de la cámara de torrefacción al quemador, sino una porción también puede escapar fuera de la entrada de la cámara de torrefacción y viajar a través de la tolva. Es decir, un flujo positivo de vapor viaja fuera de la cámara y fuera de la tolva (y quemador). Este flujo positivo de vapor que viaja a través de la tolva evita que el aire y, de esta manera, el oxígeno, entre a la cámara de torrefacción a través de la tolva. Por consiguiente, la cámara esencialmente se bloquea para la entrada de aire ambiental (especialmente oxígeno). De manera provechosa, tales modalidades no requieren una válvula de bloqueo de aire en la tolva de alimentación o una purga de nitrógeno.

Aunque la Figura 1 ilustra una modalidad que tiene un transportador de tornillo como el dispositivo de manejo de material 50, el dispositivo de manejo de material no se limita sólo al transportador de tornillos. Por ejemplo, ciertas modalidades de la presente invención pueden incluir cualquier dispositivo o dispositivos de manejo de material que transportan mecánica y continuamente la biomasa de manera interna a través de la o las cámaras de torrefacción de una entrada a una salida de tal modo que la operación continua del dispositivo sea posible.

Preferentemente, el dispositivo de manejo de material se adapta para promover un índice incrementado de bamboleo interno o "recambio" de la biomasa. Es decir, el dispositivo de manejo de material preferentemente se configura y opera de tal modo que la biomasa que se transporta a través de la cámara de torrefacción se someta a turbulencia o bamboleo interno, incrementado y continuo. Este alto nivel de bamboleo o acción de mezclado dentro de la cámara de torrefacción ayuda a promover el recambio continuo de biomasa que entra en contacto con las paredes calientes de la cámara de torrefacción. Como tal, más de la biomasa que se transporta a través de la cámara de torrefacción se coloca en íntimo contacto con las paredes calientes de la cámara de torrefacción por unidad de tiempo. Un dispositivo de manejo de material adaptado para promover este alto nivel de bamboleo interno, de manera provechosa, puede incrementar el índice en el cual el calor se transfiere hacia la biomasa y facilitar la torrefacción eficiente de biomasa, como es evidente, al menos en parte, por los reducidos tiempos de residencia alcanzados por las modalidades descritas en este documento. Además de un transportador de tornillo o sistema de barrena para la promoción de bamboleo interno incrementado, el dispositivo de manejo de material también puede ser, por ejemplo, un accionamiento por cadena reciprocante, una cadena transportadora, una cadena de arrastre, o similares.

En una modalidad preferida, el flujo de vapores producidos o liberados desde dentro de la cámara de torrefacción, viaja en una primera dirección, particularmente en una dirección de la entrada de la cámara a la salida de la cámara, a la unidad de quemador y el gas de proceso que sale del quemador viaja en una segunda dirección que es opuesta a la primera dirección. Como tales, los gases de combustión/proceso y/o vapor viajan en un flujo contracorriente a los vapores emitidos en la cámara de torrefacción. La Figura 1 representa tal modalidad, que tiene un esquema de flujo contracorriente. En una modalidad alternativa, el dispositivo de torrefacción comprende un esquema de flujo co-corriente. En particular, los vapores producidos o liberados desde dentro de la cámara de torrefacción viajan en la misma dirección que los vapores que viajan a través del espacio entre la camisa y la cámara de torrefacción. En esta modalidad, los vapores quemados del quemador viajan a través de la camisa en una manera en la cual los vapores quemados entran a la camisa en un punto más cercano a la entrada de la cámara de torrefacción y salen de la camisa externa en una posición más cercana a la salida de la cámara de torrefacción. Todavía en otra modalidad alternativa, el dispositivo de torrefacción comprende un esquema de flujo cruzado. En particular, la dirección de los gases quemados y/o vapor viaja perpendicular a la cámara de torrefacción.

De acuerdo con ciertas modalidades de la presente invención, el dispositivo de torrefacción puede, si se desea, incluir un sistema de enfriamiento integral. Alternativamente, el dispositivo de torrefacción puede conectarse directa o indirectamente, de manera operativa, a un sistema de enfriamiento para el material torrefactado. Tales modalidades preferentemente se utilizan cuando la biomasa torrefactada caliente no se someterá a granulación, briquetado, o densificado de otra manera mientras está caliente. En casos en los cuales la biomasa torrefactada no se densificará mientras aún está caliente, el enfriamiento de' la madera torrefactada es importante para evitar incendios. Como tal, el calor debe tomarse fuera de la biomasa torrefactada antes de que alcance el aire atmosférico o la biomasa torrefactada reaccionará con el oxígeno. En tales casos, la temperatura de la biomasa torrefactada deberá enfriarse a no más de alrededor de 65.556 °C (150 °F), 54.444 °C (130 °F), 46.1 11 °C (1 15 °F), o 37.778 °C (100 °F) (es decir, enfriarse a 37.778 °C (100 °F) o menos). En ciertas modalidades, intercambiadores térmicos de aire enfriado, intercambiadores térmicos de agua enfriada, o ambos, pueden usarse para remover calor de la biomasa torrefactada. En modalidades preferidas, la biomasa se transporta a través del o los enfriadores por medio de un dispositivo de manejo de material similar a aquel usado en las cámaras de torrefacción. En modalidades más preferidas, el calor liberado desde el material torrefactado puede usarse para el secado directo o indirecto de biomasa, calentar aire de combustión o liberarse al ambiente.

La Figura 2 ilustra un dispositivo autotérmico de torrefacción de acuerdo todavía con otra modalidad de la presente invención. En esta modalidad particular, la cámara de torrefacción 40 incluye una sola salida de la cámara de torrefacción 43 ubicada cerca de la parte inferior de la cámara. Por consiguiente, la biomasa torrefactada y los vapores derivados de biomasa generados dentro de la cámara de torrefacción salen a través de la misma salida de la cámara 43. Como se muestra en la Figura 2, un separador gas-sólido 45 (por ejemplo, ciclón) puede utilizarse para garantizar que la biomasa torrefactada no se arrastre de manera inadvertida en los vapores extraídos hacia el quemador 90 para la combustión. La biomasa torrefactada y vapores derivados de biomasa entran al separador gas-sólido 45 mientras la biomasa torrefactada cae a la sección inferior del separador 48 para descarga y los vapores salen mediante la sección superior del separador 42. Los vapores derivados de biomasa viajan al quemador para la combustión, aunque la biomasa torrefactada se mide en un recipiente transportable 80 mediante una válvula de bloqueo de aire 70.

De acuerdo con ciertas modalidades de la presente invención, un dispositivo autotérmico de torrefacción puede comprender más de una cámara de torrefacción. De esta manera, a pesar de que las Figuras 1 y 2 ilustran modalidades que tienen sólo una cámara de torrefacción 40 dentro de un alojamiento/camisa externa 120, muchas modalidades de la presente invención pueden comprender más de una cámara de torrefacción. Por ejemplo, un solo dispositivo de torrefacción puede comprender más de alrededor de 20 cámaras de torrefacción, o alternativamente de 2 a alrededor de 20 cámaras. En una modalidad, el dispositivo de torrefacción comprende de 2 a alrededor de 10 cámaras de torrefacción, preferentemente de alrededor de 4 a alrededor de 8 cámaras. En una modalidad preferida, el dispositivo de torrefacción incluye alrededor de 6 cámaras de torrefacción ubicadas dentro del alojamiento o camisa exterior. En otra modalidad, el dispositivo comprende de alrededor de 5 a alrededor de 18 cámaras, preferentemente de alrededor de 10 a alrededor de 14 cámaras. En una modalidad semejante, el dispositivo comprende alrededor de 12 cámaras de torrefacción dispuestas dentro de la camisa externa. Todavía en otra modalidad, la cámara de torrefacción comprende de alrededor de 10 a alrededor de 20 cámaras de torrefacción, preferentemente alrededor de 12 a alrededor de 18, más preferentemente de alrededor de 14 a alrededor de 16 cámaras de torrefacción ubicadas dentro de una sola camisa externa. En diversas modalidades, dispositivos separados de manejo de material (por ejemplo, sistemas separados de barrena o transportador de tornillo) pueden incluirse para transportar biomasa a través de las cámaras respectivas.

Las Figuras 3 y 4 ilustran vistas en sección transversal de diversas modalidades que tienen más de una cámara de torrefacción. En particular, la Figura 3 representa una modalidad que tiene una camisa externa circular 120 y diez cámaras de torrefacción 40. La Figura 4 representa una modalidad que tiene doce cámaras de torrefacción 40 ubicadas dentro de una camisa externa rectangular 120.

De acuerdo con ciertas modalidades que comprenden múltiples cámaras de torrefacción, biomasa húmeda o fresca opcionalmente puede al menos pre-secarse parcialmente y precalentarse por un intercambiador térmico directo o indirecto antes de que se cargue en una tolva o tolvas de alimentación. Una válvula o válvulas de bloqueo de aire, ubicadas en la descarga de la o las tolvas de alimentación para controlar o medir la biomasa en las cámaras respectivas de torrefacción mediante una entrada de la cámara de cada cámara. En tales modalidades, la biomasa se transporta a través de las cámaras de torrefacción por su respectivo dispositivo de manejo de material para transportar biomasa de la entrada de la cámara a la salida de la cámara.

En una modalidad preferida, el dispositivo autotérmico de torrefacción es modular y/o móvil. De esta manera, de acuerdo con una modalidad preferida, el dispositivo no sólo es operable en campo, sino puede recolocarse fácilmente a otras ubicaciones. En tales casos, la energía para impulsar el o los motores puede proporcionarse por un generador.

Las Figuras 1 y 2 ilustran modalidades de la presente invención que incluyen un dispositivo opcional de control 200, que puede usarse para monitorear y ajusfar condiciones del proceso. En algunas modalidades, el dispositivo de control 200 puede incluir diverso hardware y/o software. El dispositivo de control puede conectarse a uno o más sensores (no mostrados) o medidores indirectamente, tal como conectados de manera inalámbrica, o directamente. Un ejemplo semejante de un dispositivo de control comprende un controlador lógico programable (PLC). Preferentemente, el dispositivo de control comprende PLC debido a su diseño para múltiples disposiciones de entrada y salida (no mostradas), intervalos extendidos de temperatura, inmunidad al ruido eléctrico, y resistencia a la vibración e impacto. Estas extensivas disposiciones de entrada/salida (l/O) pueden conectar el PLC a una multitud de sensores, impulsores, calibradores, y activadores (ninguno mostrado). Tal dispositivo de control 200 también puede leer conmutadores límite, variables análogas de proceso (tal como temperatura y presión), y las posiciones de sistemas complejos de colocación. Por ejemplo, en el lado del activador, el dispositivo de control 200 puede operar motores eléctricos, cilindros neumáticos o hidráulicos, relevadores o solenoides magnéticos, o salidas análogas. Las disposiciones de entrada/salida del dispositivo de control pueden incorporarse en un simple PLC, o el PLC puede tener módulos externos l/O unidos a una red de computadoras que se conecta en el PLC.

En ciertas modalidades, el dispositivo de control puede conectarse a uno o más sensores y/o controles del proceso. Por ejemplo, el dispositivo de control puede conectarse a una pluralidad de sensores de temperatura, celdas de carga, impulsores de frecuencia variable, sensores de presión, sensores de índice de flujo de gas y una o más interfaces humano-máquina. Por ejemplo, diversas modalidades pueden incluir calibradores/sensores de temperatura (no mostrados) a lo largo de la cámara de torrefacción, dentro de la unidad de quemador, a lo largo de la camisa que rodea la cámara de torrefacción o en la salida de escape. Tales modalidades pueden, si se desea, incluir también celdas de carga (no mostradas) que pueden proporcionarse para monitorear el peso de la biomasa en los tanques 20 y 80. Las modalidades de la presente invención también pueden incluir uno o más calibradores/sensores de presión (no mostrados). Por ejemplo, pueden proporcionarse sensores de temperatura para monitorear la temperatura dentro de la cámara de torrefacción, dentro de la camisa, o incluso dentro de la unidad de quemador. De manera similar, el dispositivo de control también puede conectarse al sensor del índice de flujo de gas para monitorear el índice de gas que sale de como escape. Adicionalmente, el dispositivo de control también puede conectarse a uno o más impulsores de frecuencia variable, en donde el amperaje del motor puede monitorearse y ajustarse según se requiera. Por ejemplo, el motor 60 puede comprender un impulsor de frecuencia variable. Asimismo, las válvulas de bloqueo/medición de aire 30 y 70 también pueden impulsarse por impulsores respectivos de frecuencia variable (no mostrados). En una modalidad preferida, el dispositivo de control incluye al menos una interfaz humano-máquina, en donde un operador puede monitorear los diversos parámetros del proceso y, si es necesario, ajusfar manualmente los parámetros del proceso ya sea en el campo o mediante la interfaz humano-máquina. Preferentemente, el dispositivo de control 200 es un PLC, en donde los diversos parámetros del proceso pueden ser puntos de conjuntos pre-determinados asignados, y los diversos sensores, activadores y/o impulsores del proceso automáticamente se ajustan por el PLC con base en las salidas en real tiempo recibidas desde estos dispositivos de control de procesos.

En una modalidad preferida, la cámara de torrefacción comprende un conducto circular. Además, el espacio entre y definido por la camisa externa y cámara de torrefacción puede comprender un anillo. En otras modalidades, la cámara de torrefacción comprende un conducto circular y la camisa que rodea la cámara de torrefacción puede comprender una caja rectangular o cualquier otra configuración geométrica deseada. En ciertas modalidades, especialmente modalidades móviles y/o modulares, el dispositivo autotérmico de torrefacción puede incluir al menos un molino de gránulos o briquetas o similares conectado de manera operativa a la salida de la cámara, de tal modo que la biomasa torrefactada que sale de la cámara de torrefacción se granule, briquete, o densifique de otra manera. De esta forma, la biomasa torrefactada puede granularse en el campo aunque la biomasa torrefactada esté aún caliente. Alternativamente, el calor que sale de la biomasa torrefactada puede cargarse manualmente a una unidad separada de granulación o briquetado, colocada cerca de ello, tal como en el mismo campo, granja o bosque.

La cámara de torrefacción puede rodearse sustancialmente por un alojamiento exterior que define una camisa externa y que tiene una entrada de camisa y una salida de camisa. La camisa externa y cámara de torrefacción definen un espacio entre las mismas, de tal modo que una unidad de quemador que incluye una entrada conectada de manera operativa a la salida de la cámara y una salida conectada de manera operativa a la entrada de camisa permite que los vapores producidos o liberados desde dentro de la cámara de torrefacción viajen hacia la unidad de quemador para la combustión de al menos una porción de los vapores y subsecuentemente viajen a través del espacio entre la camisa y la cámara de torrefacción para proporcionar calor necesario para la torrefacción autotérmica de biomasa. Como tal, aparte de combustible para precalentar el dispositivo y una llama piloto para garantizar que los gases derivados de biomasa se enciendan, toda la energía calorífica usada para la torrefacción vendrá de la biomasa en sí.

En una modalidad, el dispositivo de torrefacción puede comprender una o más cámaras de torrefacción; en donde cada cámara de torrefacción tiene un diámetro interno de alrededor de 7.62 cm (tres pulgadas) a alrededor de 38.1 cm (15 pulgadas). En otras modalidades, el diámetro interno de cada cámara puede comprender de. alrededor de 10.16 cm (cuatro pulgadas) a alrededor de 30.48 cm (doce pulgadas), o de alrededor de 12.7 cm (cinco pulgadas) a alrededor de 22.86 cm (nueve pulgadas). Por ejemplo, en una modalidad particular, cada cámara comprende un diámetro interno de alrededor de 15.24 cm (seis pulgadas). En otra modalidad, el diámetro interno de la o las cámaras de torrefacción comprende de alrededor de 25.4 cm (10 pulgadas) a alrededor de 101.6 cm (40 pulgadas), o 50.8 cm (20 pulgadas) a 76.2 cm (30 pulgadas). En modalidades alternativas, el dispositivo puede comprender múltiples cámaras de torrefacción; en donde los diámetros internos de las cámaras no son idénticos.

En ciertas modalidades, la longitud de la o las cámaras de torrefacción que se rodea por la camisa externa puede comprender de alrededor de 1.524 (5) a alrededor de 15.24 m (50 pies). En ciertas modalidades, la longitud de la o las cámaras de torrefacción, que se rodea por la camisa externa, puede comprender de alrededor de 1.524 (5) a alrededor de 6.096 m (20 pies), preferentemente de alrededor de 3.048 (10) a alrededor de 5.486 m (18 pies), más preferentemente de alrededor de 3.962 a 5.182 m (13 a 17 pies). En otras modalidades, la longitud de la o las cámaras de torrefacción, que se rodea por la camisa externa, puede comprender de alrededor de 6.096 (20) a alrededor de 15.24 m (50 pies), preferentemente de alrededor de 9.144 (30) a alrededor de 13.716 m (45 pies), más preferentemente de alrededor de 10.668 a 12.192 m (35 a 40 pies). Todavía en una modalidad adicional, la longitud de la o las cámaras de torrefacción, que se rodea por la camisa externa, puede comprender de alrededor de 3.048 (10) a alrededor de 9.144 m (30 pies), preferentemente de alrededor de 15 a alrededor de 25 pies, más preferentemente de alrededor de 18 a 22 pies. En una modalidad preferida, la cámara de torrefacción comprende tubo de cédula 40 de cualquier de las dimensiones mencionadas anteriormente.

De acuerdo con ciertas modalidades alternativas, el dispositivo de torrefacción incluye al menos una cámara de torrefacción que comprende un conducto cerrado que tiene una entrada de la cámara para recibir biomasa y al menos una salida de la cámara. Preferentemente, la parte inferior del conducto tiene una parte inferior de forma afestonada. Es decir, la parte inferior de la cámara de torrefacción incluye una o más depresiones configuradas de tal modo que un dispositivo de manejo de material, de acuerdo con aquellos descritos en este documento, pueda colocarse dentro de cada depresión. Los dispositivos de manejo de material (por ejemplo, barrena) transportan la biomasa de la entrada de la cámara a la salida de la cámara. En una modalidad, la biomasa se bate de manera aleatoria y continua dentro y fuera de cada depresión. Además, la biomasa puede volar fuera de una depresión y hacia una depresión próxima, mientras se transporta a través de la cámara de torrefacción.

Como se muestra en la Figura 5, la cámara de torrefacción de forma afestonada 40 incluye múltiples depresiones 42 en las cuales la biomasa se transporta. En esta modalidad, se proporciona un dispositivo de manejo de material 50 para transportar biomasa a través de cada depresión 42. En una modalidad semejante la cámara de forma afestonada se rodea sustancial o completamente por una camisa externa. Los gases y vapor de torrefacción liberados dentro de la cámara de torrefacción viajan hacia una unidad de quemador y arden. Los gases y vapor del proceso entonces se dirigen a través de la camisa externa para calentar al menos una de las paredes externas de la cámara de torrefacción. En otra modalidad, sólo la parte inferior o pared de forma afestonada de la cámara de torrefacción tiene camisa. Como tales, los gases del proceso del quemador calientan la pared de forma afestonada de la parte inferior. En tales modalidades, las paredes de la cámara de torrefacción que no tienen camisa (y dé esta manera no se exponen a los gases del proceso para calentar biomasa) preferentemente se aislan para evitar la pérdida de calor a través de las paredes sin camisa.

En otro aspecto de la presente invención, se proporciona un proceso para la torrefacción autotérmica de biomasa. En una modalidad, un proceso para la torrefacción autotérmica de biomasa incluye calentar indirectamente biomasa a través de las paredes de una cámara de torrefacción a una temperatura suficiente para producir biomasa torrefactada. Los gases derivados de biomasa, que incluyen vapor, producido o liberado desde dentro de la cámara de torrefacción, se dejan o extraen hacia una unidad de quemador y al menos una porción de los vapores derivados de biomasa combustible se queman. El gas de combustión/proceso sale del quemador y viaja a través de un espacio ubicado entre y definido por la cámara de torrefacción y un alojamiento exterior que define una camisa que sustancialmente rodea la o las cámaras de torrefacción. Los vapores que salen del quemador proporcionan el calor necesario para la torrefacción autotérmica de biomasa dentro de la cámara de torrefacción. De manera provechosa, aparte de combustible para precalentar el dispositivo y una llama piloto para garantizar que los gases derivados de biomasa se enciendan, toda la energía calorífica usada para la torrefacción vendrá de la biomasa en sí, De acuerdo con una modalidad preferida, el proceso además incluye pre-calentar y/o pre-secar biomasa fresca y medir la biomasa pre-calentada hacia la cámara de torrefacción. Preferentemente, la biomasa fresca se pre-calienta y pre-seca al hacer pasar la biomasa a través de un intercambiador térmico en donde los gases de combustión que salen de la camisa externa proporcionan energía calorífica a la biomasa fresca. Aunque el intercambiador térmico puede ser ya sea un intercambiador directo o indirecto, una modalidad preferida utiliza el contacto directo de la biomasa fresca con los gases quemados. En tales modalidades, la temperatura de la biomasa no sólo se eleva, sino una porción del contenido de agua en la biomasa puede reducirse de acuerdo con principios bien conocidos de transferencia de masa. Por ejemplo, el contacto directo entre la biomasa fresca, que puede incluir un contenido de humedad de alrededor de 50% en peso, y los gases quemados, pueden aprovechar la diferencia en concentración de agua entre la biomasa fresca y los gases quemados de salida para ayudar a reducir el contenido de agua en la biomasa antes de entrar en la cámara de torrefacción.

De acuerdo con ciertas modalidades, la biomasa dentro de la cámara de torrefacción puede calentarse indirectamente a través de las paredes de la cámara de torrefacción. Además de la biomasa en sí, el aire que rodea la biomasa también se calienta. En una modalidad, los gases que rodean la biomasa en la cámara de torrefacción se calientan de alrededor de 300 °C a alrededor de 500 °C, de tal modo que una porción de la biomasa se pirolice. Preferentemente, la porción de la biomasa que se somete a pirólisis incluye principalmente piezas más pequeñas de la biomasa heterogénea. Por ejemplo, piezas más pequeñas de biomasa tal como aserrín, virutas de madera, y hojas y corteza pueden someterse a pirólisis. Al someterse a pirólisis, estas piezas más pequeñas de biomasa producen una cantidad significativa de calor, que ayuda a calentar las piezas de biomasa más grandes o más voluminosas. En una modalidad, la biomasa en sí puede calentarse a alrededor de 265 °C a alrededor de 300 °C, o alrededor de 265 °C a alrededor de 275 °C. Todavía en otra modalidad, la biomasa en sí puede calentarse a alrededor de 275 °C a alrededor de 300 °C. En modalidades adicionales, los gases y/o la biomasa en sí pueden calentarse de alrededor de 300 °C a alrededor de 500 °C, o alrededor de 300 °C a alrededor de 400 °C, o 350 °C a alrededor de 450 °C, 300 "C a alrededor de 500 °C, o alrededor de 400 °C a alrededor de 500 °C, o alrededor de 450 °C a alrededor de 500 °C.

En una modalidad, el proceso para la torrefacción autotérmica de biomasa comprende obtener y mantener una diferencia de temperatura entre la biomasa torrefactada y/o vapores de torrefacción en el extremo de descarga de la cámara de torrefacción y los vapores que pasan a través del espacio con camisa comprenden de alrededor de 280 °C a alrededor de 320 °C, o de alrededor de 290 °C a alrededor de 310 °C; en donde la temperatura del vapor con camisa comprende la temperatura local de los vapores (por ejemplo, gases y vapor del proceso) cerca del extremo de descarga de la cámara o cámaras de torrefacción. En una modalidad, los vapores que pasan a través de( espacio con camisa entran al espacio con camisa en una posición próxima a la descarga de biomasa y comprenden una temperatura' de alrededor de 290 °C a alrededor de 310 °C más caliente que la biomasa y/o vapores que salen de la cámara de torrefacción. En ciertas modalidades, la diferencia de temperatura puede comprender de alrededor de 270 °C a 330 °C.

En diversas modalidades, el proceso comprende monitorear la temperatura de los vapores que salen del dispositivo de torrefacción hacia la atmósfera y ajusfar la operación del dispositivo, de tal modo que la temperatura de los vapores de salida comprendan de alrededor de 180 °C a alrededor de 220 °C, o de alrededor de 190 °C a alrededor de 210 °C. Al mantener una temperatura apropiada de salida del vapor, los procesos de acuerdo con las modalidades de la presente invención pueden minimizar el calor de desecho que puede transferirse a la biomasa para la torrefacción de la misma.

El índice en el cual la biomasa puede cargarse al dispositivo de torrefacción puede variar dependiendo de la modalidad particular que se emplea. Sin embargo, las modalidades de la presente invención pueden operar con un índice de alimentación de biomasa de alrededor de 22.68 (50) a alrededor de 2,267.962 kg/h (5000 Ib/h). En una modalidad, el dispositivo se adapta para incorporar un índice de alimentación que comprende de alrededor de 22.68 (50) a alrededor de 226.796 kg/h (500 Ib/h), o alrededor de 27.216 (60) a alrededor de 181.437 kg/h (400 Ib/h), o preferentemente de alrededor de 36.287 (80) a alrededor de 136.078 kg/h (300 Ib/h), o más preferentemente de alrededor de 45.359 (100) a alrededor de 90.718 kg/h (200 Ib/h). En otras modalidades, el dispositivo se adapta para incorporar un índice de alimentación de biomasa que comprende de alrededor de 453.592 (1000) a alrededor de 2,267.962 kg/h (5000 Ib/h). En una modalidad, el índice de alimentación puede comprender de alrededor de 907.185 (2000) a alrededor de 1 ,814.37 kg/h (4000 Ib/h), o alrededor de 1 ,133.981 (2500) a alrededor de 1 ,587.573 kg/h (3500 Ib/h). En una modalidad alternativa, el dispositivo de torrefacción se adapta para incorporar un índice de alimentación que varía de alrededor de 181.437 (400) a alrededor de 544.311 kg/h (1200 Ib/h), o alrededor de 272.155 (600) a alrededor de 453.592 kg/h (1000 Ib/h), o de alrededor de 317.515 (700) a alrededor de 362.874 kg/ h (800 Ib/h).

Los dispositivos de torrefacción de acuerdo con las modalidades de la presente invención de manera provechosa pueden transportarse a un punto de operación que tiene biomasa para la torrefacción. Tales modalidades en gran medida pueden auto-alimentarse en ese toda la energía calorífica, aparte de la de inicio, para la torrefacción de biomasa, se deriva del procesamiento de biomasa a través del dispositivo de torrefacción. Al poseer tal operabilidad y movilidad en campo, estas modalidades hacen posible una reducción en la transportación y costos de procesamiento de las materias primas. Por ejemplo, el costo de transportar el agua en la biomasa se elimina en gran medida. En modalidades alternativas, el dispositivo de torrefacción puede incluir o alternativamente alimentar un granulador o briquetador, mientras la biomasa torrefactada esté caliente para formar gránulos o briquetas con aportes relativamente pequeños de energía y sin aglutinantes adicionales. De acuerdo con tales modalidades, el dispositivo autotérmico de torrefacción puede proporcionar muchos, si no todos los productos previamente descritos en los campos y bosques con una tecnología que es móvil y/o modular. La proximidad de esta producción de combustible a su fuente original de materia prima puede reducir los costos de transportación y el uso global de combustibles que emiten carbono.

Una modalidad de la presente invención comprende métodos para incrementar la rentabilidad de usar biomasa torrefactada como combustible. Tales métodos pueden incluir proporcionar al menos un dispositivo autotérmico de torrefacción como se describe en este documento en un punto de operación que se separa de una central eléctrica para la torrefacción de biomasa ubicada en ese punto de operación. Por ejemplo, el punto de operación puede incluir cualquier punto de recolección o fuente de biomasa. Como tal, deberá entenderse que los puntos de operación incluyen los sitios de recolección de biomasa de madera y agrícola. Ejemplos no limitantes de tales puntos de recolección incluyen bosques, campos y granjas. Estos puntos de recolección pueden estar varios cientos de kilómetros (millas) (o más) alejados de una fuente externa de calor, tal como una central eléctrica existente impulsada por carbón. Además, la biomasa ubicada en el punto de operación puede cargarse ya sea continuamente o por lotes al dispositivo autotérmico de torrefacción y convertirse en biomasa torrefactada como se describe en este documento.

En una modalidad preferida, el dispositivo autotérmico de torrefacción es operable en campo. En particular, tales modalidades de manera provechosa pueden emplear una unidad móvil y/o modular que puede transferirse al cargar el dispositivo autotérmico de torrefacción sobre el lecho de un camión utilitario típico de 5.182 m (17 pies) o dieciocho ruedas, por ejemplo solamente, e impulsarse a una ubicación o ubicaciones separadas para su operación. En otras palabras, el dispositivo autotérmico de torrefacción de la invención preferentemente se dimensiona de tal modo que la transportación vehicular del dispositivo sea posible. Como tal, un solo dispositivo autotérmico de torrefacción puede transportarse de manera provechosa a varias ubicaciones diferentes para la torrefacción de biomasa independiente de cualquier central eléctrica existente o fuente externa de calor. Por consiguiente, el dispositivo autotérmico de torrefacción puede • ¡mplementarse en cualquier punto o puntos de operación que tienen biomasa que puede torrefactarse. Como se discute previamente, el proceso de torrefacción impulsa la mayor parte a toda la humedad contenida en la biomasa y además vuelve la biomasa hidrofóbica en su naturaleza. Debido a la reducción en el contenido de humedad, el costo de transportar la biomasa torrefactada es inferior al costo de transportar biomasa sin convertir. Más aún, la naturaleza hidrofóbica de la biomasa torrefactada hace posible tiempos más prolongados de transportación y manejo/almacenaje sin recoger de manera indeseable la humedad. Como tal, el radio de operación para tales modalidades a partir de una fuente externa de calor, tal como una estación existente impulsada por carbón, sustancialmente no tiene límites. Adicionalmente, dado que la biomasa torrefactada es menos propensa a pudrirse que la biomasa sin tratar, la biomasa torrefactada puede almacenarse durante mayores periodos de tiempo antes de su uso. En diversas modalidades preferidas, la biomasa comprende materiales orgánicos basados en celulosa, aunque en otras modalidades, la biomasa comprende desechos de animales. Además, el dispositivo autotérmico de torrefacción, de acuerdo con diversas modalidades, también puede usarse como una unidad de disposición de desechos o reducción de desechos para reducir el peso y volumen de los productos de desecho de animales y plantas.

En una modalidad, la biomasa puede torrefactarse en un punto de operación separado de una fuente externa de calor, tal como una central existente impulsada por carbón. Por ejemplo, un dispositivo móvil y/o modular de torrefacción, de acuerdo con las modalidades de la presente invención, puede transportarse a un campo o bosque para la torrefacción de biomasa ubicada en el campo o bosque. Sin embargo, esto no limita las modalidades de la invención, de que se utilice en una central eléctrica existente si se desea. En ciertas modalidades, la biomasa torrefactada puede granularse, briquetarse, o densificarse de otra manera por un molino conectado al dispositivo de torrefacción o colocado cerca de ello, tal como en el mismo campo o bosque. En una modalidad, la biomasa torrefactada puede granularse, briquetarse, o densificarse parcialmente de otra manera en el campo o bosque y transportarse a una segunda ubicación que tiene un molino autónomo para la densificación final. En una modalidad, la biomasa torrefactada se transporta a una segunda ubicación, separada del campo o bosque donde la biomasa se trató, para granulación, briquetado, o similares. La segunda ubicación puede comprender una operación de molido autónomo o incluso una operación de molido conectado a una central eléctrica existente. En una modalidad, la biomasa torrefactada caliente se deja enfriar antes de granular, briquetar, o similares en la misma o diferente ubicación que la torrefacción.

En ciertas modalidades, la invención comprende un proceso para producir gránulos o briquetas de biomasa torrefactada en un punto de operación separado de fuentes externas de calor, centrales eléctricas, granulación estacionaria, briquetado, u otras instalaciones de densificación, y similares. En una modalidad, el proceso comprende convertir biomasa sin tratar en biomasa torrefactada, como se discute en todas partes, en un punto de recolección, y la granulación, briquetado, o densificación de otra manera de la biomasa torrefactada en el mismo punto de recolección. En modalidades preferidas, la biomasa torrefactada se carga a por lo menos un molino de gránulos mientras aún está caliente. Por ejemplo, la temperatura de la biomasa torrefactada cargada al molino de densificación puede ser de alrededor de 200 °C a alrededor de 320 °C, o alrededor de 225 °C a alrededor de 300 °C, o alrededor de 250 °C a 300 °C, o preferentemente de alrededor de 270 °C a alrededor de 300 °C.

De manera provechosa, las modalidades de la presente invención permiten e incluyen la granulación de biomasa torrefactada en el campo, granja, bosque y similares. De esta manera, la biomasa torrefactada puede granularse, briquetarse, o densificarse rápidamente de otra manera en el punto de recolección mientras la biomasa tratada aún está caliente por el proceso de torrefacción. En consecuencia, gránulos, briquetas, o similares de biomasa torrefactada pueden alcanzarse con aportes relativamente pequeños de energía. Además, en diversas modalidades, no se requieren aglutinantes adicionales para formar gránulos de biomasa torrefactada.

EJEMPLO Un dispositivo autotérmico de torrefacción de acuerdo con una modalidad de la presente invención se utilizó para la torrefacción de residuos de corte de pino (madera, corteza, varillas de diámetro pequeño). El dispositivo de torrefacción incluyó 6 cámaras de torrefacción cada una con una longitud global de 6.096 m (20 pies). El alojamiento o camisa exterior externa que rodea las cámaras de torrefacción comprendió una caja que tenía un ancho interno de 1.524 m (5 pies), una altura interna de 1.524 m (5 pies) y una longitud interna de 4.267 m (14 pies). Como tales, los 4.267 m (14 pies) de las cámaras de torrefacción de 6.096 m (20 pies) se rodearon por la camisa externa.

La biomasa (es decir, los residuos de corte de pino) se alimentó a través de una pantalla de 1.27 cm (1/2") en un molino de martillos. El contenido de agua varió de partícula a partícula, pero el contenido de agua promedio global fue aproximadamente 50% en peso. La biomasa molida se transportó en una depresión a una tolva de alimentación. Mientras se transportaba en la depresión a la tolva de alimentación, los gases de escape calientes se expulsaron a lo largo de la biomasa en la depresión así como alrededor del exterior de la depresión. En promedio, esto redujo el contenido de agua promedio de la biomasa a alrededor de 45% en peso.

Antes de cargar la biomasa en las cámaras de torrefacción, el dispositivo de torrefacción se calentó por la combustión de propano en el quemador. Los gases de combustión se hicieron pasar a través del espacio abierto entre la camisa y las cámaras de torrefacción para proporcionar el calor necesario inicial para torrefactar la biomasa. Después de que el dispositivo de torrefacción se calentó a una temperatura de operación de aproximadamente 400 °C (típicamente de 300 °C a 450 °C es suficiente), la biomasa continuamente se cargó en las cámaras de torrefacción y se transportó a través de las cámaras por medio de un sistema de barrena para promover el recambio continuo de la biomasa. El uso de propano para calentar inicialmente el dispositivo y comenzar el proceso de torrefacción fue alrededor de 7.0794258e+008 joules/h (671 ,000 BTU/hora). A medida que la biomasa se calentó y comenzó a emitir gases y vapor de torrefacción, estos vapores se quemaron y pasaron a través del espacio con camisa en contra corriente para proporcionar calor indirecto para el proceso de torrefacción.

Al alcanzar condiciones autotérmicas, como es evidente por la drástica reducción en el uso de propano, el índice de alimentación promedió aproximadamente 249.476 kg/hora (550 Ib/hora) de biomasa y 79.379 kg/hora (175 Ib/hora) de material torrefactado se produjeron. Bajo condiciones autotérmicas, el uso de propano se redujo en gran medida a alrededor de 21 , 101 , 120 joules/hora (20,000 BTU/hora), que representa aproximadamente un 97% de disminución en el índice en el cual el propano se consume. Este nivel de uso de propano correlaciona con la cantidad de propano usado meramente para garantizar que la llama piloto permanezca encendida. Como tal, en términos prácticos, toda la energía calorífica usada para la torrefacción vino de la biomasa en sí.

Durante la operación del dispositivo de torrefacción bajo condiciones autotérmicas, las temperaturas en la sección más caliente (es decir, el extremo de descarga) de las cámaras de torrefacción se monitorearon y el índice en el cual la biomasa se transporta a través del dispositivo se moduló. Más específicamente, el tiempo de residencia de la biomasa en las cámaras de torrefacción se moduló de tal modo que a medida que las temperaturas de la cámara de descarga se elevaban por arriba de 450 °C, el tiempo de residencia en las cámaras de torrefacción disminuyó al incrementar el índice en el cual la biomasa se transportó. Además, a medida que las temperaturas de descarga de las cámaras de torrefacción cayeron por debajo de 400 °C, el tiempo de residencia en las cámaras de torrefacción se incrementó al reducir el índice en el cual la biomasa se transportó a través de las cámaras. A lo largo de la operación bajo condiciones autotérmicas, el tiempo de residencia promedio en las cámaras de torrefacción varió de aproximadamente 5 a 7 minutos Toda material torrefactado descargado desde el dispositivo de torrefacción se enfrió de una temperatura de alrededor de 400 °C a temperaturas ambientales con una combinación de enfriamiento indirecto en un baño de agua y aire sobre tubería de acero y aluminio.

Los registros de las temperaturas de la cámara de torrefacción y camisa externa para esta operación se proporcionan en la Tabla 1. Como se indica anteriormente, este particular dispositivo de torrefacción incluyó 6 cámaras de torrefacción. Estas cámaras se colocaron lateralmente a lo largo de la anchura de la camisa externa. Como tales, las cámaras se identificaron numéricamente como Cámaras 1 -6. Las cámaras 1 y 6 estaban más cercanas a la pared lateral de la camisa externa, aunque las cámaras 3 y 4 se colocaron aproximadamente equidistantes a partir del punto central (por ejemplo, 0.762 m (2.5 pies) a partir de las paredes laterales internas) de la anchura de la camisa externa. La cámara 2 se colocó entre la cámara 1 y 3. La cámara 5 se colocó entre las cámaras 4 y 6.

Bajo condiciones autotérmicas, la temperatura de las cámaras 1 , 3, y 5 se monitorearon cada una en tres ubicaciones diferentes a lo largo de la longitud de las cámaras con camisa. En particular, la temperatura de cada cámara se monitoreó como sigue: (1 ) cerca del extremo de descarga (por ejemplo, cámara 1 - sección caliente); cerca de la parte media de la cámara con camisa (por ejemplo, cámara 1 - sección media); y cerca de la entrada de la cámara con camisa (por ejemplo, cámara 1 - fría).

Además de monitorear las temperaturas de las cámaras, la temperatura del vapor en la camisa externa se monitoreó de manera similar. Más específicamente, los vapores en la camisa externa se monitorearon en 6 ubicaciones diferentes, con 3 mediciones que se toman a lo largo de una sección superior de la camisa externa y 3 a lo largo de la sección inferior. Estas temperaturas se monitorearon como sigue: (1 ) cerca de la entrada del gas del proceso en la sección superior de la camisa (por ejemplo, camisa - caliente superior); (2) cerca de la entrada del gas del proceso en la sección inferior de la camisa (por ejemplo, camisa - caliente inferior; (3) cerca de la sección superior media (a lo largo de la longitud de la caja) de la camisa (por ejemplo, camisa - media superior); (4) cerca de la sección superior media (a lo largo de la longitud de la caja) de la camisa (por ejemplo, camisa - media inferior); (5) cerca de la salida del gas del proceso en la sección superior de la camisa (por ejemplo, camisa - fría superior); y (6) cerca de la salida del gas del proceso en la sección inferior de la camisa (por ejemplo, camisa -fría inferior).

Como se muestra en la Tabla 1 , se presenta un gradiente de temperaturas del extremo de entrada al extremo de descarga de cada cámara. De manera más importante, sin embargo, los datos en la Tabla 1 demuestran que las temperaturas de torrefacción se obtienen y mantienen durante varias horas sin el uso de una fuente externa de calor. Como tal, el calor para la torrefacción se proporciona por la biomasa en sí. Por consiguiente, el dispositivo de torrefacción proporcionó un medio eficiente de torrefacción de la biomasa en un tiempo de residencia reducido en gran medida bajo condiciones autotérmicas. En consecuencia, las modalidades de la presente invención proporcionan un dispositivo de torrefacción que torrefacta biomasa no sólo bajo condiciones autotérmicas, sino también proporciona una producción incrementada de biomasa por unidad de tiempo.

Tabla 1 : Datos de Temperaturas Durante las Condiciones Autotérmicas Muchas modificaciones y otras modalidades de las invenciones establecidas en este documento vendrán a la mente de un experto en la técnica a la que estas invenciones pertenecen, al tener el beneficio de las enseñanzas presentadas en las descripciones precedentes y los dibujos asociados. Por lo tanto, debe entenderse que las invenciones no se limitan a las modalidades específicas dadas a conocer, y que las modificaciones y otras modalidades pretenden incluirse dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Aunque se emplean términos específicos en este documento, se usan en un sentido genérico y descriptivo solamente y no para propósitos de limitación.

Claims (28)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo autotérmico de torrefacción, que comprende: (a) al menos una cámara de torrefacción, cada cámara incluye una entrada de la cámara para recibir biomasa y al menos una salida de la cámara; (b) un alojamiento exterior que define una camisa externa que rodea sustancialmente al menos una cámara de torrefacción y que incluye una entrada de camisa y una salida de camisa, la camisa externa y al menos una cámara de torrefacción definen un espacio entre las mismas; y (c) una unidad de quemador que incluye una entrada conectada de manera operativa a la salida de la cámara de torrefacción y una salida conectada de manera operativa a la entrada de camisa; de tal modo que los vapores producidos o liberados desde dentro de al' menos una cámara de torrefacción viajen hacia la unidad de quemador para la combustión de al menos una porción de los vapores y subsecuentemente viajen a través del espacio entre la camisa y al menos una cámara de torrefacción para proporcionar calor necesario para la torrefacción autotérmica de biomasa.

2. El dispositivo autotérmico de torrefacción de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el flujo de vapores producidos o liberados desde dentro de al menos una cámara de torrefacción viaja en una primera dirección a la unidad de quemador para la combustión de al menos una porción de los vapores y subsecuentemente viajan a través del espacio entre la camisa y al menos una cámara de torrefacción en una segunda dirección que es opuesta a la primera dirección.

3. El dispositivo de torrefacción de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el flujo de vapores producidos o liberados desde dentro de al menos una cámara de torrefacción viaja en la misma dirección que los vapores que viajan a través del espacio entre la camisa y al menos una cámara de torrefacción.

4. El dispositivo autotérmico de torrefacción de conformidad con la reivindicación 1 , que además comprende un dispositivo de manejo de material para transportar biomasa de la entrada de la cámara a la salida de la cámara.

5. El dispositivo autotérmico de torrefacción de conformidad con la reivindicación 4, en donde el dispositivo de manejo de material comprende un transportador de tornillo.

6. El dispositivo autotérmico de torrefacción de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el dispositivo es móvil.

7. El dispositivo autotérmico de torrefacción de conformidad con la reivindicación 1 , en donde al menos una cámara de torrefacción comprende un conducto.

8. El dispositivo autotérmico de torrefacción de conformidad con la reivindicación 1 , que además comprende un intercambiador térmico directo o indirecto ubicado de tal modo que los vapores que salen de la salida de camisa entran al intercambiador térmico y pre-calientan la biomasa fresca antes de que la biomasa entre a la cámara de torrefacción.

9. El dispositivo autotérmico de torrefacción de conformidad con la reivindicación 1 , que además comprende al menos un molino de granulos o briquetas conectado de manera operativa a la salida de la cámara de tal modo que la biomasa torrefactada que sale de la cámara de torrefacción se granule, briquete, o densifique de otra manera.

10. Un proceso para la torrefacción autotérmica de biomasa, que comprende: (a) calentar indirectamente biomasa y aire que rodea la biomasa dentro de al menos una cámara de torrefacción a través de las paredes de al menos una cámara de torrefacción a una temperatura suficiente para producir biomasa torrefactada; (b) dejar o extraer los vapores producidos o liberados desde dentro de al menos una cámara de torrefacción hacia una unidad de quemador; (c) quemar al menos una porción de los vapores en la unidad de quemador; y (d) hacer pasar los vapores a través de un espacio con camisa ubicado entre y definido por al menos una cámara de torrefacción y un alojamiento exterior que rodea sustancialmente al menos una cámara de torrefacción, en donde los vapores proporcionan calor necesario para la torrefacción autotérmica de biomasa dentro de la cámara de torrefacción.

1 1. El proceso de conformidad con la reivindicación 10, que además comprende pre-calentar biomasa y medir la biomasa pre-calentada en al menos una cámara de torrefacción, en donde la biomasa fresca se pre-calienta ya sea por transferencia directa o indirecta de calor de los vapores de escape que salen del espacio con camisa.

12. El proceso de conformidad con la reivindicación 10, en donde calentar indirectamente la biomasa y los gases que rodean la biomasa comprende calentar los gases a alrededor de 300 °C a alrededor de 500 °C de tal modo que una porción de la biomasa se pirolice.

13. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, en donde la biomasa se calienta a alrededor de 300 °C a alrededor de 400 °C.

14. El proceso de conformidad con la reivindicación 10, que además comprende transportar continuamente biomasa a través de al menos una cámara de torrefacción, de tal modo que la biomasa se torrefacte en no más de alrededor de 10 minutos.

15. El proceso de conformidad con la reivindicación 10; en donde una diferencia de temperatura entre la biomasa torrefactada en un extremo de descarga de al menos una cámara de torrefacción y los vapores que pasan a través del espacio con camisa en una posición próxima al extremo de descarga de al menos una cámara de torrefacción comprende de alrededor de 280 °C a alrededor de 320 °C.

16. El proceso de conformidad con la reivindicación 15, en donde los vapores que pasan a través del espacio con camisa entran al espacio con camisa en una temperatura de alrededor de 290 °C a alrededor de 310 °C más caliente que la biomasa que sale de al menos una cámara de torrefacción.

17. Un método para incrementar la rentabilidad de usar biomasa torrefactada como combustible, que comprende: (a) proporcionar al menos un dispositivo autotérmico de torrefacción en un punto de operación que se separa de una central eléctrica; (b) cargar biomasa ubicada en el punto de operación al dispositivo autotérmico de torrefacción; y (c) convertir la biomasa ubicada en el punto de operación en biomasa torrefactada.

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, en donde el dispositivo autotérmico de torrefacción es móvil.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, en donde el punto de operación comprende un punto de recolección que tiene una fuente de biomasa que comprende un campo, una granja, o un bosque.

20. El método de conformidad con la reivindicación 18, en donde la biomasa comprende material orgánico basado en celulosa.

21. El método de conformidad con la reivindicación 18, en donde la biomasa comprende desechos de animales.

22. El método de conformidad con la reivindicación 18, en donde el punto de operación comprende más de un campo remoto de operación que incluye biomasa para la torrefacción.

23. El método de conformidad con la reivindicación 18, que además comprende granular al menos parcialmente la biomasa torrefactada.

24. El método de conformidad con la reivindicación 23, en donde la biomasa torrefactada se granula en el campo remoto de operación.

25. El método de conformidad con la reivindicación 24, en donde la biomasa torrefactada se granula parcialmente en el campo remoto de operación y se transporta a una segunda ubicación para completar la granulación.

26. El método de conformidad con la reivindicación 24, en donde la biomasa torrefactada se transporta a una segunda ubicación para granulación.

27. Un proceso para producir gránulos de biomasa torrefactada, que comprende: (a) convertir biomasa sin tratar en biomasa torrefactada en un punto de recolección; y (b) granular la biomasa torrefactada en el mismo punto de recolección.

28. El proceso de conformidad con la reivindicación 27, en donde la etapa de granulación comprende cargar al menos un molino de gránulos con biomasa torrefactada que tiene una temperatura que varía de alrededor de 250 °C a alrededor de 300 °C.