MX2013000580A - Procesos para manejar material carbonizado en un sistema para pirolisis. - Google Patents

Procesos para manejar material carbonizado en un sistema para pirolisis.

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Abstract

La presente invención proporciona procesos para manejar materiales carbonizados para controlar el balance de calor total, la acumulación de cenizas y la combustión posterior en un recalentador. La corriente de alimentación de biomasa carbonácea se piroliza empleando un medio de transferencia de calor que forma productos de la pirólisis y un medio de transferencia de calor agotado. El medio de transferencia de calor agotado se separa en el material carbonizado segregado y el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonáceo. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonáceo se introduce en un lecho denso del medio de transferencia de calor fluidizado mediante una corriente de gas de regeneración que contenga oxígeno. Toda o una parte del material carbonizado, segregado, se quema en el lecho denso utilizando la corriente de gas de regeneración que contenga oxígeno. Una parte del material carbonizado, segregado, puede ser exportado fuera del sistema para pirolisis con el fin de controlar el balance de calor total y la acumulación de cenizas.

Description

PROCESOS PARA MANEJAR MATERIAL CARBONIZADO EN UN SISTEMA PARA PIRÓLISIS DECLARACIÓN DE PRIORIDAD Esta solicitud reclama prioridad ante la Solicitud U. S. No. 12/837, 376 la cual fue presentada el 15 de julio de 2010.
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención en general se refiere a procesos para manejar material carbonizado en un sistema para pirólisis, y más particularmente se refiere a procesos para manejar material carbonizado para controlar el balance de calor total, acumulación de cenizas, y combustión posterior en un recalentador de un sistema de pirólisis .
DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA La pirólisis es un proceso térmico durante el cual la corriente de alimentación de biomasa carbonácea sólida, es decir, "biomasa", como puede ser madera, residuos agrícolas, algas, subproductos forestales, celulosa y lignina, residuos municipales, desechos de construcción/demolición, o similares, se calienta rápidamente a temperaturas de pirólisis de 300°C a 900°C en ausencia de aire utilizando un reactor para pirólisis. La biomasa puede ser pirolizada utilizando diversos métodos para pirólisis, incluido el método de Proceso Térmico Rápido y pirólisis catalítica. Bajo estas condiciones, se forman los productos de la pirólisis sólidos y gaseosos. Los productos de la pirólisis gaseosos ("gases de las pirólisis") contienen una parte no condensable y una parte condensable (vapores) que pueden condensarse en el aceite de pirólisis líquido derivado de biomasa. Los productos de pirólisis sólidos incluyen sólidos combustibles que contengan carbono, a los que se hace referencia como "material carbonizado".
Como se conoce en la técnica, el calor para la reacción de pirólisis endotérmica se produce en una zona del recalentador de un reactor para pirólisis o en un recalentador separado (en la presente se hace referencia en forma colectiva como un "recalentador") mediante la combustión de gases de pirólisis no condensables y los sólidos combustibles producidos en la reacción de pirólisis. El calor se transfiere del recalentador al reactor de pirólisis por un "medio de transferencia de calor." Aunque el calor para la reacción de pirólisis y las pérdidas de calor ambientales (conjuntamente "demanda de calor") se equilibran normalmente con el calor abastecido de la combustión en el recalentador, no siempre se logra el balance de calor. La pirólisis de ciertos tipos de biomasa genera considerablemente más sólidos combustibles y de ese modo se requiere más energía térmica para cumplir con la demanda de calor del reactor de pirólisis. Si se genera demasiado calor, el sistema de pirólisis requiere grandes cantidades de aire de dilución en exceso o la adición de sistemas de enfriamiento costosos.
El medio de transferencia de calor normalmente contiene sólidos inertes como puede ser arena. En la pirólisis catalítica, pueden utilizarse sólidos catalíticos, en lugar de o además de los sólidos inertes, como el medio de transferencia de calor. Durante la pirólisis, sólidos combustibles se mezclan con los sólidos inertes, los sólidos catalíticos, si están presentes, o ambos, formando un medio de transferencia de calor agotado. El medio de transferencia de calor agotado tiene una disponibilidad reducida para la transferencia de calor, y en el caso de sólidos catalíticos, también tiene una actividad catalítica reducida. Para restaurar el medio de transferencia de calor, el medio de transferencia de calor agotado se transfiere continuamente desde el reactor de pirólisis al recalentador después de la separación de los gases de pirólisis. El medio de transferencia de calor agotado se regenera en el recalentador por combustión de los sólidos combustibles contenidos en la mezcla. El medio de transferencia de calor regenerado es entonces recirculado al reactor de pirólisis.
Cuando los sólidos combustibles se queman en el recalentador, los metales contenidos en estos, normalmente los metales alcalinos, se liberan como cenizas para mezclarse con el medio de transferencia de calor regenerado. Como las cenizas se producen continuamente en el sistema de pirólisis, es necesaria la eliminación de cenizas para equilibrar el sistema de pirólisis. Cuando el medio de transferencia de calor regenerado se recircula al reactor de pirólisis con cenizas presentes, la pirólisis de la biomasa puede afectarse desventajosamente por el aumento de la producción de gas .
El medio de transferencia de calor se mantiene como un lecho denso fluidizado en la parte inferior del recalentador por el paso ascendente de una corriente de gas de regeneración que contenga oxigeno a lo largo del lecho denso fluidizado. El gas de combustión del recalentador está en una fase diluida en una parte superior del recalentador. Durante la regeneración del medio de transferencia de calor agotado en el recalentador, una parte de los sólidos combustibles son atrapados en el gas de combustión del recalentador. La baja altura del lecho denso en el recalentador y el tamaño pequeño y densidad baja de los sólidos combustibles dan como resultado una cantidad considerable de los sólidos combustibles que escapan desde el lecho denso y la combustión en la fase diluida (también denominada "combustión posterior"). Los sólidos combustibles también pueden ser "soplados" desde el lecho denso hacia la fase diluida debido a la velocidad (normalmente 0.76 metros a 0.91 metros /segundo (2.5-3 pies /segundo ) ) del gas de regeneración que contiene oxígeno a través del lecho denso en el recalentador hacia el gas de combustión del recalentador en la fase diluida. También puede ocurrir combustión posterior en el pleno y las líneas de transferencia del gas de combustión a través de las cuales el gas de combustión sale del recalentador, en lugar de en el lecho denso del recalentador .
Además de la combustión posterior de los sólidos combustibles, puede presentarse la combustión posterior del monóxido de carbono en el gas de regeneración que contiene oxigeno a C02 en la fase diluida. Los recalentadores normalmente están diseñados para operar de modo que prácticamente todo el monóxido de carbono (CO) del gas de regeneración que contiene oxigeno se queme para formar dióxido de carbono (C02), con ello impartiendo el calor de reacción al recalentador. Sin embargo, puede haber combustión incompleta del gas de combustión del recalentador en la fase diluida CO a CO2 o consumo incompleto de 02 en la fase diluida. Cualquier problema también da origen a combustión posterior. La combustión posterior es exotérmica, y debe ser extinguida con inyección adicional del gas de regeneración que contiene oxigeno o el gas de combustión debe absorber el calor de la combustión, lo cual disminuye de manea no deseada la cantidad de calor transferido al lecho denso.
Por consiguiente, es deseable proporcionar procesos para controlar el balance total de calor, acumulación de cenizas y combustión posterior en un recalentador de un sistema de pirólisis. Además, otras peculiaridades y características de la presente invención serán evidentes a partir de la descripción detallada posterior de la invención y las reivindicaciones anexas, tomadas junto con los dibujos acompañantes y es antecedente de la invención .
RESUMEN DE LA INVENCIÓN Se proporcionan procesos para pirólisis de una corriente de alimentación de biomasa carbonácea en un sistema de pirólisis. De acuerdo con una modalidad ejemplar, el proceso consiste en pirolizar una corriente de alimentación de biomasa carbonácea, utilizando un medio de transferencia de calor formando los productos de la pirólisis y un medio de transferencia de calor agotado. El medio de transferencia de calor agotado se separa en material carbonizado segregado y medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado se introduce a un lecho denso del medio de transferencia de calor fluidizado por una corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno.
Se proporcionan procesos para controlar el balance de calor, combustión posterior y acumulación de cenizas en un recalentador de acuerdo con todavía otra modalidad ejemplar de la presente invención. El proceso consiste en separar el medio de transferencia de calor agotado de un reactor de pirólisis a un medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado y material carbonizado. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado se introduce a un lecho denso fluidizado del medio de transferencia de calor. El lecho denso fluidizado se mantiene por una corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno y una fase diluida por encima del lecho denso fluidizado. Al menos una parte del material carbonizado segregado se introduce en el lecho denso fluidizado del recalentador por debajo de la elevación donde se introduce el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado hacia la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno fuera del recalentador, o ambos, para la combustión del material carbonizado segregado por debajo de la fase de dilución.
Se proporcionan procesos para controlar el balance de calor, combustión posterior y acumulación de cenizas en un recalentador de acuerdo con todavía otra modalidad ejemplar de la presente invención. El recalentador incluye un lecho denso fluidizado del medio de transferencia de calor y una fase diluida. La fase diluida se posiciona por encima del lecho denso fluidizado. El proceso consiste prácticamente en la separación del material carbonizado de un medio de transferencia de calor agotado para formar material carbonizado segregado y medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado consiste en una mezcla de material carbonizado residual y sólidos inertes, sólidos catalíticos, o ambos. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado se introduce a un recalentador con combustión del material carbonizado residual para convertir el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado a un medio de transferencia de calor utilizando un gas de regeneración que contiene oxigeno. El gas de regeneración que contiene oxigeno se introduce a un recalentador a través de un tubo ascendente de entrada. El material carbonizado segregado se quema con una cantidad eficaz del medio de transferencia de calor del lecho denso fluidizado en el gas de regeneración que contiene oxigeno fuera del recalentador.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La presente invención se describirá en adelante junto con las siguientes figuras, en donde números iguales indican elementos iguales, y en donde: La FIG. 1 es un diagrama de flujo de un proceso de manejo de material carbonizado, de acuerdo con modalidades ejemplares de la presente invención; La FIG. 2 es un diagrama de un aparato para el proceso de pirólisis total, ejemplar que incluye un separador de ciclona de doble etapa de un separador gas-sólido, de acuerdo con modalidades ejemplares de la presente invención; Las FIGS. 3A y 3B son diagramas esquemáticos de diferentes modos de operación en el separador de ciclona de doble etapa de la FIG. 2, de acuerdo con modalidades ejemplares de la presente invención; La FIG. 4 es un diagrama de otro aparato para el proceso de pirólisis total, ejemplar, que incluye un separador de ciclona acoplado a una cámara de elutriación en otro separador gas-sólido, de acuerdo con modalidades ejemplare de la presente invención; La FIG. 5 es un diagrama esquemático del modo de operación en el separador de ciclona y la cámara de elutriación de la FIG. 4, de acuerdo con otra modalidad ejemplar de la presente invención; y Las FIGS. 6A-6E son diagramas esquemáticos de diversas modalidades ejemplares del recalentador de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA La siguiente descripción detallada de la invención es simplemente ejemplar y no se pretende limitar la invención o la aplicación y usos de la invención.
Además, no hay intención de unirse a cualquier teoría presentada en el antecedente de la invención o la siguiente descripción detallada de la invención.
Diversas modalidades ejemplares de la presente invención se dirigen a procesos para manejar sólidos combustibles (en adelante "sólidos combustibles" o material carbonizado " producidos durante la pirólisis de la corriente de alimentación de biomasa carbonácea). El material carbonizado se segrega del medio de transferencia de calor para controlar la combustión posterior en un recalentador durante la regeneración del medio de transferencia de calor. Una parte del material carbonizado segregado puede ser exportado para controlar el balance de calor total y la acumulación de cenizas en el sistema de pirólisis.
La FIG. 1 es un diagrama de flujo de un proceso para manejo de material carbonizado 10, de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención. La FIG. 2 ilustra un sistema de pirólisis 5 que utiliza el proceso 10 de la FIG. 1. Con referencia a las FIGS. 1 y 2, el proceso 10 comienza pirolizando la corriente de alimentación de biomasa carbonácea 15 (en adelante "biomasa" ) en un reactor de pirólisis 20 utilizando un medio de transferencia de calor y formando productos de la pirólisis y un medio de transferencia de calor agotado (paso 12). El medio de transferencia de calor agotado que sale del reactor de pirólisis es atrapado en los productos de la pirólisis gaseosos ("gases de la pirólisis"), los gases de la pirólisis con el medio de transferencia de calor agotado atrapado al que se hace referencia en la FIG. 2 con el número de referencia 35. Como se observó anteriormente, los productos de pirólisis contienen productos sólidos y gaseosos. Los productos de pirólisis gaseosos 45 contienen una parte condensable y una parte no condensable 47. La parte condensable puede ser condensada en un aceite de pirólisis liquido obtenido de biomasa 49. Los productos de pirólisis sólidos incluyen sólidos combustibles que contengan carbono (a los que también se hace referencia en la presente como "v material carbonizado " ) .
El medio de transferencia de calor contiene sólidos inertes, como puede ser arena, sólidos catalíticos, o ambos. El medio de transferencia de calor que sale del reactor de pirólisis se dice que está "agotado", debido a que contiene sólidos combustibles que contienen carbono procedentes del proceso de pirólisis. Los productos de pirólisis gaseosos con medio de transferencia de calor agotado, atrapado 35 se transfieren del reactor de pirólisis 20 al separador gas-sólido 30a (FIG. 2) para separar los productos de pirólisis gaseosos 45 del medio de transferencia de calor agotado y separar el medio de transferencia de calor agotado en corrientes separadas de material carbonizado segregado 65 y medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 (paso 70). El término "medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado" que se utiliza en la presente significa medio de transferencia de calor agotado a partir del cual todo el material carbonizado ha sido eliminado y el medio de transferencia de calor agotado, a partir del cual una parte del material carbonizado ha sido eliminado pero queda material carbonizado residual.
En una modalidad, como se muestra en las FIGS. 2, 3A y 3B, el separador gas-sólido 30a contiene un separador de ciclona de doble etapa. El separador de ciclona de doble etapa contiene un separador de ciclona de la primera etapa 31 y un separador de ciclona de la segunda etapa 33. Como se muestra en las FIGS. 3A y 3B, separador de ciclona de la primera etapa 31 tiene una primera salida 37 acoplada a una entrada del separador de ciclona de la segunda etapa segunda 33 y una segunda salida 39 acoplada a una entrada del recalentador 60. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 sale del separador de ciclona de la primera etapa 31 y se dirige al recalentador 60 a través de un tubo o tubo de aspiración 41. El nivel de sólidos en el tubo o tubo de aspiración 41 puede ser controlado por un primer dispositivo de control de flujo de sólidos 43 como puede ser una válvula L, válvula J, válvula deslizante o similares para controlar el flujo de sólidos del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 (los sólidos inertes, sólidos catalíticos, o ambos) al recalentador 60 (FIGS. 3A y 3B).
De acuerdo con una modalidad ejemplar, y como se muestra en las FIGS. 2, 3A y 3B, la corriente de productos de pirólisis gaseosos con el medio de transferencia de calor agotado atrapado 35 se transfiere al separador de ciclona de la primera etapa del separador gas-sólido 30a. Preferentemente, el separador de ciclona de la primera etapa recolecta el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 y transfiere una mezcla 46 de gases de pirólisis con el material carbonizado atrapado al separador de ciclona de la segunda etapa 33. Como se muestra en la FIG. 3A, el separador de ciclona de la primera etapa 31 generalmente corre prácticamente vacio de sólidos siendo la fase continua los gases de pirólisis gaseosos. Los sólidos del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 no se convierten en una fase continua hasta que salen del separador de ciclona de la primera etapa en el tubo o tubo de aspiración 41 debido al vórtice de gas de la ciclona 24 en el' separador de ciclona de la primera etapa 31 de otro modo elevaría los sólidos del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 hacia afuera del tubo o tubo de aspiración. Una superficie alta 51 del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado se muestra en la FIG. 3A en el tubo de aspiración 41 por debajo del fondo del separador de ciclona de la primera etapa 31. Una purga de nitrógeno (no se muestra) puede ser introducida en la parte superior del separador de ciclona de la primera etapa para re-atrapar el material carbonizado del separador de ciclona de la primera etapa al separador de ciclona de la segunda etapa, si es necesario.
Para mejorar la separación de material carbonizado en un separador de ciclona de etapa doble, readaptado, como se muestra en la FIG. 3B, el primer dispositivo de control de flujo de sólidos 43 permite a las partículas sólidas del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 regresar al fondo del separador de ciclona de la primera etapa (es decir, cerca o en el vórtice de los gases de la ciclona 24 del separador de ciclona) de modo que la superficie superior 51 del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado esté a un nivel más alto que el que se muestra en Figura 3A. Mediante la exposición del vórtice de los gases de ciclona al medio de transferencia de calor agotado de material carbonizado, el vórtice de los gases de la ciclona separan las partículas de combustible sólido más ligeras y /o más pequeñas (es decir, material carbonizado) de las partículas sólidas del medio de transferencia de calor en el separador de ciclona de la primera etapa elevándolas y llevándolas hacia afuera del separador de ciclona de la primera etapa 31 en el separador de ciclona de la segunda etapa 33 en la corriente de vapor y gas fluidizante de productos compuesta de los gases de la pirólisis con el material carbonizado atrapado 46.
Todavía con referencia a las FIGS. 2, 3A y 3B, el separador de ciclona de la segunda etapa 33 recolecta los gases de la pirólisis con el material carbonizado atrapado 46 del separador de ciclona de la primera etapa 31, dando como resultado las corrientes separadas de los gases de pirólisis 45 y material carbonizado segregado 65. La corriente de gases de pirólisis 45 se transfiere del separador de ciclona de la segunda etapa 33 a un condensador 81 (FIG. 2). Los gases de la pirólisis, condensables se condensan en el condensador en el aceite de pirólisis líquido obtenido de biomasa 49. Los gases de pirólisis no condensables 47 pueden recircularse al recalentador 60 para combustión y/o al reactor de pirólisis 20 como medio de elevación para el medio de transferencia de calor (como se muestra por la flecha F en la FIG. 2 ) .
Al menos una parte del material carbonizado segregado 65 se transfiere al recalentador 60 y se procesa como se describe más delante de acuerdo con las FIGS. 6A-6E. De acuerdo con una modalidad ejemplar, y como se muestra en las FIGS. 2, 3A y 3B, una parte del material carbonizado segregado puede exportarse (en adelante " material carbonizado segregado exportado" 53) fuera del sistema de pirólisis después de salir del separador de gas-sólido 30a y antes del recalentador 60 (paso 300). Exportar una parte del material carbonizado segregado antes de la combustión ayuda a mantener el balance de calor en el sistema de pirólisis y a manejar la acumulación de cenizas eliminando una parte de los sólidos combustibles antes de que puedan ser quemados. El material carbonizado segregado exportado 53 además puede ser procesado, utilizado como producto final (p. ej., como fertilizante), enviado para su disposición o una combinación de estos. El material carbonizado segregado exportado puede eliminarse antes o después en un segundo dispositivo de control de flujo de sólidos 57 en la corriente de exportación (FIGS. 3A y 3B). El siguiente es el cálculo para determinar la cantidad de material carbonizado segregado exportado 53 que va a ser eliminado del sistema de pirólisis con el fin de balancear el calor del sistema de pirólisis: Material carbonizado que va a ser eliminado para el balance de calor (kg/h) = HTO+P(CPkpaih-TF) + Heep) +Qkmts+ en donde: F = Velocidad de alimentación de la biomasa húmeda (kg/h) G = Velocidad de gas de combustión (kg/h) Qloses = Pérdidas de calor del sistema de pirólisis a través de las paredes a la atmósfera (J/h) A = Aire adicionado para la combustión completa de material carbonizado (kg/h) Y = Rendimiento de material carbonizado (kg de material carbonizado /kg de alimentación de biomasa húmeda) XH20 ~ Fracción de masa de agua en la alimentación de biomasa húmeda (kg de agua/kg de alimentación de la biomasa húmeda) CP,FG = Capacidad calorífica del gas de combustión ( J/kg/°C) TFG = Temperatura del gas de combustión que sale del lecho de combustión de arena (°C) Temperatura de entrada de aire (°C) Temperatura de entrada de la alimentación de la biomasa húmeda (°C) Temperatura del lecho de arena en la zona de combustión de material carbonizado (°C) Temperatura de la reacción de pirólisis (°C) Capacidad calorífica sensible de la alimentación de biomasa húmeda (J/kg/°C) Capacidad calorífica de aire (J/kg/°C) Calor de reacción de la conversión pirolítica de la biomasa a los productos de la pirólisis (J/kg biomasa seca) Calor de combustión de material carbonizado antes o en el lecho de combustión de arena (J/kg de material carbonizado) Calor latente de vaporización de la biomasa húmeda (J/kg de biomasa húmeda) En una modalidad alternativa, como se muestra en las FIGS. 4 y 5, la corriente que contiene los productos gaseosos de la pirólisis con el medio de transferencia de calor agotado, atrapado 35 se transfiere del reactor de pirólisis 20 a un separador gas-sólido 30b (FIG. 4). El separador gas-sólido 30b contiene un separador de ciclona 200 acoplado a la cámara de elutriación de material carbonizado 210. Los productos gaseosos de la pirólisis con el medio de transferencia de calor agotado, atrapado 35 son transferidos al separador de ciclona 200 para la separación en diferentes corrientes de los gases de pirólisis 45 y el medio de transferencia de calor agotado 55. Los gases de pirólisis 45 se transfieren desde el separador de ciclona 200 del separador gas-sólido 30b al condensador 81 para condensar los productos de pirólisis gaseosos, condensables en el aceite de pirólisis liquido obtenido de biomasa 49. Los gases de pirólisis no condensables 47 salen del condensador 81 y pueden recircularse al recalentador 60, como una fuente de gas de elutriación fluidizante 59 para la cámara de elutriación de material carbonizado 210, y/o al reactor de pirólisis 20 como medio de elevación para el medio de transferencia de calor (como se muestra por la flecha F en la FIG. 4). Una primera parte más grande del medio de transferencia de calor agotado 55 (con los productos gaseosos de la pirólisis ya eliminados) puede transferirse al recalentador 60 y una segunda parte más pequeña de este se transfiere a la cámara de elutriación de material carbonizado 210. El flujo hacia el recalentador se controla por un tercer dispositivo de control de flujo de sólidos 69 como puede ser una válvula deslizante (FIG. 5). El flujo hacia la cámara de elutriación de material carbonizado se controla mediante un cuarto dispositivo de control de flujo de sólidos 71. La segunda parte más pequeña del medio de transferencia de calor agotado 55 se introduce a un lecho fluidizado 63 del medio de transferencia de calor que se mantiene en la cámara de elutriación de material carbonizado 210 para la separación en una corriente del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 y una corriente de material carbonizado segregado y el gas de elutriación fluidizante (denominados en forma colectiva en las FIGS. 4 y 5 con el número de referencia 67). La corriente del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 de la cámara de elutriación de material carbonizado 210 se transfiere al recalentador 60 a través de un quinto dispositivo de control de flujo de sólidos 61 o al reactor de pirólisis 20.
La corriente 67 del material carbonizado y el gas de elutriación fluidizante se transfieren al separador sólidos-gas de elutriación 68 como puede ser un alojamiento de bolsa, precipitador electrostático, el torrente del agua de la ciclona o similar para la separación en material carbonizado segregado 65 y el gas de escape de elutriación fluidizante 73. Como las partículas sólidas combustible (es decir, el material carbonizado) tienen una densidad mucho más baja y/o tamaño de partícula más pequeño que las partículas sólidas del medio de transferencia de calor (es decir, partículas sólidas inertes, partículas sólidas catalíticas, o ambas), el material carbonizado es fácilmente elutriado por el gas de elutriación fluidizante 59 de los gases de pirólisis no condensables 47 u otro gas fluidizante conveniente. La elutriación es un proceso conocido para la separación de partículas más ligeras de las partículas más pesadas utilizando una corriente de gas de elutriación dirigida verticalmente . Las partículas combustibles se elevan a la parte alta debido a que sus velocidades terminales son más bajas que la velocidad del fluido ascendente.
Al menos una parte del material carbonizado segregado 65 se transfiere al recalentador 60 y se procesa como se describe más delante de acuerdo con las FIGS. 6A-6E. De acuerdo con una modalidad ejemplar, y en la misma forma como se describe antes con respecto a las FIGS. 2, 3A y 3B, y como se muestra en las FIGS. 4 y 5, una parte del material carbonizado segregado puede exportarse fuera del sistema de pirólisis después de que sale del separador gas-sólido 30b y antes del recalentador (FIG. 1, paso 300). Como se observó anteriormente, la exportación de una parte del material carbonizado segregado antes de la combustión ayuda a mantener el balance de calor en el sistema de pirólisis y manejar la acumulación de cenizas eliminando una parte de los sólidos combustibles antes de que estos se quemen. El material carbonizado segregado exportado además puede ser procesado, utilizado como producto final (p. ej., como fertilizante), enviado para su desecho, o una combinación de estos. El material carbonizado segregado exportado puede ser eliminado antes o después de un dispositivo de control de flujo de sólidos en la corriente de exportación. La cantidad de material carbonizado segregado que se va a exportar del sistema de pirólisis con el fin de equilibrar el calor del sistema de pirólisis, se calcula en la misma forma como se ya describió con respecto a las FIGS. 2, 3A y 3B. Se señala que, como el flujo de sólidos en la cámara de elutriación del separador gas-sólido 30b es relativamente pequeño en comparación con el flujo de sólidos total, se prefiere el uso del separador gas-sólido 30b cuando solamente se desea exportar una pequeña fracción del material carbonizado. Aunque se han descrito los separadores gas-sólido 30a y 30b, pueden utilizarse otros tipos de separadores gas-sólido para separar los gases de la pirólisis del medio de transferencia de calor agotado y al menos una parte del material carbonizado del medio de transferencia de calor agotado.
El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 del separador gas-sólido 30a y del separador gas-sólido 30b son, en adelante, procesados en el recalentador 60 de las FIGS. 2 y 4 colmo se ilustra en las FIGS. 6A-6E. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 del separador de ciclona de la primera etapa (del separador gas-sólido 30a en la FIG. 2) y de la cámara de elutriación de material carbonizado (del separador gas-sólido 30b en la FIG. 4) se introducen en un lecho denso fluidizado 110 del recalentador 60 para quemar al menos una parte de cualquier material carbonizado residual utilizando una corriente de gas de regeneración que contenga oxigeno 115, preferentemente aire (paso 80). Un recalentador ejemplar 60 (mostrado en las FIGS. 6A-6E) consiste en un recipiente grande, vertical, prácticamente cilindrico, 120 en donde el medio de transferencia de calor se mantiene como el lecho denso fluidizado 110 en el recalentador mediante el paso ascendente de la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno 115 (al que también se hace referencia en la presente como una "corriente oxidante primaria" ) , preferentemente aire, que fluidiza el medio de transferencia de calor. La corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno también agita el medio de transferencia de calor dentro del lecho denso fluidizado. La corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno se eleva en tubo ascendente de entrada 130 a través del fondo del recalentador y hacia un distribuidor del recalentador 140a (FIG. 6A), 140b (FIGS. 6B y 6C), 140c (FIGS. 6D y 6E ) hacia el recalentador. El tubo ascendente de entrada 130 puede incluir un primero y segundo conductos de entrada 128 y 195 (FIGS. 6C y 6E) cerca de un extremo distante de éste para los fines que se describen más adelante. El lecho denso fluidizado 110 formado por el medio de transferencia de calor está en una parte inferior del recipiente y una fase diluida 150 está en una parte superior del recipiente. El recalentador se mantiene normalmente a una temperatura de 400°C a 1000°C.
El gas de combustión producto de la combustión 85 (FIGS. 2 y 4 ) en la fase diluida, obtenido de la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno, contiene gases que surgen de la combustión de los sólidos combustibles como puede ser dióxido de carbono, monóxido de carbono de la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno, gases inertes como puede ser nitrógeno del aire, y oxigeno sin reaccionar. El gas de combustión producto de la combustión 85 también contiene sólidos combustibles atrapados, sólidos inertes, sólidos catalíticos, o una combinación de estos así como al menos una parte de cenizas de la combustión del carbono de las partículas combustibles.
La parte de las cenizas que no es atrapada en el gas de combustión producto de la combustión permanece en el lecho denso fluidizado del medio de transferencia de calor. Dependiendo del rendimiento de cenizas y las cenizas atrapads en el gas de combustión producto de la combustión, la cantidad de cenizas en el medio de transferencia de calor regenerado puede variar. De acuerdo con una modalidad ejemplar, la acumulación de cenizas en el recalentador se controla eliminando el "material carbonizado segregado, exportado" del sistema de pirólisis antes de la combustión (para producir menos cenizas) o quemando el material carbonizado segregado en el lecho denso fluidizado en el recalentador los que resulta en más cenizas que salen del recalentador en el gas de combustión producto de la combustión, como se describe más adelante.
El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado 75 del separador gas-sólido 30a o 30b se introduce a una pequeña inferior del lecho denso fluidizado para permitir que el material carbonizado residual, si está presente, contenido en la corriente del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado sea quemado en el lecho denso fluidizado, como se indica por la flecha A en las FIGS. 6A-6E para designar la dirección del flujo del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado. El flujo puede ser controlado por una primera válvula 175. Como se utiliza en la presente, "una parte inferior" del lecho denso fluidizado significa aquella parte más cercana a la superficie inferior del lecho denso fluidizado que una superficie superior del lecho denso fluidizado. El medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado introduce la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno en el recalentador en condiciones suficientes para quemar el material carbonizado residual convirtiendo el "medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado" en "medio de transferencia de calor". El calor de la combustión se transfiere al medio de transferencia de calor en el lecho denso fluidizado. La combustión eleva la temperatura del material de lecho denso (es decir, el medio de transferencia de calor) a las condiciones de operación necesarias en el reactor de pirólisis, es decir, 300°C a 900°C.
El material carbonizado segregado 65 del separador gas-sólido 30a y el material carbonizado segregado 65 obtenido del separador gas-sólido 30b posteriormente son procesados en la misma forma. Todavía con referencia a las FIGS. 1, 2, 4 y 6A-6E, al menos una parte del material carbonizado segregado 65 del separador de ciclona de la segunda etapa (separador gas-sólido 30a (FIG. 2)) y del separador de sólidos-gas de elutriación 68 (FIG. 4) se introduce en el lecho denso fluidizado del recalentador para quemar al menos una parte del material carbonizado segregado utilizando el gas de regeneración que contiene oxígeno y aumentar la temperatura de los sólidos inertes, los sólidos catalíticos, o ambos, en el lecho denso fluidizado (paso 90), como se indica por la flecha B en las FIGS. 6A-6E para designar la dirección del flujo del material carbonizado segregado. El flujo del material carbonizado segregado en el lecho denso fluidizado puede ser controlado por una segunda válvula 180. La segregación de la corriente de material carbonizado del medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado permite su introducción más profunda en el lecho denso fluidizado y llevando al mínimo así el potencial para la combustión posterior en la fase diluida.
En una modalidad, como se muestra en la FIG. 6A, el material carbonizado segregado puede ser introducido directamente en el lecho denso fluidizado para mezclarlo con sólidos inertes, sólidos catalíticos, o ambos en el lecho denso fluidizado, donde el material carbonizado segregado 65 entonces es quemado por la corriente de gas de regeneración que contiene oxígeno 115, que aumenta la temperatura del medio de transferencia de calor a la temperatura de pirólisis, como se observó anteriormente. El material carbonizado segregado se introduce a una elevación por debajo de donde se introduce el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado, permitiendo la combustión más eficiente y tiempo de combustión adicional. La corriente de gas de regeneración que contiene oxígeno 115 se eleva en el tubo ascendente de entrada 130 a través del fondo del recalentador y hacia el distribuidor del recalentador 140a en la parte del fondo del recalentador. El distribuidor del recalentador incluye una abertura (no se muestra en la FIG. 6A) a través de la cual se descarga la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno 115 hacia el recalentador.
En modalidades alternativas como se muestra en las FIGS. 6B-6E, el material carbonizado segregado 65 puede quemarse en el lecho denso y adicionalmente quemarse (paso 100) (FIG. 1) fuera del recalentador en el tubo ascendente de entrada 130 a través del cual la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno 115 se introduce hacia arriba hacia el lecho denso. En el paso de combustión adicional, el material carbonizado segregado 65 se introduce en la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno a través del primer conducto de entrada 128 cercano al extremo distante del tubo ascendente de entrada 130 y hacia el recalentador 60 a través del distribuidor del recalentador 140b o 140c, como se describe más adelante. El material carbonizado segregado es inicialmente quemado en el tubo ascendente de entrada y luego el material carbonizado segregado no quemado se quema en el lecho denso. Como se muestra en las FIGS. 6C y 6E, el material carbonizado segregado 65 puede mezclarse con una cantidad eficaz (igual a la velocidad de flujo de A o C de los sólidos inertes calentados, sólidos catalíticos, o ambos (es decir, el medio de transferencia de calor), como se indica por la flecha D del lecho denso del recalentador el cual eleva la velocidad de la combustión adicional del material carbonizado segregado. Los sólidos inertes calentados, sólidos catalíticos calentados, o ambos pueden introducirse en el tubo ascendente de entrada a través del segundo conducto de entrada 195 para mezclarlo con el material carbonizado segregado (FIGS. 6C y 6E). El flujo de los sólidos inertes calentados, sólidos catalíticos calentados, o ambos del recalentador pueden controlarse por una tercera válvula 185. El material carbonizado segregado es al menos quemado parcialmente fuera del recalentador mientras fluye hacia arriba en el tubo ascendente de entrada, con o sin el medio de transferencia de calor calentado, en el gas de regeneración que contiene oxígeno, y además quemado en el lecho denso fluidizado, minimizando con ello su combustión, es decir, "la combustión posterior" en la fase diluida o corriente abajo de ésta, como puede ser en un pleno 160 o una línea de transferencia del gas de combustión 170. El distribuidor del recalentador 140b (FIGS. 6B y 6C) puede incluir al menos una abertura a través de la cual el gas de regeneración que contiene oxígeno y el material carbonizado segregado, o el gas de regeneración que contiene oxígeno y la mezcla de material carbonizado segregado y el medio de transferencia de calor calentado pueden descargarse hacia la parte inferior del lecho denso. El oxígeno proporcionado por la corriente de gas de regeneración que contiene oxígeno 115 contiene prácticamente la cantidad estequiométrica de oxígeno necesaria para completar considerablemente la combustión del material carbonizado (material carbonizado residual y segregado) (FIGS. 6A, 6B y 6C). De otro modo, puede adicionarse más de la cantidad estequiométrica de oxígeno en una cantidad de 10 a 15% más de la cantidad estequiométrica.
En otras modalidades, como se muestra por ejemplo en las FIGS. 6D y 6E, se proporciona menos de la cantidad estequiométrica de oxígeno la corriente de regeneración que contiene oxígeno (se hace referencia en adelante como "corriente oxidante primaria") y una corriente oxidante secundaria 125 también ingresa en el recalentador. La corriente oxidante secundaria preferentemente contiene aire. La corriente oxidante secundaria proporciona de 25 a 75% del gas oxígeno total necesario para completar considerablemente la combustión de material carbonizado (material carbonizado residual y segregado) en el recalentador. La corriente oxidante primaria se introduce en el recalentador a través del distribuidor del recalentador 140c. En una modalidad ejemplar, el distribuidor del recalentador 140c contiene prácticamente un distribuidor en forma de L e incluye aberturas a través de las cuales la corriente oxidante primaria se introduce al recalentador junto con el material carbonizado segregado al menos parcialmente quemado o una mezcla del material carbonizado al menos parcialmente quemado y el medio de transferencia de calor calentado. La corriente oxidante secundaria ingresa al recalentador a través del distribuidor del recalentador 140d a un nivel por debajo del distribuidor del recalentador 140c.
La combustión de los sólidos combustibles del medio de transferencia de calor agotado regenera el medio de transferencia de calor. El medio de transferencia de calor regenerado 25 se retira de una parte superior del lecho denso fluidizado y regresa al reactor de pirólisis 20, como se indica por la flecha C en las FIGS. 6A-6E, para otro uso como el medio de transferencia de calor, como se muestra en las FIGS. 2 y 4. El flujo del medio de transferencia de calor regenerado 25 del recalentador puede ser controlado por una cuarta válvula 190.
Con referencia nuevamente a las FIGS. 2 y 4 y 6A-6E, el gas de combustión producto de la combustión 85 pasa del recalentador 60 a través del conducto de descarga de gas (no se muestra) hacia el pleno 160, ubicado en la parte superior del recalentador. El gas de combustión producto de la combustión 85 es ventilado o de otro modo eliminado del recalentador a través de la línea de transferencia de gas de combustión 170 desde el pleno hacia separador gas de combustión-sólidos externo 72 como puede ser un separador de ciclona. Al menos una parte de las partículas sólidas atrapadas en el gas de combustión producto de la combustión 85, como puede ser una mezcla 23 del medio de transferencia de calor y cenizas, se separan del gas de combustión producto de la combustión 85 en el separador gas de combustión-sólidos externo 72 formando el gas de combustión prácticamente libre de sólidos 105. El gas de combustión prácticamente libre de sólidos puede contener partículas sólidas combustibles residuales y partículas de cenizas residuales en vista de que estas partículas generalmente son más pequeñas (en promedio) que las partículas sólidas inertes y las partículas sólidas catalíticas y por tanto no son fácilmente separadas del gas de combustión en el separador gas de combustión-sólidos externo 72. Que el gas de combustión prácticamente libre de sólidos pueda contener partículas de cenizas residuales permite a las partículas de cenizas escapar de los confines del recalentador, impidiendo asi considerablemente la acumulación de cenizas en el recalentador.
Como se muestra en las FIGS. 2 y 4, la mezcla 23 del medio de transferencia de calor separado y cenizas del separador gas de combustión-solido puede ser recirculada al recalentador para la regeneración del medio de transferencia de calor separado. De otro modo, la mezcla 23 del medio de transferencia de calor separado y cenizas puede ser removida del sistema de pirólisis como se indica por la flecha E en las FIGS. 2 y 4. Por economía, un medio de transferencia de calor que contenga sólidos catalíticos puede ser recirculado al recalentador mientras la arena por lo regular menos costosa se retira del sistema de pirólisis para su desecho. También pueden separarse cenizas de la mezcla 23 por los métodos conocidos y eliminarse del sistema de pirólisis (no se muestra ) .
A partir de lo anterior, se puede apreciar que se han proporcionado las modalidades ejemplares del proceso de manejo de material carbonizado para la segregación de material carbonizado y la eliminación selectiva del sistema de pirólisis. Tales procesos de manejo de material carbonizado ayudan a controlar el balance de calor total, acumulación de cenizas, y combustión posterior en el recalentador durante la regeneración del medio de transferencia de calor. Los procesos de manejo de material carbonizado contribuyen a la combustión de los sólidos combustibles y el monóxido de carbono por debajo de la fase diluida como puede ser en el lecho denso fluidizado o en un tubo ascendente de entrada hacia el recalentador, de este modo minimizando la combustión en la fase diluida, o corriente abajo de ésta (es decir, "combustión posterior") que también resulta en más cenizas que salen con el gas de combustión producto de la combustión. Por tanto, la cantidad de calor transferido al lecho denso del recalentador se eleva para la regeneración del medio de transferencia de calor y se disminuye la acumulación de cenizas. Además, tales procesos de manejo de material carbonizado permiten la eliminación selectiva de una parte de la corriente de material carbonizado rico en energía del sistema de pirólisis para proporcionar un balance entre el calor suministrado de la combustión de material carbonizado en el recalentador con la demanda de calor debido al calor sensible y latente de la corriente de alimentación fría, pérdidas de calor ambiente, y la reacción de pirólisis.
Aunque al menos una modalidad ejemplar ha sido presentada en la descripción antes mencionada de la invención, se debe apreciar que existe un gran número de variaciones. También se debe apreciar que la modalidad ejemplar o modalidades ejemplares son solo ejemplos, y no se pretende limitar el alcance, aplicabilidad, o configuración de la invención en cualquier forma. Más bien, la descripción antes detallada se proporcionará a los expertos en la técnica con un mapa de ruta conveniente para implementar una modalidad ejemplar de la invención, se entiende que diversos cambios pueden hacerse en función y arreglo de los elementos descritos en una modalidad ejemplar sin salir del alcance de la invención como se establece en las reivindicaciones anexas y sus equivalentes legales .

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso (10) para pirólisis de una corriente de alimentación de biomasa carbonácea en un sistema de pirólisis, el proceso consiste en: pirolizar la corriente de alimentación de biomasa carbonácea utilizando un medio de transferencia de calor formando productos de la pirólisis y un medio de transferencia de calor agotado (12); separar el medio de transferencia de calor agotado en material carbonizado segregado y el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado (70); e introducir el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado en un lecho denso del medio de transferencia de calor fluidizado por una corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno (80).
2. El proceso de la reivindicación 1, además consiste en el paso (90) de quemar todo o una parte del material carbonizado segregado en el lecho denso utilizando la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno.
3. El proceso de la reivindicación 2, además consiste en el paso (100) de adicionalmente quemar el material carbonizado segregado fuera del recalentador en la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno antes de la introducción del material carbonizado segregado en el lecho denso.
4. El proceso de la reivindicación 2, además consiste en el paso (300) de exportar una parte del material carbonizado segregado del sistema de pirólisis antes del paso de combustión.
5. El proceso de la reivindicación 3, caracterizado porque el paso (100) de combustión adicional del material carbonizado segregado comprende mezclar en el tubo ascendente de entrada el medio de transferencia de calor del lecho denso con el material carbonizado segregado en la corriente de gas de regeneración que contiene oxigeno.
6. El proceso de la reivindicación 3, caracterizado porque los pasos (90 y 100) de combustión y combustión adicional del material carbonizado segregado consiste en introducir el material carbonizado segregado en el lecho denso por debajo de la elevación donde se introduce el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado.
7. El proceso de la reivindicación 3, caracterizado porque los pasos (90 y 100) de combustión y combustión adicional del material carbonizado segregado consiste en proporcionar prácticamente al menos la cantidad estequiométrica de oxigeno o menos de la cantidad estequiométrica de oxigeno en el gas de regeneración que contiene oxigeno, en donde, si se proporciona menos de la cantidad estequiométrica de oxigeno en el gas de regeneración que contiene oxigeno, el uso un gas de regeneración que contiene oxigeno, secundario .
8. El proceso de la reivindicación 1, caracterizado porque el paso (80) de introducir el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado consiste en quemar material carbonizado residual en el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado.
9. El proceso de la reivindicación 1, caracterizado porque el paso (80) de introducir el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado consiste en introducir el medio de transferencia de calor agotado, empobrecido de material carbonizado a una parte inferior del lecho denso.
10. El proceso de la reivindicación 1, caracterizado porque el paso (70) de separar el medio de transferencia de calor agotado consiste en la separación utilizando un separador de ciclona de etapa doble, un separador de ciclona acoplado una cámara de elutriación o ambos .
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