WO2009010622A2

WO2009010622A2 - Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica

Info

Publication number: WO2009010622A2
Application number: PCT/ES2008/000507
Authority: WO
Inventors: Fernando Fernandez-Polanco Fernandez De Moreda; Sara L. Perez Elvira; Philippe Rouge Rouge; Rafael Gonzalez Calvo; Pilar Cantero Gutierrez; Maria FERNANDEZ-POLANCO IÑIGUEZ DE LA TORRE; Pilar Rodriguez Gutierrez; Luz PANIZO CASTAÑO; Roberto Velazquez Yuste
Original assignee: Universidad De Valladolid; Sorea, Soceidad Regional De Abastecimiento De Aguas, S.A.
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2009-01-22
Also published as: ES2341064A1; ES2341064B1; WO2009010622A3; EP2213631A2

Abstract

Cuando la materia orgánica particulada va a someterse a digestión anaerobia, puede favorecerse su biodegradabilidad mediante un pre-tratamiento de hidrólisis térmica que aumenta la cantidad de biogás producido en más de un 50% y reduce a la mitad la masa de residuo final. Frente a otros procesos, el reactor de hidrólisis térmica o termoquímica propuesto se caracteriza por operar en continuo a temperaturas de hasta 190°C y presiones de 12 bar. El biogás producido puede quemarse y producir energía eléctrica verde. El reactor de hidrólisis se calienta por inyección directa de vapor que puede obtenerse a partir de las corrientes gaseosas que se producen en la generación de electricidad y mediante un sistema de integración energética pueden aprovecharse las corrientes calientes consiguiéndose que el sistema sea energéticamente autosuficiente.

Description

REACTOR Y SISTEMA DE INTEGRACIÓN ENERGÉTICA PARA LA HIDRÓLISIS TÉRMICA O TERMOQUÍMICA EN CONTINUO, DE MATERIA

ORGÁNICA

MEMORIA DESCRIPTIVA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La degradación anaerobia y consiguiente producción de biogás a partir de materia orgánica particulada está limitada por Ia etapa de hidrólisis. La patente de invención objeto de Ia presente memoria se refiere a un nuevo proceso de tratamiento en el que, para incrementar Ia biodegradabilidad anaerobia, Ia materia orgánica particulada se somete a un proceso de hidrólisis térmica en un reactor diseñado al efecto. Dicho reactor opera en continuo, frente a tecnologías comerciales que operan por cargas. Además, para conseguir que el proceso sea energéticamente autosuficiente se propone un sistema de integración energética con el que se aprovechan tanto las corrientes calientes de salida del reactor de hidrólisis térmica como los gases de escape yagua caliente originados durante Ia etapa de generación de energía eléctrica. La invención puede considerarse integrada en el sector de Ia técnica que se preocupa del estudio y optimización de los procesos de aprovechamiento de residuos orgánicos transformándolos en otros utilizables para Ia producción de energías verdes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.

En muchos procesos industriales y en particular en el campo del tratamiento de aguas residuales y residuos sólidos se generan corrientes ricas en materia orgánica. Uno de los procedimientos más comúnmente utilizados para valorizar estos residuos es someterlos a un proceso de digestión anaerobia o biometanización. Este proceso biológico, desarrollado en ausencia de oxígeno, transforma Ia materia orgánica en biogás, rico en metano, que puede utilizarse para Ia generación de energía térmica y eléctrica. De acuerdo con el esquema del proceso de digestión anaerobia aceptado universalmete en el caso de materia orgánica particulada Ia etapa que controla el proceso es Ia hidrólisis o licuefacción previa, que transforma esa materia particulada en compuestos solubles, accesibles para el metabolismo bacteriano. Existen diferentes tecnologías capaces de mejorar Ia etapa de hidrólisis. Una de ellas es Ia hidrólisis térmica. El fundamento del proceso es someter Ia materia particulada a una presión y temperatura suficientemente elevadas y así conseguir Ia solubilización de los sólidos. Revisando los antecedentes puede indicarse que diferentes sistemas comerciales realizan procesos de hidrólisis térmica por cargas. El proceso Cambi opera por cargas y con inyección directa de vapor de calefacción buscando como objetivo mejorar Ia biodegradabilidad anaerobia de los sólidos, aumentando Ia producción de biogás. La patente francesa FR 2820735 depositada por Vivendi Water Systems en 2001 patrocina el uso de dos reactores que operan por cargas y en paralelo. La operación por cargas obliga a trabajar por lotes, empleando sistemas con secuencias de operación más complejos y utilizando reactores de mayor volumen.

Atendiendo a Ia operación en continuo, el proceso Portheous aplicado a lodo previamente digerido anaeróbicamente, utiliza reactores con inyección directa de vapor, buscando mejorar las características de deshidratabilidad del fango. Algunas patentes han propuesto sistemas que operan en continuo. En Ia U.S. Pat. No. 5593591 de 1997 se reivindica un sistema en el que un lodo bombeado a presión es calentado en Ia propia conducción, antes de ser descomprimido mediante una boquilla y entrar en una cámara de flash. El objetivo del tratamiento es producir un lodo hidrolizado con buenas características de flujo (free flowing solids). En Ia U.S. Pat. No. 5785852 de 1998 se reivindica un proceso y equipo para el tratamiento de lodos biológicos para mejorar Ia digestión anaerobia secundaria. El proceso multi-etapa combina etapas de calentamiento, descompresión explosiva y aplicación de fuerzas de cizalla. Un "hydroheater" es el sistema de mezcla del vapor y el lodo que se sugiere como mas eficaz. El lodo caliente y a presión se lleva a una cámara de flash que opera a Ia presión atmosférica. El lodo parcialmente disgregado se lleva a una nueva etapa donde es sometido a fuerzas de cizalla (shear forces) para completar el proceso de rotura celular. En Ia U.S. Pat. No. 2004/0168990 se reivindica un método y dispositivo para Ia hidrólisis en continuo. El lodo se precalienta hasta unos 100 Oc en un cambiador de calor y posteriormente es mezclado, en un dispositivo no determinado, con vapor de 1 a 4 bar y conducido a un tanque de precalentamiento. Una bomba impulsa este líquido caliente, que en un dispositivo externo al reactor de hidrólisis recibe una inyección de vapor y penetra en el reactor de hidrólisis. La mezcla lodo/vapor se descomprime hasta 1 - 4 bar, a través de una boquilla (nozzle) que provoca una caída de presión instantánea. El lodo, hidrolizado y caliente, se bombea desde Ia cámara de despresurización hasta el cambiador inicial. El dispositivo consta de tres bombas, dos dispositivos externos de mezcla de vapor y lodo. Los únicos sistemas de recuperación de energía se plasman en: 1) el cambiador que precalienta Ia corriente de lodo fresco utilizando como fluido caliente el lodo hidrolizado que sale de Ia cámara de descompresión, 11) condensación del vapor que sale de Ia cámara de descompresión en el dispositivo previo a Ia llamada cámara de precalentamiento.

Las características fundamentales del invento que se propone y que Ie hacen diferente y superior a las invenciones presentadas hasta el momento al permitir minimizar algunas de sus limitaciones prácticas, son:

I) El sistema permite Ia operación en continuo, diferenciándose claramente de los procesos comerciales de Cambi y Vi'lrendi

II) No precisa etapas mecánicas posteriores a Ia etapa de hidrólisis térmica, como en Ia U.S. Pat. No. 5785852. III) No utiliza dispositivos externos para Ia mezcla del vapor como Ia U.S. Pat. No. 2004/0168990.

IV); No precisa bombas que operen en condiciones de temperatura elevada como Ia U.S. Pat. No. 2004/0168990.

V) Se consigue una mezcla adecuada y se minimizan los gradientes de temperatura mediante inyección directa de vapor.

VI) La integración energética propuesta permite que el exceso de biogás producido durante Ia hidrólisis se recupere en forma de energía eléctrica verde. De acuerdo con los antecedentes expuestos Ia invención se centra en el tipo y Ia forma de operar el reactor de hidrólisis, así como en el aprovechamiento total de las energías remanentes en las corrientes calientes originadas, con cuya integración se consigue Ia autosuficiencia energética del proceso global.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS.

Para ayudar a Ia mejor comprensión del invento que se describe se utilizarán los dibujos que se acompañan a los que se hará referencia mediante los números y letras indicados en los mismos. La Figura (1) representa el esquema de bloques del proceso de hidrólisis y del sistema de integración energética; Ia Figura (2) representa un esquema del proceso de hidrólisis que se propone.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

Aunque pueden existir ligeras variantes en función del tipo de materia orgánica que se pretenda hidrolizar, el esquema general del proceso es el que aparece en el diagrama de 5 bloques de Ia figura (1). Las funciones representadas por los diferentes bloques son: 1} Etapa de concentración de Ia materia orgánica (Mo).

Para que Ia materia orgánica particulada a tratar pueda alcanzar las condiciones de operación del reactor de hidrólisis y que su calentamiento pueda llevarse acabo mediante el aprovechamiento de corrientes calientes, se deshidrata hasta alcanzar un nivel adecuado de concentración; el procedimiento preferido para conseguirlo es el de centrifugación, aunque también pueden utilizarse sistemas de espesamiento por flotación, sedimentación o filtración en sus distintas variantes; el porcentaje de sólidos a Ia salida de Ia etapa de concentración puede variar entre 1 y 30% de sólidos totales. 2). Etapa de recuperación de Ia energía térmica remanente en las corrientes calientes de salida procedentes de Ia cámara de despresurización (etapa 3 ) y del sistema de generación de energía eléctrica (etapa 5). 3). Etapa de hidrólisis. 4). Etapa de digestión anaerobia del hidrolizado (Hd) para Ia producción de biogás (Bg).

5). Etapa de generación de energía eléctrica (Ee) mediante un conjunto combinado de generación de electricidad y vapor CHP, (combined heat and power) a partir del biogás (Bg) producido durante Ia digestión anaerobia.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.

Para explicar en detalle Ia operación del sistema que se propone, se parte de lodo biológico, con concentración típica de 3 - 4 g SST/L, procedente de un proceso convencional de lodos activos.

Después de deshidratado en Ia etapa (1) y con una concentración de salida que en función de su composición 5 variará entre 5 y 20%, Ia fase semi-sólida, lodo o papilla (sludge) pasa a Ia etapa (2) de recuperación energética en donde se acondiciona térmicamente por inyección directa de vapor o mediante cambiadores de calor que, como veremos más adelante, reciben las corrientes de fluidos calientes procedentes, de Ia etapa de hidrólisis (3) y del conjunto CHP ( combined heat and power ) de combustión de biogás para Ia generación de energía eléctrica de Ia etapa (5). Después de acondicionado térmicamente, el lodo pasa a un depósito de almacenamiento (6) en el cual pueden introducirse las cantidades adecuadas de reactivos químicos ácidos o básicos que permitan Ia posterior realización del proceso de hidrólisis termoquímica. Para garantizar Ia ausencia de emisiones gaseosas y de olores, los gases no condensables y los compuestos orgánicos volátiles (COV) que los acompañan se conducirán a una etapa de tratamiento auxiliar.

Desde el depósito (6) el lodo acondicionado térmica y químicamente se presuriza hasta 10 bar aproximadamente mediante una bomba (8) de caudal variable que Io introduce, en régimen continuo, en el reactor de hidrólisis (9) .La bomba (8) será adecuada para el trasiego de lodos, siendo recomendables las de desplazamiento de cavidad positiva o de membrana. El reactor (9) de hidrólisis tiene cuerpo cilindrico y fondo troncocónico para evitar Ia formación de depósitos; el vapor procedente de un generador (que no se representa), entra en el reactor a través de una conducción (V) que llega hasta su fondo troncocónico y se condensa calentando Ia masa de lodo a hidrolizar que, a su vez, entra por Ia parte superior del reactor a través de Ia conducción (A); el tiempo de residencia del lodo en el reactor puede variar entre 5 y 50 minutos; el volumen útil del reactor se determina mediante sensores de nivel, de presión o de temperatura existentes en el mismo, que actúan sobre Ia bomba (8) de alimentación de caudal variable o sobre Ia válvula automática (10) de descompresión; el reactor está equipado con sensores de temperatura (Tl) y 5 presión (Pl) que actúan, mediante un controlador (TIC), sobre Ia válvula automática (11) colocada en Ia tubería (V) de entrada de vapor el control efectuado sobre Ia válvula (11) mantendrá Ia presión y Ia temperatura en los valores de consigna de Ia operación. Se prevé que una porción de vapor pueda ser introducida de forma temporizada en el reactor (9) para que el lodo en proceso de hidrolización se mantenga con Ia temperatura y el grado de homogenización adecuados impidiendo que se presenten gradientes de temperatura. El reactor (9) está equipado con los correspondientes elementos de venteo, válvulas de alivio y de vaciado y sistema de limpieza. De acuerdo con los experimentos realizados se trabaja con temperaturas comprendidas entre 120⁰C y 200°C Y presiones que varían entre 4 y 12 bar. Desde el reactor (9)de hidrólisis el lodo hidrolizado (Hd) se conduce a Ia cámara de despresurización o de "flash" (12) que tiene cuerpo cilindrico, fondo troncocónico y tapa superior toriesférica; el paso del lodo a esta cámara, se realiza de forma controlada mediante Ia válvula de. descompresión (10) a través una conducción tubular que partiendo de Ia parte inferior del fondo troncocónico del reactor (9)con el que se mantiene coaxial llega hasta el fondo troncocónico de Ia cámara (12); Ia válvula (10) puede maniobrarse automáticamente por temporización o comandada por los sensores de nivel, (no representados) existentes en el reactor de hidrólisis (9);esta válvula (Ia) está situada muy próxima a Ia cámara (12) de forma que su apertura origina en el reactor (9) una súbita caída de presión que colabora a que en Ia cámara (12) se establezca un mecanismo de expansión brusca del vapor (steam explosión) que favorece el rendimiento global del proceso de hidrólisis. Para suavizar el efecto de esta expansión la cámara (12) está provista con una placa deflectora perforada (13), normal a su eje, que Ia divide interiormente en dos zonas; Ia cámara (12) también está equipada con sensores de temperatura (Tl), de presión (Pl) y con los correspondientes elementos de venteo válvulas de alivio y de vaciado y sistema de limpieza.

La corriente de lodo que, procedente del reactor (9) llega a Ia cámara (12) de despresurización a través de Ia válvula automática (10) se escinde, de acuerdo con las presiones y temperaturas de reactor y cámara, en una fase vapor y una fase líquida que se conducen a Ia etapa (2) de recuperación energética; el hidrolizado (Hd) , Ia fase líquida, con excelentes características de flujo, tras atravesar el cambiador de calor (14) de Ia etapa (2) se conduce a Ia etapa (4) de digestión anaerobia. Manteniendo en Ia cámara de despresurización (12) una presión adecuada que compense las perdidas de carga, Ia fase líquida no precisará ser bombeada. En Ia etapa (4) el hidrolizado, sólo o mezclado con otro lodo sin hidrolizar se digiere en un proceso anaeróbico; tomando en cuenta Ia temperatura del hidrolizado Ia digestión anaerobia puede realizarse tanto de forma mesófila como termófila. En condiciones típicas de hidrólisis, es decir: tiempo de residencia 30 minutos, presión 7 bar, temperatura 170⁰C, Ia producción de biogás (Bg) es entre un 40 y un 60% superior a Ia que se obtiene cuando el lodo no ha sido sometido al proceso de hidrólisis térmica.

Igualmente y teniendo en cuenta las excepcionales condiciones de deshidratabilidad del hidrolizado, puede procederse a su concentración obteniéndose una fracción líquida y otra pastosa. Cada una de las fracciones se lleva a un digestor anaerobio diferente, para así optimizar de forma independiente las condiciones de mezcla y el tiempo de residencia de cada fracción.

El biogás (Bg) producido durante el proceso de digestión del lodo hidrolizado se lleva a Ia etapa (5) en donde un conjunto comercial combinado de generación de electricidad y vapor CHP (combined heat and power), Io utiliza para producir energía eléctrica "verde" (Ee) y corrientes residuales calientes, de gases o de agua que se conducen a Ia etapa (2), para recuperación de su energía térmica remanente mediante el cambiador de calor (15).

Con Ia disposición y forma de operar propuesta se consigue que Ia producción de biogás se incremente en más de un 40% y que, su totalidad, pueda utilizarse en Ia producción de energía eléctrica.

Teniendo en cuenta que Ia mayor parte de Ia energía requerida para el proceso de hidrólisis es energía calorífica que se recupera gracias al proceso de integración energética que se propone, el sistema es, globalmente, autosuficiente. El invento no está estrictamente limitado a Ia forma de ejecución descrita sino que comprende cualquier otra variante de ejecución.

Los materiales semielaborados, piezas y conjuntos integrados comerciales así como el aparellaje de maniobra, medida y control cuya utilización en el invento se prevé, son los corrientemente utilizados en las instalaciones donde se realizan procesos químicos de precisión.

Claims

REIVINDICACIONES

1^a Reactor y sistema de integración energética para Ia hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica caracterizado por Ia utilización de un reactor químico asociado a una cámara de despresurización; el reactor tiene cuerpo cilindrico, tapa plana y fondo troncocónico; Ia cámara de despresurización tiene cuerpo cilindrico tapa toriesférica, fondo cónico y una placa circular perforada normal a su eje, que Ia divide interiormente en dos zonas; reactor y cámara se encuentran comunicados entre sí mediante una conducción tubular que penetra a través de las tapas respectivas llegando por un extremo, coaxialmente con el reactor, hasta Ia parte inferior de su fondo troncocónico y por el otro extremo hasta el fondo troncocónico de Ia cámara de despresurización; en esta conducción tubular se intercala una válvula maniobrable automáticamente por temporización o por comando de los sensores de nivel existentes en el reactor; a través de Ia tapa del reactor entra hasta su fondo troncocónico una conducción para inyección de vapor, procedente de un generador externo cuyas características no se reivindican, que está provista con una válvula maniobrable automáticamente por temporización o por comando de los sensores de presión y temperatura con los que está provisto el reactor.

2^a Reactor y sistema de integración energética para Ia hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica según Ia reivindicación Ia caracterizado por Ia utilización de un depósito de almacenamiento que comunica con el reactor mediante una conducción tubular que penetra ligeramente en éste a través de su tapa; en esta conducción se intercalan sucesivamente una válvula a Ia salida del depósito de almacenamiento y una bomba apta para impulsar lodos en régimen continuo y caudal variable regulado automáticamente por comando de los sensores de nivel, presión y temperatura existentes en el reactor. 3^a Reactor y sistema de integración energética para Ia hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica según las reivindicaciones anteriores caracterizado por utilizar un conjunto comercial combinado de generación de electricidad y vapor CHP (combi hed and power), apto para quemar biogás, cuyas características no se reivindican.

4^a Reactor y sistema de integración energética para Ia hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica según las reivindicaciones anteriores caracterizado por utilizar dispositivos cambiadores de calor y de inyección directa de vapor, que comunican mediante conducciones tubulares con Ia cámara de despresurización y con un conjunto comercial combinado de generación de electricidad y vapor CHP (combined heat and power ),