MX2013015026A - Planta de integración de tecnologías de biodigestión y gasificación para recuperación de energía. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una planta de proceso que combina las tecnologías de gasificación y de biodigestión utilizando técnicas avanzadas de separación termo-mecánica e integración energética para aprovechar cualquier tipo de residuo orgánico para la generación de calor y/o energía eléctrica en diferentes sectores como el industrial, urbano y agrícola. La planta incluye un sistema de pre-tratamiento que permite humectar y ablandar la biomasa y posteriormente triturar, despulpar y separar sólidos y líquidos. La invención presenta una gran adaptabilidad a diferentes tipos de biomasa residual y diferentes capacidades de generación, dependiendo de las necesidades específicas que se presenten.

Description

PLANTA DE INTEGRACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE BIODIGESTIÓN Y GASIFICACIÓN PARA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención corresponde a una planta de proceso de recuperación energetica que combina las teenologías de gasificación y de biodigestión utilizando técnicas avanzadas de separación termo-mecánica e integración energética para aprovechar cualquier tipo de residuo orgánico (biomasa) para la generación de calor y/o energía eléctrica. La invención presenta una gran adaptabilidad a diferentes tipos de biomasa residual y diferentes capacidades de generación, dependiendo de las necesidades específicas que se presenten.

El proceso tiene la finalidad de abastecer la demanda energética de las actividades que así lo requieran tanto en la industria, en lo urbano, así como en el sector agrícola y disminuir su dependencia de los combustibles fósiles en la mayor medida posible.

ANTECEDENTES Actualmente existen muchos sistemas que utilizan las tecnologías de gasificación y de biodigestión para el aprovechamiento de los residuos orgánicos pero ninguno que integre ambas tecnologías en una sola planta de proceso y que permita aprovechar prácticamente el 100% de los mismos.

En el proceso de gasificación, la biomasa es transformada en una mezcla de productos gaseosos, líquidos y sólidos mediante su oxidación parcial a alta temperatura. El principal objetivo es la obtención de un gas, denominado gas de síntesis (syngas), que puede ser empleado para la generación de calor o electricidad. El gas generado está compuesto básicamente por monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno, metano y otros hidrocarburos.

Las concentraciones de cada uno de ellos, y por tanto el poder calorífico del gas, dependerán de las condiciones de proceso (agente gasificante, temperatura, presión, etc.). Los procesos de gasificación han sido y son en la actualidad utilizados para el aprovechamiento energético de la biomasa, los residuos de hidrocarburos, coque de petróleo, carbón mineral y otros materiales.

Existen tres configuraciones actualmente utilizadas: updraft, downdraft y lecho fluidizado. Existen otros sistemas auxiliares asociados al proceso, como reactores de transporte neumático, equipos tipo cielón y cámaras ciclónicas.

En el gasificador downdraft o de corrientes paralelas el aire entra por la parte superior y el gas se extrae por la parte inferior. La principal ventaja de este sistema radica en la disminución de los compuestos alquitranosos en los gases de salida.

En el gasificador updraft o de contracorriente, el sólido y el gas se mueven en sentidos contrarios, el sólido desciende y el gas asciende. Este tipo de gasificador presenta la desventaja de que los gases no tienen tiempo suficiente para craquearse al no pasar por zonas de altas temperaturas. Por lo tanto la tendencia a formar alquitranes es alta.

En el gasificador de lecho fluidizado el sólido es mantenido en suspensión en el reactor (fluidizado) mediante el gas. Existe una amplia gama de posibilidades, fundamentalmente en función de la velocidad del gas. Las versiones más ampliamente utilizadas son los lechos fluidizados burbujeantes y los circulantes. También existen procesos con dos lechos fluidizados (twin), denominados de doble reactor.

La biodigestión consiste en un proceso biológico complejo, el cual es desarrollado por microorganismos anaerobios estrictos, es decir, que trabajan en ausencia de oxígeno, transformando la materia orgánica en biogás o gas biológico. El biogás está compuesto principalmente por metano y dióxido de carbono, conteniendo otros gases en pequeñas concentraciones y vapor de agua.

Hasta el día de hoy dichas teenologías han sido aprovechadas por separado, esto debido a los requerimientos específicos de la biomasa en cuanto a humedad se refiere, tanto para el gasificador como para el biodigestor, ya que el primero requiere que la biomasa se encuentre en base seca (0 al 20% máxima de humedad en peso), y el segundo la requiere con una humedad muy elevada, o en suspensión acuosa. Estas limitaciones evitan que la totalidad de la biomasa sea aprovechada.

Es por eso que surge la idea de integrar ambas teenologías en un proceso que se le denominara “PLANTA DE INTEGRACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE BIODIGESTTÓN Y GASIFICACIÓN PARA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA” para aprovechar y procesar cualquier tipo de biomasa residual y sacar el máximo provecho de la misma. La planta incluye una etapa de pre-tratamiento que permite canalizar la biomasa al proceso más idóneo, ya sea para la generación de syngas o bien biogás, que finalmente serán mezclados en un solo tanque de almacenamiento para su uso posterior para la generación de calor de combustión, electricidad o cualquier aplicación energetica.

Un proceso que presenta un funcionamiento parecido es el presentado en la solicitud de patente MX/a/2010/008670. Esta invención trata de un proceso de producción para transformar los residuos sólidos urbanos en fertilizante orgánico y biogás. Emplea un sistema de pre-tratamiento de trituración y molido de residuos orgánicos previo al proceso de biodigestión, sin embargo no integra la tecnología de gasificación al proceso tal y como lo hace nuestra invención. Además, la etapa de pre-tratamiento de nuestro proceso contempla un calentamiento de la biomasa y separación sólido-líquido.

De igual manera existen diversos sistemas de gasificación que utilizan procesos similares al propuesto; tal es el caso de la solicitud de patente MX/a/2011/010985, referente a un método y aparato para la gasificación de desperdicios orgánicos. Nuevamente difiere en que no combina las tecnologías de gasificación y biodigestión en una sola planta de proceso y no contempla la formación y secado de pelets para alimentar al gasificador, lo cual incrementa de manera significativa su eficiencia.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Las características y componentes del proceso propuesto se pueden observar de forma más clara a traves de las figuras mostradas en el anexo.

La figura 1 muestra el lay-out general del proceso.

La figura 2 muestra el subproceso I (tanque de recibo, pre-calentamiento y humectación).

La figura 3 muestra el subproceso II (sistema de triturado, molido y despulpado, con separación sólidos - líquidos).

La figura 4 muestra el subproceso III (sistema de exprimido de líquidos residuales, y peletización, con secador de pelets y silo de almacenamiento).

La figura 5 muestra el subproceso IV (gasificador para la producción de SYNGAS).

La figura 6 muestra el subproceso V (tanque hidrolizador, estabilizador y sistema de recirculación de líquidos).

La figura 7 muestra el subproceso VI (sistema de bio-reacción metanogénica para la producción de BIOGÁS y composta).

La figura 8 muestra el subproceso VII (almacenaje de gas y sistema de generación eléctrico).

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La planta de proceso que se presenta integra las teenologías de gasificación y biodigestión que permitirá procesar cualquier tipo de residuo orgánico para la generación de energía térmica (gas) y/o eléctrica.

La PLANTA DE INTEGRACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE BIODIGESTIÓN Y GASIFICACIÓN PARA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA se divide en siete subprocesos o secciones: I. Tanque de recibo, pre-calentamiento y humectación.

II. Sistema de triturado, molido y despulpado, con separación sólidos - líquidos.

III. Sistema de exprimido de líquidos residuales, y peletización, con secador de pelets y silo de almacenamiento.

IV. Gasificador para la producción de SYNGAS.

V. Tanque hidrolizador, estabilizador y sistema de recirculación de líquidos. VI. Sistema de bio-reacción metanogenica para la producción de BIOGÁS y composta. VII. Almacenaje de gas y sistema de generación eléctrico.

La biomasa a procesar en el subproceso I es introducida a un tanque elevado de recibo que se mantiene en un rango de temperatura de 30 a 70°C, esto con la finalidad de ablandar por humectación y calentamiento a la biomasa y facilitar el proceso siguiente. Además se agrega agua de repuesto o reflujo del proceso V al tanque para regulación de nivel de líquido. Dicho tanque tiene acoplado en la parte inferior el proceso Q que es un sistema de trituración, molido y despulpado que permite controlar el tamaño de grano por medio de una o varias malla-filtros concéntricas fijas o regulables. Dicho proceso separa por efecto mecánico (centrífiigo o de gusano sinfin) la carga de biomasa en una parte sólida semi-húmeda, también conocido como bagazo o pulpa, y otra parte líquida con pequeñas partículas de sólidos en suspensión y sustancias en disolución o emulsión.

Del proceso anterior se introduce la parte sólida semi-húmeda a un proceso III que consiste en un sistema exprimido de líquidos residuales, y peletización, con secador de pelets y silo de almacenamiento. En el cual se realiza nuevamente una separación sólido-líquido por extrusión (prensado hidráulico, tomillo sinfín o apisonado rotativo) para la producción de pelets. El proceso de peletizado cuenta a la salida con una boquilla extrusora intercambiable para diferentes formas y tamaños de pelets y con una resistencia electrica que permite cocer la superficie exterior de los pelets con el fin de darles cierta rigidez y evitar que se deshagan.

Dichos pelets son enviados posteriormente a un secador de biomasa que por medio de recirculación de aire caliente por fuente de energía solar, eléctrica, y/o de gas, eliminando así la humedad excedente debido a que el gasificador requiere que se encuentren en base seca (0 a 20% máximo de humedad en peso). Los pelets producidos son enviados a un silo de almacenamiento y posteriormente hacia el gasificador por medio de bandas transportadoras o gusano sinfín.

El proceso IV consiste en un gasificador para la producción de gas de síntesis (Syngas), por medio de un agente oxidante (aire u oxígeno); dicho Syngas es filtrado por efecto cielón y por malla de retención para mejorar su calidad y disminuir la cantidad de alquitrán que pudiese contener.

Por otro lado, los lixiviados son enviados al proceso V que es el tanque hidrolizador, estabilizador, para continuar su proceso. El tanque hidrolizador que recibe los lixiviados se mantiene a una temperatura de entre SO y 80 °C por medio de un intercambiador de calor que utiliza un fluido de trabajo térmico (aceites, mezclas agua-alcoholes, o fluidos orgánicos). Este rango de temperaturas facilita la hidrólisis por calor y por el efecto de controles químicos como ácidos, alcalinos, enzimas u otros agentes hidrolizantes, gracias a la cual se generan azúcares libres y cadenas de hidrocarburos más cortas que aumentan la producción de biogás.

Posteriormente, el flujo hidrolizado excedente no utilizado por reflujo al proceso I es enviado al proceso V que consiste en dos etapas de bio-reacción o mejor conocida como biodigestión: termofllica y mesofílica, respectivamente. La primera etapa se encuentra a una temperatura de entre 30 y 60 °C. Aquí se da la primera producción de biogás por efecto ter ofílico. Los sólidos más pesados se sedimentan al fondo y son enviados a la segunda unidad de biodigestión mesofílica, la cual consta de un biodigestor tipo flujo-pistón. En esta unidad se da una producción adicional de biogás. Además, los lodos extraídos del biodigestor son enviados a un secador de lodos, para su posterior utilización como composta orgánica.

Tanto el biogás como el syngas producidos son enviados al proceso VII a un tanque de almacenamiento de gas a presión. Una vez almacenado y mezclado, el gas es utilizado ya sea para la generación de calor, para la generación eléctrica, la cogeneración u otras aplicaciones posteriores de la mezcla Syngas/Biogas por medio de un motogenerador o turbogenerador de gas, acoplado al sistema.

Todos los procesos descritos anteriormente cuentan con un sistema de control y monitoreo por instrumentación y actuadores locales que captan las señales de los sensores de temperatura, flujo, grados Brix, DQO, DBO, PH y de nivel, pudiendo ser controlados en forma manual, semiautomática o estar acoplados aun sistema de adquisición de señales y programador lógico controlable (PLC) para ser controlados y monitoreados en tiempo real. Dichas señales se muestran en una pantalla que permitirá controlar las condiciones y variables críticas del proceso.

La invención permite procesar cualquier tipo de biomasa residual y presenta gran adaptabilidad a diferentes capacidades de generación, dependiendo de las necesidades específicas que se requieran.

EJEMPLOS Hoy en día, dentro de los sectores agrícola, urbano e industrial, existen actividades que demandan elevados consumos de gas LP y de energía electrica para sus procesos; sin embargo se generan inmensas cantidades de residuos orgánicos a diario lo cual se traduce en altos costos de producción e impactos ambientales fuertes. Sin embargo gracias a la PLANTA DE INTEGRACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE BIODIGESTIÓN Y GASIFICACIÓN PARA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA se lograría que dichos sectores produjeran su propia energía térmica y/o eléctrica a partir de sus propios desechos, y no sólo ayudar con la problemática ambiental actual, sino también generar ahorros considerables en sus consumos actuales de gas LP y electricidad y disminuir su dependencia de los combustibles fósiles por la sustitución de los mismos.

Claims (3)

REIVINDICACIONES Habiendo mostrado las características y principios de funcionamiento de la planta de proceso, considero una novedad y por lo tanto reclamo de mi propiedad lo siguiente:

1. Una planta de proceso que integra las teenologías de gasificación y de biodigestión y que permite procesar cualquier tipo de residuo orgánico para su conversión a Syngas y biogás, que pueda ser utilizado para la generación de energía térmica y/o eléctrica, con rangos de eficiencia energética alta por unidad de biomasa . La planta incluye una etapa de pre-tratamiento de biomasa por humectación y calor que permite reducción en la energía de molienda y despulpe, así como un peletizado más eficiente y un sistema de hidrolizado térmico, que ayuda a controlar la relación agua- biomasa canalizarla al proceso más idóneo (gasificador o bioreactor). Además permite controlar ciertos rangos de temperaturas dentro de los equipos para mejorar su eficiencia y por lo tanto aumentar la producción tanto de syngas como de biogás.

2. Haciendo alusión a la reivindicación 1, el sistema de pre-tratamiento de la biomasa es único en su tipo, ya que es capaz de ablandar la biomasa, triturarla y/o molerla, realizar la separación sólido-líquido y producir pelets a partir de los sólidos obtenidos de dicha separación.

3. El rango de temperaturas de operación de los componentes y la concentración de carga orgánica disuelta o en suspensión lograda en el hidrolizador, que aumentan su eficiencia al facilitar la actividad bacteriológica; lo cual se traduce en una mayor producción de biogás, y mejores rendimiento por unidad volumétrica de bioreactor.