WO2012127084A1 - Aparato basado en un transportador de sólidos y su uso - Google Patents

Aparato basado en un transportador de sólidos y su uso Download PDF

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WO2012127084A1
WO2012127084A1 PCT/ES2012/070145 ES2012070145W WO2012127084A1 WO 2012127084 A1 WO2012127084 A1 WO 2012127084A1 ES 2012070145 W ES2012070145 W ES 2012070145W WO 2012127084 A1 WO2012127084 A1 WO 2012127084A1
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gas
solids
solid
stage
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PCT/ES2012/070145
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Inventor
Ramón Murillo Villuendas
Tomás GARCÍA MARTÍNEZ
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
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    • C10B47/28—Other processes
    • C10B47/32—Other processes in ovens with mechanical conveying means
    • C10B47/44—Other processes in ovens with mechanical conveying means with conveyor-screws
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10B49/16—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with moving solid heat-carriers in divided form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the productive sectors in which the following invention can be applied are framed in the areas of agriculture, wood, chemical industry as well as energy production. These include companies that work in recycling agricultural and forestry waste, in the synthesis of products such as bio-oils, polymers and plastic materials and in the production of electrical or thermal energy from renewable sources.
  • the pyrolysis flash process generally consists of rapid heating of the biomass in the absence of oxygen. Under these conditions, the products that originate are a gas with low heat capacity, mainly composed of H 2 , CO, CO 2 and light hydrocarbons; a liquid composed of tars, high molecular weight hydrocarbons and water and; Finally, a solid commonly known as char.
  • biomass can be considered as a mixture in different proportions of hemicellulose, cellulose, lignin and small amounts of other organic compounds, depending on the type of raw material.
  • These compounds pyrolize or degrade at different speeds and by different mechanisms and pathways, giving rise to pyrolysis liquids that can be considered as a micro-emulsion of oxygenated compounds such as carboxylic acids, ketones and aldehydes in water, a mixture of compounds that is immiscible with water.
  • reactors There are different types of reactors that meet the requirements that must be met in a flash pyrolysis process. These reactors can be classified into five different categories: 1) vacuum reactors; 2) ablative reactors; 3) fluidized bed reactors; 4) circulating or transport fluidized bed reactors; and 5) auger type reactors.
  • the vacuum reactors have a very low heating ramp, even too low to be considered as a pyrolysis flash technology.
  • this technology is characterized by having low coefficients of energy transfer to biomass particles, due to the low exchange surfaces.
  • the use of vacuum to remove the generated vapors leads to very low residence times of the obtained vapors, which reduces cracking reactions.
  • Fluidized bed reactors are characterized by being a simple technology that provides good temperature control and acceptable heat transfer coefficients to biomass particles, due to the use of sand or other solids that increase the area available for transferring Energy.
  • sand or other solids that increase the area available for transferring Energy.
  • its scaling to large reactors is complicated due to the appearance of temperature and concentration gradients in the bed.
  • the use of large volumes of inert gases to carry out fluidization causes costs to increase and the calorific value of the gases obtained to be diluted.
  • Circulating fluidized bed or transport reactors have similar characteristics to fluidized bed reactors, since they are also characterized by using a heat conveyor that provides energy to biomass particles.
  • the residence time of solids is similar to that of the released vapors.
  • the high speeds used lead to which part of the char may appear as elutriated in the condensable gases, which makes its subsequent separation necessary.
  • the use of larger volumes of gases than in fluidized bed reactors increases costs to a greater extent.
  • An intrinsic advantage of the fluidized bed and circulating fluidized bed or transport reactors is that the use of a heat carrier with catalytic properties as in US-5961786; in patent application PCT / EP2009 / 053550; or in patent application WO / 2010/124069; It can lead to the production of a biofuel with low oxygen content and stable storage.
  • Auger reactors due to their intrinsic characteristics, solve some of the technological problems presented by previous reactors.
  • these reactors are characterized by compact equipment that does not require entrainment gas and can operate at low temperatures continuously without serious operational problems.
  • the possibility of producing biofuels from dry biomass of lignocellulosic nature in this type of reactors, in which the energy required to carry out the pyrolysis reaction is supplied by an electrically heated outer furnace, has been demonstrated in different references and publications, such as This is the case of patent application WO2008066950 A3, which describes a method of producing and collecting a biodiesel-miscible biofuel.
  • a biomass pyrolysis process is described in the preferred arrangement using an auger with screw screw technology consisting of two threads coupled one inside the other that rotate in the opposite direction.
  • the fuel is fed through the internal thyme in the axial direction. Controlled amounts of air and / or water vapor externally and carbonized from the inner thyme are fed into the outer thyme.
  • the combustion reaction that takes place provides heat for the pyrolysis reaction.
  • a reforming reaction takes place to produce syngas that can be used as fuel to generate electricity, although the amount of energy provided to the pyrolysis process is reduced.
  • the additional advantage of this process is that the biomass is mixed with a heat conveyor which comprises at least partially char, but can also incorporate ashes from the combustion of the biomass.
  • Other additional advantages of this recycling are that the use of high proportions of char to biomass favors the formation of synthesis gas (CO and H2) and the formation of low molecular weight organic compounds.
  • the disadvantage is that the heat requirement of char will reduce the overall efficiency of the entire process.
  • RU2346026 (2) a process of pyrolysis in an auger reactor is shown in which the energy transfer process is carried out convectively between the walls of the reactor chamber and the biomass particles.
  • the summary of this patent indicates that the pyrolysis reactor is heated by contact with the reaction gases from a combustion chamber, where the char and part of previously dried biomass is fed.
  • the use of part of the energy present in the gases of the combustion chamber to dry the biomass in an auger reactor is also proposed.
  • a disadvantage of the proposed system is that the low energy transfer coefficients due to the low contact surfaces present in this configuration, make it necessary that part of the dry biomass has to be burned to obtain the energy necessary for the drying process and pyrolysis In this way, it is necessary to develop more efficient drying systems that improve the energy transfer process and avoid external energy contributions.
  • both the biomass drying system described in RU2346026 (2) and the traditional biomass drying systems are characterized by the need for external sources of heat, such as gas or biomass burners, which give rise to gases hot reaction that provide energy to the biomass particles.
  • traditional systems the heating process is carried out inside a metal drum at a temperature high enough to evaporate the water contained in the particles.
  • These dryers contain helical augers that continuously remove the biomass inside the drum ensuring that it is continuously exposed to heat.
  • the drum can be rotated to agitate the particles. Using these systems it is possible to dry sawdust with a moisture content greater than 90% reaching a moisture content of less than 10%.
  • drum dryers are not desirable to dry some waste from certain industries. Specifically, residues that have a small particle size. These materials include sludge from wastewater treatment plants, grains obtained in the manufacture of ethanol, waste paper from paper mills and other similar materials. It would be desirable to provide a dryer that can be used to dry these materials so that they can be used as alternative fuels instead of ending up in landfills or burned in need of additional fuels, with the consequent increase in cost and negative environmental impact that entails. The amount of biomass to be treated is a minor problem in a system that operates continuously. It is also desirable to provide a continuous drying system that can be sized for almost any desired performance so that the process capacity can always be related to the maximum performance required.
  • a first aspect of the present invention relates to a new apparatus for contacting a solid and a gas that may or may not react with each other such that there may or may not be a transfer of matter and / or heat between both phases.
  • This device is based on the technology of the mobile bed reactors induced by the movement of an auger and characterized by being a design in which the spiral of the screw is perforated in order to favor the contact between the gas and the solid and at the same time reduce the pressure drop of the gas associated with this type of reactors.
  • this new apparatus a novel system is proposed to provide or remove heat from the medium by circulating a gas or preferably a thermal fluid through the inside of the auger and outside the housing following a helical path.
  • a gas or preferably a thermal fluid through the inside of the auger and outside the housing following a helical path.
  • this new design can be applied in systems where gases react with solids, it is preferably appropriate for the design of solid dryers that possess a certain degree of moisture such as biomass.
  • the main advantage of the new design with respect to other designs present in the state of the art is that it is a simpler, more robust and scalable system both in its upper limit of applicability but also in its lower limit.
  • a second aspect of the present invention consists in a process for the production of liquid fuels by means of pyrolysis cycles plus combustion with integrated drying using a heat conveyor with two temperature levels.
  • this process can be applied to any raw material or residue that has carbon in its elementary composition, it is preferably applicable in the treatment of both agricultural and forestry biomass.
  • This process fundamentally pursues the production of liquid biofuels, obtaining thermal or preferably electrical energy as a byproduct.
  • the complete installation integrates a dryer with the design proposed in the present invention with a pyrolysis reactor, a combustion reactor and a solids cooler to guarantee the two temperature levels of the heat conveyor.
  • the novelty of this process with respect to other similar ones described in the state of the art is that a heat carrier is used to carry out both the pyrolysis process and the drying process.
  • the energy required for both processes is generated in a combustion reactor in which the solid waste and the non-condensable gas formed in the pyrolysis are burned and transported by the heat conveyor.
  • the solids cooler is responsible for adapting the temperature of the heat conveyor to the needs of the dryer.
  • a third aspect of the present invention is a particular embodiment relating to a pyrolysis process plus combustion with integrated drying derived from the previous one.
  • the fundamental difference between both processes lies in the use of a hot gas or preferably of a thermal fluid to carry out the drying of the raw material in a dryer with a design equal to that shown in the present invention.
  • the energy required for drying is extracted from the thermal energy of the hot gas produced in the combustion reactor, which is transferred to a thermal fluid.
  • Figure 1 shows an apparatus according to the present invention, for contacting a solid and a gas that may or may not react with each other such that there may or may not be a transfer of matter and / or heat between both phases.
  • Figure 2 shows an auger whose spiral is drilled in order to favor the contact between the gas and the solid while reducing the pressure drop of the gas associated with this type of reactor
  • Figure 3 shows an auger whose spiral is perforated
  • Figure 4 shows a pyrolysis process with heat conveyor with two temperature levels that can be used in a process for the production of liquid fuels by means of pyrolysis cycles plus combustion with integrated drying.
  • Figure 5 shows a pyrolysis reactor
  • Figure 6 shows another pyrolysis process plus combustion with integrated drying that derives from the previous
  • a first aspect of the present invention relates to an apparatus based on a solids conveyor for carrying out physical or chemical processes in which at least one solid is involved, characterized in that it comprises the following elements:
  • an endless screw comprising (i) a central axis, (ii) blades or spiral and (iii) a circular crown-shaped plate welded on both ends of the screw to avoid the possible passage of solid material towards the areas of closing of it,
  • said housing comprises:
  • an outer casing that surrounds said screw and the inner casing, and which serves as a roof for the helical channel and thermally insulates the assembly formed by the auger, the inner casing and the helical channel, from the outside.
  • the mobile bed is constructed of chemically and mechanically resistant metallic material at high temperatures and potentially corrosive atmospheres, such as metal or steel that is resistant to temperatures of at least 700 ° C without loss of mechanical properties, for example, steels 304, 310, 316
  • the apparatus comprises a mobile bed preferably of a metallic material.
  • the apparatus comprises an inert air or gas inlet that carries away the moisture released and provides at least part of the energy to carry out an evaporation process of the water inherent in drying operations.
  • the auger screw preferably has a hollow central axis for transporting a hot fluid inside, to transmit heat to the interior of the apparatus and thus favor drying of the solid.
  • the central axis of the auger is hollow and has: (i) an insulated concentric tube with the axis of the auger that introduces the thermal fluid to the hot zone of the apparatus, (ii ) gaskets and seals that connect the rotary axis of the auger with the insulated concentric tube and (iii) of a chamber to collect thermal fluid that could escape from the auger.
  • the apparatus said blades or spiral are perforated.
  • Another aspect of the invention relates to the use of the apparatus defined above to carry out a reaction in which a gas and a solid are contacted.
  • Said reaction may be catalytic or noncatalytic.
  • the apparatus of the invention can be used in a physical process in which simultaneous, or non-simultaneous, transfer of matter and / or energy occurs.
  • the process in which the apparatus is used is a drying process.
  • a third aspect of the invention relates to a process for energy and material revaluation of a raw material by means of a pyrolysis cycle (catalytic or not catalytic) plus combustion, which is carried out with the apparatus defined above, said process characterized in that it comprises:
  • step d) comprises carrying out a combustion reaction that generates the energy necessary to carry out the drying and the pyrolysis reaction of the raw material which is fed with (i) the solid product stream obtained from the pyrolysis reaction , (ii) the non-condensed fraction obtained in the condensation stage and (iii) a preheated gas stream from the solids cooling stage, and: (i) a high temperature gas stream from which one can obtain recover thermal energy and (ii) a stream of solids that separates into two subcurrents, one of which is fed to the pyrolysis reaction to supply the necessary energy in the form of sensible heat and the other subcurrent is fed to a cooling stage of solids,
  • stage e of cooling of solids that is fed with part of the effluent solids stream of the combustion reaction and a cold gas stream, obtaining:
  • the first one is used as a oxidizer in the combustion reaction and the second one is used in the stage of drying to facilitate the evaporation of water from the raw material.
  • the raw material may be organic matter is selected biodegradable and non-biodegradable that contains carbon in its elemental composition, preferably it is waste organic matter comprising rubber material, polymeric material, fossil fuels, more preferably splintered agricultural or forestry biomass or pellets and with particle sizes between 0.5 mm and 50 mm.
  • a screw is used with the perforated blades, said blades having holes smaller than the minimum size of the raw material and the solid heat carrier.
  • air can be used as a preheated gas from the solids cooling stage.
  • the drying step is carried out under conditions such that the moisture percentage is reduced from 80% by weight to 0% by weight.
  • the drying stage can be carried out: (i) at a temperature between 50 ° C and 250 ° C, (ii) at a working pressure between 0.1 bar and 3 bar and (iii) with a residence time of the raw material between 0.5 minutes and 120 minutes.
  • the solid heat carrier may comprise materials of inorganic nature.
  • the preheated air is at a temperature between 100 ° C and 300 ° C and the solid that acts as a recirculated heat carrier is at a temperature between 100 ° C and 300 ° C.
  • an auger with perforated blades is used, with a hole size smaller than the minimum size of the raw material particles and the solid heat transporter.
  • the pyrolysis reaction can be catalytic and in this reaction the solid heat carrier is used as a catalyst.
  • the pyrolysis reaction can be carried out at a temperature between 400 ° C and l OOO ° C.
  • a solid product stream is obtained, which is fed to the combustion reaction and because said stream comprises undevolatilized carbonaceous material as unconverted dry raw material,
  • the stream of solids is pyrolyzed which has a biomass weight / heat transport solid ratio between 1 and 10.
  • the heat carrier solid stream from the combustion reactor is at a temperature between 500 and 1,100 ° C.
  • the stream of solids obtained in the combustion reaction comprises the solid heat carrier and some ashes.
  • the gas that is fed in the solids cooling stage is air
  • the temperature of the solids stream may decrease from the operating temperature of the combustion reaction until reaching a temperature between 100 ° C and 300 ° C, and the air stream is preheated to a temperature between 100 ° C and 300 ° C.
  • a preheated gas from a preheating stage and by means of a hot thermal fluid so that a stream of dry solids and a second gas phase stream formed by the preheated gas introduced together with the moisture initially present in the raw material is obtained
  • step d) comprises a combustion reaction that generates the energy necessary to carry out the drying and the pyrolysis reaction of the raw material by means of a combustion reactor in which (i) the solid product stream obtained from the pyrolysis reaction, (ii) the non-condensed fraction obtained in the condensation stage and (iii) a preheated gas source from a preheating stage, and obtains: (i) a high temperature gas stream from which it can recover thermal energy that is directed to a preheating stage or to the drying stage and (ii) a stream of solids that is recirculated to the pyrolysis reaction to supply the necessary energy in the form of sensible heat,
  • a preheating stage e is carried out by means of a heat exchanger in which the effluent gas stream of the combustion reactor and a cold gas stream is fed and a hot gas stream is obtained which is divided into two subcurrents: The first is used as a oxidizer in the combustion reactor and the second is used in the drying stage to facilitate the evaporation of water from the raw material.
  • inert drying or air is used as a preheated gas from the preheating stage or from the combustion reactor in the drying stage.
  • the heat transfer is carried out by a stream of inert gas or air, more preferably air, which circulates inside the auger in contact with the raw material at a temperature comprised between 100 ° C and 300 ° C, and / or through a thermal fluid that circulates outside the housing and inside the worm shaft.
  • the gas that is fed in the preheating stage is air.
  • the present invention also relates to a characterized solid drying facility comprising an apparatus defined above.
  • a particular embodiment of the present invention relates to an apparatus for drying a biodegradable or non-biodegradable raw material, preferably material of a biomasic nature, which contains carbon in its elementary composition characterized by being a mobile bed dryer constructed of resistant metallic material. Chemically and mechanically at high temperatures and potentially corrosive atmospheres and the material moving through it. Any metal or steel that is resistant to temperatures of at least 700 ° C without loss of mechanical properties, for example, steels 304, 310, 316 would be suitable for this purpose.
  • the working pressure is between 0.1 bar and 10 bar, preferably at 1 bar.
  • organic waste material comprising rubber material, polymeric material, fossil fuels and preferably biomass in the form of chips, sawdust or pellets and with particle sizes between 0.5 mm and 50 mm, preferably 20, can be processed mm
  • Typical operating conditions would be a temperature between 50 ° C and 250 ° C, preferably between 80 ° C and 120 ° C and the working pressure is between 0.1 bar and 10 bar, preferably 1 bar.
  • the residence time of the solid inside the dryer is between 0.5 minutes and 120 minutes, preferably between 1 minute and 5 minutes in order to reduce humidity from values of 75% by weight to 0% by weight.
  • Figure 1 shows a scheme of this apparatus according to a preferred embodiment, which is characterized by:
  • a solid feeding system This system consists of two closed hoppers (elements 1 and 2 of Figure 1) made of stainless steel or any other metallic material with sufficient mechanical strength to sustain the material weight without deformation.
  • An automatic valve (element 3 of Figure 1), or not, interconnects both hoppers and allows the passage of solids through it. Both the specific design of the hoppers and the solids valve are part of the state of the art and are not the subject of the present invention.
  • the second hopper (element 2 of Figure 1) communicates in its lower part with a screw endless feeder (element 4 of Figure 1) which, if previously calibrated, feeds a known and constant flow of solids.
  • the auger screw is connected by means of an axis to a motor-reducer assembly (element 5 of Figure 1) regulated by a frequency inverter that allows the movement of the thyme and the variable dosage of the solid.
  • a motor-reducer assembly (element 5 of Figure 1) regulated by a frequency inverter that allows the movement of the thyme and the variable dosage of the solid.
  • Air or inert gas inlet Through a conduit (element 6 of Figure 1 a stream of air or inert gas is introduced, preferably preheated air at a temperature between 100 ° C and 300 ° C, preferably at a temperature of 250 ° C and a pressure comprised between 0.1 bar and 10 bar, preferably 1 bar.
  • This gas stream has a double mission: on the one hand it drains the moisture released increasing the drying speed and on the other it provides all or part of the energy to carry out the process of evaporation of the water inherent in the drying operations.
  • the spiral of the endless thyme has holes in its surface (element 1 of Figure 3).
  • the presence of these holes constitutes one of the main novelties of the present invention and fulfills a double purpose.
  • they facilitate the transfer of heat and matter between the gaseous fluid that is introduced and the raw material.
  • they facilitate intimate contact between the introduced entrainment air and the biomass, achieving faster heating of the particles compared to conventional systems and, due to the turbulence caused, a decrease in the thickness of the layer boundary around the particles which also implies a rapid elimination of the moisture released.
  • the presence of holes in the spiral of the auger screw will improve the contact between the reactant gas and the solid by decreasing the resistance to the transfer of matter and consequently increasing the reaction speed.
  • the system initially designed to provide energy can be used to remove it by introducing a cold gas or in general a cooling fluid.
  • This element (element 3 of Figure 2) is welded at both ends of the thyme to prevent the possible passage of solid material towards the dryer closing areas.
  • Assembly that wraps the auger characterized by: a solid inlet at the top (element 13 of Figure 1), an outlet of dry solids at the bottom (element 14 of Figure 1 ), a closure system consisting of a set of mechanized flanges and joints (element 15 of Figure 1) and a system that creates a helical channel (element 16 of Figure 1) in its outer part to increase the hot gas path or thermal fluid.
  • the inner shell also has a gas outlet towards the outside (element 17 of Figure 1) whereby both the initially introduced gas and the moisture of the material to be dried leave the installation.
  • a second aspect of the present invention consists in the use of a new process for energy and material revaluation of a biodegradable or non-carbon-containing raw material in its elementary composition simultaneously by means of a pyrolysis cycle plus combustion.
  • the raw material to be used comprises rubber material, polymeric material, fossil fuels, preferably agricultural or forestry biomass in the form of chips or pellets and with particle sizes between 0.5 mm and 50 mm.
  • Figure 4 shows a conceptual scheme of the process in which the main equipment and currents of both solids and gases that link them together appear.
  • a fundamental aspect of this invention consists in the use of a solid of inorganic nature that shows or not catalytic activity in the pyrolysis processes or in the subsequent improvement of the primary pyrolysis products but which is always capable of cyclically transporting heat between two reactors High temperature chemicals
  • the solid used as a heat carrier can be sand or other materials of inorganic nature such as S1O 2 , AI 2 O 3 , alkali metal oxides, alkaline earth metal oxides, transition metal oxides, zeolites such as HZSM- 5, HY, HMOR, HBETA and mesopore silicates such as SBA-15, MCM-41 and MCM-48.
  • Figure 4 it is intended to have a heat conveyor at two different temperatures appropriate respectively for the drying stage of the raw material and its subsequent pyrolysis.
  • the proposed system consists of the following elements:
  • This equipment (equipment 1 of Figure 4) is characterized by having an auger screw previously described in this patent and which can be visualized in the Figure 1.
  • the heat transfer to the material is carried out by means of air or a preheated inert gas (stream 55 of Figure 4) from a solid cooler (equipment 5 of Figure 4) and material that acts as a conveyor for recirculated heat (stream 51 of Figure 4) also coming from the same solids cooler (equipment 5 of Figure 4). Both streams are mixed with the fed raw material (stream 11 of Figure 4) allowing for intimate contact and thus favoring efficient heat transfer between both materials.
  • the heat transferred to the particles both from the hot air (stream 55 of Figure 4) and from the heat conveyor (stream 51 of Figure 4) causes the moisture loss of the material solid that is transferred to the gas phase.
  • the specific design of the dryer that is the object of the present invention makes it possible to improve, with respect to the equipment present in the state of the art, the transfer of matter from the solid particles to the gas phase.
  • a gas stream is obtained at a temperature between 90 ° C and 150 ° C preferably at 120 ° C composed of the air or inert gas introduced into the system and the moisture in the form of steam initially present in the biomass.
  • a stream of solids is also generated (stream 12 of Figure 4) formed by the biomass with a moisture content lower than the initial and the heat carrier.
  • the final moisture content of the biomass will depend on its initial content, on the mass flow rates and temperatures of the air and carrier streams and on the residence time inside the dryer.
  • This system reduces the percentage of humidity from maximum values between 75% and 80% to values between 10% and 0%, preferably from a percentage of humidity of 30% to a final percentage of 5%, more preferably keep going.
  • the proposed system is versatile enough so that the final moisture content can be adjusted to the needs of subsequent processes, reaching values close to or equal to 0% by weight.
  • This system comprises an auger screw-type mobile bed reactor in which a stream of solids obtained in the dryer is fed (stream 12 of Figure 4) constituted by dry raw material up to a percentage of predefined humidity and heat conveyor together with another heat carrier current (comment 42 of Figure 4) at a temperature higher than the first current and which will be between 500 ° C and 1 100 ° C, preferably at 800 ° C from of the combustion reactor that serves to transfer heat to the first stream in the reactor itself.
  • This type of contact facilitates the transfer of heat into the particles of matter organic allowing its devolatilization and generating mainly light gases and biocombus tibies (stream 23 of Figure 4).
  • the mass transport / biomass ratio is between 10 and 1 and the final temperature of the mixture is between 400 ° C and 1000 ° C, preferably between 475 ° C and 600 ° C and more preferably 500 ° C.
  • a solid product stream is also obtained from this reactor comprising heat conveyor, with or without coke deposited on its surface depending on whether it is an acid catalyst or not, and non-devolatilized carbonaceous material also called char (stream 24 of the Figure 4) which is conducted to the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4).
  • the configuration of the auger reactor to be used regardless of the nature of the solid used as a heat carrier, the most appropriate design is that described in the present invention (see Figure 5).
  • this reactor has an input for biomass from the dryer (element 1 of Figure 5) and another input (element 2 of Figure 5) independent for the heat transporter from the combustion reactor to which an optional entrainment gas inlet is attached (element 3 of Figure 5).
  • This element is not strictly necessary since the evacuation of the gases may be forced by an induced draft fan placed at the end of the line.
  • the screw-type screw conveyor with holes (element 4 of Figure 5) is constructed of metallic material preferably steel and is inside a housing (element 5 of Figure 5) also constructed in metallic material.
  • the screw screw closure system consists of a set of mechanized flanges and seals (element 6 of Figure 5) whose specific design is part of the state of the art in closure systems for pressure systems with moving parts.
  • the axis of the auger is connected to a motor-reducer assembly (element 7 of Figure 5) equipped with a frequency inverter that allows to regulate the speed of rotation of the auger and consequently the residence time of the solid particles inside of the reactor.
  • the inner housing has a gas outlet in its upper part (element 9 of Figure 5) that communicates with the condenser (equipment 3 of Figure 4) and an outlet of solids in its lower part (element 10 of Figure 5) that communicates with the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4).
  • a liquid state current (current 34 of Figure 4) will be produced at a temperature between 20 ° C and 100 ° C, preferably between 25 ° C and 35 ° C, notwithstanding that it may be chemically or physically treated by processes that are not the subject of the present invention, it is stored as a finished product.
  • another gas phase current (stream 31 of Figure 4) is also produced which is fed to the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4).
  • the operating temperature of this reactor is between 500 ° C and 1 100 ° C, preferably at 800 ° C.
  • the heat generated by these exothermic reactions is invested in heating the input solids causing a stream of reheated solids (stream 41 of Figure 4) that leave the reactor at the same operating temperature as the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4 ), a hot flue gas stream (stream 44 of Figure 4) and thermal energy that can be transferred to a heat recovery system that can generate electricity through for example a steam cycle and whose specific design is part of the state of the art and is not the subject of the present invention.
  • the current of reheated solids (current 41 of Figure 4) is divided into two parts.
  • This equipment reaches part of the effluent solids stream (stream 45 of Figure 4) of the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4) comprising heat and ash conveyor to lower its temperature from 800 ° C to reach a temperature between 100 ° C and 300 ° C, preferably 250 ° C to be recirculated to the dryer. Therefore, it adjusts the temperature of the solids stream to a lower level to avoid premature degradation of the biomass in the dryer (equipment 1 of Figure 4).
  • the heat transferred by the solid material is transferred to a cold air stream (stream 52 of Figure 4) that is preheated to a temperature between 100 ° C and 300 ° C, preferably 250 ° C.
  • this preheated air stream is divided into two parts: the first is used as a combustion in the combustion reactor (stream 54 of Figure 1) and the second is used in the dryer to facilitate evaporation of water from the wet biomass (stream 55 of Figure 4).
  • a third aspect of the present invention consists in the partial modification of the scheme shown in Figure 4 in such a way that it is not necessary to have a heat conveyor with two different temperature levels, the flow rates of solids between reactors and not it is necessary to have a solid cooler.
  • the resulting scheme is that shown in Figure 6.
  • the equipment involved and the distribution of currents do not need to recirculate hot solids from the combustion reactor (equipment 4 of the Figure 4) and subsequently from the solids cooler (equipment 5 of Figure 4) to the raw material dryer (equipment 1 of Figure 4).
  • the process consists of processing a biodegradable or non-carbon solid raw material that contains carbon in its elementary composition comprising rubber material, polymeric material, fossil fuels, preferably agricultural or forestry biomass in the form of splinters or pellets and with particle sizes between 0.5 mm and 50 mm.
  • the raw material is entered into the process (stream 11 of Figure 6) through a dryer (equipment 1 of Figure 6) whose specific characteristics and design are those described above and shown in Figure 1, Figure 2 and Figure 3.
  • the energy supply to this equipment is carried out by means of the circulation of a hot gas or preferably a thermal fluid (stream 61 of Figure 6) whose chemical composition and specific characteristics are not object of the present invention and form part of the state of the art in thermal fluids for the transport of energy.
  • This fluid circulates at a temperature between 100 ° C and 300 ° C, preferably at 250 ° C. As described above, this fluid would circulate in the dryer through the central axis where the spiral is located and through the outer shell. Upon transfer of its thermal energy, the fluid cools and is recirculated to a heat exchanger (equipment 6 of Figure 6) where it is again heated by hot combustion gas (stream 56 of Figure 6).
  • a heat exchanger equipment 6 of Figure 6
  • the dried solid (stream 12 of Figure 6) leaves the dryer (equipment 1 of Figure 6) through a conduit designed for this purpose (element 14 of Figure 1) and is introduced into the pyrolysis reactor (reactor 2 of Figure 6) where it absorbs the energy provided by a heat carrier (stream 42 of Figure 6), the assembly reaching a final temperature between 400 ° C and 1000 ° C, preferably between 475 ° C and 600 ° C and more preferably 500 ° C.
  • the specific design of this reactor would be analogous to that described above and is shown in Figure 5.
  • a gas phase current (stream 23 of Figure 6) that passes to a system of condensation (equipment 3 of Figure 6) analogous to that described above in which a liquid stream (stream 31 of Figure 6 is obtained which may or may not be considered as an end product and a stream of uncondensed gas (stream 34 of Figure 6 ) which is conducted to the combustion reactor (equipment 4 of Figure 6) or even to another optional gas burner located outside the combustion reactor.
  • a stream of solids is also produced (stream 24 of Figure 6) comprising the char formed in the pyrolysis and the previously introduced heat conveyor. This stream is also conducted to the combustion reactor (equipment 4 of Figure 6) operating at a temperature comprised going between 500 ° C and 1100 ° C, preferably 800 ° C.
  • the stream of hot solids that act as heat carriers (stream 42 of the Figure) is also generated in the combustion reactor (equipment 4 of Figure 6) 6) and which is directed to the pyrolysis reactor (equipment 2 of Figure 6) and an excess of thermal energy that can be recovered and transferred to a steam cycle to generate electricity.
  • the specific design of heat recovery systems and their transformation into electricity are part of the state of the art and are not the subject of the present invention.
  • the hot thermal fluid (stream 61 of Figure 6) is led to the dryer (equipment 1 of Figure 6) where it circulates inside the worm shaft and outside the housing.
  • This thermal fluid can be gas, air or any other fluid capable of efficiently transporting heat and whose specific characteristics are not the object of the present invention and are part of the state of the art in thermal fluids for the transport of heat. Regardless of the selected thermal fluid, it will be continuously circulating between the dryer (equipment 1 of Figure 6) where it yields energy and the heat exchanger (equipment 6 of Figure 6) where it absorbs energy from the flue gases.
  • the temperature of the hot thermal fluid (stream 61 of Figure 6) is between 100 ° C and 300 ° C, preferably 250 ° C).
  • the combustion gas (stream 62 of Figure 6) leaving the heat exchanger (equipment 6 of Figure 6) is at a temperature close to 150 ° C and can be emitted into the atmosphere, notwithstanding that can be scrubbed in gas cleaning equipment that is not the subject of the present invention and that are part of the state of the art in gas cleaning and purification equipment. Therefore, by means of this last process described in the present invention it is possible to carry out the pyrolysis of biomass continuously and autonomously with an easily scalable equipment design and in such a way that the system not only supplies itself with energy for production of liquid fuels but it is also capable of generating electricity for internal equipment that needs it and exporting a surplus of it to the grid. These factors represent a clear improvement over other processes that are described in the state of the art.
  • Example 1 BIOMASS PIROLISIS WITH INTEGRATED DRYING AND TWO LEVELS OF TEMPERATURE FOR THE CARRIER SOLID
  • This example shows the balance of matter and energy for a biomass pyrolysis plant according to the scheme in Figure 4 to process 200 kg / h of forest biomass (stream 11 of Figure 4), always operating at atmospheric pressure .
  • the material used It has 30% humidity, 0.39%> of ashes and 69.61% of organic matter and enters in the form of chips to the dryer (equipment 1 of Figure 4).
  • the biomass dryer also enters 800 kg / h of sand at 250 ° C (stream 51 of Figure 4) and 400 kg / h of air also at 250 ° C (stream 55 of Figure 4).
  • the energy transported by these two currents in the form of sensible heat is invested in the dryer to heat the incoming biomass to a temperature of 100 ° C and evaporate all the water that accompanies it.
  • From the dryer comes a gas-shaped stream (stream 13 of Figure 4) with a mass flow of 460 kg / h, a temperature of 100 ° C and a composition that is recorded in Table 1. This stream is emitted
  • Another stream of solids is also extracted from the dryer (stream 12 of Figure 4) with a mass flow rate of 942 kg / h, a temperature of 100 ° C and a weight percentage of biomass and sand of 14.8% and 85.2% respectively .
  • This stream is directed to the pyrolysis reactor (equipment 2 of Figure 4), which also incorporates 1500 kg / h of hot sand at 775 ° C (stream 42 of Figure 4) from the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4).
  • the mixing of both streams occurs in the pyrolysis reactor so that the energy transported by stream 42 is invested in heating stream 12 until the mixture of both reaches a temperature of 525 ° C.
  • the gas phase current (current 23 in Figure 4) is conducted to a housing-tube type condenser (equipment 3 of Figure 4)
  • the solids current (current 24 of Figure 4) is conducted to a reactor of combustion (equipment 4 of Figure 4).
  • the condenser (equipment 3 of Figure 4) is cooled by the supply of 1775 kg / h of water at 20 ° C that circulates on the side of the housing and leaves this equipment at a temperature of 30 ° C.
  • the biofuel produced (comment 31 of Figure 4) has a mass flow rate of 70 kg / h and a temperature of 35 ° C.
  • the uncondensed fraction (stream 34 of Figure 4) has a mass flow rate of 34 kg / h and is taken to the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4) where it is burned together with the organic matter contained by the stream 24.
  • the combustion reactor (equipment 4 of Figure 4) operates at a temperature of 800 ° C and at 1 bar atherospheric pressure.
  • 536 kg / h of preheated air are fed at a temperature of 250 ° C.
  • the total combustion of organic matter is produced with 20% excess air causing a gas phase current (stream 44 of Figure 4) with a temperature of 800 ° C and a composition that appears in Table 2 .
  • a solid stream (stream 41 of Figure 4) is also produced in the combustion reactor at a temperature of 800 ° C and a mass flow rate of 2300 kg / h.
  • This stream is composed of sand and possible ashes since all organic matter has become C0 2 and H 2 0.
  • This stream is divided into two parts.
  • the current 42 (1500 kg / h) is conducted to the pyrolysis reactor (equipment 2 of Figure 4) to supply the necessary energy in this reactor in the form of sensible heat.
  • the rest of the solid material (stream 45 of Figure 4) has a mass flow rate of 800 kg / h and is conducted to an auxiliary solids cooling system (equipment 5 of Figure 4).
  • the second part (stream 55 of Figure 4) has a mass flow rate of 500 kg / h and is used in the dryer (equipment 1 of Figure 4) to facilitate the evaporation of the water that is initially introduced with the biomass (stream 1 1 of Figure 4).
  • equipment 1 of Figure 4 the dryer
  • This example shows the balance of matter and energy for a biomass pyrolysis plant according to the scheme in Figure 6 to process 100,000 tons / year of forest biomass (stream 11 of Figure 6), which represents a flow mass schedule of 14286 kg / h of biomass.
  • the working pressure for all the equipment in the plant is 1 bar.
  • the material used (forest biomass) has 30% humidity, 1% ashes and 69% organic matter and enters in the form of chips to the dryer (equipment 1 of Figure 6).
  • 90000 kg / h of air that have been preheated to 250 ° C in a heat exchanger are also introduced into the dryer (equipment 5 of Figure 6).
  • This air stream (stream 13 of Figure 6), which is now wet air, leaves the dryer (equipment 1 of Figure 6) at a temperature of 115 ° C and with a mass flow rate of 94286 kg / h. This current can be emitted into the atmosphere or its energy can be recovered in appropriate commercial equipment. Dry biomass (stream 12 of Figure 6) leaves the dryer (equipment 1 of Figure 6) also at a temperature of 115 ° C and with a mass flow of 10002 kg / h.
  • This heat carrier can be sand or any other solid that has or does not have catalytic properties in the pyrolysis reaction or for the subsequent conversion of the pyrolysis primary products.
  • the devolatilization of the biomass occurs, releasing 7134 kg / h of volatile material (stream 23 of Figure 6) which is conducted to a condensation system (equipment 3 of Figure 6) cooled by 6452 kg / h of water at 20 ° C leaving it at 30 ° C. In this way it is possible to reduce the temperature of the gases from the pyrolysis reactor to 35 ° C, producing the condensation of the bio-fuels (stream 31 of Figure 6).
  • the uncondensed fraction (stream 34 of Figure 6) has a mass flow of 2217 kg / h and is taken to the combustion reactor (equipment 4 of Figure 6).
  • the combustion reactor (equipment 4 of Figure 6) both the combustion of the non-condensed gas (stream 34 of Figure 6) and the non-devolatilized solid fraction of the biomass (stream 24) are carried out at a temperature of 800 ° C.
  • stream 56 and equipment 5 of Figure 6 the stream of cooled flue gases in the heat exchanger (stream 56 and equipment 5 of Figure 6) is transferred to the outside of the biomass dryer where it transfers 220 kW that are used for drying fresh biomass (stream 11 of Figure 6). Finally, the combustion gas is emitted into the atmosphere at a temperature of 190 ° C (stream 61 of Figure 6).

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Abstract

Aparato basado en un transportador de sólidos para llevar a cabo procesos físicos o químicosen los que interviene al menos un sólido, caracterizado porque comprende los siguientes elementos: a) un lecho móvil, b) una entrada de gas, c) un tornillo sinfín que comprende (i) un eje central, (ii) unos álabes o espiral y (iii) una placa en forma de corona circular soldada en ambos extremos del tornillo para evitar el posible paso de material sólido hacia las zonas de cierre del mismo, d) unsistema que evita el escape de gas o fluido térmico hacia el exterior, e) un motor eléctrico dotado de un reductor y un variador de frecuencia que mueve el tornillo, f)una carcasa interior que envuelve dicho tornillo, y g) una carcasa exterior que envuelve dicho tornillo y la carcasa interior, y que sirve de techo para el canal helicoidal y aísla térmicamente el conjunto formado por el tornillo sinfín, la carcasa interior y el canal helicoidal, del exterior.

Description

APARATO BASADO EN UN TRANSPORTADOR DE SÓLIDOS Y SU USO
Sector de la técnica
Los sectores productivos en los que se puede aplicar la siguiente invención se enmarcan en las áreas de agricultura, madera, industria química así como de producción de energía. Entre ellos destacan las empresas que trabajen en reciclaje de residuos agrícolas y forestales, en la síntesis de productos tales como bioaceites, polímeros y materias plásticas y en la producción de energía eléctrica o térmica de fuente renovable.
Estado de la técnica
El desarrollo de diferentes procesos químicos para el procesado de biomasa está adquiriendo una gran relevancia en los últimos años, ya que supone una oportunidad de obtener productos químicos y combustibles líquidos a partir de una fuente de energía renovable. Además, la explotación de este tipo de fuentes de energía disponibles a nivel regional, favorece tanto la independencia energética, como la producción de energía de forma deslocalizada.
Respecto a los distintos procesos de producción, conviene mencionar que aunque los procesos de producción de biocombustibles líquidos de primera generación se encuentran disponibles a nivel comercial, el alto coste y bajo beneficio que ha demostrado tener el proceso de producción, junto con las emisiones contaminantes generadas, está derivando el interés hacia el desarrollo de biocombustibles de segunda generación mediante la aplicación de diferentes procesos a biomasa de naturaleza lignocelulósica.
Dentro de estos procesos, es la pirólisis flash de biomasa uno de los que presenta un mayor potencial, aunque otros procesos como la hidrólisis enzimática y la gasificación unida bien a un proceso Fisher-Tropsh para producción de diesel o bien a un proceso MTG para producción de gasolina; también son utilizados con este fin. Sin embargo, la pirólisis ha demostrado tener un coste entre dos y tres veces menor a las otras alternativas.
El proceso de flash pirólisis consiste de forma general en el calentamiento rápido de la biomasa en ausencia de oxígeno. En estas condiciones, los productos que se originan son un gas con capacidad calorífica baja, compuesto principalmente por H2, CO, CO2 e hidrocarburos ligeros; un líquido compuesto por alquitranes, hidrocarburos de alto peso molecular y agua y; finalmente, un sólido comúnmente conocido como char.
El proceso de pirólisis para la producción de biocombustibles líquidos se ha aplicado de forma exitosa a distintos tipos de biomasa seca de origen lignocelulósico, tales como corteza, residuos y desechos agrícolas, frutos secos y semillas, hierbas, residuos forestales y otros. En todos estos casos, la biomasa se puede considerar como una mezcla en diferentes proporciones de hemicelulosa, celulosa, lignina y pequeñas cantidades de otros compuestos orgánicos, dependiendo del tipo de materia prima. Estos compuestos pirolizan o degradan a diferentes velocidades y por diferentes mecanismos y vías, dando lugar a unos líquidos de pirólisis que se pueden considerar como una micro- emulsión de compuestos oxigenados tales como ácidos carboxílicos, cetonas y aldehidos en agua, mezcla de compuestos que es inmiscible con agua.
De forma general, se ha podido concluir que controlando las condiciones del proceso de pirólisis se puede dirigir el proceso hacia la producción de combustibles líquidos. Así, utilizando rampas de calentamiento rápidas, tiempos de residencia cortos de los gases generados en el reactor y enfriamientos de los productos de reacción rápidos, se puede maximizar la producción de biocombustibles líquidos, alcanzándose unos rendimientos en el intervalo comprendido entre el 60 y el 75%, dependiendo del tipo de reactor utilizado.
Existen diferentes tipos de reactores que cumplen los requerimientos que se tienen que cumplir en un proceso de flash pirólisis. Estos reactores se pueden clasificar en cinco categorías diferentes: 1) reactores de vacío; 2) reactores ablativos; 3) reactores de lecho fluidizado; 4) reactores de lecho fluidizado circulante o de transporte; y 5) reactores tipo auger.
Los reactores de vacío presentan una rampa de calentamiento muy baja, incluso demasiado baja para ser considerada como una tecnología de flash pirólisis. Además, esta tecnología se caracteriza por tener bajos coeficientes de transferencia de energía a las partículas de biomasa, debido a las bajas superficies de intercambio. Como ventaja, la utilización de vacío para retirar los vapores generados lleva a muy bajos tiempos de residencia de los vapores obtenidos, con lo que se reducen las reacciones de craqueo.
En los reactores ablativos la transferencia de calor a las partículas de biomasa ocurre cuando éstas se ponen en contacto con una superficie caliente. Esto hace que el proceso de transferencia de calor esté limitado por la baja cantidad de superficie disponible, llevando a la necesidad de utilizar partículas pequeñas de biomasa. En este proceso se ha observado que la transferencia de energía se mejora considerablemente empleando presiones y velocidades elevadas en las partículas en contacto con la superficie caliente. Los reactores de lecho fluidizado se caracterizan por ser una tecnología simple que proporciona un buen control de temperatura y aceptables coeficientes de transferencia de calor a las partículas de biomasa, debido a la utilización de arena u otros sólidos que incrementan el área disponible para la transferencia de energía. Sin embargo, se ha observado que su escalado a grandes reactores es complicado debido a la aparición de gradientes de temperatura y concentración en el lecho. Por último, la utilización de grandes volúmenes de gases inertes para llevar a cabo la fluidización hace que se incrementen los costos y que se diluya el poder calorífico de los gases obtenidos.
Los reactores de lecho fluidizado circulante o de transporte presentan unas características similares a los reactores de lecho fluidizado, ya que también se caracterizan por utilizar un transportador de calor que proporciona la energía a las partículas de biomasa. En estos reactores, debido a la mayor velocidad de gases empleada para realizar el transporte de sólidos, el tiempo de residencia de los sólidos es similar al de los vapores liberados. Como desventaja, las grandes velocidades utilizadas llevan a que parte del char puede aparecer como elutriado en los gases condensables, lo que hace necesario su posterior separación. Además, la utilización de mayores volúmenes de gases que en los reactores de lecho fluidizado hace que se aumenten en mayor medida los costes. Una ventaja intrínseca de los reactores de lecho fluidizado y lecho fluidizado circulante o de transporte es que la utilización de un transportador de calor con propiedades catalíticas como en la patente US-5961786; en la solicitud de patente PCT/EP2009/053550 ; o en la solicitud de patente WO/2010/124069 ; puede llevar a la producción de un biocombustible con bajos contenidos en oxígeno y estable en el almacenamiento.
Los reactores de tipo auger, por sus características intrínsecas, solucionan algunos de los problemas tecnológicos que presentan los anteriores reactores. Así, estos reactores se caracterizan por ser equipos compactos que no requieren gas de arrastre y pueden operar a bajas temperaturas de forma continua sin graves problemas de operación. La posibilidad de producir biocombustibles a partir de biomasa seca de naturaleza lignocelulósica en este tipo de reactores, en los que la energía necesaria para realizar la reacción de pirólisis se suministra mediante un horno exterior calentado eléctricamente, se ha demostrado en diferentes referencias y publicaciones, como es el caso de la solicitud de patente WO2008066950 A3, donde se describe un método de producir y recoger un biocombustible miscible con biodiesel. Además, algunas referencias que se encuentran recientemente en la bibliografía son: de Wild, P. J., Uil, H. D., Reith, J. H., Kiel, J. H. A., Heeres, H. J., Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 85, 2009, 124-133; Ingram, L., Mohán, D., Bricka, M., Steele, P., Strobel, D., Crocker, D., Mitchell, B., Mohammad, J., Cantrell K., and Pittman, C. U., Energy and Fuels 22, 2008, 614-625; Garcia-Perez, M., Adams, T. T., Goodrum, J. W., Geller, D. P., and Das, K. C, Energy and Fuels 21, 2007, 2363-2372. En todos estos casos, la necesidad de utilizar energía eléctrica para llevar a cabo la reacción hace que el proceso sea inviable a nivel industrial.
Existen distintas aproximaciones para intentar resolver este problema, como la mostrada en la solicitud de patente WO9909115 Al de Green Alex E. S. En esta referencia se describe de forma novedosa que la energía necesaria para realizar la reacción de pirólisis puede obtenerse mediante contacto directo con una cámara de combustión rodeando parcialmente el reactor de pirólisis. En la cámara de combustión la energía se consigue por combustión del char originado en el proceso de pirólisis. En este sistema cabe esperar que la eficiencia en la transferencia de energía entre reactor de pirólisis y cámara de combustión sea baja, así como difícilmente controlable, debido a que la transferencia se realiza por conducción térmica entre las paredes de ambos reactores lo que lleva a una baja superficie de contacto disponible.
En la solicitud de patente WO2009/138757 A2 se describe en la disposición preferida un proceso de pirólisis de biomasa utilizando un reactor con tecnología de tornillo sinfín constituido por dos tomillos acoplados uno dentro de otro que giran en sentido contrario. La alimentación de combustible se realiza a través del tomillo interno en dirección axial. En el tomillo exterior se alimentan cantidades controladas de aire y/o vapor de agua externamente y carbonizado procedente del tomillo interior. La reacción de combustión que tiene lugar proporciona el calor para la reacción de pirólisis. Además, al introducir vapor de agua tiene lugar una reacción de reformado para producir syngas que puede ser utilizado como combustible para generar electricidad, si bien se reduce la cantidad de energía proporcionada al proceso de pirólisis. En este proceso se propone que no todo el char sea quemado o gasificado sino que parte del mismo sea recirculado caliente al reactor de pirólisis. De esta forma, la ventaja adicional que presenta este proceso es que la biomasa es mezclada con un transportador de calor el cual comprende al menos parcialmente char, pero también puede incorporar cenizas procedentes de la combustión de la biomasa. Otras ventajas adicionales de este reciclo son que el uso de altas proporciones de char a biomasa favorece la formación de gas de síntesis (CO y H2) y la formación de compuestos orgánicos de bajo peso molecular. La desventaja es que el requerimiento de calor del char reducirá la eficacia global de todo el proceso. En la patente RU2346026 (2). se muestra un proceso de pirólisis en reactor auger en el que el proceso de transferencia de energía se realiza de forma convectiva entre las paredes de la cámara del reactor y las partículas de biomasa. De forma novedosa, en el resumen de esta patente se indica que el reactor de pirólisis se calienta mediante contacto con los gases de reacción procedentes de una cámara de combustión, donde se alimenta el char y parte de biomasa previamente secada. En este sistema, también se propone la utilización de parte de la energía presente en los gases de la cámara de combustión para realizar el secado de la biomasa en un reactor auger. Una desventaja del sistema propuesto es que los bajos coeficientes de transferencia de energía existentes debido a las bajas superficies de contacto presentes en esta configuración, hacen preciso que parte de la biomasa seca tenga que ser quemada para obtener la energía necesaria para el proceso de secado y pirólisis. De este modo, se hace necesario el desarrollo de sistemas de secado más eficientes que mejoren el proceso de transferencia de energía y eviten los aportes energéticos externos.
En este sentido, tanto en el sistema de secado de biomasa descrito en RU2346026 (2) como los sistemas tradicionales de secado de biomasa, se caracterizan por necesitar fuentes externas de calor, como quemadores de gas o de biomasa, que den lugar a unos gases de reacción calientes que proporcionan la energía a las partículas de biomasa. En los sistemas tradicionales el proceso de calentamiento se realiza dentro de un tambor metálico a una temperatura suficientemente alta como para evaporar el agua contenida en las partículas. Estos secadores contienen tornillos sinfín helicoidales que remueven continuamente la biomasa dentro del tambor asegurando que esté continuamente expuesta al calor. Alternativamente, el tambor puede ser rotado para agitar las partículas. Usando estos sistemas es posible secar serrín con un contenido en humedad superior al 90% alcanzando un contenido en humedad inferior a un 10%. Sin embargo se requiere una considerable aportación de combustible externo para proporcionar el calor y más energía se requiere para hacer rotar el tambor o para el mecanismo interno de agitación. A menos que el calor aplicado proceda de otra parte productiva del proceso, el proceso de secado puede ser un proceso relativamente caro, particularmente debido al aumento en precio de los combustibles fósiles.
Además estos sistemas de secado tradicionales trabajan en discontinuo por lotes lo que es una desventaja ya que los procesos que proporcionan la biomasa (ej: aserraderos en el caso de la madera) funcionan en continuo. Otra característica de los secadores de tambor convencionales es que están instalados en sistemas fijos y están dimensionados para manejar lotes de biomasa de un volumen deseado. Estos sistemas no son prácticos cuando se requieren secadores de biomasa portátiles. Además la cantidad de biomasa que puede ser procesada puede ser muy variable. Por ejemplo si el suministro de biomasa produce volúmenes muy variables, puede ser menos eficiente secar un volumen inferior que el volumen para el que ha sido diseñado el tambor. Así otra ventaja de un proceso continuo de secado es que puede ser detenido una vez se seca la cantidad disponible de biomasa.
Además los secadores de tambor no son deseables para secar algunos residuos procedentes de ciertas industrias. Específicamente, residuos que tienen un tamaño de partícula pequeño. Estos materiales incluyen lodo procedente de plantas de tratamiento de aguas residuales, granos obtenidos en la fabricación de etanol, papel residual procedentes de papeleras y otros materiales similares. Sería deseable proporcionar un secador que pueda ser empleado para secar estos materiales para que puedan ser utilizados como combustibles alternativos en lugar de que acaben en vertederos o quemados necesitando combustibles adicionales para ello, con el consiguiente aumento en coste e impacto medioambiental negativo que conlleva. La cantidad de biomasa a tratar es un problema menor en un sistema que opera en continuo. Es también deseable proporcionar un sistema continuo de secado que pueda ser dimensionado para casi cualquier rendimiento deseado de forma que la capacidad de proceso se pueda relacionar siempre con el rendimiento máximo requerido.
Descripción breve de la invención
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un nuevo aparato para poner en contacto un sólido y un gas que puedan o no reaccionar entre sí de tal manera que pueda o no existir una transferencia de materia y/o calor entre ambas fases. Este aparato se basa en la tecnología de los reactores de lecho móvil inducido por el movimiento de un tornillo sinfín y caracterizado por tratarse de un diseño en el que la espiral del tornillo se perfora con el objeto de favorecer el contacto entre el gas y el sólido y reducir al mismo tiempo la caída de presión del gas asociada con este tipo de reactores.
Además, en este nuevo aparato se plantea un sistema novedoso para aportar o retirar calor del medio haciendo circular un gas o preferiblemente un fluido térmico por el interior del tornillo sinfín y por el exterior de la carcasa siguiendo una trayectoria helicoidal. Si bien este nuevo diseño puede ser aplicado en sistemas en los que reaccionen gases con sólidos, es preferiblemente apropiado para el diseño de secaderos de sólidos que posean cierto grado de humedad como la biomasa. En este caso concreto, la principal ventaja del nuevo diseño con respecto a otros diseños presentes en el estado del arte radica en que se trata de un sistema más sencillo, robusto y escalable tanto en su límite superior de aplicabilidad pero también en su límite inferior.
Un segundo aspecto de la presente invención consiste en un proceso para la producción de combustibles líquidos mediante ciclos de pirólisis más combustión con secado integrado utilizando un transportador de calor con dos niveles de temperatura. Si bien este proceso se puede aplicar a cualquier materia prima o residuo que posea carbono en su composición elemental, es preferiblemente aplicable en el tratamiento de biomasa tanto agrícola como forestal. Este proceso persigue fundamentalmente la producción de biocombustibles líquidos, obteniéndose energía térmica o preferiblemente eléctrica como subproducto. La instalación completa integra un secadero con el diseño propuesto en la presente invención con un reactor de pirólisis, un reactor de combustión y un enfriador de sólidos para garantizar los dos niveles de temperatura del transportador de calor. Lo novedoso de este proceso con respecto a otros similares descritos en el estado del arte radica en que se utiliza un transportador de calor para llevar a cabo tanto el proceso de pirólisis como el de secado. La energía necesaria para ambos procesos se genera en un reactor de combustión en el que se quema el residuo sólido y el gas no condensable formado en la pirólisis y es transportada mediante el transportador de calor. El enfriador de sólidos se encarga de adecuar la temperatura del transportador de calor a las necesidades del secadero.
Un tercer aspecto de la presente invención es una realización particular relativa a un procesode pirólisis más combustión con secado integrado que deriva del anterior. La diferencia fundamental entre ambos procesos radica en la utilización de un gas caliente o preferiblemente de un fluido térmico para llevar a cabo el secado de la materia prima en un secadero con un diseño igual al mostrado en la presente invención. En este caso la energía necesaria para el secado se extrae de la energía térmica del gas caliente producido en el reactor de combustión, la cual es transferida a un fluido térmico.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 muestra un aparato según la presente invención, para poner en contacto un sólido y un gas que puedan o no reaccionar entre sí de tal manera que pueda o no existir una transferencia de materia y/o calor entre ambas fases. La figura 2 muestra un tornillo sinfín cuya espiral se perfora con el objeto de favorecer el contacto entre el gas y el sólido y reducir al mismo tiempo la caída de presión del gas asociada con este tipo de reactor
La figura 3 muestra un tornillo sinfín cuya espiral está perforada
La figura 4 muestra un proceso de pirólisis con transportador de calor con dos niveles de temperatura que se puede usar en un proceso para la producción de combustibles líquidos mediante ciclos de pirólisis más combustión con secado integrado.
La figura 5 muestra un reactor de pirólisis.
La figura 6 muestra otro proceso de pirólisis más combustión con secado integrado que deriva del anterior
Descripción detallada de la invención
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un aparato basado en un transportador de sólidos para llevar a cabo procesos físicos o químicos en los que interviene al menos un sólido, caracterizado porque comprende los siguientes elementos:
a) un lecho móvil,
b) una entrada de gas,
c) un tornillo sinfín que comprende (i) un eje central, (ii) unos álabes o espiral y (iii) una placa en forma de corona circular soldada en ambos extremos del tornillo para evitar el posible paso de material sólido hacia las zonas de cierre del mismo,
d) un sistema que evita el escape de gas o fluido térmico hacia el exterior,
e) un motor elécfrico dotado de un reductor y un variador de frecuencia que mueve el tornillo,
f) una carcasa interior que envuelve dicho tornillo, dicha carcasa comprende:
- una entrada de sólido en su parte superior,
- una salida de sólidos convertidos en su parte inferior,
- un sistema de cierre,
- un sistema que crea un canal helicoidal en la parte exterior de dicha carcasa interior para incrementar el recorrido del gas o fluido térmico
- y en su parte superior, una salida de gas hacia el exterior, g) una carcasa exterior que envuelve dicho tornillo y la carcasa interior, y que sirve de techo para el canal helicoidal y aisla térmicamente el conjunto formado por el tornillo sinfín, la carcasa interior y el canal helicoidal, del exterior.
El lecho móvil está construido en material metálico resistente química y mecánicamente a altas temperaturas y atmósferas potencialmente corrosivas, tal como metal o acero que sea resistente a temperaturas de al menos 700 °C sin pérdida de propiedades mecánicas, por ejemplo, aceros 304, 310, 316.
Según la invención el aparato comprende un lecho móvil preferentemente de un material metálico.
Según realizaciones concretas de la invención, el aparato comprende una entrada de aire o gas inerte que arrastra la humedad liberada y proporciona al menos parte de la energía para llevar a cabo un proceso de evaporación del agua inherente a operaciones de secado.
El tornillo sinfín tiene preferentemente un eje central hueco para transportar un fluido caliente por su interior, para transmitir calor al interior del aparato y favorecer así el secado del sólido.
Según realizaciones concretas de la invención, en el aparato, el eje central del tornillo sinfín es hueco y dispone de: (i) un tubo concéntrico aislado con el eje del tornillo sinfín que introduce el fluido térmico hasta la zona caliente del aparato, (ii) juntas y retenes que unen el eje rotatorio del tornillo sinfín con el tubo concéntrico aislado y (iii) de una cámara para recoger fluido térmico que pudiese escapar del tornillo sinfín.
De modo preferente, el aparato dichos álabes o espiral están perforados.
Otro aspecto de la invención se refiere al uso del aparato definido anteriormente para realizar una reacción en la que se pone en contacto un gas y un sólido. Dicha reacción puede ser catalítica o no catalítica.
El aparato de la invención se puede usar en un proceso físico en el que se produce transferencia simultánea, o no simultánea, de materia y/o de energía.
Según realizaciones preferentes de la invención el proceso en el que se usa el aparato es un procedimiento de secado.
Un tercer aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para revalorizar energética y materialmente una materia prima mediante un ciclo de pirólisis (catalítica o no catalítica) más combustión, que se lleva a cabo con el aparato definido anteriormente, dicho procedimiento caracterizado porque comprende:
a) una etapa de secado mediante tornillo sinfín en la que se realiza la transferencia de calor a la materia prima,
b) una reacción de pirólisis de la corriente de sólidos obtenida en la etapa de secado y de una segunda corriente de sólido transportador de calor procedente de una reacción de combustión que se realiza en un reactor de lecho móvil tipo tornillo sinfín definido en la reivindicación 1 , con los alabes perforados en la que se alimentan:
la corriente de sólidos obtenida en la etapa de secado constituida por materia prima seca mezclada con el sólido transportador de calor junto
con otra comente de sólido transportador de calor procedente de una reacción de combustión que sirve para transferir calor a la primera corriente en el propio reactor de pirólisis,
obteniéndose una corriente gaseosa y una corriente de producto sólido que se alimenta a una reacción de combustión que comprende el sólido transportador de calor y materia prima seca no convertida,
c) una etapa de condensación de la corriente gaseosa efluente de la reacción de pirólisis obteniéndose una fracción condensada y una fracción no condensada la cual se alimenta a un reactor de combustión,
d) una reacción de combustión que genera la energía necesaria para llevar a cabo el secado y la reacción de pirólisis de la materia prima.
Según realizaciones particulares del procedimiento:
- en la etapa a) se realiza la transferencia de calor a la materia prima mediante:
- un gas precalentado procedente de una etapa de enfriamiento de sólidos y
- un sólido que actúa como transportador de calor recirculado procedente de la etapa de enfriamiento de sólidos,
los cuales se mezclan con la materia prima alimentada, de forma que se obtiene:
- una corriente de sólidos que comprende materia prima seca mezclada con el sólido transportador de calor y
- una corriente en fase gas formada por el gas precalentado junto con la humedad inicialmente presente en la materia prima, - la etapa d) comprende realizar una reacción de combustión que genera la energía necesaria para llevar a cabo el secado y la reacción de pirólisis de la materia prima la cual se alimenta con (i) la corriente de producto sólido obtenida de la reacción de pirólisis, (ii) la fracción no condensada obtenida en la etapa de condensación y (iii) una corriente de gas precalentado procedente de la etapa de enfriamiento de sólidos, y se obtiene: (i) una corriente gaseosa a alta temperatura de la que se puede recuperar energía térmica y (ii) una corriente de sólidos que se separa en dos subcorrientes, una de ellas se alimenta a la reacción de pirólisis para suministrar la energía necesaria en forma de calor sensible y la otra subcorriente se alimenta a una etapa de enfriamiento de sólidos,
y además comprende una etapa e) de enfriamiento de sólidos que se alimenta con parte de la corriente de sólidos efluente de la reacción de combustión y una corriente de gas frío, obteniéndose:
- una corriente de sólidos enfriados, la cual se recircula a la etapa de secado y - una comente de gas caliente que se divide en dos subcorrientes: la primera se utiliza como comburente en la reacción de combustión y la segunda se utiliza en la etapa de secado para facilitar la evaporación del agua de la materia prima.
La materia prima puede ser materia orgánica está seleccionada biodegradable y no biodegradable que contiene carbono en su composición elemental, preferiblemente es materia orgánica de de desecho que comprende material de caucho, material polimérico, combustibles fósiles, más preferiblemente biomasa agrícola o forestal en forma de astillas o pellets y con tamaños de partícula comprendidos entre 0.5 mm y 50 mm.
Según realizaciones concretas, en la etapa de secado se utiliza un tornillo sinfín con los álabes perforados, teniendo dichos álabes unos orificios con un tamaño inferior al tamaño mínimo de la materia prima y del sólido transportador de calor.
En la etapa de secado se puede utilizar aire como gas precalentado procedente de la etapa de enfriamiento de sólidos.
Según realizaciones concretas adicionales la etapa de secado se realiza en condiciones tales que se reduce el porcentaje de humedad desde un 80% en peso hasta un 0% en peso. La etapa de secado se puede realizar: (i) a una temperatura comprendida entre 50 °C y 250 °C, (ii) a una presión de trabajo comprendida entre 0.1 bar y 3 bar y (iii) con un tiempo de residencia de la materia prima comprendido entre 0.5 minutos y 120 minutos.
El sólido transportador de calor puede comprender materiales de naturaleza inorgánica.
Según realizaciones concretas adicionales, en la etapa de secado el aire precalentado está a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C y el sólido que actúa como transportador de calor recirculado está a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C.
En la reacción de pirólisis se utiliza un tornillo sinfín con los álabes perforados, con un tamaño de orificio inferior al tamaño mínimo de las partículas de materia prima y del sólido transportador de calor.
La reacción de pirólisis puede ser catalítica y en ella reacción el sólido transportador de calor se usa como catalizador.
La reacción de pirólisis se puede realiza a una temperatura comprendida entre 400 °C y l OOO °C.
Según realizaciones concretas adicionales en la reacción de pirólisis se obtiene una corriente de producto sólido, la cual se alimenta a la reacción de combustión y porque dicha corriente comprende material carbonoso no desvolatilizado como materia prima seca no convertida,
Según realizaciones concretas adicionales en la reacción de pirólisis se piroliza la corriente de sólidos que posee una relación en peso biomasa/sólido transportador de calor comprendida entre 1 y 10.
Según realizaciones concretas adicionales en la reacción de pirólisis la corriente de sólido transportador de calor procedente del reactor de combustión está a una temperatura comprendida entre 500 y 1 100 °C.
Según realizaciones concretas adicionales la corriente de sólidos obtenida en la reacción de combustión comprende el sólido transportador de calor y unas cenizas.
Según realizaciones concretas adicionales el gas que se alimenta en la etapa de enfriamiento de sólidos es aire,
En la etapa de enfriamiento de sólidos la temperatura de la corriente de sólidos puede disminuir desde la temperatura de operación de la reacción de combustión hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C, y la corriente de aire se precalienta a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C.
Según realizaciones concretas adicionales del procedimiento:
- en la etapa a) se realiza la transferencia de calor a la materia prima mediante:
un gas precalentado procedente de una etapa de precalentamiento y mediante un fluido térmico caliente de forma que se obtiene una corriente de sólidos secos y una segunda corriente en fase gas formada por el gas precalentado introducido junto con la humedad inicialmente presente en la materia prima,
la etapa d) comprende una reacción de combustión que genera la energía necesaria para llevar a cabo el secado y la reacción de pirólisis de la materia prima mediante un reactor de combustión en el que se alimenta (i) la corriente de producto sólido obtenida de la reacción de pirólisis, (ii) la fracción no condensada obtenida en la etapa de condensación y (iii) una comente de gas precalentado procedente de una etapa de precalentamiento, y se obtiene: (i) una corriente gaseosa a alta temperatura de la que se puede recuperar energía térmica que se dirige a una etapa de precalentamiento o a la etapa de secado y (ii) una corriente de sólidos que se recircula a la reacción de pirólisis para suministrar la energía necesaria en forma de calor sensible,
- y se realiza una etapa e) de precalentamiento mediante un cambiador de calor en la que se alimenta la comente gaseosa efluente del reactor de combustión y una corriente de gas frío y se obtiene una corriente de gas caliente que se divide en dos subcorrientes: la primera se utiliza como comburente en el reactor de combustión y la segunda se utiliza en la etapa de secado para facilitar la evaporación del agua de la materia prima.
De acuerdo con variantes de esta última realización, en la etapa de secado se utiliza gas inerte o aire como gas precalentado procedente de la etapa de precalentamiento o bien procedente del reactor de combustión.
De acuerdo con variantes de esta última realización en la etapa de secado la transferencia de calor se realiza por una corriente de gas inerte o aire, más preferiblemente aire, que circula por el interior del tornillo sinfín en contacto con la materia prima a una temperatura comprendida entre 100°C y 300°C, y/o a través de un fluido térmico que circula por el exterior de la carcasa y el interior del eje del tornillo sinfín.
De acuerdo con variantes de esta última realización el gas que se alimenta en la etapa de precalentamiento es aire. La presente invención también se refiere a una instalación para secado de sólidos caracterizada que comprende un aparato definido anteriormente.
Una realización particular de la presente invención se refiere a un aparato para realizar el secado de una materia prima biodegradable o no, preferiblemente material de naturaleza biomásica, que contiene carbono en su composición elemental caracterizado por ser un secadero de lecho móvil construido en material metálico resistente química y mecánicamente a altas temperaturas y atmósferas potencialmente corrosivas y que mueve a su través el material. Cualquier metal o acero que sea resistente a temperaturas de al menos 700 °C sin pérdida de propiedades mecánicas, por ejemplo, aceros 304, 310, 316 serían aptos para este fin. La presión de trabajo está comprendida entre 0,1 bar y 10 bar, preferiblemente a 1 bar. Permite realizar el secado de forma continua y evita la aglomeración de material, facilita la transferencia de calor al material a tratar, permite poder ajustar el tiempo de residencia de la biomasa para un volumen constante de secadero y de forma independiente a la cantidad alimentada y permite detener la operación una vez que se alcanza el porcentaje de humedad deseado. En este nuevo sistema se puede procesar material orgánico de desecho que comprende material de caucho, material polimérico, combustibles fósiles y preferiblemente biomasa en forma de astillas, serrín o pellets y con tamaños de partícula comprendidos entre 0,5 mm y 50 mm, preferiblemente 20 mm. Las condiciones típicas de operación serían una temperatura comprendida entre 50 °C y 250 °C, preferiblemente entre 80 °C y 120 °C y la presión de trabajo está comprendida entre 0.1 bar y 10 bar preferiblemente 1 bar. El tiempo de residencia del sólido en el interior del secadero está comprendido entre 0.5 minutos y 120 minutos preferiblemente entre 1 minuto y 5 minutos para conseguir reducir la humedad desde valores de 75% en peso hasta 0 % en peso.
La Figura 1 muestra un esquema de este aparato según una realización preferente, que está caracterizada por:
- Un sistema de alimentación de sólidos. Este sistema está formado por dos tolvas cerradas (elementos 1 y 2 de la Figura 1 ) construidas en acero inoxidable o cualquier otro material metálico con suficiente resistencia mecánica como para sostener sin deformación el peso del material. Una válvula (elemento 3 de la Figura 1) automática, o no, interconecta ambas tolvas y permite el paso de sólidos a su través. Tanto el diseño específico de las tolvas como el de la válvula de sólidos forman parte del estado del arte y no son objeto de la presente invención. La segunda tolva (elemento 2 de la Figura 1 ) comunica en su parte inferior con un tornillo sinfín alimentador (elemento 4 de la Figura 1) que, si ha sido previamente calibrado, alimenta un caudal conocido y constante de sólidos. El tornillo sinfín alimentador está unido mediante un eje a un conjunto motor-reductor (elemento 5 de la Figura 1) regulado por un variador de frecuencia que permite el movimiento del tomillo y la dosificación variable del sólido. Los diseños específicos del tomillo sinfín alimentador y del conjunto motor-reductor y variador de frecuencia forman parte del estado del arte en sistemas de alimentación de sólidos granulados y no son objeto de la presente invención.
- Entrada de aire o de gas inerte. A través de una conducción (elemento 6 de la Figura 1 se introduce una corriente de aire o gas inerte, preferiblemente aire precalentado a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C, preferiblemente a una temperatura de 250 °C y una presión comprendida entre 0, 1 bar y 10 bar, preferiblemente 1 bar. Esta corriente de gas posee una doble misión: por una parte arrastra la humedad liberada aumentando la velocidad de secado y por otra proporciona toda o parte de la energía para llevar a cabo el proceso de evaporación del agua inherente a las operaciones de secado.
- Tornillo sinfín. Se trata de un tomillo sinfín (elemento 7 de la Figura 1) de diseño singular que constituye una de las novedades descritas en la presente invención y cuyo detalle puede verse en la Figura 2 y que consta de los siguientes elementos: un eje central (elemento 1 de la Figura 2) que puede ser macizo o hueco. En éste último caso, el eje sirve para transportar un gas o preferiblemente un fluido térmico caliente por su interior para transmitir calor al interior del secadero y favorecer así el secado de la materia prima. De esta manera, el tomillo sinfín actúa no solamente como mero transportador de sólidos sino que también proporciona superficie muy eficaz para la transmisión de calor desde el exterior al material al estar en contacto directo y continuo con el mismo. También consta de unos alabes o espiral (elemento 2 de la Figura 2) cuya misión es transportar el sólido desde la entrada del secadero hasta su salida. La espiral del tomillo sinfín tiene orificios en su superficie (elemento 1 de la Figura 3). La presencia de estos orificios constituye una de las principales novedades de la presente invención y cumplen con un doble cometido. Por una parte, facilitan la transferencia de calor y de materia entre el fluido gaseoso que se introduce y la materia prima. En el caso de operaciones de secado de biomasa, facilitan el contacto íntimo entre el aire de arrastre introducido y la biomasa consiguiendo un calentamiento más rápido de las partículas comparado con sistemas convencionales y, debido a las turbulencias originadas, una disminución del espesor de la capa límite alrededor de las partículas lo que conlleva una también rápida eliminación de la humedad liberada. Por otra parte la incorporación de los orificios en el tornillo sinfín reduce la caída de presión del sistema al aumentar el área transversal de paso para el gas lo cual constituye una clara mejora con respecto a otros sistemas descritos en la literatura en los que el gas debe circular o bien siguiendo la trayectoria descrita por la forma del tornillo sinfín o bien entre el hueco existente entre el tornillo y su carcasa. Las aplicaciones de este sistema novedoso no se restringen únicamente a su utilización en secaderos sino que también pueden ser utilizados en sistemas en los que se desee poner en contacto un gas con un catalizador de tal manera que el catalizador desactive total o parcialmente y deba ser regenerado en otro reactor. También pueden utilizarse en reacciones sólido-gas no catalíticas de tal manera que se introduzca el sólido sin convertir por un extremo y salga convertido por el otro. Tanto en este caso como en el anterior la presencia de orificios en la espiral del tornillo sinfín hará que se mejore el contacto entre el gas reaccionante y el sólido disminuyendo la resistencia a la transferencia de materia y en consecuencia aumentando la velocidad de reacción. Asimismo, para el caso en el que la reacción química involucrada sea exotérmica, el sistema inicialmente diseñado para proporcionar energía, puede ser utilizado para retirarla introduciendo un gas frío o en general un fluido refrigerante.
- Placa en forma de corona circular. Este elemento (elemento 3 de la Figura 2) se encuentra soldado en ambos extremos del tomillo para evitar el posible paso de material sólido hacia las zonas de cierre del secadero.
- Sistema de cierre del tornillo. Sistema que evita el escape del gas o fluido térmico hacia el exterior, en caso de que el eje central del tomillo sinfín sea hueco, caracterizado por disponer de un tubo concéntrico aislado (elemento 8 de la Figura 1) con el eje del tornillo sinfín y que introduce el gas o fluido térmico hasta la zona caliente del secadero, una serie de juntas y retenes que unen el eje rotatorio del tomillo sinfín con el tubo fijo (elemento 9 de la Figura 1) y de una cámara que sirve para recoger el gas o fluido térmico que pudiese escapar del tomillo sinfín (elemento 10 de la Figura 1).
- Motor eléctrico dotado de un reductor y un variador de frecuencia que mueve el tornillo. Este sistema (elemento 1 1 de la Figura 1) permite modificar la velocidad de giro del tomillo y así el tiempo de residencia del sólido en el interior del secadero sin tener que modificar la geometría del tomillo sinfín. La presencia de este elemento es fundamental y dota al sistema de gran flexibilidad ya que el grado de secado y en consecuencia el porcentaje de humedad de la materia final será función del tiempo de residencia en el interior del secadero. - Carcasa interior. Conjunto (elemento 12 de la Figura 1) que envuelve al tornillo sinfín caracterizada por: una entrada de sólido en la parte superior (elemento 13 de la Figura 1), una salida de sólidos secos en la parte inferior (elemento 14 de la Figura 1), un sistema de cierre constituido por un conjunto de bridas y juntas mecanizadas (elemento 15 de la Figura 1 ) y un sistema que crea un canal helicoidal (elemento 16 de la Figura 1) en su parte exterior para incrementar el recorrido del gas caliente o fluido térmico. La carcasa interior posee además en su parte superior una salida de gas hacia el exterior (elemento 17 de la Figura 1) por el que tanto el gas introducido inicialmente como la humedad del material a secar abandonan la instalación.
- Carcasa exterior. Sistema (elemento 18 de la Figura 1) que envuelve al conjunto tornillo sinfín y carcasa interior caracterizada por servir de techo para el canal helicoidal y aislar térmicamente el conjunto del exterior.
Un segundo aspecto de la presente invención consiste en la utilización de un nuevo procedimiento para revalorizar energética y materialmente una materia prima biodegradable o no que contiene carbono en su composición elemental de forma simultánea mediante un ciclo de pirólisis más combustión. La materia prima a utilizar comprende material de caucho, material polimérico, combustibles fósiles, preferiblemente biomasa agrícola o forestal en forma de astillas o pellets y con tamaños de partícula comprendidos entre 0.5 mm y 50 mm. La Figura 4 muestra un esquema conceptual del proceso en el que aparecen los principales equipos y corrientes tanto de sólidos como de gases que los unen entre sí. Un aspecto fundamental de esta invención consisten en la utilización de un sólido de naturaleza inorgánica que muestre o no actividad catalítica en los procesos de pirólisis o en la posterior mejora de los productos primarios de pirólisis pero que siempre sea capaz de transportar cíclicamente calor entre dos reactores químicos a alta temperatura. El sólido que se utilice como transportador de calor puede ser arena u otros materiales de naturaleza inorgánica como S1O2, AI2O3, óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalino-térreos, óxidos de metales de transición, zeolitas tales como HZSM-5, HY, HMOR, HBETA y silicatos mesoporos tales como SBA-15, MCM-41 y MCM-48. Mediante el esquema propuesto en esta invención (Figura 4) se pretende disponer de un transportador de calor a dos temperaturas diferentes apropiadas respectivamente para la etapa de secado de la materia prima y su posterior pirólisis. El sistema propuesto consta de los siguientes elementos:
- Secadero. Este equipo (equipo 1 de la Figura 4) está caracterizado por disponer de un tornillo sinfín tipo auger descrito previamente en esta patente y que se puede visualizar en la Figura 1. En este equipo se realiza la transferencia de calor al material mediante aire o un gas inerte precalentado (corriente 55 de la Figura 4) procedente de un enfriador de sólidos (equipo 5 de la Figura 4) y material que actúa como transportador de calor recirculado (corriente 51 de la Figura 4) procedente también del mismo enfriador de sólidos (equipo 5 de la Figura 4). Ambas corrientes se mezclan con la materia prima alimentada (corriente 11 de la Figura 4) permitiendo que haya un contacto íntimo y así favoreciendo una eficiente transferencia de calor entre ambos materiales. En el caso de utilizar biomasa como materia prima, el calor transferido hacia las partículas tanto desde el aire caliente (corriente 55 de la Figura 4) como desde el transportador de calor (corriente 51 de la Figura 4) causa la pérdida de humedad del material sólido que es transferida a la fase gas. El diseño específico de secadero que es objeto de la presente invención, hace que se mejore con respecto a los equipos presentes en el estado del arte, la transferencia de materia desde las partículas sólidas hacia la fase gas. Como productos, se obtienen una corriente de gas a una temperatura comprendida entre 90 °C y 150 °C preferiblemente a 120 °C compuesta por el aire o gas inerte introducido en el sistema y la humedad en forma de vapor inicialmente presente en la biomasa. Además, también se genera una corriente de sólidos (corriente 12 de la Figura 4) formada por la biomasa con un contenido en humedad inferior al inicial y el transportador de calor. El contenido en humedad final de la biomasa dependerá de su contenido inicial, de los caudales másicos y temperaturas de las corrientes de aire y transportador y del tiempo de residencia en el interior del secadero. Mediante este sistema se reduce el porcentaje de humedad desde valores máximos comprendidos entre 75% y 80% hasta valores comprendidos entre 10% y 0%, preferiblemente desde un porcentaje de humedad del 30% hasta un porcentaje final del 5%, más preferiblemente de forma continua. El sistema propuesto es suficientemente versátil como para que el contenido en humedad final pueda ajustarse a las necesidades de los procesos posteriores pudiéndose llegar hasta valores próximos o iguales a 0% en peso.
- Reactor de pirólisis. Este sistema (equipo 2 de la Figura 4) comprende un reactor de lecho móvil tipo tornillo sinfín auger en el que se alimentan una corriente de sólidos obtenida en el secadero (corriente 12 de la Figura 4) constituida por materia prima seca hasta un porcentaje de humedad predefinido y transportador de calor junto con otra corriente de transportador de calor (comente 42 de la Figura 4) a una temperatura superior a la primera corriente y que estará comprendida entre 500 °C y 1 100 °C, preferiblemente a 800 °C procedente del reactor de combustión que sirve para transferir calor a la primera corriente en el propio reactor. Este tipo de contacto facilita la transferencia de calor al interior de las partículas de la materia orgánica posibilitando su desvolatilización y generando principalmente gases ligeros y biocombus tibies (corriente 23 de la Figura 4). La relación másica transportador/biomasa está comprendida entre 10 y 1 y la temperatura final de la mezcla está comprendida entre 400 °C y 1000 °C, preferiblemente entre 475 °C y 600 °C y más preferiblemente 500 °C. Además, de este reactor también se obtiene una corriente de producto sólido que comprende transportador de calor, con o sin coque depositado sobre su superficie dependiendo de tratarse de un catalizador ácido o no, y material carbonoso no desvolatilizado también llamado char (corriente 24 de la Figura 4) que es conducido al reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4). En cuanto a la configuración del reactor auger a utilizar, independientemente de la naturaleza del sólido utilizado como transportador de calor, el diseño más apropiado es el descrito en la presente invención (ver Figura 5). Es decir, un tornillo sinfín con orificios en la espiral pero sin sistema de calentamiento ni en la carcasa ni en el sinfín ya que el reactor tiene un diseño adiabático puesto que la energía necesaria para la pirólisis procede del transportador de calor no siendo necesario un aporte externo. Como se puede observar en la Figura 5, este reactor posee una entrada para la biomasa procedente del secadero (elemento 1 de la Figura 5) y otra entrada (elemento 2 de la Figura 5) independiente para el transportador de calor procedente del reactor de combustión a la cual se une una entrada opcional de gas de arrastre (elemento 3 de la Figura 5). Este elemento no es estrictamente necesario ya que la evacuación de los gases puede estar forzada por un ventilador de tiro inducido colocado al final de la línea. Al igual que en el caso del secadero, el transportador tipo tornillo sinfín con orificios (elemento 4 de la Figura 5) está construido en material metálico preferiblemente acero y se encuentra en el interior de una carcasa (elemento 5 de la Figura 5) también construida en material metálico. El sistema de cierre del tornillo sinfín está formado por un conjunto de bridas mecanizadas y retenes (elemento 6 de la Figura 5) cuyo diseño específico forma parte del estado del arte en sistemas de cierre para sistemas a presión con partes móviles. El eje del tornillo sinfín está unido a un conjunto motor-reductor (elemento 7 de la Figura 5) dotado de un variador de frecuencia que permite regular la velocidad de giro del sinfín y en consecuencia el tiempo de residencia de las partículas sólidas en el interior del reactor. Prácticamente toda la carcasa interior está rodeada de una carcasa exterior rellena de aislante térmico (elemento 8 de la Figura 5) para prevenir fugas de calor hacia el exterior. El grosor y tipo de aislante térmico forma parte del estado del arte en sistemas de aislamiento térmico y no es objeto de la presente invención. Por lo que respecta a la salida de productos convertidos, la carcasa interior posee una salida de gases en su parte superior (elemento 9 de la Figura 5) que comunica con el condensador (equipo 3 de la Figura 4) y una salida de sólidos en su parte inferior (elemento 10 de la Figura 5) que comunica con el reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4).
- Condensador. En este equipo (equipo 3 de la Figura 4) se produce la condensación de la fracción líquida a partir de los gases generados en el reactor de pirólisis (corriente 23 de la Figura 4). Una configuración posible para este equipo sería la convencional tipo carcasa- tubos en la que se puede utilizar agua que circularía por el exterior de los tupos (lado carcasa) como medio refrigerante. Sin embargo, otras configuraciones y tipos de condensador también son posibles de aplicar y su diseño concreto forma parte del estado del arte en aparatos para realizar la condensación de líquidos y no es objeto de la presente invención. En cualquier caso se producirá una corriente en estado líquido (corriente 34 de la Figura 4) a una temperatura comprendida entre 20 °C y 100 °C preferiblemente entre 25 °C y 35 °C que, sin perjuicio de que pueda ser química o físicamente tratada mediante procesos que no son objeto de la presente invención, es almacenada como producto acabado. Además, se produce también otra corriente en fase gas (corriente 31 de la Figura 4) que es alimentada al reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4).
- Reactor de combustión. En este reactor (equipo 4 de la Figura 4) se introduce la corriente de sólidos obtenida del reactor de pirólisis que comprende transportador de calor, con o sin coque depositado dependiendo de tratarse de un catalizador ácido o no, y char (corriente 24 de la Figura 4), junto con la fracción desvolatilizada no condensada procedente del condensador (corriente 34 de la Figura 4). Junto con estas corrientes se alimenta una corriente de aire precalentado (corriente 54 de la Figura 4) procedente del enfriador de sólidos (equipo 5 de la Figura 4). En este reactor se produce la reacción de combustión del char no desvolatilizado de la biomasa original, del posible coque depositado sobre el transportador de calor y de la fracción combustible de la comente de gas no condensada (corriente 34 de la Figura 4). La temperatura de operación de este reactor está comprendida entre 500 °C y 1 100 °C, preferiblemente a 800 °C. El calor generado por estas reacciones exotérmicas se invierte en calentar los sólidos de entrada originando una corriente de sólidos recalentados (corriente 41 de Figura 4) que abandonan el reactor a la misma temperatura de operación que el reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4), una corriente de gases de combustión calientes (corriente 44 de la Figura 4) y energía térmica que puede ser transferida a un sistema de recuperación de calor que puede generar electricidad a través de por ejemplo un ciclo de vapor y cuyo diseño específico forma parte del estado del arte y no es objeto de la presente invención. Por su parte la corriente de sólidos recalentados (corriente 41 de la Figura 4) es dividida en dos partes. Una de ellas (corriente 42 de la Figura 4) es conducida al reactor de pirólisis (equipo 2 de la Figura 4) para suministrar la energía necesaria en este reactor en forma de calor sensible y la otra corriente (corriente 45 de la Figura 4) es conducida a un enfriador de sólidos (equipo 5 de la Figura 4). Por lo tanto, este reactor cumple una doble misión: en primer lugar generar la energía necesaria para llevar a cabo el secado de la biomasa en el secadero (equipo 1 de la Figura 4) y su posterior desvolatilización en el reactor de pirólisis (equipo 2 de la Figura 4) y en segundo lugar regenerar de forma continua el transportador de calor posiblemente desactivado por la presencia de coque en caso de que este posea propiedades catalíticas lo que supone una clara ventaja con respecto a otros sistemas descritos en el estado del arte.
- Enfriador de sólidos. A este equipo (equipo 5 de la Figura 4) llega parte de la corriente de sólidos efluente (corriente 45 de la Figura 4) del reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4) que comprende transportador de calor y cenizas para disminuir su temperatura desde 800 °C hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C, preferiblemente 250 °C para ser recirculada al secadero. Por lo tanto, adecúa la temperatura de la corriente de sólidos a un nivel inferior para evitar la degradación prematura de la biomasa en el secadero (equipo 1 de la Figura 4). El calor cedido por el material sólido se transfiere a una corriente de aire frío (corriente 52 de la Figura 4) que es precalentada a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C, preferiblemente 250 °C. A su vez, esta corriente de aire precalentado se divide en dos partes: la primera se utiliza como comburente en el reactor de combustión (corriente 54 de la Figura 1) y la segunda se utiliza en el secadero para facilitar la evaporación del agua de la biomasa húmeda (corriente 55 de la Figura 4).
Por lo tanto, mediante el sistema descrito en la presente invención, es posible disponer de un proceso autónomo, continuo, versátil y escalable para la producción conjunta de biocombustibles y electricidad que integra energéticamente el secado de la materia prima con las etapas de pirólisis y combustión.
Un tercer aspecto de la presente invención consiste en la modificación parcial del esquema mostrado en la Figura 4 de tal manera que no sea necesario disponer de transportador de calor con dos niveles distintos de temperatura, se disminuyan los caudales de circulación de sólidos entre reactores y no sea necesario disponer de un enfriador de sólidos. El esquema resultante es el mostrado en la Figura 6. Como se puede observar en el esquema del proceso mostrado en la Figura 6, los equipos involucrados y la distribución de corrientes no es necesario recircular sólidos calientes desde el reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4) y posteriormente desde el enfriador de sólidos (equipo 5 de la Figura 4) hasta el secadero de materia prima (equipo 1 de la Figura 4). El proceso consiste en procesar una materia prima sólida biodegradable o no que contiene carbono en su composición elemental comprendiendo material de caucho, material polimérico, combustibles fósiles, preferiblemente biomasa agrícola o forestal en forma de astillas o pellets y con tamaños de partícula comprendidos entre 0.5 mm y 50 mm. La entrada de la materia prima al proceso (corriente 11 de la Figura 6) se realiza a través de un secadero (equipo 1 de la Figura 6) cuyas características y diseño específico son los anteriormente descritos y mostrados en la Figura 1, Figura 2 y Figura 3. El aporte de energía a este equipo se lleva a cabo mediante la circulación de un gas caliente o preferiblemente un fluido térmico (corriente 61 de la Figura 6) cuya composición química y características específicas no son objeto de la presente invención y forman parte del estado del arte en fluidos térmicos para el transporte de energía. Este fluido circula a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C, preferiblemente a 250 °C. Tal y como se ha descrito anteriormente, este fluido circularía en el secadero a través del eje central en donde se encuentra la espiral y por la carcasa exterior. Al ceder su energía térmica el fluido se enfría y es recirculado a un cambiador de calor (equipo 6 de la Figura 6) en donde es de nuevo calentado por gas de combustión caliente (corriente 56 de la Figura 6). El sólido seco (corriente 12 de la Figura 6) abandona el secadero (equipo 1 de la Figura 6) por un conducto diseñado a tal efecto (elemento 14 de la Figura 1 ) y es inn-oducido en el reactor de pirólisis (reactor 2 de la Figura 6) en donde absorbe la energía proporcionada por un transportador de calor (corriente 42 de la Figura 6), alcanzando el conjunto una temperatura final comprendida entre 400 °C y 1000 °C, preferiblemente entre 475 °C y 600 °C y más preferiblemente 500 °C. El diseño específico de este reactor sería análogo al descrito anteriormente y se muestra en la Figura 5. En este reactor se produce la desvolatilización de la materia prima produciendo una corriente en fase gas (corriente 23 de la Figura 6) que pasa a un sistema de condensación (equipo 3 de la Figura 6) análogo al descrito anteriormente en el que se obtiene una corriente líquida (corriente 31 de la Figura 6 que puede o no considerarse como producto final y una corriente de gas no condensado (corriente 34 de la Figura 6) que es conducida al reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 6) o incluso a otro quemador de gases opcional situado fuera del reactor de combustión. Además, también se produce una corriente de sólidos (corriente 24 de la Figura 6) que comprende el char formado en la pirólisis y el transportador de calor previamente introducido. Esta corriente también es conducida al reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 6) que opera a una temperatura comprendida entre 500 °C y 1100 °C, preferiblemente 800 °C. Tanto el char (corriente 24 de la Figura 6) como la fracción combustible de los gases (comente 34 de la Figura 6) introducidos en el reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 6) se queman al combinarse con aire precalentado (corriente 54 de la Figura 6) en un cambiador de calor (equipo 5 de la Figura 6) que utiliza la propia corriente de gases calientes de combustión (corriente 45 de la Figura 6) generada en el reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 6). Además de la corriente de gases calientes de combustión (corriente 45 de la Figura 6) también se genera en el reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 6) la corriente de sólidos calientes que actúan como transportadores de calor (corriente 42 de la Figura 6) y que se dirige al reactor de pirólisis (equipo 2 de la Figura 6) y un exceso de energía térmica que puede ser recuperada y transferida a un ciclo de vapor para generar electricidad. El diseño específico de los sistemas de recuperación de calor y su transformación en electricidad forman parte del estado del arte y no son objeto de la presente invención. En el cambiador de calor (equipo 5 de la Figura 6) aguas abajo del reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 6) también se precalienta aire o un gas inerte (corriente 51 de la Figura 6) a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C, preferiblemente 250 °C, que es conducido al secadero (equipo 1 de la Figura 6) para favorecer la evaporación de la humedad de la biomasa y cerrar el balance de energía de ese equipo. Finalmente la corriente de gas de combustión todavía caliente (corriente 56 de la Figura 6) que abandona el cambiador de calor (equipo 5 de la Figura 6) es conducida a otro cambiador de calor (equipo 6 de la Figura 6) en el que se calienta fluido térmico (corriente 16 de la Figura 6) a utilizar en el secadero (equipo 1 de la Figura 6). El fluido térmico caliente (corriente 61 de la Figura 6) es conducido al secadero (equipo 1 de la Figura 6) en donde circula por el interior del eje del tornillo sinfín y por el exterior de la carcasa. Este fluido térmico puede ser gas, aire o cualquier otro fluido capaz de transportar calor eficientemente y cuyas características específicas no son objeto de la presente invención y forman parte del estado del arte en fluidos térmicos para el transporte de calor. Independientemente del fluido térmico seleccionado, estará circulando continuamente entre el secadero (equipo 1 de la Figura 6) en donde cede energía y el cambiador de calor (equipo 6 de la Figura 6) en donde absorbe la energía procedente de los gases de combustión. La temperatura del fluido térmico caliente (corriente 61 de la Figura 6) está comprendida entre 100 °C y 300 °C, preferiblemente será 250 °C). Por su parte, el gas de combustión (corriente 62 de la Figura 6) que abandona el cambiador de calor (equipo 6 de la Figura 6) está a una temperatura próxima a 150 °C y puede ser emitido a la atmósfera, sin perjuicio de que pueda ser depurado en equipos de limpieza de gases que no son objeto de la presente invención y que forman parte del estado del arte en equipos de limpieza y depuración de gases. Por lo tanto, mediante este último proceso descrito en la presente invención es posible llevar a cabo la pirólisis de biomasa de forma continua y autónoma con un diseño de equipos fácilmente escalable y de tal manera que el sistema no solo se autoabastece de energía para la producción de combustibles líquidos sino que también es capaz de generar electricidad para los equipos internos que así lo necesiten y exportar un excedente de la misma a la red. Estos factores suponen una clara mejora con respecto a otros procesos que se encuentran descritos en el estado del arte.
Relación de referencias de las figuras
En la figura 1 :
Esquema del secadero
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En la figura 2: Tornillo sinfín con espiral perforada
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En la figura 3 :
Sección de tornillo sinfín con espiral perforada
1 Orificios de la espiral del sinfín
En la figura 4:
Diagrama conceptual del proceso de pirólisis de biomasa con secado integrado y dos niveles de temperatura para el transportador de calor
1 Secadero de biomasa
11 Alimentación de biomasa
12 Biomasa seca + transportador de calor
13 Gas de escape del secadero
2 Reactor de pirólisis
23 Productos de pirólisis en fase gas
24 Productos de pirólisis sólidos + transportador de calor
3 Condensador
31 Biocombustibles
34 Productos gaseosos no condensados hacia el reactor de combustión
4 Reactor de combustión
41 Transportador de calor recalentado 42 Reciclo de transportador de calor recalentado hacia el reactor de pirólisis
44 Gas de combustión
45 Reciclo de transportador de calor recalentado hacia enfriador/precalentador
5 Enfriador/precalentador
51 Reciclo de transportador de calor hacia secadero
52 Aire frío para caldera y secadero
53 Aire caliente
54 Aire precalentado hacia caldera
55 Aire precalentado hacia secadero
En la figura 5:
Esquema del reactor de pirólisis
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En la figura 6:
Diagrama conceptual del proceso de pirólisis de biomasa con secado integrado transportador de calor
1 Secadero de biomasa
11 Alimentación de biomasa
12 Biomasa seca
13 Gas de escape del secadero 16 Fluido térmico frío
2 Reactor de pirólisis
23 Productos de pirólisis en fase gas
24 Productos de pirólisis sólidos + transportador de calor
3 Condensador
31 Biocombustibles
34 Productos gaseosos no condensados hacia el reactor de combustión
4 Reactor de combustión
42 Reciclo de transportador de calor recalentado hacia el reactor de pirólisis
45 Gas de combustión caliente
5 Cambiador de calor/precalentador de aire
51 Aire precalentado hacia secadero
52 Aire frío para reactor de combustión y secadero
53 Aire caliente para reactor de combustión y secadero
54 Aire precalentado hacia caldera
56 Gas de combustión enfilado
6 Superficie de intercambio de calor en el secadero
61 Fluido térmico caliente
62 Gas de combustión frío hacia la chimenea o sistema de depuración de gas
Ejemplos de realización de la invención
Los ejemplos que a continuación se describen, no deben entenderse sólo como una limitación del alcance de la invención. Por el contrario, la presente invención trata de cubrir todas las alternativas, variantes, modificaciones y equivalencias que puedan incluirse dentro del espíritu y el alcance del objeto de invención.
Ejemplo 1. - PIROLISIS DE BIOMASA CON SECADO INTEGRADO Y DOS NIVELES DE TEMPERATURA PARA EL SOLIDO TRANSPORTADOR DE
CALOR
En este ejemplo se muestran los balances de materia y energía para una planta de pirólisis de biomasa de acuerdo con el esquema de la Figura 4 para procesar 200 kg/h de biomasa forestal (corriente 11 de la Figura 4), siempre operando a presión atmosférica. El material utilizado posee un 30% de humedad, un 0.39%> de cenizas y un 69.61% de materia orgánica y entra en forma de astillas al secadero (equipo 1 de la Figura 4). Al secadero de biomasa, también entran 800 kg/h de arena a 250 °C (corriente 51 de la Figura 4) y 400 kg/h de aire también a 250 °C (corriente 55 de la Figura 4). La energía transportada por estas dos corrientes en forma de calor sensible se invierte en el secadero en calentar la biomasa entrante hasta una temperatura de 100 °C y evaporar la totalidad del agua que la acompaña. Del secadero sale una corriente en forma de gas (corriente 13 de la Figura 4) con un caudal másico de 460 kg/h, una temperatura de 100 °C y una composición que se recoge en la Tabla 1. Esta corriente es emitida directamente a la atmósfera.
Tabla 1 Composición del gas de
escape del secadero
Compuesto % Volumen
o2 16.9
N2 63.7
H20 19.4
Del secadero también se extrae otra corriente de sólidos (corriente 12 de la Figura 4) con un caudal másico de 942 kg/h, una temperatura de 100 °C y unos porcentajes en peso de biomasa y arena del 14.8% y del 85.2% respectivamente. Esta corriente se dirige al reactor de pirólisis (equipo 2 de la Figura 4), al cual también se incorporan 1500 kg/h de arena caliente a 775°C (corriente 42 de la Figura 4) procedentes del reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4). En el reactor de pirólisis se produce el mezclado de ambas corrientes (corrientes 12 y 42 de la Figura 4) de tal manera que la energía transportada por la corriente 42 se invierte en calentar la corriente 12 hasta alcanzar la mezcla de ambas una temperatura de 525 °C. A esta temperatura se produce de forma espontánea la desvolatilización de la biomasa produciendo una corriente de productos en fase gas a esa misma temperatura (comente 23 de la Figura 4) y otra corriente de sólidos formada por un 98%> de arena y un 2% de char o material carbonoso no desvolatilizado (corriente 24 de la Figura 4).
Si bien la corriente en fase gas (corriente 23 en la Figura 4) es conducida a un condensador tipo carcasa-tubos (equipo 3 de la Figura 4), la corriente de sólidos (corriente 24 de la Figura 4) es conducida a un reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4). El condensador (equipo 3 de la Figura 4) está refrigerado mediante el aporte de 1775 kg/h de agua a 20 °C que circula por el lado de la carcasa y que abandona este equipo a una temperatura de 30 °C. El biocombustible producido (comente 31 de la Figura 4) tiene un caudal másico de 70 kg/h y una temperatura de 35 °C. Por su parte, la fracción no condensada (corriente 34 de la Figura 4) posee un caudal másico de 34 kg/h y es conducida al reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4) donde se quema juntamente con la materia orgánica contenida por la corriente 24. El reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4) opera a una temperatura de 800 °C y a presión atenosférica 1 bar. Además de las corrientes de combustible (corrientes 24 y 34 de la Figura 4) se alimentan 536 kg/h de aire precalentado a una temperatura de 250 °C. En este reactor se produce la combustión total de la materia orgánica con un 20 % de exceso de aire originando una corriente en fase gas (corriente 44 de la Figura 4) con un temperatura de 800 °C y una composición que aparece en la Tabla 2.
Tabla 2. Composición del gas de escape del reactor de combustión
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Debido a que la corriente de gases (comente 44 de la Figura 4) que abandona el reactor (equipo 4 de la Figura 4) de combustión lo hace a alta temperatura, es posible recuperar calor de la misma. En concreto, si se considera una temperatura de humos de 130 °C, sería posible recuperar 129 kW de energía térmica.
Además de la corriente en fase gas, en el reactor de combustión también se produce una corriente de sólidos (corriente 41 de la Figura 4) a una temperatura de 800 °C y un caudal másico de 2300 kg/h. Esta corriente está compuesta por arena y posibles cenizas ya que toda la materia orgánica se ha convertido en C02 y H20. Esta corriente se divide en dos partes. Por una parte, la corriente 42 (1500 kg/h) es conducida al reactor de pirólisis (equipo 2 de la Figura 4) para suministrar la energía necesaria en este reactor en forma de calor sensible. El resto del material sólido (corriente 45 de la Figura 4) tiene un caudal másico de 800 kg/h y es conducido a un sistema de enfriamiento auxiliar de sólidos (equipo 5 de la Figura 4). En este equipo se reduce su temperatura de 800 °C hasta 250 °C, temperatura apropiada para ser recirculado (corriente 51 de la Figura 4) hasta el secadero (equipo 1 de la Figura 4). El calor cedido por el material sólido es ftansferido a 936 kg/h de aire frío (corriente 52 de la Figura 4) que es de esta manera precalentado hasta alcanzar 250 °C. Esta corriente de aire es dividida en dos partes. La primera de ellas (corriente 54 de la Figura 4) posee un caudal másico de 536 kg/h y es utilizada como comburente en el reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 4). La segunda parte (corriente 55 de la Figura 4) posee un caudal másico de 500 kg/h y es utilizada en el secadero (equipo 1 de la Figura 4) para facilitar la evaporación del agua que inicialmente se introduce con la biomasa (corriente 1 1 de la Figura 4). Además, para cumplir el balance de energía en el sistema de enfriamiento auxiliar (equipo 5 de la Figura 4), es necesario extraer 115 kW de potencia térmica que puede ser simplemente disipada o transferida a un sistema de recuperación de calor.
Ejemplo 2. - PIROLISIS DE BIOMASA CON SECADO INTEGRADO Y TRANSPORTADOR DE CALOR
En este ejemplo se muestran los balances de materia y energía para una planta de pirólisis de biomasa de acuerdo con el esquema de la Figura 6 para procesar 100000 ton/año de biomasa forestal (corriente 11 de la Figura 6), lo que supone un caudal másico horario de 14286 kg/h de biomasa. La presión de trabajo para todos los equipos de la planta es de 1 bar. El material utilizado (biomasa forestal) posee un 30% de humedad, un 1% de cenizas y un 69% de materia orgánica y entra en forma de astillas al secadero (equipo 1 de la Figura 6). Además de la biomasa, también se introducen en el secadero 90000 kg/h de aire que han sido precalentados hasta 250 °C en un cambiador de calor (equipo 5 de la Figura 6). Esta corriente de aire (corriente 13 de la Figura 6), que ahora es aire húmedo, abandona el secadero (equipo 1 de la Figura 6) a una temperatura de 115 °C y con un caudal másico de 94286 kg/h. Esta corriente puede ser emitida a la atmósfera o su energía puede ser recuperada en equipos apropiados comerciales. La biomasa seca (corriente 12 de la Figura 6) abandona el secadero (equipo 1 de la Figura 6) también a una temperatura de 115 °C y con un caudal másico de 10002 kg/h. Para cerrar el balance de energía del secadero (equipo 1 de la Figura 6) es necesario proporcionar 220 kW de energía térmica (corriente E62 de la Figura 6) para lo que se utiliza el diseño de secadero descrito en la presente invención caracterizado por utilizar un gas caliente que circula por el interior de un tornillo sinfín y por el exterior de su carcasa envolvente y por disponer de álabes perforados que facilitan el transporte del gas de barrido minimizando la pérdida de carga. La biomasa seca (corriente 12 de la Figura 6) es introducida en un reactor de pirólisis (equipo 2 de la Figura 6) que opera a 500 °C debido a que también se introducen 22000 kg/h de un transportador de calor a 800 °C (comente 42 de la Figura 6). Este transportador de calor puede ser arena o cualquier otro sólido que tenga o no propiedades catalíticas en la reacción de pirólisis o para la posterior conversión de los productos primarios de pirólisis. Durante el proceso de pirólisis se produce la desvolatilización de la biomasa liberándose 7134 kg/h de material volátil (corriente 23 de la Figura 6) que es conducida a un sistema de condensación (equipo 3 de la Figura 6) refrigerado por 6452 kg/h de agua a 20 °C que lo abandona a 30 °C. De esta manera es posible reducir la temperatura de los gases procedentes del reactor de pirólisis hasta 35 °C produciéndose la condensación de los bio-combustibles (corriente 31 de la Figura 6). La fracción no condensada (corriente 34 de la Figura 6) posee un caudal másico de 2217 kg/h y es conducida al reactor de combustión (equipo 4 de la Figura 6). En este equipo (equipo 4 de la Figura 6) se lleva a cabo tanto la combustión del gas no condensado (corriente 34 de la Figura 6) como de la fracción sólida no desvolatilizada de la biomasa (corriente 24) a una temperatura de 800 °C. Para llevar a cabo la combustión, se adiciona al reactor de combustión 37927 kg/h de aire (corriente 54 de la Figura 6), el cual ha sido precalentado hasta 250 °C en un cambiador de calor (equipo 5 de la Figura 6) a partir de aire frío a 25 °C (corriente 52 de la Figura 6) y del calor transferido por los gases procedentes del reactor de combustión (corriente 45 de la Figura 6) que abandonan este equipo a una temperatura de 205 °C (corriente 56 de la Figura 6). Asimismo, en el mismo cambiador de calor (equipo 5 de la Figura 6) se lleva a cabo el precalentamiento del aire que posteriormente se utiliza en el secadero de biomasa (corriente 51 y equipo 1 de la Figura 6). Finalmente, la corriente de gases de combustión enfriados en el cambiador de calor (corriente 56 y equipo 5 de la Figura 6) es transferida al exterior del secadero de biomasa en donde transfiere 220 kW que se utilizan para el secado de la biomasa fresca (corriente 11 de la Figura 6). Finalmente, el gas de combustión es emitido a la atmósfera a una temperatura de 190 °C (corriente 61 de la Figura 6).

Claims

Reivindicaciones
1. Aparato basado en un transportador de sólidos para llevar a cabo procesos físicos o químicos en los que interviene al menos un sólido, caracterizado porque comprende los siguientes elementos:
a) un lecho móvil,
b) una entrada de gas,
c) un tomillo sinfín que comprende (i) un eje central, (ii) unos álabes o espiral y (iii) una placa en forma de corona circular soldada en ambos extremos del tornillo para evitar el posible paso de material sólido hacia las zonas de cierre del mismo,
d) un sistema que evita el escape de gas o fluido térmico hacia el exterior,
e) un motor eléctrico dotado de un reductor y un variador de frecuencia que mueve el tornillo,
f) una carcasa interior que envuelve dicho tornillo, dicha carcasa comprende:
- una entrada de sólido en su parte superior,
- una salida de sólidos convertidos en su parte inferior,
- un sistema de cierre,
- un sistema que crea un canal helicoidal en la parte exterior de dicha carcasa interior para incrementar el recorrido del gas o fluido térmico
- y en su parte superior, una salida de gas hacia el exterior,
g) una carcasa exterior que envuelve dicho tornillo y la carcasa interior, y que sirve de techo para el canal helicoidal y aisla térmicamente el conjunto formado por el tornillo sinfín, la carcasa interior y el canal helicoidal, del exterior.
2. Un aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el lecho móvil es de un material metálico.
3. Un aparato según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende una entrada de aire o gas inerte que arrastra la humedad liberada y proporciona al menos parte de la energía para llevar a cabo un proceso de evaporación del agua inherente a operaciones de secado.
4. Un aparato según la reivindicación 1 caracterizado porque el tomillo sinfín tiene un eje central hueco para transportar un fluido caliente por su interior, para transmitir calor al interior del aparato y favorecer así el secado del sólido.
5. Un aparato según una de las reivindicaciones 1 o 4 caracterizado porque el eje central del tomillo sinfín es hueco y dispone de: (i) un tubo concéntrico aislado con el eje del tomillo sinfín que introduce el fluido térmico hasta la zona caliente del aparato, (ii) juntas y retenes que unen el eje rotatorio del tomillo sinfín con el tubo concéntrico aislado y (iii) de una cámara para recoger fluido térmico que pudiese escapar del tomillo sinfín.
6. Un aparato según la reivindicación 1 caracterizado porque dichos álabes o espiral están perforado.
7. Uso del aparato definido en una de las reivindicaciones 1 a 6 para realizar una reacción en la que se pone en contacto un gas y un sólido.
8. Uso según la reivindicación 7, caracterizado porque la reacción es catalítica.
9. Uso del aparato definido en una de las reivindicaciones 1 a 6 para realizar un proceso físico en el que se produce:
- transferencia simultánea o no de materia y energía o
- transferencia no simultánea de materia y energía.
10. Uso según la reivindicación 7, caracterizado porque el proceso es un procedimiento de secado.
11. Un procedimiento para revalorizar energética y materialmente una materia prima mediante un ciclo de pirólisis, catalítica o no catalítica, más combustión, que se lleva a cabo con el aparato definido en la reivindicación 1 , dicho procedimiento caracterizado porque comprende:
a) una etapa de secado mediante tornillo sinfín en la que se realiza la transferencia de calor a la materia prima,
b) una reacción de pirólisis de la corriente de sólidos obtenida en la etapa de secado y de una segunda comente de sólido transportador de calor procedente de una reacción de combustión que se realiza en un reactor de lecho móvil tipo tomillo sinfín definido en la reivindicación 1 , con los álabes perforados en la que se alimentan:
- la corriente de sólidos obtenida en la etapa de secado constituida por materia prima seca mezclada con el sólido transportador de calor junto con otra comente de sólido transportador de calor procedente de una reacción de combustión que sirve para transferir calor a la primera corriente en el propio reactor de pirólisis,
obteniéndose una corriente gaseosa y una corriente de producto sólido que se alimenta a una reacción de combustión que comprende el sólido transportador de calor y materia prima seca no convertida,
c) una etapa de condensación de la corriente gaseosa efluente de la reacción de pirólisis obteniéndose una fracción condensada y una fracción no condensada la cual se alimenta a un reactor de combustión,
d) una reacción de combustión que genera la energía necesaria para llevar a cabo el secado y la reacción de pirólisis de la materia prima.
12. Un procedimiento según la reivindicación 1 1 , caracterizado porque:
- en la etapa a) se realiza la transferencia de calor a la materia prima mediante:
- un gas precalentado procedente de una etapa de enfriamiento de sólidos y
- un sólido que actúa como transportador de calor recirculado procedente de la etapa de enfriamiento de sólidos,
los cuales se mezclan con la materia prima alimentada, de forma que se obtiene:
- una corriente de sólidos que comprende materia prima seca mezclada con el sólido transportador de calor y
- una corriente en fase gas formada por el gas precalentado junto con la humedad inicialmente presente en la materia prima,
- la etapa d) comprende realizar una reacción de combustión que genera la energía necesaria para llevar a cabo el secado y la reacción de pirólisis de la materia prima la cual se alimenta con (i) la corriente de producto sólido obtenida de la reacción de pirólisis, (ii) la fracción no condensada obtenida en la etapa de condensación y (iii) una corriente de gas precalentado procedente de la etapa de enfriamiento de sólidos, y se obtiene: (i) una corriente gaseosa a alta temperatura de la que se puede recuperar energía térmica y (ii) una comente de sólidos que se separa en dos subcorrientes, una de ellas se alimenta a la reacción de pirólisis para suministrar la energía necesaria en forma de calor sensible y la otra subcorriente se alimenta a una etapa de enfriamiento de sólidos, y además comprende una etapa e) de enfriamiento de sólidos que se alimenta con parte de la corriente de sólidos efluente de la reacción de combustión y una corriente de gas frío, obteniéndose:
- una corriente de sólidos enfriados, la cual se recircula a la etapa de secado y - una corriente de gas caliente que se divide en dos subcorrientes: la primera se utiliza como comburente en la reacción de combustión y la segunda se utiliza en la etapa de secado para facilitar la evaporación del agua de la materia prima.
13. Un procedimiento según la reivindicación 11 caracterizado porque la materia prima es materia orgánica está seleccionada entre biodegradable y no biodegradable que contiene carbono en su composición elemental.
14. Un procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque en la etapa de secado se utiliza un tornillo sinfín con los álabes perforados, teniendo dichos álabes unos orificios con un tamaño inferior al tamaño mínimo de la materia prima y del sólido transportador de calor.
15. Un procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque en la etapa de secado se utiliza aire como gas precalentado procedente de la etapa de enfriamiento de sólidos.
16. Un procedimiento según la reivindicación 1 1, caracterizado porque la etapa de secado se realiza en condiciones tales que se reduce el porcentaje de humedad desde un 80% en peso hasta un 0% en peso.
17. Un procedimiento según reivindicación 11, caracterizado porque la etapa de secado se realiza: (i) a una temperatura comprendida entre 50 °C y 250 °C, (ii) a una presión de trabajo comprendida entre 0.1 bar y 3 bar y (iii) con un tiempo de residencia de la materia prima comprendido entre 0.5 minutos y 120 minutos.
18. Un procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el sólido transportador de calor comprende materiales de naturaleza inorgánica.
19. Un procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque en la etapa de secado el aire precalentado está a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C y el sólido que actúa como transportador de calor recirculado está a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C.
20. Un procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque en la reacción de pirólisis se utiliza un tornillo sinfín con los álabes perforados, con un tamaño de orificio inferior al tamaño mínimo de las partículas de materia prima y del sólido transportador de calor.
21. Un procedimiento según la reivindicación 1 1 , caracterizado porque la reacción de pirólisis es catalítica y en ella reacción el sólido transportador de calor se usa como catalizador.
22. Un procedimiento según la reivindicaciones 11 , caracterizado porque la reacción de pirólisis se realiza a una temperatura comprendida entre 400 °C y 1000 °C.
23. Un procedimiento según la reivindicación 1 1 , caracterizado porque en la reacción de pirólisis se obtiene una corriente de producto sólido, la cual se alimenta a la reacción de combustión y porque dicha corriente comprende material carbonoso no desvolatilizado como materia prima seca no convertida,
24. Un procedimiento según la reivindicación 1 1 , caracterizado porque en la reacción de pirólisis se piroliza la corriente de sólidos que posee una relación en peso biomasa/sólido transportador de calor comprendida entre 1 y 10.
25. Un procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque en la reacción de pirólisis la corriente de sólido transportador de calor procedente del reactor de combustión está a una temperatura comprendida entre 500 y 1 100 °C.
26. Un procedimiento según la reivindicación 1 1 , caracterizado porque la corriente de sólidos obtenida en la reacción de combustión comprende el sólido transportador de calor y unas cenizas,
27. Un procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el gas que se alimenta en la etapa de enfriamiento de sólidos es aire,
28. Un procedimiento según la reivindicación 1 1 , caracterizado porque en la etapa de enfriamiento de sólidos la temperatura de la corriente de sólidos disminuye desde la temperatura de operación de la reacción de combustión hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C, y la corriente de aire se precalienta a una temperatura comprendida entre 100 °C y 300 °C.
29. Un procedimiento según la reivindicación 1 1 caracterizado porque:
- en la etapa a) se realiza la transferencia de calor a la materia prima mediante:
un gas precalentado procedente de una etapa de precalentamiento y mediante un fluido térmico caliente de forma que se obtiene una comente de sólidos secos y una segunda comente en fase gas formada por el gas precalentado introducido junto con la humedad inicialmente presente en la materia prima,
la etapa d) comprende una reacción de combustión que genera la energía necesaria para llevar a cabo el secado y la reacción de pirólisis de la materia prima mediante un reactor de combustión en el que se alimenta (i) la corriente de producto sólido obtenida de la reacción de pirólisis, (ii) la fracción no condensada obtenida en la etapa de condensación y (iii) una corriente de gas precalentado procedente de una etapa de precalentamiento, y se obtiene: (i) una corriente gaseosa a alta temperatura de la que se puede recuperar energía térmica que se dirige a una etapa de precalentamiento o a la etapa de secado y (ii) una corriente de sólidos que se recircula a la reacción de pirólisis para suministrar la energía necesaria en forma de calor sensible,
y se realiza una etapa e) de precalentamiento mediante un cambiador de calor en la que se alimenta la corriente gaseosa efluente del reactor de combustión y una comente de gas frío y se obtiene una corriente de gas caliente que se divide en dos subcorrientes: la primera se utiliza como comburente en el reactor de combustión y la segunda se utiliza en la etapa de secado para facilitar la evaporación del agua de la materia prima.
30. Un procedimiento según la reivindicación 29, caracterizado porque en la etapa de secado se utiliza gas inerte o aire como gas precalentado procedente de la etapa de precalentamiento o bien procedente del reactor de combustión,
31. Un procedimiento según la reivindicación 30 caracterizado porque en la etapa de secado la transferencia de calor se realiza por una corriente de gas inerte o aire, más preferiblemente aire, que circula por el interior del tornillo sinfín en contacto con la materia prima a una temperatura comprendida entre 100°C y 300°C, y/o a través de un fluido térmico que circula por el exterior de la carcasa y el interior del eje del tornillo sinfín.
32. Un procedimiento según la reivindicación 29 caracterizado porque el gas que se alimenta en la etapa de precalentamiento es aire.
33. Una instalación para secado de sólidos caracterizada porque comprende un aparato definido en una de las reivindicaciones 1 a 10.
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