MX2013002306A - Sistema y proceso para la gasificacion de productos de biomasa. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un sistema para la gasificación de materiales de biomasa. El sistema incluye una unidad de gasificación para convertir los materiales de biomasa en un gas así como un mecanismo de alimentación para introducir los materiales de biomasa en la unidad de gasificación. La unidad de gasificación incluye una pluralidad de puertos de inyección de medio de gasificación y biomasa que están distribuidos a lo largo de una extensión vertical de la unidad de gasificación, y cada uno de la pluralidad de puertos de inyección tiene un correspondiente ángulo de inyección. Los ángulos de inyección incluyen por lo menos uno de un ángulo tangencial en dirección ascendente y un ángulo tangencial en dirección descendente.

Description

SISTEMA Y PROCESO PARA LA GASIFICACIÓN DE PRODUCTOS DE BIOMASA CAMPO TÉCNICO La presente invención de manera general se relaciona con / sistemas y procesos para la conversión de materia prima en energía, y de manera más especifica con un sistema y proceso para la gasificación de biomasa que minimiza la producción de alquitrán y maximiza la combustión del carbón así como el contenido calorífico del gas producido resultante.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Entre 1988 y 2008, el número de rellenos sanitarios en los Estados Unidos disminuyó alrededor de setenta y siete por ciento (77%) en base a un Reporte Municipal de Residuos Sólidos emitido por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica (EPA, por sus siglas en inglés) . El precio que se paga a los rellenos sanitarios para que guarden los residuos ("tarifa por vertido de residuos") se ha incrementado aproximadamente en veintitrés por ciento (23%) entre 2002 y 2008, creando una necesidad de convertir estos tipos de materias primas residuales en usos de mayor valor. Para ayudar a reducir el volumen de residuos que se colocan en los rellenos sanitarios, se ha utilizado la incineración, pero ésta no es una opción viable a largo plazo debido a su impacto negativo sobre el medio ambiente. Por otro lado, también se ha utilizado la gasificación, un proceso que convierte productos o materiales carbonosos en calor y energía (con especial atención en la selección de los productos de biomasa) con el fin de reducir el volumen de materias primas de residuos a la vez que de manera simultánea se genera calor y energía utilizable.

Los sistemas de gasificación de biomasa convencionales por lo general sufren de varios problemas que actualmente han , limitado su uso. Debido a estas limitaciones, se deben imponer restricciones en cuanto a la calidad, tamaño, contenido de humedad, etc. de la alimentación. Además, las estrategias actuales de gasificación no proporcionan suficiente control sobre las etapas y reacciones claves de la gasificación, produciendo por consiguiente una corriente de salida de "gas pobre" (PG) no optimizada que es baja en contenido calorífico, elevada en alquitrán y promueve la combustión incompleta del carbón. Estos problemas pueden ser rastreados, en muchas situaciones, hasta la inyección de la materia prima cruda y las estrategias de mezclado así como las condiciones no óptimas en el campo de flujo de la unidad de gasificación. El bajo valor calorífico del PG que se genera de este modo se asocia por lo general con una eficiencia de conversión de gasificación de menos de 70%, que se define como la relación de la salida a la entrada de energía. La construcción y costos asociados con la mejora de estas deficiencias pueden ser igualmente prohibitivos. La mejora por lo general requiere de un riguroso control de la materia prima y/o un pre-procesamiento costoso de la materia prima. La escorificación de la ceniza y la manipulación posterior del material puede causar complicaciones adicionales y por lo general demanda materias primas "pre-tratadas" (secadas o compactadas/densificadas). Los costos asociados con dichas materias primas de biomasa refinadas son sustancialmente mayores que las materias primas de bajo costo y más fácilmente disponibles, afectando en consecuencia de manera adversa la economía del sistema.

Por lo tanto, con el fin de subsanar estas deficiencias técnicas y económicas tradicionales, existe una necesidad por un sistema de gasificación que produzca una corriente de salida de gas pobre mejorada a partir de una variedad de materiales de biomasa de "bajo grado" o de residuos, a ,1a vez que se minimice la producción de alquitrán, la entrada de energía así como el arrastre del carbón.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Esta descripción resume algunos aspectos de las presentes configuraciones y no deberá ser utilizada para limitar las reivindicaciones. Los problemas antes mencionados son resueltos y se logra un avance técnico por medio de un sistema, proceso y artículos de manufactura consistentes con la presente invención, la cual proporciona una gasificación mejorada de los materiales o productos de biomasa, tales como las materias primas de residuos.

Un aspecto de la invención está dirigido a un sistema para la gasificación de los materiales de biomasa, que comprende una unidad de gasificación para la conversión de los materiales de biomasa en un gas, en donde la unidad de gasificación está configurada para permitir que los materiales de biomasa y otras materias que están contenidas dentro de la unidad de gasificación se muevan en un patrón de flujo especifico a una velocidad especifica; y un mecanismo de alimentación para la introducción de materiales de biomasa en la unidad de gasificación en donde el mecanismo de alimentación está configurado para acelerar los materiales de biomasa a la velocidad especificada en la unidad de gasificación .

Otro aspecto está dirigido a un sistema para la gasificación de los productos de biomasa. El sistema incluye una unidad de gasificación para la conversión de los materiales de biomasa en un gas y un mecanismo de alimentación para la introducción de los materiales de biomasa en la unidad de gasificación. La unidad de gasificación incluye una pluralidad de puertos de inyección que están distribuidos de manera vertical a lo largo de una o múltiples ubicaciones circunferenciales, es decir, diametralmente opuestas para inyección bilateral, por ejemplo, y cada una de la pluralidad de puertos de inyección tiene un correspondiente ángulo de inyección. Los puertos de inyección inyectan de forma tangencial un medio de gasificación y/o biomasa hacia la unidad de gasificación en ángulos prescritos, y los ángulos de inyección pueden ser orientados en dirección horizontal, ascendente y/o descendente. Aspectos y beneficios adicionales serán conocidos por aquellas personas expertas en la técnica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra una porción de un sistema de gasificación de biomasa de acuerdo con una configuración de la presente invención.

La Figura 2 es un diagrama esquemático del sistema de gasificación de biomasa de la Figura 1 acoplado a un acumulador de gas pobre que alimenta el gas pobre a un motor de combustión (combustión interna - encendido por chispa, diesel - encendido por compresión y/o turbina de gas) el cual a su vez acciona un generador eléctrico de acuerdo con la presente invención.

La Figura 3 ilustra una vista en perspectiva del sistema de gasificación de la Figura 1.

La Figura 4 ilustra una vista en elevación de ciertos componentes del sistema de gasificación de la Figura 3 con algunos de estos componentes siendo mostrados en sección transversal.

La Figura 5 ilustra una vista lateral de una segunda unidad de gasificación de la unidad de gasificación de la Figura 2 de acuerdo con la presente invención.

La Figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso de gasificación de los materiales de biomasa de acuerdo con la invención.

La Figura 7 ilustra una vista en sección transversal de otra configuración de la primera unidad de gasificación que incluye un cuerpo central con eje simétrico cerca de la parte inferior de acuerdo con la presente invención.

La Figura 8 ilustra vistas laterales de una pluralidad de cuerpos centrales con ejes simétricos de acuerdo con la presente invención.

La Figura 9 ilustra una vista en sección transversal de una configuración alternativa de un mecanismo de alimentación para la introducción de los materiales de biomasa en una unidad de gasificación de acuerdo con la presente invención.

La Figura 10 ilustra una vista en sección transversal de una configuración alternativa de un mecanismo de alimentación para la introducción de los materiales de biomasa en una unidad de gasificación de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Mientras que la presente invención puede ser incorporada en diversas formas, en los dibujos se muestran y se describen de aquí en adelante algunas configuraciones ejemplares y no limitativas, con el entendimiento de que la presente divulgación debe ser considerada como una ejemplificación de la invención y no tiene la intención de limitar la invención a las configuraciones especificas que se ilustran .

En la presente solicitud, el uso de la disyuntiva tiene la intención de incluir la conjuntiva. El uso de artículos definidos o indefinidos no tiene la intención de indicar la característica cardinal. En particular, una referencia a "el" objeto o "un" objeto tiene la intención de denotar asimismo uno de una pluralidad de dichos objetos.

Las figuras que se mencionan anteriormente ilustran las configuraciones preferidas de la invención y el funcionamiento de dichas configuraciones. Cuando el mismo elemento aparece en múltiples figuras, se utiliza el mismo numeral de referencia para denotar el elemento o parte en todas las figuras en donde el mismo aparece. Solamente se muestran y describen aquellas partes de las diversas unidades que son necesarias para transmitir un entendimiento de la configuración a aquellas personas expertas en la técnica. Aquellas partes y elementos no mostrados son convencionales y conocidos en la técnica.

Haciendo referencia a las Figuras 1 y 2, se ilustra una configuración de un sistema de gasificación, que se muestra de manera general en 100, para la conversión de una variedad de materiales de biomasa o materiales en un gas pobre (PG) . En general, el sistema de gasificación 100 incluye, pero no está limitado a, un mecanismo o sistema de alimentación de biomasa 102, una unidad de gasificación principal 104, una unidad de gasificación de depuración y/o de separación de partículas 106, una unidad de acumulación 108, un motor de combustión 110, y una máquina de generación de energía eléctrica 112.

Tal como se muestra mejor en la .Figura 2, el sistema de alimentación de biomasa 102 está compuesto de un depósito con tolva 114 y una unidad de alimentación/secado de biomasa 116. El material de biomasa es colocado en el depósito con tolva 114 que alimenta hacia la unidad de alimentación/secado 116, la cual puede ser accionada por un motor (no mostrado) . La unidad de alimentación/ secado 116 puede ser un mecanismo de alimentación de sólidos portátil que es de forma parcial o preferible totalmente cerrado, aislado y/o externamente calentado. La unidad de alimentación/secado 116 puede tomar una de muchas formas incluyendo una válvula giratoria, un transportador de lecho plano, un tornillo de alimentación giratorio, o de manera preferible un tambor giratorio que tiene rodillos externos. La unidad de alimentación/secado 116 está de manera preferible encerrada para optimizar la transferencia de calor, a fin de iniciar, y sustancialmente completar un proceso de secado. La unidad de a limentacion/ secado 116 puede incluir además instrumentos (sensores de temperatura, presión y/o humedad relativa) para monitorear y asegurar que no se ha iniciado la pirólisis (es decir, la conversión anaeróbica del material de biomasa a carbón, aceites y gases) que de otra manera podría iniciar de forma prematura el proceso de gasificación del sistema 100 y disminuir el contenido calorífico de cualquier PG resultante. Los instrumentos pueden ser uno o más de los siguientes: par te moeléctrico y/o transductores de presión, medidores del límite inferior de explosión (LEL) y dispositivos de monitoreo de la humedad/punto de rocío.

El sistema de alimentación de biomasa 102 puede utilizar calor agotado ya sea del gas pobre en sí mismo o del escape del motor de combustión interna 110 tanto en el depósito con tolva 114 como en la unidad de alimentación/secado 116, a fin de llevar a cabo el proceso de secado o etapa inicial de todo el proceso de gasificación, en la etapa 602 de la Figura 6. Un progreso o velocidad neta a término del material de biomasa a través de la unidad de alimentación/secado 116 y la extensión de la unidad de alimentación/secado 116 se pueden utilizar para fijar el tiempo de permanencia deseado del material de biomasa dentro de la unidad de alimentación/secado 116. Por medio del monitoreo y control cercano de la presión, la temperatura, el punto de rocío así como del tiempo de permanencia dentro de la unidad de alimentación/secado 116 a través de la variación del calor de entrada, el contenido de humedad del material de biomasa puede ser reducido de manera precisa hasta un nivel deseado, de manera preferible de 8 a 20% o de manera más preferible de 8 a 15%, antes de ingresar a la unidad de gasificación principal 104, reduciendo por consiguiente los requerimientos de energía endotérmica en las reacciones de gasificación posteriores. La temperatura, por ejemplo, se mantendrá de manera preferible cerca de la temperatura de evaporación/ebullición del agua para las condiciones atmosféricas prescritas (212 °F para una presión de 1 atm, por ejemplo) , en tanto que la presión de manera preferible no se le permitirá elevarse más de aproximadamente 10% por encima de la línea base/nominal. Además, la evidencia de una pirólisis prematura puede ser evidente dentro de la unidad de alimentación/secado. La reducción en la entrada de calor a la unidad de gasificación principal 104 puede incrementar el contenido de energía resultante del PG debido a que se requerirá menos agente de oxidación (para los propósitos de la combustión) con el fin de soportar las reacciones endotérmicas de gasificación dentro de la unidad de gasificación principal 104, lo que a su vez reduce los efectos de dilución que se atribuyen a la presencia del nitrógeno en la corriente oxidante de entrada .

El contenido de hidrógeno del PG también puede ser maximizado mediante el control del contenido de humedad de los materiales de biomasa. Un mayor contenido de hidrógeno puede ser deseable para potenciar el funcionamiento de los dispositivos de combustión corriente abajo, tal como el motor de combustión interna 110. La variación del contenido de humedad se puede llevar a cabo cambiando la carga térmica de entrada al sistema de alimentación de biomasa 102 a través ya sea de válvulas manuales y/o automatizadas 202 que están conectadas a los intercambiadores térmicos indirectos a los cuales está conectado. Una vez seco, el material de biomasa es luego suministrado a través de un conducto o tubería 120, que acopla la unidad de alimentación/secado 116 y la unidad de gasificación principal 104, a una entrada o puerto de entrada 121 de la unidad de gasificación principal 104 para procesamiento adicional, en la etapa 604 de la Figura 6. Se, puede seleccionar una porción inferior de la unidad de gasificación principal 104 para la colocación del puerto de entrada 121, ya que sustancia lmente corresponde a un punto dentro de la unidad de gasificación principal 104 en. donde el flujo interno se invierte y se produce una elevada turbulencia y velocidad. Estas condiciones en esencia hacen levitar el material de biomasa inyectado y lo atrapan en el campo de flujo de la unidad de gasificación prescrito que existe dentro de la unidad de gasificación principal 104. De manera alternativa, el punto de inyección de la biomasa puede estar localizado en condiciones más elevadas a fin de suministrarle a la biomasa mayor tiempo de permanencia y por lo tanto mayor tiempo para la gasificación.

De manera alternativa, múltiples sistemas de alimentación se pueden utilizar para proporcionar redundancia en el caso de una falla de una única unidad de a limentación/ secado 116, así como para permitir el reemplazo de un mecanismo de alimentación defectuoso durante el funcionamiento del sistema de gasificación 100. Puede ser deseable que uno o más sistemas de alimentación alimenten el material de biomasa a través de múltiples puertos en la porción inferior de la unidad de gasificación principal 104 para proporcionar una distribución mejorada y reacción posterior del material de alimentación dentro de la unidad de gasificación principal 104. El material de biomasa puede de manera equivalente ser inyectado en puntos de elevación alternos dependiendo del campo de flujo interno que está siendo generado dentro de la unidad de gasificación principal 104 en un tiempo dado por las razones antes mencionadas.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 2 a 6, la unidad de gasificación principal 104 está configurada para llevar a cabo de forma simultánea tres procesos de gasificación separados con el fin de producir potencialmente un gas pobre de BTU intermedio, con mínima generación de alquitrán y carbón, en la etapa 606 de la Figura 6. Estos tres procesos de gasificación son estrategias de gasificación de lecho fluidizado, ciclónica y de vórtice. Estos tres procesos de gasificación se realizan a través de los efectos combinados de elevada generación de turbulencia interna, un patrón de flujo altamente recirculatorio, toroidal y de inversión asi como de tiempos de permanencia extendidos dentro de la unidad de gasificación principal 10 . Para soportar estos tres procesos separados de gasificación, la unidad de gasificación principal 104 incluye puertos de inyección o de entrada de aire tangenciales 123, puertos de inyección de aire de ángulo variable 125 y un quemador de arranque orientado de forma tangencial 127. Aunque comúnmente se utiliza aire como el medio de gasificación que se inyecta hacia la unidad de gasificación principal 104 mediante los puertos de inyección 123 y/o 125, se pueden utilizar otros medios de gasificación tales como, pero no limitados a, oxigeno, vapor y/o agua. Otras características funcionales importantes de la unidad de gasificación principal 104 incluyen puertos de servicio de entrada bajos y medios 129. La unidad de gasificación principal 104 también es aislada y construida de tal manera que puede ser enfriada mediante aire forzado, nitrógeno u otro gas/medio a través de un pasaje anular que circunda su exterior o mediante el agente de gasificación en si mismo. Tanto los puertos de inyección de aire tangenciales 123 como los puertos de inyección de aire de ángulo variable 125 están distribuidos en toda la extensión vertical de la unidad de gasificación principal 104. Los puertos' de inyección de aire de ángulo de inyección variable 125 tienen un ángulo de inyección u orientación preferentemente descendente o ascendente p, de entre cero y ' ..cuarenta y cinco (45) grados desde la horizontal. Tal como se muestra, dos conjuntos de puertos de inyección de aire de ángulo de inyección variable 125 están formados en la unidad de gasificación principal 104, un primer conjunto teniendo un ángulo de inyección descendente de 22.5 grados desde la vertical y el segundo conjunto teniendo un ángulo de inyección descendente de 45 grados desde la horizontal. Aunque solamente se muestran dos conjuntos de puertos de inyección de aire de ángulo de inyección descendente variable, se puede utilizar cualquier cantidad de puertos de inyección de aire de ángulo de inyección ascendente o descendente variable. Los puertos de inyección de aire de ángulo de inyección variable 125 son de manera preferible diametralmente opuestos al puerto de entrada 121. El quemador de arranque tangencial 127 está de manera preferible localizado cerca de la porción superior de la unidad de gasificación principal 104 (para permitir un calentamiento más uniforme y cabal de las paredes internas) y se utiliza para calentar las paredes internas de la unidad de gasificación principal 140 antes de iniciarse las reacciones de gasificación.

Durante el funcionamiento, el material de biomasa secado puede ser suministrado desde el sistema de alimentación 102 hacia la porción inferior 122 de la unidad de gasificación principal 104 después de ser primero mezclado y acelerado con aire de gasificación en un conducto de inyección de biomasa 120, tal como se muestra en la Figura 10. Haciendo referencia además a la Figura 10, el conducto de inyección de biomasa 120 está compuesto de un conducto impulsor de medio de gasificación 1002, un conducto de entrada de biomasa 1001 y un conducto de salida combinado 1005. El conducto de medio de gasificación 1002 es de manera preferible de 0.5 a 6 pulgadas de diámetro y está configurado de tal manera que la ubicación en donde el chorro impulsor del medio de gasificación que se desplaza hacia abajo del conducto impacta la pared interna del conducto de salida combinado 1005 está corriente abajo del vértice de esquina aerodinámicamente suavizado 1004. En una configuración preferida, la relación de profundidad no dimensional del conducto impulsor de gas X* está entre 1 y 1.9. X* se define por medio de la fórmula x/db, en donde db es el diámetro del conducto de entrada de biomasa 1001 y x es la profundidad de inserción del conducto impulsor del medio de gasificación 1002 que está integrado dentro del conducto de entrada de biomasa 1001. Además, la relación de longitud del conducto de salida combinada Y* es mayor que 0.3 para evitar la turbulencia y de manera preferible está entre 1.25 y 1.9. Y* se define por medio de la fórmula y/db, en donde db es el diámetro del conducto de entrada de biomasa 1001 e y es la longitud entre el inicio del conducto de salida combinado 1001 e y es la longitud entre el inicio del conducto de salida combinado 1005 y el vértice de esquina 1004. El medio de gasificación que se desplaza hacia abajo en el conducto 1002 se deriva de una porción, de manera preferible menos de 10%, del aire de gasificación que está siendo inyectado hacia la unidad de gasificación principal 104. El conducto del medio de gasificación 1002 puede incluir de manera opcional un tramo de derivación (no mostrado) para dirigir una porción del medio impulsor de gasificación de entrada (de manera preferible menos de 10%) hasta el conducto de entrada de biomasa 1001 de una manera tangencial para mitigar el "puenteo". El interior del conducto de inyección de biomasa 120 está extensivamente acondicionado de forma aerodinámica a través de bordes redondeados 1003 y la expansión y contracción gradual del diámetro del conducto para minimizar la generación de turbulencia, separación de flujo y/o zonas de recirculación. Estas características también minimizan el tiempo de permanencia de la biomasa en el conducto 120 lo que inhibe las reacciones prematuras de gasificación si se utiliza una corriente impulsora calentada. El medio de gasificación, de manera preferible aire, se desplaza hacia abajo en el conducto del medio de gasificación 1002 y atrapa la biomasa seca que viaja hacia abajo en el conducto de entrada de biomasa 1001. Se añade aire de gasificación corriente arriba del puerto de entada 121 para asegurar una mezcla y aceleración completa y aireada del material de biomasa sólido/seco con la finalidad de alcanzar las condiciones/velocidades del campo de flujo que existen dentro de la unidad de gasificación principal 104. La inyección del material de biomasa con la velocidad apropiada es critica para asegurar el desempeño optimizado de la ¦ unidad de gasificación principal 104.

De manera alternativa, el material de biomasa puede ser suministrado a la unidad de gasificación principal 104 primero sin ser mezclado ni acelerado con aire, es decir, suministrado sin la ayuda de aire. El material de biomasa es acelerado e inyectado sobre las paredes previamente calentadas de la unidad de gasificación principal 104 y sigue una trayectoria de flujo toroidal y helicoidal, recirculando varias veces dentro de la unidad de gasificación principal 104 dependiendo del tamaño de partícula del material de biomasa. Juntos, los puertos de entrada de aire orientados de forma tangencial y en sentido descendente 123 y 125 sirven para controlar a ustadamente los procesos de gasificación/mecanismos de oxidación-reducción de la reacción mediante la adición de cantidades precisas del agente de oxidación en ubicaciones estratégicas. La penetración del agente de oxidación asi como velocidad de entrada se pueden ajustar a través de la inserción de varios insertos de menor o mayor diámetro (boquillas) (dispositivos de contracción de área aerodinámicamente suavizada) (no mostrados) en las penetraciones asociadas con las inyecciones de entrada del agente de oxidación 123 y 125. Como tal, el impulso del aire u otro medio de gasificación se pueden hacer variar conforme se desee entre los puertos de inyección de aire 123 y 125 para mejorar el control de los diversos procesos de gasificación. Sin embargo, se debe tener cuidado de que esto no incremente de forma artificial los requerimientos de energía resultantes del soplador a través del aumento en la caída de la presión.

Las inyecciones de aire de ángulo variable generan fuerzas de fluido fuertes que fuerzan a que la unidad de material de biomasa siga una trayectoria de flujo tridimensional que se caracteriza por un movimiento fuerte en sentido descendente y helicoidal, que luego se invierte cerca de la porción inferior 122 de la unidad de gasificación principal 104, en los alrededores de la rejilla 132. Dependiendo del tamaño de partícula, las partículas del material de biomasa pueden recircular varias veces antes de que las mismas sean gasificadas de forma suficiente y salgan de la unidad de gasificación principal 104 por medio de un puerto de salida de extremo superior 124. Las partículas más pesadas del material de biomasa pueden colisionar contra una pared interna de la unidad de gasificación principal 104 (como en un gasificador ciclónico estándar) y caer hacia la rejilla inferior 132, por medio de lo cual los puertos de inyección de aire inferiores 123 y/o las inversiones de flujo rápidamente hacen levitar las partículas (en la forma de un gasificador de lecho fluidizado) y, en algunos casos, dependiendo del tamaño de las partículas, fuerzan a que las partículas recirculen. El campo de flujo de recirculación así establecido también asegura la formación mínima de alquitrán forzando a que los gases de pirólisis recirculen dentro de la unidad de gasificación principal 104 antes de que salgan. La recirculación continua de los gases y aceites como un gasificador de vórtice permite el craqueo térmico/descomposición del alquitrán en especies de hidrocarburo más ligeras, mitigando el desgaste potencial del motor corriente abajo y el derrame de la condensación. Después de un tiempo suficiente, preferiblemente de varios cientos de milisegundos, el PG resultante sale de la unidad de gasificación principal 104 a través del puerto de salida superior 124 y es suministrado a través de un tubo "de alimentación" de dimensión apropiada 136 con un diámetro interno mayor que 1.75 pulgadas, y de manera preferible mayor que 2 pulgadas para minimizar las pérdidas fricciónales de presión, hacia la unidad de gasificación de depuración o separador de partículas corriente abajo.

En adición al PG resultante, la ceniza generara es separada del PG madurado por gravedad hacia un puerto 135 localizado en la parte inferior de la unidad de gasificación principal 104, para ser recolectada y eliminada conforme se desee. Esta ceniza recolectada puede ser enfriada y/o extinguida con agua u otros medios de elevada capacidad de calor, y utilizada en diversos materiales refractarios tales como azulejos para techos, cemento y asfalto para pavimento.

La unidad de gasificación principal 104 puede contener sensores (transductores de presión estática, par termoeléctrico y/o sensores del punto de roció - no mostrados) para detectar la presión y/o temperatura dentro de la unidad de gasificación principal 104, así como también puertos de muestreo de gas (no mostrados) y equipo apropiado para el análisis del gas (analizadores de gas - no mostrados) con la finalidad de monitorear el proceso de gasificación, la cinética de la reacción y/o el valor calorífico resultante del PG. En una configuración preferida, los puertos de muestreo de gas pueden estar localizados después de las unidades de gasificación principal y de depuración 104 y 106. Las mediciones que se toman de estos dispositivos se pueden utilizar para optimizar la cinética de la reacción, temperatura y tiempos de permanencia en la unidad de gasificación principal 104 necesarios para mejorar los tres procesos de gasificación.

El PG madurado de la unidad de gasificación principal 104 es luego alimentado a la unidad de gasificación de depuración 106 para un procesamiento adicional y la separación de partículas a través de una línea de alimentación de entrada 136, en la etapa 608 de la Figura 6. El diseño de la unidad de gasificación de depuración 106 puede seguir las mismas prácticas de diseño asociadas con los separadores ciclónicos de partículas estándares pero también se puede utilizar como una unidad de- gasificación secundaria, si así se desea, a través de la integración de un sistema secundario de inyección de aire 151 en su línea principal de alimentación de entrada de PG 136. Al igual que con la unidad de gasificación principal 104, la inyección de aire deberá realizarse corriente arriba de la entrada a la unidad de gasificación de depuración 106 para asegurar una mezcla completa. Una linea de retorno 138 desde un extremo inferior 140 de la unidad de gasificación de depuración 106 y conectado en o cerca de la porción inferior 122 de la unidad de gasificación principal 104 cerca de uno de los puertos de inyección de aire antes mencionados 125 asegura que ningún arrastre de carbón sea administrado nuevamente de regreso hacia el proceso. El ángulo de reposo es mayor que 30 grados desde la vertical en el punto en donde la linea de retorno 138 (no mostrada) se une a la unidad de gasificación principal 104 para asegurar un flujo continuo de ceniza y/o de retorno de carbón a la unidad de gasificación principal, pero por lo menos de 45 grados desde la vertical. De manera similar a la unidad de gasificación principal 104, la unidad de gasificación de depuración 106 incluye además un quemador de arranque 142, colocado cerca de la parte superior de la unidad de gasificación de depuración 106. Al igual que con la unidad de gasificación principal, el quemador de arranque 142 se utiliza para precalentar las paredes internas de la unidad de gasificación de depuración 106, que igualmente está equipado con un puerto de servicio 143. Durante el funcionamiento, la unidad de gasificación de depuración 106 actúa para separar las partículas remanentes no gasificadas del gas PG madurado. Diferente del carbón readministrado discutido líneas antes, el proceso de gasificación también produce ceniza, que es separada del PG madurado que circula dentro de la unidad de gasificación de depuración 106 mediante gravedad hacia un puerto 141 localizado en un extremo inferior de la unidad de gasificación de depuración en forma de embudo 106.

Conforme se observó anteriormente, a la vez que sirve como una segunda unidad de gasificación, la unidad de gasificación de depuración 106 puede incluir además puertos de inyección de aire (no mostrados) para agregar aire, oxigeno o vapor, conforme sea necesario, al PG circulante o en forma de espiral para convertir el carbón adicional en gas pobre. Conforme se discutió anteriormente en relación con la unidad de gasificación principal 104, los puertos de inyección de aire puede ser puertos de inyección de aire de ángulo variable y/o tangencial, localizados de manera preferible en la porción intermedia y/o una porción superior de la unidad de gasificación de depuración 106 (para tiempos de permanencia incrementados) para completar la gasificación adicional .

Haciendo referencia a las Figura 2 a 5, a la vez que opera como un separador de ciclón, la unidad de gasificación de depuración 106 sirve para separar las partículas del material de biomasa trasportadas con el PG madurado. Desde la unidad de gasificación de depuración 106, las partículas de material de biomasa separadas son retornadas hacia la unidad de gasificación principal 104 a través de la linea de retorno 138, en la etapa 610 de la Figura 6. En una de las configuraciones, antes de alcanzar la unidad de acumulación 108, el PG madurado se filtra por medio de un primer filtro 146, y luego se enfria por medio de una unidad de intercambio térmico 148, en la etapa 612 de la Figura 6. El PG madurado residual es luego administrado o suministrado a la unidad de acumulación 108 a través de la linea de PG 144, en la etapa 614 de la Figura 6. El calor removido por la unidad de intercambio térmico 148 del PG madurado sirve para elevar el nivel de temperatura de un suministro de aire provisto por un montaje de soplado de aire 149, a ser suministrado a la porción inferior de la unidad de gasificación principal 104 a través de la linea 150. El PG madurado enfriado es luego alimentado a una segunda unidad de intercambio ' térmico 152, una unidad de refrigeración/enfriamiento 154, y luego a un segundo filtro 156 antes de ingresar al acumulador 108. En adición, se puede utilizar un segundo montaje de soplado de aire 157 para suministrar aire adicional a la unidad de gasificación principal 104 conforme sea necesario para propósitos de enfriamiento .

Para el propósito de generar energía eléctrica, el PG madurado acumulado puede ser suministrado a un motor 110, que puede ser un motor de combustión interna alimentado con gasolina, por medio de un carburador 111, o de manera equivalente una turbina de gas, los que a su vez se acoplan a un generador eléctrico 112. El gas caliente de escape generado por el motor 110 se alimenta a través de un tercer intercambiador térmico 158 para elevar el nivel de temperatura del aire o liquido que circula dentro de la linea 160 que está conectada al segundo intercambiador térmico 152 y se puede utilizar para calentar el refrigerante liquido y/o proporcionar calor a la tolva de biomasa y la unidad de alimentación/secado .

Un aspecto de la presente invención es el tamaño escalable del sistema de gasificación 100 que puede ser desarrollado para un subconjunto de tamaño de un (1) megavatio (MWe), y puede ser escalado para satisfacer grandes necesidades incluyendo factorías, comunidades y/o ciudades. El tamaño compacto del sistema de gasificación 100 puede ocupar un espacio deseablemente pequeño y puede ser armado' y fácilmente desplegado en un vehículo aprobado por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos (DOT) desde una ubicación hasta otra ubicación. El sistema de gasificación de biomasa 100 auto-contenido, que conecta un proceso de alimentación/ secado innovador a los procesos de generación eléctrica y gasificación, no genera co-productos superfluos. Los requerimientos de elevada eficiencia y de bajos costos ("Opex" y "Capex") del sistema permiten bio-refinerias distribuidas y de menor escala para que sean viables para las comunidades rurales y otras, permitiendo de esta manera suministros de materia local y aprovechando la infraestructura existente para la generación confiable de energía y calor en el lugar de su consumo.

El sistema de gasificación 100 está configurado para producir gas pobre a partir de una variedad de materias primas y materiales de biomasa renovables que incluyen, pero no están limitadas a, desechos del procesamiento de alimentos (FPW), desechos de la industria forestal (FIW) asi como desechos urbanos verdes (MG ) para proporcionar energía y calor limpios en el lugar de consumo para la agricultura y las industrias alimenticias, para nombrar sólo dos. Los ejemplos específicos de materias primas o materiales de bajo grado incluyen, pero no están limitados a, desechos del procesamiento de las nueces (nuez, pacana, cáscara de maní, etc.), torta de aguas residuales, recortes de jardines, virutas de madera, etc.

Haciendo referencia ahora a la Figura 7, se muestra una vista en sección transversal de otra configuración de la primera unidad de gasificación 704, que incluye un cuerpo central substancialmente cónico 706 cerca al fondo. Conforme se discute en lineas previas con referencia a la Figura 4, la primera unidad de gasificación 104 también puede servir como un separador de ciclón. Durante la operación, las fuerzas dinámicas del fluido en el interior, generadas por las inyecciones de aire, crean un campo de flujo tridimensional complejo (3D) que puede tener un movimiento en espiral descendente de las partículas de biomasa cerca a las paredes internas 139 de la unidad de gasificación 104, y un movimiento en espiral ascendente a lo largo de una línea central de la unidad de gasificación 104. Como tal, las partículas de biomasa se dispersan hacia las paredes externas si ellas son muy grandes para ser llevadas por el campo de flujo. Una vez que las partículas grandes de biomasa colisionan contra las paredes internas 139, ellas caen hacia la rejilla inferior 132 para su remoción. Conforme el flujo se mueve hacia abajo, existe un punto en donde se produce la inversión del campo de flujo. Además, conforme el campo de flujo se mueve hacia la porción cónica descendente 145 de la unidad de gasificación principal 104, las velocidades circunferenciales se incrementan y partículas de biomasa cada vez más pequeñas son centrifugadas hacia las paredes internas 139. Una vez que las partículas de biomasa pequeñas colisionan contra las paredes internas 139, ellas caen hacia la rejilla inferior 132 localizada inmediatamente debajo ya que la velocidad en las paredes 139 es sustancialmente de cero.

Para facilitar mejor el embalado en un carro de trasporte aprobado por el DOT, la unidad de gasificación principal 104 puede ser truncada en tamaño total. Una forma de truncar su tamaño total es facortar la porción cónica inferior 145, mientras aún se provean las características ciclónicas deseadas de la unidad de gasificación principal 104. En una configuración de la Figura 7, la unidad de gasificación principal 704 incluye un cuerpo central con eje simétrico 706 en su porción inferior a lo largo del eje central vertical y por encima de la rejilla 732 (la rejilla no se muestra en las Figuras). Al proporcionar el elemento o cuerpo central 706, la unidad de gasificación principal 704 puede reproducir las características de campo de flujo del campo de flujo que se discute en líneas previas en una forma más compacta. Como tal, la inserción de un cuerpo central 706 provee una aerodinámica de campo de flujo que facilita eficiencias en la separación en una configuración más compacta. Además, el campo de flujo generado puede ser modificado de acuerdo con una situación o uso del dispositivo deseado mediante la modificación de la geometría o forma del cuerpo central 706. Como tal, el cuerpo central 706 puede ser configurado conforme se desee en una pluralidad de formas 802 a 820, mostradas en perfil, mientras sean sustancialmente simétricas con respecto al eje central vertical, conforme se muestra en la Figura 8. Aunque sólo se muestran nueve formas diferentes, una persona con los conocimientos habituales en la técnica podrá comprender que se pueden utilizar otras formas para la situación de producción de gas deseada.

Conforme se establece anteriormente, la implementación del sistema de alimentación 102 puede tomar una de muchas formas incluyendo un transportador de lecho plano, un tornillo de alimentación lineal, un tornillo de alimentación giratorio, una alimentación por gravedad asi como de tambor giratorio que tiene rodillos externos. En la Figura 9, se muestra un sistema de alimentación de biomasa alternativo 900. El sistema de alimentación 900 es un sistema de inyección giratorio, el cual incluye una rueda de lanzamiento centrifuga 902 y álabes o palas asociadas 90 . La rueda de lanzamiento 902 puede estar acoplada a un motor u otro mecanismo de accionamiento (no mostrado), cuya velocidad rotacional puede ser controlada conforme se desee, controlando de esta manera la velocidad/ tasa de inyección de los materiales de biomasa hacia la unidad de gasificación principal 104. El sistema de alimentación de biomasa 900 se puede acoplar o conectar en un extremo de entrada a una espiral o rosca (no mostrada) que suministra los materiales de biomasa, y se acopla en un extremo de salida al puerto de entrada 121 para inyectar los materiales de biomasa hacia la unidad de gasificación principal 104. El sistema de alimentación de biomasa 900 puede generar elevadas velocidades de inyección para permitir que los materiales de biomasa sean dispersados en la unidad de gasificación principal 104 y sean ingresados rápidamente en el campo de flujo ciclónico internamente generado. Mediante el ajuste juicioso de las velocidades de inyección, el sistema de alimentación de biomasa 900 permite que los materiales de biomasa inyectados impacten contra la pared interna caliente, acelerando además las reacciones de gasificación. Una ventaja en utilizar el sistema de alimentación 900 es que, debido a su sistema de inyección giratorio, el proceso de proporcionar los materiales de biomasa a la unidad de gasificación principal 104 no requiere ningún (o requiere mínimo) medio de gasificación para acelerar los materiales de biomasa a través del puerto de entrada 121. Asimismo, puede ser deseable controlar el patrón de alimentación de los materiales de biomasa al alterar la superficie delantera de los álabes 904. Por ejemplo, un álabe con paredes ligeramente ensanchadas, en lugar de rectas, permite que cualquier partícula que se presente sea dirigida en la dirección lateral para dispersarse en lugar de quedar contenida en un canal provisto por un álabe con bordes esencialmente paralelos. Esta dispersión lateral de los materiales de biomasa conforme ellos ingresan en la unidad de gasificación 104 puede activar el calentamiento de las partículas de biomasa, acelerando de esta manera el proceso de gasificación.

Aunque anteriormente se han descrito configuraciones ejemplares de la presente invención en detalle, aquellas personas expertas en la técnica apreciarán que muchas modificaciones adicionales son posibles en las configuraciones ejemplares sin alejarse materialmente de las novedosas enseñanzas y ventajas de la invención. Por consiguiente, se proyecta que estas y muchas modificaciones/alteraciones adicionales estén incluidas dentro del alcance de la presente invención.

Claims (22)

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES

1. Un sistema para la gasificación materiales de biomasa, caracterizado porque comprende: una unidad de gasificación para la conversión de los materiales de biomasa en un gas pobre, en donde la unidad de gasificación incluye una pluralidad de puertos de inyección de medio de gasificación distribuidos a lo largo de una extensión vertical de la unidad de gasificación, y en donde la pluralidad de puertos de inyección tiene ángulos de inyección que incluyen por lo menos uno de un ángulo tangencial en dirección ascendente y un ángulo tangencial en dirección descendente; y un mecanismo de alimentación para la introducción de los materiales de biomasa en la unidad de gasificación.

2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además otra unidad de gasificación o una unidad de depuración localizada corriente abajo de la unidad de gasificación, en donde la unidad de depuración sirve para separar las partículas de carbón y ceniza del gas así como para completar el proceso de gasificación .

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende además una alimentación de retorno desde la otra unidad de gasificación o unidad de depuración hacia la unidad de gasificación con la finalidad de proporcionar partículas de carbón de regreso hacia la unidad de gasificación para la gasificación adicional y/o partículas de ceniza para la separación.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de alimentación incluye un mecanismo de secado.

5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un cuerpo central con eje simétrico en un extremo inferior interno de la unidad de gasificación para reducir el tamaño total de las unidades.

6. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio de gasificación es uno de aire, oxígeno, vapor y agua, así como cualquier combinación de los mismos.

7. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de alimentación es un mecanismo integrado de alimentación y secado.

8. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de alimentación incluye un sistema giratorio de inyección, cuya velocidad rotacional puede generar elevadas velocidades de inyección de los materiales de biomasa hacia la unidad de gasificación.

9. Un sistema para la gasificación materiales de biomasa, caracterizado porque comprende: una unidad de gasificación para la conversión de los materiales de biomasa en' un gas, en donde la unidad de gasificación está configurada para permitir que los materiales de biomasa asi como otras materias contenidas dentro de la unidad de gasificación se muevan en un patrón de flujo especificado a una velocidad especificada; y un mecanismo de alimentación para la introducción de los materiales de biomasa en la unidad de gasificación en donde el mecanismo de alimentación está configurado para acelerar los materiales de biomasa hasta la velocidad especificada en la unidad de gasificación.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el mecanismo de alimentación está, configurado para acelerar los materiales de biomasa en una dirección que es tangencial al patrón de flujo especificado de la unidad de gasificación.

11. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque comprende además otra unidad de gasificación o unidad de depuración localizada corriente abajo de la unidad de gasificación, en donde la unidad de depuración sirve para separar las partículas de carbón y ceniza del gas así como para completar el proceso de gasificación .

12. El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque comprende además una alimentación de retorno desde la otra unidad de gasificación (unidad de depuración) hacia la unidad de gasificación principal con la finalidad de proporcionar partículas de carbón de regreso a la unidad principal para gasificación adicional.

13. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el mecanismo de alimentación incluye un mecanismo de secado.

14. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, que comprende además un cuerpo central con eje simétrico en un extremo inferior interno de la unidad de gasificación.

15. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el medio de gasificación es uno de' aire, oxígeno, vapor y agua, así como cualquier combinación de los mismos .

16. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el mecanismo de alimentación es un mecanismo integrado de alimentación y secado.

17. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la velocidad y el patrón de ' flujo especificados crean un elevado nivel de turbulencia dentro de la unidad de gasificación.

18. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la velocidad y el patrón de flujo especificados hacen que los materiales de biomasa inyectados en la unidad de gasificación sigan un patrón de flujo helicoidal y toroidal tridimensional.

19. El sistema de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el patrón de flujo helicoidal y toroidal permite un elevado tiempo de permanencia para los materiales de biomasa dentro de la unidad de gasificación para la reducción/minimización del alquitrán.

20. Un método para la gasificación de materiales de biomasa, caracterizado porque comprende: secar los materiales de biomasa; suministrar los materiales de biomasa secos a una primera unidad de gasificación caracterizado porque la unidad de gasificación incluye una cámara principal limitada por las paredes interiores, un puerto de entrada asi como una pluralidad de puertos de inyección de medio de gasificación; gasificar los productos de biomasa secos con el fin de crear un gas pobre; suministrar el gas pobre desde una primera unidad de gasificación hacia una segunda unidad de gasificación; y filtrar y enfriar el gas pobre de la segunda unidad de gasificación .

21. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque comprende además un mecanismo neumático de alimentación de biomasa que utiliza una porción del medio de gasificación para acelerar la biomasa hacia la unidad de gasificación principal o de depuración a las condiciones de velocidad local y del campo de flujo de turbulencia que existen dentro de la unidad de gasificación principal, o de depuración .

22. El sistema de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque las superficies interiores del mecanismo de alimentación consisten esencialmente de superficies interiores lisas y redondeadas para reducir la turbulencia, las zonas de recirculación y el tiempo de permanencia dentro del mecanismo de alimentación.