WO2014135734A2 - Procedimiento que opera en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica e instalación para la puesta en práctica del procedimiento - Google Patents

Procedimiento que opera en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica e instalación para la puesta en práctica del procedimiento Download PDF

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WO2014135734A2
WO2014135734A2 PCT/ES2014/070169 ES2014070169W WO2014135734A2 WO 2014135734 A2 WO2014135734 A2 WO 2014135734A2 ES 2014070169 W ES2014070169 W ES 2014070169W WO 2014135734 A2 WO2014135734 A2 WO 2014135734A2
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recirculation
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organic matter
installation
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Fernando Fernandez-Polanco Fernandez De Moreda
Rafael Gonzalez Calvo
Rosa SAGREDO EXPOSITO
Roberto Velazquez Yuste
Sara Isabel Perez Elvira
Maria FERNANDEZ-POLANCO IÑIGUEZ DE LA TORRE
Pedro Pablo NIETO DIEZ
Philippe Rouge
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Sociedad General De Aguas De Barcelona, S.A.
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    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies

Definitions

  • the invention belongs to the field of sludge treatment, and in particular to the adaptation of organic matter prior to anaerobic digestion. More specifically, the invention relates to a process that operates continuously for the thermal hydrolysis of organic matter and to an installation for the implementation of said process.
  • the thermal hydrolysis process is based on subjecting the organic matter to high temperatures and pressures for relatively long periods of time, usually greater than 30 minutes.
  • the mass of hot organic matter can subsequently undergo a sudden decompression process or flash process, in order to achieve the so-called vapor explosion effect, capable of achieving breakage of the floc structure and even of the cell wall of expanded matter improving its biodegradability.
  • Different commercial thermal hydrolysis processes operate by loads or by batches. To ensure that the process is quasi-continuous, they operate with several reactors subject to timed loading and unloading cycles.
  • An example is the commercial process known as CAMBI in the specialized circles of the sector, well established at the industrial level.
  • patent document FR 2820735 describes the use of two reactors that operate by loads and in parallel; and patent document WO 201 1/006854 describes the use of three reactors that operate sequentially to achieve a behavior close to continuous flow.
  • EP 1 1 98424 describes a system consisting of tanks, tanks or containers in which, in continuous, the preheating, reaction and decompression stages are carried out. The injection of heating steam is done by mixing devices external to said containers. The residence time of the sludge in the hydrolysis reactor is set between 5 and 60 minutes.
  • a tubular reactor is described in US 201 1 1 14570 in which a biological solid is heated by steam injection and subsequently cooled by cold water to prevent sudden boiling in the decompression process.
  • WO 2008/1 15777 describes the use of an external preheater that uses a steam stream for heating the dough to be treated.
  • the hot dough passes through a tubular reactor and is led to a flash chamber.
  • the steam that leaves the flash chamber is condensed and recirculated to the preheating tank.
  • the process according to the invention comprises in a known way a preheating stage, a subsequent reaction stage and a further stage depressurization posterior.
  • this procedure is characterized in that the preheating stage comprises the operation of recirculating organic matter to be hydrolyzed in a first recirculation circuit by subjecting it to temperature conditions between 70 ° C and 140 ° C; because the reaction step comprises the operation of recirculating in a second recirculation circuit organic matter extracted from the first recirculation circuit by subjecting it in the second recirculation circuit to conditions of temperature between 130 ° C and 220 ° C and pressure of between 3 bar and 20 bar; and because the depressurization stage comprises the sudden decompression of organic matter continuously extracted from the second circuit.
  • the operations of feeding and extraction of organic matter to hydrolyze in the first circuit; and the feeding operation in the second recirculation circuit of the organic matter extracted from the first recirculation circuit is also carried out in a continuous regime.
  • the technology claimed is therefore based on using closed circuits or internal recirculation rings, hydraulically connected, with a high recirculation rate instead of tubular tanks or reactors.
  • the hydrodynamics of the process reduces the formation of deposits and deposits.
  • the steam recirculation circuit recovered from the decompression stage is injected into the first preheating stage.
  • the feed stream of organic matter to the first recirculation circuit is selected so that the hydraulic residence time in this first recirculation circuit is from 6 s to 30 min and / or the stream of extracted organic matter from the first recirculation circuit and fed to the second recirculation circuit is selected so that the hydraulic residence time in this second recirculation circuit is from 6 s to 30 min.
  • the hydraulic residence time in both first and second circuits is 10 min to 15 min.
  • the depressurization step is carried out in a flash chamber at an absolute pressure between 0.5 and 1.4 bar.
  • an installation for the implementation of the method according to the invention comprises two recirculation circuits of organic matter to be treated hydraulically connected in series, means for the continuous feeding of organic matter to one of the recirculation circuits; for the transfer of a fraction of it to the other recirculation circuit that follows; and for the extraction of organic matter from said other recirculation circuit.
  • Said installation is essentially characterized in that it comprises a feed duct with first pumping means for the supply of a feed rate of organic matter to be hydrolyzed; a first recirculation circuit, which performs the function of a preheating circuit, connected to the feed duct and provided with suitable first drive means to obtain a recirculation flow rate between 1 to 25 times the feed flow rate; a transfer conduit with a second pumping means for the transfer of a fraction of the flow that circulates within the first recirculation circuit to a second recirculation recirculation circuit, which performs the function of a reaction circuit, connected to the transfer conduit and provided with a second drive means suitable for obtaining a recirculation flow rate of between 1 and 25 times the transfer or feed flow rate to this second recirculation circuit; an extraction duct with a pressure valve for the continuous extraction of a fraction of the recirculation flow rate of the second circuit; and an expansion chamber, connected to the extraction duct.
  • the installation comprises means for injecting into the First steam recirculation circuit from the expansion chamber.
  • the second pumping means are capable of supplying a feed flow to the second recirculation circuit with a pressure between 3 bar and 20 bar.
  • the first and second recirculation circuits are provided with non-condensable gas and non-condensed steam purge systems.
  • the installation comprises means for injecting steam into the second recirculation circuit at a temperature between 130 ° C to 220 ° C.
  • the first pumping means are capable of supplying a feed flow to the first recirculation circuit whose relationship with the capacity of said first recirculation circuit meets the following relationship:
  • Qa being C1 the volume or capacity of the first recirculation circuit, and Qa the feed flow.
  • the second pumping means are capable of supplying a transfer flow to the second recirculation circuit whose relationship with the capacity of said second recirculation circuit meets the following relationship:
  • Fig. 1 is a diagram of an installation for the implementation of the process according to a variant of the invention.
  • Fig. 1 schematically shows an installation 17 comprising a feed duct 1 for the supply of the organic matter that is intended to be hydrolyzed with a concentration that can vary between 1 and 30% of total solids.
  • the mass of organic matter to be treated is pumped by first pumping means 2, formed by one or a group of pumps, to the first recirculation circuit 3, which we will also refer to as preheating circuit 3, in which it is carried carry out a stage of preheating of organic matter and steam recovery as explained below.
  • the pumping means 2 are suitable for the transfer of solids and must be capable of constantly supplying a feed flow rate Qa at the pressure required by the preheating circuit 3.
  • the preheating circuit 3 is constructed with a tube of any commercial steel, including stainless steel or alloys that are not very sensitive to corrosion. Its volume must be sufficient so that the hydraulic feeding time can vary between 6 seconds and 30 minutes. The operating pressure of the preheating circuit 3 can vary between 1 and 5 bar.
  • the preheating circuit 3 is an internal recirculation loop or ring, in which first drive means 4, formed by a pump, are capable of driving a high flow rate of the Organic matter mass in order to guarantee a good mixture, accompanied by a correct condensation of the steam and the consequent temperature homogeneity that is reached in extremely short times.
  • first drive means 4 formed by a pump
  • the flow rate in the preheating circuit varies between 1 and 25 times the feed rate Qa.
  • the high circulation also eliminates the problems of embedding and deposit of solids reported by other technologies that operate at very low speeds.
  • steam 15 from the expansion chamber 14 is introduced into the preheating circuit 3 by means of an internal device 5 that favors its mixing with the feed rate Qa and internal recirculation.
  • this internal device 5 is any solution based on speed variations, nozzles, Venturi effect, or static mixers, whose objective is to favor the mixing of the currents involved.
  • the preheating circuit 3 is provided with a purging system 6 of non-condensable gases and non-condensed steam. This gas stream is conducted to the corresponding treatment system, which falls outside the limits of the invention.
  • the pumping means 7 are suitable for the transfer of solids and must be capable of communicating pressures of up to 20 bar. Preferably, they must be able to constantly supply a transfer rate Qt to the reaction circuit 8 at the pressure required by this reaction circuit 8.
  • the reaction circuit 8 is constructed with a tube of any commercial steel, including stainless steel or alloys not very sensitive to corrosion. Its volume must be sufficient so that the hydraulic feeding time can vary between 6 seconds and 30 minutes.
  • the operating pressure in the reaction circuit 8 can vary between 3 and 20 bar, which leads to operating temperatures varying between 130 and 220 ° C.
  • the reaction circuit 8, like the preheating circuit 3, is actually an internal recirculation loop or ring in which corresponding second drive means 9 are capable of driving a high flow rate of the mass of organic matter with the aim of guaranteeing a good mixture, accompanied by a correct condensation of the steam and the consequent temperature homogeneity that is reached in extremely short times.
  • the recirculation flow rate varies between 1 and 25 times the feed rate, that is the transfer rate Qt.
  • the high circulation also achieves in this second recirculation circuit 8 to eliminate the problems of embedding and deposit of solids reported by other technologies operating with significantly lower speeds.
  • the steam 10 supplied to the reaction circuit 8 to maintain the desired reaction temperature is produced in the installation 17 of the example in a boiler which is not the object of this invention.
  • the steam 10 is introduced into the reaction circuit 8 by another internal device 1 1 that favors its mixing with the internal feed and recirculation streams.
  • the internal device 1 1 is expected to be any solution based on speed variations, nozzles, Venturi effect, or static mixers, whose objective is to favor the mixing of the currents involved.
  • the reaction circuit 8 In order for the pressure in the reaction circuit 8 to be maintained, the reaction circuit 8 is provided with a corresponding purge system 12 of non-condensable gases and non-condensed steam. This gas stream is conducted to the corresponding treatment system, which falls outside the limits of the invention.
  • a fraction of the circulating flow subjected to the conditions of high pressure and temperature in the reaction circuit 8 is extracted therefrom, in continuous, and conducted through an extraction conduit 19 and through the corresponding expansion valve 13, or decompression valve, to the expansion chamber 14, sized as a conventional flash chamber, in which, due to the sudden decompression, part of the water that accompanies the solids present is vaporized, obtaining steam 15 which is conducted to the mixing device 5 of the preheating circuit 3
  • the hydrolyzed solid 16 leaves the process and is led to the anaerobic digestion process, which is not part of the present invention.
  • a facility that operates continuously and treats secondary sludge from an active sludge process generated in an urban wastewater treatment plant is described below.
  • the secondary sludge used is previously concentrated by centrifugation, until reaching values between 10 and 20% in total solids.
  • the average feed rate Qa supplied by the pumping means 2 to the preheating circuit 3 is 2 m 3 / h.
  • the preheating circuit 3 works at a constant level, according to the overall balance of the process material, the same amount of material that enters as the sum of the flow rates Qa and the steam stream 15 leaves the preheating circuit 3 through the purge system 6 and the transfer duct 18.
  • the flow of non-condensable gases and non-condensed steam is negligible.
  • the temperature sensors placed along the preheating circuit 3, not shown in the scheme of Fig. 1, allow to control that a constant temperature exists indicating that the degree of homogeneity is reached objective.
  • the average temperature value in the preheating circuit 3 is 100 ° C, corresponding to the operation at atmospheric pressure of 1 bar. Depending on the flow rate of feed Qa carried by the first pumping means 2, the residence time in the preheating circuit 3 becomes 6 min.
  • Residence time is understood as the hydraulic residence time or Trh, which is defined as the ratio between the volume of the preheating circuit 3 and the feed rate Qa. That is, it is the average time that a mass of solid entering the preheating circuit 3 takes time to leave it, then to be transferred to the reaction circuit 8.
  • Trh C1 / Qa where C1 is the volume or capacity of the first recirculation circuit 3 and Qa the feed flow, the value of Thr is 6 minutes.
  • a transfer rate Qt is continuously extracted which is fed to the reaction circuit 8 by means of the pumping means 7, capable of increasing the pressure to 8 bar.
  • the driving means 9 of the reaction circuit 8 are commanded to carry a flow rate ten times greater than the flow rate Qt or effective input to said reaction circuit 8, so that the recirculation ratio internal is equal to ten -10 -, guaranteed a homogeneity of the circulating mass that can be controlled by temperature sensors placed along the reaction circuit 8.
  • the reaction circuit 8 works at a constant level, according to the overall balance of the process material, the same amount of matter that enters the reaction circuit 8, that is the sum of the transfer flow Qt and the steam current 10, the aforementioned reaction circuit 8 exits through the purge system 12 and the extraction duct 19.
  • Trh C2 / Qt
  • C2 is the volume or capacity of the second recirculation circuit 8 and Qt the transfer or feed flow rate of the second recirculation circuit
  • Thr is 10 minutes.
  • the expansion chamber 14 operates at atmospheric pressure and the hydrolyzed sludge stream 16 leaves the system at 100 ° C, as does the vapor stream 15 which is conducted to the preheat circuit 3.

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Abstract

Procedimiento que opera en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica, que comprende una etapa de precalentamiento, una etapa posterior de reacción y una etapa más posterior de despresurización, en el que la etapa de precalentamiento comprende la operación de hacer recircular materia orgánica a hidrolizar en un primer circuito de recirculación; la etapa de reacción comprende la operación de hacer recircular en un segundo circuito de recirculación materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación sometiéndola a presión y temperatura; y la etapa de despresurización comprende la descompresión súbita de materia orgánica extraída en continuo del segundo circuito.

Description

D E S C R I P C I O N
"Procedimiento que opera en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica e instalación para la puesta en práctica del procedimiento"
Sector técnico de la invención
La invención pertenece al ámbito del tratamiento de fangos, y en particular a la adecuación de la materia orgánica previa a su digestión anaerobia. Más en concreto la invención se refiere a un procedimiento que opera en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica y a una instalación para la puesta en práctica de dicho procedimiento.
Antecedentes de la invención
En un esquema convencional para la digestión anaerobia de materia orgánica la etapa de hidrólisis (solubilización, licuefacción) limita la cinética global del proceso. Para mejorar la cinética de esta etapa de hidrólisis y consecuentemente para mejorar la cinética del proceso global de metanización diferentes procesos físicos, químicos y biológicos se aplican como tratamiento previo a la digestión anaerobia.
Así por ejemplo, el proceso de hidrólisis térmica se basa en someter a la materia orgánica a elevadas temperaturas y presiones durante periodos de tiempo relativamente largos, normalmente superiores a 30 minutos. Además, aprovechando la elevada presión la masa de materia orgánica caliente puede someterse posteriormente a un proceso de descompresión súbita o proceso flash, para así conseguir el llamado efecto de explosión de vapor, capaz de lograr la rotura de la estructura de los flóculos e incluso de la pared de las células de la materia expandida mejorando su biodegradabilidad. Diferentes procesos comerciales de hidrólisis térmica operan por cargas o por lotes. Para conseguir que el proceso sea cuasi-continuo operan con varios reactores sometidos a ciclos temporizados de carga y descarga. Un ejemplo es el proceso comercial conocido como CAMBI en los círculos especializados del sector, bien establecido a nivel industrial. Con propósitos similares, el documento de patente FR 2820735 describe el uso de dos reactores que operan por cargas y en paralelo; y el documento de patente WO 201 1 /006854 describe el empleo de tres reactores que operan en modo secuencial para conseguir un comportamiento próximo a flujo continuo.
Atendiendo a la operación en continuo, el proceso Porte (Lumb, C. (1951 ). Heat treatment as an aid to sludge dewatering- ten years' full-scale operation, Meeting of North Easter Branch, Yorkshire Ouse River Board Offices, Wakefield, Jan. 19fh) aplica a fango digerido en condiciones anaerobias utilizando reactores con inyección directa de vapor y tiene por objeto mejorar la deshidratabilidad de la materia orgánica de partida.
Otros documentos de patentes describen sistemas que operan en continuo. En el documento de patente US 5593591 de 1997 se describe un sistema en el que un lodo bombeado a presión es calentado en la propia conducción, antes de ser descomprimido mediante una boquilla y entrar en una cámara de flash. El objetivo del tratamiento es producir un lodo hidrolizado con buenas características de flujo {free flowing solids). En el documento de patente US 5785852 de 1 998 se describe un proceso y un equipo para el tratamiento de lodos biológicos para mejorar la digestión anaerobia secundaria. El proceso es multi-etapa y combina etapas de calentamiento, descompresión explosiva y aplicación de fuerzas de cizalla. Un "hydroheater" es el sistema que se sugiere como más eficaz de mezcla del vapor y el lodo a tratar. En este sistema, el lodo caliente y a presión se lleva a una cámara de flash que opera a la presión atmosférica. El lodo parcialmente disgregado se lleva a una nueva etapa donde es sometido a fuerzas de cizalla {shear forces) para completar el proceso de rotura celular. En el documento de patente EP 1 1 98424 se describe un sistema compuesto por tanques, depósitos o recipientes en los que, en continuo, se efectúan las etapas de precalentamiento, reacción y descompresión. La inyección del vapor de calefacción se realiza mediante dispositivos de mezcla externos a dichos recipientes. El tiempo de residencia de los lodos en el reactor de hidrólisis queda fijado entre 5 y 60 minutos.
En el documento de patente ES 2341064 se describe un sistema que opera en continuo y que queda integrado energéticamente dentro de un sistema de producción de energía eléctrica a partir del biogás generado.
En el documento de patente US 201 1 1 14570 se describe un reactor tubular en el que un sólido biológico se calienta por inyección de vapor y es posteriormente enfriado mediante agua fría para evitar la ebullición súbita en el proceso de descompresión.
En el documento de patente WO 2008/1 15777 se describe el empleo de un precalentador externo que emplea una corriente de vapor para la calefacción de la masa a tratar. La masa ya caliente atraviesa un reactor tubular y es conducida a una cámara de flash. El vapor que sale de la cámara de flash es condensado y recirculado al tanque de precalentamiento.
Todas las técnicas referidas tienen por finalidad lograr la hidrólisis de una masa de alimentación, utilizando tanques o reactores tubulares en las etapas de precalentamiento y de reacción. Los procesos empleados indican que la operación en ambas etapas se realiza con tiempos hidráulicos de residencia elevados. Igualmente la operación con velocidades de flujo bajas conduce a la formación de incrustaciones y depósitos que acortan el tiempo de operación estable de los procesos.
Es un objetivo de la invención un procedimiento que mejore la eficacia global del proceso de digestión anaerobia de materia orgánica, introduciendo una operación de pretratamiento por hidrólisis térmica en continuo, que opere con bajos tiempos de residencia, mediante un equipo compacto, estandarizable, fácilmente transportable y de coste inferior al de otras tecnologías comerciales.
Explicación de la invención
El procedimiento según la invención comprende de forma conocida una etapa de precalentamiento, una etapa posterior de reacción y una etapa más posterior de despresurización.
En esencia este procedimiento se caracteriza porque la etapa de precalentamiento comprende la operación de hacer recircular materia orgánica a hidrolizar en un primer circuito de recirculación sometiéndola a unas condiciones de temperatura de entre 70 °C y 140 °C; porque la etapa de reacción comprende la operación de hacer recircular en un segundo circuito de recirculación materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación sometiéndola en el segundo circuito de recirculación a unas condiciones de temperatura de entre 130 °C y 220 °C y de presión de entre 3 bar y 20 bar; y porque la etapa de despresurización comprende la descompresión súbita de materia orgánica extraída en continuo del segundo circuito.
Las operaciones de alimentación y extracción de materia orgánica a hidrolizar en el primer circuito; y la operación de alimentación en el segundo circuito de recirculación de la materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación también se realizan en régimen continuo.
La tecnología que se reivindica se basa pues en utilizar circuitos cerrados o anillos de recirculación interna, hidráulicamente conectados, con elevada tasa de recirculación en lugar de tanques o reactores tubulares. La hidrodinámica del proceso reduce la formación de incrustaciones y depósitos.
Según otra característica de la invención, en la etapa de precalentamiento se inyecta en el primer circuito de recirculación vapor recuperado de la etapa de descompresión.
De acuerdo con una forma de realización, la corriente de alimentación de materia orgánica al primer circuito de recirculación se selecciona para que el tiempo de residencia hidráulico en este primer circuito de recirculación sea de 6 s a 30 min y/o la corriente de materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación y alimentada al segundo circuito de recirculación se selecciona para que el tiempo de residencia hidráulico en este segundo circuito de recirculación sea de 6 s a 30 min. Preferentemente, el tiempo de residencia hidráulico en ambos primer y segundo circuitos es de 10 min a 15 min. En una variante de la invención, la etapa de despresurización se lleva a cabo en una cámara flash a una presión absoluta de entre 0,5 y 1 ,4 bar.
Según otro aspecto de la invención, se da a conocer una instalación para la puesta en práctica del procedimiento según la invención. Dicha instalación comprende dos circuitos de recirculación de materia orgánica a tratar hidráulicamente conectados en serie, medios para la continua alimentación de materia orgánica a uno de los circuitos de recirculación; para el transvase de una fracción de ésta al otro circuito de recirculación que le sigue; y para la extracción de materia orgánica del citado otro circuito de recirculación.
Dicha instalación en esencia se caracteriza porque comprende un conducto de alimentación con unos primeros medios de bombeo para el suministro de un caudal de alimentación de materia orgánica a hidrolizar; un primer circuito de recirculación, que desempeña la función de circuito de precalentamiento, conectado al conducto de alimentación y provisto de unos primeros medios de impulsión adecuados para obtener un caudal de recirculación de entre 1 a 25 veces el caudal de alimentación; un conducto de transvase con unos segundos medios de bombeo para el transvase de una fracción del caudal que circula dentro del primer circuito de recirculación a un segundo circuito de recirculación de recirculación, que desempeña la función de circuito de reacción, conectado al conducto de transvase y provisto de unos segundos medios de impulsión adecuados para obtener un caudal de recirculación de entre 1 a 25 veces el caudal de transvase o de alimentación a este segundo circuito de recirculación; un conducto de extracción con una válvula de presión para la extracción en continuo de una fracción del caudal de recirculación del segundo circuito; y una cámara de expansión, conectada al conducto de extracción.
En una variante, la instalación comprende medios para inyectar en el primer circuito de recirculación vapor procedente de la cámara de expansión.
Según una forma de realización de interés, los segundos medios de bombeo son aptos para suministrar un caudal de alimentación al segundo circuito de recirculación con una presión de entre 3 bar y 20 bar.
De acuerdo con otra característica de interés, el primer y el segundo circuitos de recirculación están provistos de sistemas de purga de gases no condensables y vapor no condensado.
De acuerdo con otra característica de interés, la instalación comprende medios para inyectar vapor al segundo circuito de recirculación a una temperatura de entre 130 °C a 220 °C. Preferentemente, los primeros medios de bombeo son capaces de suministrar un caudal de alimentación al primer circuito de recirculación cuya relación con la capacidad de dicho primer circuito de recirculación cumpla con la siguiente relación:
l
6s≤ < 30min
Qa siendo C1 el volumen o la capacidad del primer circuito de recirculación, y Qa el caudal de alimentación.
Opcional o simultáneamente, los segundos medios de bombeo son capaces de suministrar un caudal de transvase al segundo circuito de recirculación cuya relación con la capacidad de dicho segundo circuito de recirculación cumpla con la siguiente relación:
C2
6s≤ < 30min
Qt siendo C2 el volumen o la capacidad del segundo circuito de recirculación, y
Qt el caudal de transvase o de alimentación al segundo circuito de recirculación.
Breve descripción de las figuras
La Fig. 1 , es un esquema de una instalación para la puesta en práctica del procedimiento según una variante de la invención.
Explicación de una forma de realización
A continuación se describe en mayor detalle el procedimiento según la invención y los medios para su puesta en práctica, haciendo referencia para ello al esquema de la Fig. 1 .
La Fig. 1 muestra esquemáticamente una instalación 17 que comprende un conducto de alimentación 1 para el suministro de la materia orgánica que se pretende hidrolizar con una concentración que puede variar entre el 1 y el 30% de sólidos totales.
La masa de materia orgánica a tratar es bombeada por unos primeros medios de bombeo 2, formados por una o un grupo de bombas, hasta el primer circuito 3 de recirculación, al que también nos referiremos como circuito de precalentamiento 3, en el que se lleva a cabo una etapa de precalentamiento de la materia orgánica y de recuperación de vapor como se explica más adelante. Los medios de bombeo 2 son aptos para el trasiego de sólidos y deben ser capaces de suministrar de forma constante un caudal de alimentación Qa a la presión requerida por el circuito de precalentamiento 3.
El circuito de precalentamiento 3 está construido con tubo de cualquier acero comercial, incluido acero inoxidable o aleaciones poco sensibles a la corrosión. Su volumen ha de ser suficiente para que el tiempo hidráulico de la alimentación pueda variar entre 6 segundos y 30 minutos. La presión de operación del circuito de precalentamiento 3 puede variar entre 1 y 5 bar.
En la práctica, el circuito de precalentamiento 3 es un bucle o anillo de recirculación interna, en el que unos primeros medios de impulsión 4, formados por una bomba, son capaces de impulsar un elevado caudal de circulación de la masa de materia orgánica con el objetivo de garantizar una buena mezcla, acompañada de una correcta condensación del vapor y de la consiguiente homogeneidad de temperatura que se alcanza en tiempos extremadamente cortos. En función de las características reológicas de la masa circulante el caudal de circulación en el circuito de precalentamiento varía entre 1 y 25 veces el caudal de alimentación Qa. Ventajosamente, la elevada circulación también consigue eliminar los problemas de incrustación y depósito de sólidos reportados por otras tecnologías que operan con velocidades muy bajas. Repárese en que vapor 15 procedente de la cámara de expansión 14 se introduce en el circuito de precalentamiento 3 mediante un dispositivo interno 5 que favorece su mezcla con el caudal de alimentación Qa y de recirculación interna. Se contempla que este dispositivo interno 5 sea cualquier solución basada en variaciones de velocidad, boquillas, efecto Venturi, o mezcladores estáticos, cuyo objetivo sea favorecer la mezcla de las corrientes implicadas.
Por otro lado, para que la presión en el circuito de precalentamiento 3 se mantenga, se provee al circuito de precalentamiento 3 de un sistema de purga 6 de gases no condensables y de vapor no condensado. Esta corriente de gases se conduce al sistema de tratamiento correspondiente, que cae fuera de los límites de la invención.
Una fracción de la corriente que en continuo circula por el circuito de precalentamiento 3, cuya temperatura puede variar en función de las condiciones de operación entre 90 y 140 °C, es extraída e impulsada a través de un conducto de transvase 18 y mediante unos segundos medios de bombeo 7 hasta el segundo circuito de recirculación 8, al que también nos referimos como circuito de reacción 8. Los medios de bombeo 7 son aptos para el trasiego de sólidos y han de ser capaces de comunicar presiones de hasta 20 bar. Preferentemente, deben ser capaces de suministrar de forma constante un caudal de transvase Qt al circuito de reacción 8 a la presión requerida por este circuito de reacción 8. El circuito de reacción 8 está construido con tubo de cualquier acero comercial, incluido acero inoxidable o aleaciones poco sensibles a la corrosión. Su volumen ha de ser suficiente para que el tiempo hidráulico de la alimentación pueda variar entre 6 segundos y 30 minutos. La presión de operación en el circuito de reacción 8 puede variar entre 3 y 20 bar, lo que conduce a temperaturas de operación que varían entre los 130 y los 220 °C. El circuito de reacción 8, al igual que el circuito de precalentamiento 3, es en realidad un bucle o anillo de recirculación interna en el que unos correspondientes segundos medios de impulsión 9 son capaces de impulsar un elevado caudal de circulación de la masa de materia orgánica con el objetivo de garantizar una buena mezcla, acompañada de una correcta condensación del vapor y de la consiguiente homogeneidad de temperatura que es alcanzada en tiempos extremadamente cortos. En función de las propiedades reológicas de la masa en reacción el caudal de recirculación varía entre 1 y 25 veces el caudal de alimentación, eso es del caudal de transvase Qt. Ventajosamente, la elevada circulación también consigue en este segundo circuito de recirculación 8 eliminar los problemas de incrustación y depósito de sólidos reportados por otras tecnologías que operan con velocidades significativamente más bajas. El vapor 10 suministrado al circuito de reacción 8 para mantener la temperatura de reacción deseada se produce en la instalación 17 del ejemplo en una caldera que no es objeto de esta invención. El vapor 10 se introduce en el circuito de reacción 8 mediante otro dispositivo interno 1 1 que favorece su mezcla con las corrientes de alimentación y recirculación interna. Se prevé que el dispositivo interno 1 1 sea cualquier solución basada en variaciones de velocidad, boquillas, efecto Venturi, o mezcladores estáticos, cuyo objetivo sea favorecer la mezcla de las corrientes implicadas.
Para que la presión en el circuito de reacción 8 se mantenga, se provee al circuito de reacción 8 de un correspondiente sistema de purga 12 de gases no condensables y de vapor no condensado. Esta corriente de gas se conduce al sistema de tratamiento correspondiente, que cae fuera de los límites de la invención. Una fracción del caudal circulante sometido a las condiciones de elevada presión y temperatura en el circuito de reacción 8 es extraída de éste, en continuo, y conducida mediante un conducto de extracción 19 y a través de la correspondiente válvula de expansión 13, o de descompresión, hasta la cámara de expansión 14, dimensionada como cámara de flash convencional, en la que por efecto de la súbita descompresión parte del agua que acompaña a los sólidos presentes se vaporiza obteniéndose vapor 15 que es conducido al dispositivo de mezcla 5 del circuito de precalentamiento 3. El sólido hidrolizado 16 abandona el proceso y es conducido al proceso de digestión anaerobia, que no forma parte de la presente invención.
Ejemplo de realización de una puesta en práctica
Se describe a continuación una instalación que opera en continuo y que trata fango secundario procedente de un proceso de fangos activos generados en una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas.
El fango secundario empleado es previamente concentrado mediante centrifugación, hasta alcanzar valores comprendidos entre 10 y 20% en sólidos totales. De acuerdo con el diseño de la instalación, el caudal promedio de alimentación Qa suministrado por los medios de bombeo 2 al circuito de precalentamiento 3 es de 2 m3/h.
Para garantizar la homogeneidad de la mezcla que circula por el circuito de precalentamiento 3, sus medios de impulsión 4 se comandan para mover un caudal de 20 m3/h, por lo que la relación de recirculación interna es de 20/2 = 10.
Como el circuito de precalentamiento 3 trabaja con nivel constante, de acuerdo con el balance global de materia del procedimiento, la misma cantidad de materia que entra como suma de los caudales de alimentación Qa y de la corriente de vapor 15, sale del circuito de precalentamiento 3 a través del sistema de purga 6 y del conducto de transvase 18. De acuerdo con la práctica, a efectos del balance global de materia la corriente de gases no condensables y vapor no condensado es despreciable. En las condiciones de operación del presente ejemplo, los sensores de temperatura colocados a los largo del circuito de precalentamiento 3, no representados en el esquema de Fig. 1 , permiten controlar que existe una temperatura constante lo que indica que se alcanza el grado de homogeneidad objetivo.
El valor promedio de la temperatura en el circuito de precalentamiento 3 es de 100 °C, correspondiente a la operación a presión atmosférica de 1 bar. En función del caudal de alimentación Qa vehiculado por los primeros medios de bombeo 2 el tiempo de residencia en el circuito de precalentamiento 3 deviene de 6 min.
Se entiende por tiempo de residencia el tiempo de residencia hidráulico o Trh, que se define como la relación entre el volumen del circuito de precalentamiento 3 y el caudal de alimentación Qa. Es decir, es el tiempo promedio que una masa de sólido que ingresa en el circuito de precalentamiento 3 se demora en salir de él, luego en ser transvasado al circuito de reacción 8.
En el presente ejemplo, siendo Trh = C1/Qa donde C1 es el volumen o la capacidad del primer circuito de recirculación 3 y Qa el caudal de alimentación, el valor de Thr es de 6 minutos.
Del circuito de precalentamiento 3 es extraído en continuo un caudal de transvase Qt que es alimentado al circuito de reacción 8 mediante los medios de bombeo 7, capaces de incrementar la presión hasta 8 bar.
De forma similar al circuito de precalentamiento 3, los medios de impulsión 9 del circuito de reacción 8 se comandan para vehicular un caudal diez veces superior al caudal Qt de transvase o entrada efectiva al citado circuito de reacción 8, de forma que la relación de recirculación interna es igual a diez -10 -, garantizado una homogeneidad de la masa circulante que puede controlarse mediante sensores de temperatura colocados a los largo del circuito de reacción 8. Como el circuito de reacción 8 trabaja con nivel constante, de acuerdo con el balance global de materia del procedimiento, la misma cantidad de materia que entra en el circuito de reacción 8, eso es la suma del caudal de transvase Qt y la corriente de vapor 10, sale del citado circuito de reacción 8 a través del sistema de purga 12 y del conducto de extracción 19. De acuerdo con la práctica, a efectos del balance global de materia la corriente de gases no condensables y vapor no condensado es despreciable, por lo que a través de la válvula de expansión 13 circula la suma del caudal de transvase Qt que procede de la etapa de precalentamiento y del vapor condensado en el circuito de reacción 8 de la corriente de vapor 10. Con el caudal de transvase Qt impulsado por los medios de bombeo 7 el tiempo hidráulico de residencia en el circuito de reacción 8 deviene de 10 minutos.
Luego en el presente ejemplo, siendo Trh = C2/Qt donde C2 es el volumen o la capacidad del segundo circuito de recirculación 8 y Qt el caudal de transvase o de alimentación del segundo circuito de recirculación, el valor de Thr es de 10 minutos.
En el ejemplo, la cámara de expansión 14 opera a presión atmosférica y la corriente de fango hidrolizado 16 abandona el sistema a 100 °C, al igual que la corriente de vapor 15 que se conduce al circuito de precalentamiento 3.
La eficacia del procedimiento queda demostrada al comprobar en una instalación de digestión anaerobia que el lodo secundario, así hidrolizado térmicamente, tiene una productividad de biogás un 50% superior a la del lodo secundario fresco.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1 . - Procedimiento que opera en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica, que comprende una etapa de precalentamiento, una etapa posterior de reacción y una etapa más posterior de despresurización, caracterizado porque la etapa de precalentamiento comprende la operación de hacer recircular materia orgánica a hidrolizar en un primer circuito de recirculación sometiéndola a unas condiciones de temperatura de entre 70 °C y 140 °C; porque la etapa de reacción comprende la operación de hacer recircular en un segundo circuito de recirculación materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación sometiéndola en el segundo circuito de recirculación a unas condiciones de temperatura de entre 130 °C y 220 °C y de presión de entre 3 bar y 20 bar; y porque la etapa de despresurización comprende la descompresión súbita de materia orgánica extraída en continuo del segundo circuito de recirculación.
2. - Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque las operaciones de alimentación y extracción de materia orgánica a hidrolizar en el primer circuito de recirculación; y la operación de alimentación en el segundo circuito de recirculación de la materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación se realizan en régimen continuo.
3. - Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa de precalentamiento se inyecta en el primer circuito de recirculación vapor recuperado de la etapa de descompresión.
4. - Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente de alimentación de materia orgánica al primer circuito de recirculación se selecciona para que el tiempo de residencia hidráulico sea de 6 s a 30 min.
5. - Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente de materia orgánica extraída del primer circuito de recirculación y alimentada al segundo circuito de recirculación se selecciona para que el tiempo de residencia hidráulico en este segundo circuito de recirculación sea de 6 s a 30 min.
6. - Procedimiento según las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque el tiempo de residencia hidráulico en el primer y segundo circuitos es de 5 min a
15 min.
7. - Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa de despresurización se lleva a cabo en una cámara flash que opera a una presión absoluta de entre 0,5 y 1 ,4 bar.
8. - Instalación (17) para la puesta en práctica del procedimiento según la reivindicación 1 , caracterizada porque comprende un primer y un segundo circuitos de recirculación (3, 8) de materia orgánica a tratar hidráulicamente conectados en serie, medios para la continua alimentación de materia orgánica al primer circuito de recirculación; para el transvase de al menos una fracción de ésta del primer circuito de recirculación al segundo circuito de recirculación que le sigue; y para la extracción de materia orgánica del segundo circuito de recirculación.
9. - Instalación (17) según la reivindicación anterior, caracterizada porque comprende
- un conducto de alimentación (1 ) con unos primeros medios de bombeo (2) para el suministro de un caudal de alimentación Qa de materia orgánica a hidrolizar;
- un primer circuito de recirculación (3), o de precalentamiento, conectado al conducto de alimentación y provisto de unos primeros medios de impulsión (4) adecuados para obtener un caudal de recirculación de entre 1 a 25 veces el caudal de alimentación Qa;
- un conducto de transvase (18) con unos segundos medios de bombeo
(7) para el transvase de una fracción del caudal de recirculación del primer circuito de recirculación a
- un segundo circuito de recirculación (8), o de reacción, conectado al conducto de transvase y provisto de unos segundos medios de impulsión (9) adecuados para obtener un caudal de recirculación de entre 1 a 25 veces el caudal de transvase Qt o de alimentación a este segundo circuito de recirculación;
- un conducto de extracción (19) con una válvula de expansión (13) para la extracción en continuo de una fracción del caudal de recirculación del segundo circuito; y
- una cámara de expansión (14), conectada al conducto de extracción.
10. - Instalación (17) según la reivindicación anterior, caracterizada porque comprende medios para inyectar en el primer circuito de recirculación (3) vapor
(15) procedente de la cámara de expansión (14).
1 1 . - Instalación (17) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizada porque los segundos medios de bombeo (9) son aptos para suministrar un caudal de alimentación al segundo circuito de recirculación con una presión de entre 3 bar y 20 bar.
12. - Instalación (17) según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 1 1 , caracterizada porque el primer y el segundo circuitos de recirculación (3; 8) están provistos de sistemas de purga (6, 12) de gases no condensables y vapor no condensado.
13. - Instalación (17) según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizada porque comprende medios para inyectar vapor (10) al segundo circuito de recirculación (8) a una temperatura de entre 130 °C a 220 °C.
14. - Instalación (17) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizada porque los primeros medios de bombeo (2) son capaces de suministrar un caudal de alimentación Qa al primer circuito de recirculación (3) cuya relación con la capacidad de dicho primer circuito de recirculación cumpla con la siguiente relación:
l
6s≤ <30min ,
Qa siendo C1 el volumen o la capacidad del primer circuito de recirculación, y Qa el caudal de alimentación
15.- Instalación (17) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizada porque los segundos medios de bombeo (7) son capaces de suministrar un caudal de transvase Qt al segundo circuito de recirculación (8) cuya relación con la capacidad de dicho segundo circuito de recirculación cumpla con la siguiente relación:
C2
6s≤ <30min ,
Qt siendo C2 el volumen o la capacidad del segundo circuito de recirculación, y
Qt el caudal de transvase o de alimentación al segundo circuito de recirculación.
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