ES2209399T3 - Procedimiento para la pirolisis de cargas de alimentacion carbonosas. - Google Patents
Procedimiento para la pirolisis de cargas de alimentacion carbonosas.Info
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Abstract
Procedimiento para la conversión térmica de productos de alimentación carbonosos seleccionados a partir de biomasa y residuos orgánicos, en cuyo método: - el producto de alimentación es alimentado a un reactor de lecho fluidizado (1-3; 41, 42, 52), en el que el producto de alimentación es convertido a elevada temperatura bajo la influencia de materia en partículas mantenida en estado fluidizado por un gas fluidizante, - la materia en partículas es transferida desde el reactor a un regenerador (24, 28, 29; 43-45) para su regeneración, y a continuación es recirculada al reactor después de la regeneración, y - los productos de hidrocarburos convertidos son recuperados del reactor, caracterizado por la utilización de: - un reactor (1-3), que comprende un conducto vertical (13; 41) que tiene una sección transversal axialmente anular y que está equipado con un ciclón de entradas múltiples (14, 17; 50) para la separación de materia en partículas, y un regenerador (24, 28, 29; 43-45), que comprende un conducto vertical (24) que tiene una sección transversal axialmente anular y que está montado concéntricamente con respecto al reactor utilizado, estando equipado dicho regenerador de un ciclón de entradas múltiples (25, 26; 51) para separación de la materia en partículas regenerada.
Description
Procedimiento para la pirólisis de cargas de
alimentación carbonosas.
La presente invención se refiere a procesos de
conversión térmica, en particular a pirólisis de productos
carbonosos, tales como biomasa y desperdicios orgánicos. De acuerdo
con este procedimiento, el material carbonoso es alimentado a un
reactor, en el que dicho material es convertido a una temperatura
moderada, en presencia de un medio de transferencia de calor que
comprende una materia en partículas. La materia en partículas se
mantiene en estado fluidizado con un gas de fluidización. Después
de la pirólisis, el material en partículas es separado de los
productos de hidrocarburos, es regenerado por combustión y
recirculado al reactor. Los productos de la pirólisis comprenden
sólidos, líquidos y/o gases que son recuperados del reactor.
Opcionalmente, estos productos son sometidos a otras etapas de
proceso, por ejemplo, por condensación de los hidrocarburos
vaporizados.
La preocupación continuada y creciente de la
sociedad en cuanto a problemas ambientales relativos a la
utilización de combustibles fósiles y a la eliminación de
materiales de desperdicio ha conducido a investigaciones y al
desarrollo y comercialización de una amplia variedad de tecnologías
con el objetivo de favorecer la recogida, proceso y utilización de
materiales de manera responsable frente al medio ambiente.
En la actualidad, la utilización incrementada de
materiales basados en productos orgánicos procedentes de flujos de
desperdicios sólidos y residuos forestales o cosechas cultivadas a
propósito queda dificultado por los costes relativamente elevados
en comparación con las infraestructuras existentes para utilizar
sistemas de combustibles fósiles. Estos elevados costes son debidos
tanto a los elevados costes del material como a los elevados costes
de conversión. Los elevados costes de conversión se relacionan con
el bien conocido problema de la economía de escala, que es
provocado por la distribución extensa de las materias primas, lo
cual conduce a elevados costes de recogida y transporte. En términos
de conversión de la biomasa, el objetivo principal consiste en
incrementar la concentración de energía en el producto final a
efectos de minimizar los costes durante la utilización. Los
líquidos son también preferentes debido a la facilidad de
manipulación, expedición y almacenamiento así como por sus
favorables características de utilización.
En términos generales, la pirólisis es un proceso
de degradación térmica en el que las moléculas grandes son
fracturadas o craquizadas en moléculas más pequeñas. Se puede
utilizar para convertir una serie de materiales sólidos o líquidos
en una forma más fácilmente utilizable y, en realidad, se ha
utilizado para la producción de carbón vegetal y alquitranes de
alta viscosidad a partir de biomasa desde hace siglos. El
procedimiento puede ser descrito como proceso de craquización
térmica o despolimerización en ausencia o casi ausencia de oxígeno.
Durante estos últimos 10-20 años, la tecnología ha
sido modificada para hacer máximos los rendimientos de líquido al
incrementar la tasa de calentamiento encima de 1000ºC/segundo,
reduciendo el tiempo de permanencia del vapor a menos de 15 segundos
y mejorando la recuperación del producto con un apagado rápido.
Dependiendo del material de partida, los equipos
convencionales de pirólisis comprenden un secador para la materia
prima, opcionalmente un triturador mecánico para la reducción de
dimensiones, un sistema de alimentación, un reactor, ciclones para
la eliminación de sólidos a partir del flujo de vapor, un
dispositivo de combustión para proporcionar calor para la reacción y
recipientes para el sistema de eliminación y recuperación de
sólidos. Además, se incluye frecuentemente un dispositivo de
combustión de carbón para proceso del calor. Los reactores
funcionan con una sobrepresión ligera.
El equipo para el proceso antes descrito se
utiliza para la conversión térmica conocida como pirólisis
"flash" o "rápida". Cuando se aplica a partículas
pequeñas de biomasa (espesor < 5 mm) y temperaturas de 400 a
700ºC, los rendimientos de líquidos son de 65 a 75% en peso. Los
otros productos del proceso son carbón (10 a 15% en peso) y gases
no condensables tales como metano CH_{4}, monóxido de carbono CO
y dióxido de carbono CO_{2} (10 a 15% en peso).
La proporción de sólidos a líquidos a gases se
determina por la tasa de calentamiento y la temperatura máxima, y
depende en general del material de partida específico. Si se tiene
que hacer máxima la proporción de productos líquidos, es conocido
en esta técnica que las más ventajosas son temperaturas intermedias
comprendidas en una gama de 400 a 600ºC y tiempos de permanencia
relativamente cortos de 0,5 a 5 segundos. Estas condiciones de
proceso proporcionan rendimientos elevados, del orden de 65 a 75%
en peso del material alimentado.
En esta técnica, se produce calor para la
reacción de pirólisis endotérmica en un quemador o regenerador
separado por la combustión de gases no condensables, alquitrán y
combustibles sólidos producidos en el proceso. El calor es
transferido desde el quemador al reactor por partículas sólidas, por
ejemplo, arena. Después de la reacción química, los sólidos pueden
ser cubiertos por alquitrán que quema en el quemador. Los sólidos
(combustible y arena) son retirados en general de la corriente de
gas mediante uno o varios dispositivos ciclónicos, que son
colocados después del reactor.
Los procedimientos para la pirólisis de
materiales carbonosos y de los equipos utilizados en los procesos
se explican en las siguientes patentes:
W.M. Hearon y otros "Preparation of
Unsaturated Hydrocarbons from Oxygen Containing Organic
Materials" Patente USA Nº 3.148.227 de 8 de septiembre de
1964.
C.K. Choi, "Process and Apparatus for
Rapid Pyrolysis of Carbonaceous Materials" Patente USA Nº
4.101.412 de 18 de julio de 1978.
E.L. Capener, M. Low. "Method and
Apparatus for converting Solid Organic Material to Fuel Oil and
Gas" Patente USA Nº 4.344.770 de 17 de agosto de
1982.
E. Chornet, C. Roy, "Organic
Products and Liquid fuels from Lignocellulosic Materials by Vacuum
Pyrolysis" Patente de Canadá Nº 1.163.595 de 13 de marzo de
1984.
D.S, Scott "Pyrolysis Process for
Biomass" Patente de Canadá Nº 1.241.541 de 6 de junio de
1988.
D.A, Berg. "Method and Apparatus for
Rapid Thermal Processing" Patente de Canadá Nº 1.283.880 de 5 de
mayo de 1991.
La presente tecnología se ve dificultada por
algunos problemas significativos. Así, por ejemplo, a efectos de
conseguir elevada calidad del producto, es necesario eliminar el
porcentaje de sólidos más elevado posible con respecto a los gases
antes de la condensación. Los sólidos que permanecen en el producto
líquido reducen significativamente la calidad del producto al
taponar pasos pequeños en las bombas, conductos de combustible y
toberas, y se sospecha también que conducen a un incremento de la
polimerización y subsiguiente incremento de la viscosidad del
combustible líquido.
En la técnica relacionada que se ha mencionado,
los ciclones convencionales y reactores separados y regeneradores
utilizados presentan fuertes limitaciones que restringen su
utilización en procesos de pirólisis de biomasa. Por esta razón,
los sólidos son sometidos a elevadas velocidades en los ciclones
tradicionales, lo cual conduce a elevado desgaste tanto de sólidos
como de materiales de construcción. Los equipos requeridos son
grandes y pesados. Las superficies externas son grandes, lo que
provoca grandes pérdidas por radiación. Las distancias verticales
para el transporte de sólidos son largas, lo que requiere costosos
equipos de control del proceso.
Es un objetivo de la presente invención eliminar
los problemas de la técnica anterior y conseguir un nuevo proceso
de pirólisis de biomasa, de desperdicios orgánicos y productos
carbonosos similares.
Es otro objetivo de la presente invención dar a
conocer un aparato nuevo para la pirólisis de los materiales antes
mencionados.
Esos y otros objetos, así como las ventajas de
los mismos con respecto a los procesos conocidos, que quedarán
evidentes por la descripción siguiente, se consiguen mediante la
invención tal como se describirá y se reivindicará a
continuación.
La presente invención se basa en la utilización
de un sistema de reacción que utiliza como mínimo dos reactores de
lecho fluidizado o regeneradores térmicos concéntricos
interiormente de forma cilíndrica, de tipo químico o físico que
comprenden ciclones de entradas múltiples, lo que permite la
conversión térmica o pirolización de materiales carbonizables en
una serie de productos líquidos, sólidos y gaseosos.
En particular, el procedimiento según la presente
invención comprende la pirolización de una biomasa o de residuos
orgánicos a temperaturas de más de 400ºC en un aparato que
comprende un reactor con una columna vertical que tiene una sección
transversal axialmente anular y que está equipado de un ciclón de
entradas múltiples para la separación de materia en partículas, y un
regenerador con una columna vertical que tiene una sección
transversal axialmente anular y que está dispuesto concéntricamente
con respecto al reactor utilizado, estando dicho regenerador dotado
también de un ciclón de entradas múltiples para la separación de la
materia en partículas regenerada. De acuerdo con la invención, el
"dipleg" del regenerador comunica con la columna vertical de
la unidad de reacción y con la unidad de secado.
De manera más específica, el proceso de acuerdo
con la presente invención se caracteriza principalmente por la
parte caracterizante de la reivindicación 1.
El aparato según la invención se caracteriza por
lo que se indica en la parte caracterizante de la reivindicación
15.
La presente invención consigue considerables
ventajas. Así, por ejemplo, el problema tradicional del contenido
elevado de sólidos en productos líquidos ha sido minimizado y es
posible producir un aceite de pirólisis, cuya calidad es superior a
la del aceite producido con los procesos de la técnica anterior. La
incorporación de ciclones de entradas múltiples en la configuración
del reactor reduce las velocidades del gas, reduce las dimensiones
físicas de los ciclones y acorta el tiempo de permanencia de los
gases en el ciclón. Esto conduce directamente a una reducción del
área de la pared externa de los reactores calientes, que, como
consecuencia, conduce a menos exigencias en material y por lo tanto
a un reactor más económico. Además, las velocidades de gas más
reducidas reducen el desgaste de los materiales de construcción.
A continuación, la invención se describirá de
manera más detallada haciendo referencia a los dibujos
adjuntos.
La figura 1 muestra una vista lateral en sección
de una realización preferente del aparato de pirólisis de acuerdo
con la presente invención.
La figura 2 muestra una sección parcial de una
estructura simplificada de otra realización preferente de la
presente invención.
Dentro del alcance de la presente invención, los
términos "conversión térmica" y "pirólisis" serán
utilizados de manera intercambiable para indicar un proceso térmico
en el que el material orgánico seleccionado a partir de biomasa y
desperdicios orgánicos es tratado a temperaturas moderadas o
elevadas para producir productos útiles sólidos, líquidos y/o
gaseosos.
En el contexto de la conversión térmica, las
"temperaturas moderadas" son temperaturas comprendidas en una
gama desde unos 400ºC a unos 800ºC, de manera típica hasta 600ºC,
de manera que las "temperaturas elevadas" son temperaturas que
superan los 800ºC. La expresión "temperatura elevada" se
refiere a ambas gamas de temperatura.
Los términos "regenerador", "recalentador
de sólidos" y "dispositivo de combustión de carbón" se
utilizan como sinónimos para describir una zona de reacción en la
que partículas de transferencia de calor son recalentadas para la
combustión de cualesquiera productos de pirólisis acumulados en la
superficie de las partículas y para incrementar el contenido de
calor de la materia en partículas.
El sistema de pirólisis de la presente invención
lleva a cabo la conversión térmica de materiales de entrada
carbonizables en carbón, gases condensables y gases no
condensables. El proceso comprende las etapas de secar y triturar el
material de alimentación, convertir térmicamente o pirolizar el
material de alimentación en presencia de un medio de transferencia
de calor, separar productos y medio de transferencia de calor,
regenerando medio de transferencia de calor y recuperando los
productos de la conversión térmica.
El aparato comprende de manera típica un
dispositivo de alimentación del producto, un reactor de pirólisis
tipo flash, una entrada de gas de fluidización, un ciclón o
ciclones de entradas múltiples, un recalentador o regenerador de
arena, condensadores y almacenamiento de líquido para los líquidos
producidos por pirólisis.
Dependiendo del tipo y forma del material, el
material introducido es secado en primer lugar hasta un contenido
de humedad de 5 a 25%, preferentemente 7 a 12%, y opcionalmente
convertido en una materia prima finamente dividida de dimensiones
apropiadas.
Un medio de transferencia de calor que comprende
sólidos, por ejemplo, arena, pero que también puede incluir
catalizadores, es fluidizado por un gas esencialmente libre de
oxígeno, tal como gas de combustión, en un espacio de reactor, en
el que se alimenta un material de entrada. El medio de transferencia
de calor forma un lecho fluidizado dentro del espacio del reactor.
El lecho fluidizado puede ser formado en un reactor de tipo
convencional, tal como un reactor de lecho fluidizado, o bien el
reactor puede ser un reactor de lecho fluidizado circulante (CFBR).
En este último tipo, las velocidades de fluidización son tan
elevadas que la superficie del lecho ya no queda bien definida sino
que queda substituida por una zona en la que el contenido de
sólidos disminuye lentamente con la altura. Si las partículas son
finas, esto conduce a una fluidización rápida en la que el arrastre
de sólidos tiene lugar a velocidades tan elevadas que, en general,
los lechos fluidizados rápidos pueden ser mantenidos solamente por
recirculación de los sólidos arrastrados con intermedio de
ciclones.
De acuerdo con la presente invención, la
conversión térmica del producto de alimentación se lleva a cabo en
un reactor circulante de lecho fluidizado, en el que el espacio de
reacción, es decir, el espacio de fluidización del reactor,
comprende un espacio interior de la envolvente de sección
transversal axialmente anular que permanece entre dos cilindros
situados concéntricamente o conos, en cuyo espacio el producto de
alimentación es suspendido o vaporizado en primer lugar en el lecho
fluidizado y a continuación es convertido en productos de reacción
a elevada temperatura.
La temperatura, velocidad y masa del material del
lecho calentado se ajustan de manera tal que el proceso de
pirólisis resultante hace máximo rendimiento del producto deseado.
El material de entrada es calentado con rapidez por el medio de
transferencia de calor caliente con tiempos de permanencia
comprendidos entre 0,01 y 10 segundos, preferiblemente de 0,1 a 2
segundos, hasta una temperatura final de 450 a 600ºC, y por lo tanto
se convierte térmicamente o se piroliza en gases y sólidos
utilizables.
Los sólidos y materiales del lecho son retirados
a continuación en un porcentaje superior a 99,5% del gas de
reacción por medio de un ciclón de entradas múltiples (a
continuación, se indicará también con la expresión
"multiabertura"), que está situado directamente por encima del
espacio vertical del reactor axialmente anular. Esta disposición
hace posible acortar el tiempo de permanencia de la reacción, porque
un ciclón de aberturas múltiples ofrece una sepación más rápida y
más eficaz del material en partículas del flujo de gas de reacción
con respecto a un ciclón de abertura única. Desde el ciclón, la
materia en partículas puede ser recirculada a un regenerador con
intermedio de un canal de retorno de sólidos, o el dipleg
descendente, que está formado por el espacio intermedio de sección
transversal axialmente anular que se forma entre dos cilindros o
conos dispuestos concéntricamente.
De acuerdo con una realización preferente, el
regenerador comprende un conducto vertical y un dipleg de
construcción similar a la del reactor antes descrito y dispuesto
concéntricamente alrededor del reactor para conseguir una
construcción compacta.
En el regenerador, los sólidos son fluidizados a
continuación por aire u otro gas que contine oxígeno. El carbón es
quemado mientras fluye verticalmente con el aire en el reactor
regenerador externo circundante o dispositivo de combustión de
carbón. La combustión aumenta la temperatura del material del lecho
a las condiciones operativas requeridas en el reactor.
Tal como se ha mencionado anteriormente, los
conductos verticales y diplegs del reactor y del regenerador tienen
secciones transversales axialmente anulares y están dispuestos
coaxialmente. De acuerdo con otra realización preferente de la
invención, el secador utilizado para el tratamiento del producto de
alimentación comprende un tercer conducto ascendente con el
correspondiente dipleg montado concéntricamente alrededor del
reactor y regenerador combinados. Es posible disponer canales para
la recirculación interna dentro de, como mínimo, uno de dichos
secador, reactor y recalentador de sólidos, así como para conseguir
comunicación entre el dipleg del secador y el conducto vertical del
recalentador de sólidos y entre el dipleg del regenerador y el
conducto vertical del reactor. El dipleg del reactor puede ser
combinado con los conductos verticales del secador y del
regenerador.
Los gases de pirólisis producidos pueden ser
canalizados a una serie de condensadores donde son condensados con
los gases no condensables que continúan volviendo al secador o al
dispositivo de combustión de carbón para la recuperación de
energía.
Una amplia variedad de materiales de partida
puede ser utilizada como materiales de entrada para el sistema del
reactor. El denominador común de los materiales del producto de
alimentación es que contienen carbón o son carbonosos. Éstos pueden
ser divididos en dos categorías principales: biomasa y
desperdicios.
El producto de alimentación de biomasa se
selecciona preferentemente a partir de residuos y sobrantes
forestales; residuos agrícolas, tales como paja, residuos de
aceitunas; cosechas destinadas a generación de energía tales como
sauce, heno destinado a producción de energía, Miscanthous; y
turba.
Los desperdicios son preferentemente orgánicos,
sólidos o líquidos, y son seleccionados entre combustible derivado
de desperdicios (RDF); desperdicios de serradoras, madera de
contrachapado, muebles y otros desperdicios mecánicos forestales;
desperdicios plásticos; y emulsiones de desperdicio (incluyendo
desperdicios industriales y urbanos).
Un aparato según la nueva construcción comprende
un reactor interno con una sección transversal del conducto
vertical axialmente anular y un recalentador externo de sólidos, en
el que las partículas sólidas contaminadas y enfriadas pueden ser
recalentadas y devueltas nuevamente al proceso. En la siguiente
descripción, los sólidos circulantes se designan con la abreviatura
"CS".
Haciendo referencia a continuación a la figura 1,
se puede observar que el aparato de acuerdo con la primera
realización de la presente invención comprende dos reactores
cilíndricos adaptados concéntricamente CS, separados por una
envolvente intermedia (22) uno de otro, de los que el interior será
designado más adelante el "reactor" o "unidad de reacción"
y el externo será designado "regenerador" o "unidad de
regeneración".
La unidad del reactor está constituida a partir
de dos o, tal como se ha mostrado en la figura, preferentemente
tres, tubos esencialmente cilíndricos montados concéntricamente
(1), (2) y (3), cuyos espacios entre tubos (20), (19) y (13) tienen
sección transversal axialmente anular. Los tubos pueden quedar
realizados de acero o una aleación equivalente. Entre éstos, la
reacción deseada es llevada a cabo en el espacio (13). Los tubos
son montados con sus ejes longitudinales alineados concéntricamente
de forma vertical. Por encima del espacio del conducto vertical
axialmente anular (13), como continuación de los tubos (2) y (3),
está montado un ciclón de aberturas múltiples (14), (17) con
paletas en forma de persiana (14) fijadas en su pared externa. El
ciclón está dotado de un tubo central (21) para la retirada del gas
producto, mientras se disponen los canales de transferencia (19) y
(20) en el espacio interno del tubo interno de acero (3) para la
retirada de los sólidos separados de la fase gaseosa en el
ciclón.
Por fuera de la envolvente externa (3) del
reactor, la unidad del regenerador comprende tres tubos
esencialmente cilíndricos (4), (5) y (6) montados concéntricamente,
cuyos espacios intertubulares forman los espacios (29), (28) y (24)
de sección transversal axialmente anular. Entre éstos, el
recalentamiento de sólidos es llevado a cabo en un espacio (24).
Desde el interior, la envolvente a presión (6) está recubierta con
una capa de material aislante (7) a efectos de mantener la
temperatura de la envolvente a un nivel razonable para conservar la
resistencia de la envolvente. De manera similar a la del reactor,
por encima del espacio axialmente anular (24), está montado un
ciclón de aberturas múltiples (25), (26), cuyas paletas están
fijadas al tubo cilíndrico (5) o a la envolvente de presión (6). El
ciclón está dotado de un tubo central (30) para la retirada del gas
de chimenea formado en el regenerador, mientras que los canales de
transferencia (28) y (29) quedan dispuestos por medio de tubos de
acero (5) y (6) para la retirada de los sólidos catalíticos
separados de la fase gaseosa en el ciclón.
El flujo de gas de fluidización del reactor queda
designado en el diagrama mediante el numeral de referencia (8). El
flujo de gas (8) entra en el espacio de reacción a través del fondo
de fluidización (12) por encima del cual se mezcla, en primer
lugar, con el catalizador que entra a través del canal de retorno
(20) con intermedio de la válvula (31), y a continuación a mayor
altura en el conducto vertical del reactor, con el flujo del
producto de alimentación (10) inyectado a través de las toberas (17)
o alimentado utilizando el dispositivo de alimentación de husillo
con intermedio de canales (16) hacia dentro del espacio de
reacción. Los flujos de gas mixto (8) y (10) se desplazan en fase
gaseosa a lo largo del conducto anular axialmente (13) transportando
simultáneamente los sólidos arrastrados en las paletas (14) del
ciclón del reactor. El catalizador libera calor a la vaporización
del producto de alimentación y a la reacción que tiene lugar en el
conducto vertical (13), de manera que su temperatura disminuye. De
las paletas (14), el gas y los sólidos arrastrados entran
tangencialmente en el interior de la cámara del ciclón del reactor
interno (17), en la que los sólidos son separados al chocar sobre
la pared interna (18) del ciclón y cayendo a los canales (19) y (20)
de transferencia de sólidos. En caso necesario, una parte de los
sólidos puede ser devuelta como reflujo nuevamente hacia la sección
de fondo del reactor a través de un canal (19) de recirculación
interno axialmente anular. Si bien el canal (19) no es esencial
para la función del aparato, puede ser en algunos casos ventajoso
para la reacción. En el canal (20), los sólidos serpentean de forma
descendente en fase densa, de manera que la mezcla de los flujos de
gas entre el reactor y el regenerador con intermedio de canal de
transferencia de sólidos (20) quedará inhibida. El flujo de gas (11)
que entra en el ciclón del reactor sale del reactor por el tubo
central (21) del ciclón interno. El flujo de sólidos desde el
reactor hacia el regenerador es controlado por medio de una válvula
(31) dotada de un elemento cilíndrico de control, que está dispuesta
con capacidad de desplazamiento mecánico por medio de las barras
(32).
El regenerador está adaptado alrededor del
reactor, de manera que estas unidades están separadas entre sí por
un canal de transferencia (29) lleno de sólidos en fase densa. De
manera similar con el reactor, el regenerador está situado en el
espacio vertical intermedio que se constituye entre dos superficies
envolventes cilíndricas formadas por la envolvente del aparato y el
tubo del reactor montado dentro de la envolvente. Entre dicho tubo
del reactor y dicha estructura de la envolvente cilíndrica externa
del reactor, está montada una pared cilíndrica para proporcionar
dicho canal de transferencia de sólidos (29). Un flujo de gas que
contiene oxígeno (por ejemplo, aire) (9) entra en el recalentador de
sólidos a través del fondo distribuidor de fluidificación (23) y
sube en el canal vertical axialmente anular (24) simultáneamente
arrastrando los sólidos a las paletas (25) del ciclón regenerador.
En el recalentador, el coque posiblemente acumulado sobre la
superficie de los sólidos y los compuestos orgánicos que han
penetrado en los poros del mismo se oxidan, es decir, se queman en
el canal vertical (24), de manera que se eleva la temperatura de
los sólidos. La cámara (26) del ciclón, del regenerador está
situado por encima del reactor propiamente dicho. En la cámara (26)
del ciclón, los sólidos son separados al chocar sobre la pared (27)
del ciclón, cayendo a continuación a los canales (28) y (29). El
canal de retorno (29) pasa los sólidos catalíticos nuevamente al
reactor. La parte en exceso de los sólidos que no entra en el canal
de retorno regresará a la sección de fondo del regenerador en forma
de flujo sobrante a través del canal (28). La materia en partículas
es mantenida ventajosamente en estado fluidizado durante su paso
en el canal interno de retorno, de manera que no es necesaria una
válvula de control. El gas de chimenea (12) del regenerador es
eliminado a través del tubo central (30) del ciclón del regenerador.
Los sólidos que serpentean de forma descendente lentamente, en el
canal de retorno (29) en fase densa, impiden una comunicación entre
los espacios de gas del reactor y el regenerador. La tasa de flujo
de sólidos desde el regenerador hacia el reactor es controlado al
desplazar el elemento cilíndrico de control de la válvula (33) de
forma mecánica, por intermedio de las barras (34) conectadas al
mismo.
Para materiales húmedos tales como materiales
pastosos, polvo de serrín, etc., que comprenden materias sólidas
finamente divididas, se puede utilizar la realización mostrada en
la figura 2. Ésta comprende un aparato de pirólisis que consiste en
un reactor (41) y un dipleg (42). El reactor comprende un canal (52)
para recirculación interna de la biomasa sin reaccionar y los
sólidos. Dicho canal está montado preferentemente entre el reactor
y el dipleg. Las secciones transversales axiales del conducto
vertical, el dipleg y el canal de recirculación son anulares. Un
regenerador o recalentador de sólidos (43) que tiene una sección
transversal axialmente anular está montado concéntricamente dentro
de la unidad (41), (42), (52) del reactor. El regenerador comprende
un canal (44) para la circulación interna de la materia tratada y
un dipleg cilíndrico central (45) que comunica con el canal vertical
del reactor (41). Un secador o unidad de secado
(46-48) está montada concéntricamente alrededor de
la unidad de reacción (41), (42), (52). La construcción del secador
es similar a la del reactor y el regenerador que comprende un canal
para recirculación interna (47) que tiene una sección transversal
axialmente anular y un dipleg (48) de sección transversal
similar.
Cada uno de los conductos verticales que tiene
sección transversal axialmente anular está dotado de ciclones de
entradas múltiples (49-51) en la parte superior
(como continuación de los tubos que definen los conductos
verticales), para separar los sólidos y el gas.
Los canales de conexión y comunicación entre la
unidad de secado, el reactor y el recalentador se han mostrado en
la figura 2. Tal como se aprecia fácilmente, el canal (53) formado
en la parte inferior del aparato proporcionará contacto entre el
dipleg (45) del recalentador y los conductos verticales (41), (46)
del reactor y el secador. El conducto vertical del reactor (41)
está conectado también al dipleg del secador (48). El flujo de
material entre los diplegs de las diferentes secciones con dichos
canales de comunicación es ajustado por medio de las válvulas de
control (54-57).
Para fluidizar los sólidos del reactor (41), los
gases quemados obtenidos, por ejemplo, a partir del recalentador,
pueden ser utilizados. Los gases quemados se utilizan también
preferentemente para el secado del material de alimentación. Aire y
pirogases posiblemente sin condensar (procedentes del reactor)
pueden ser alimentados al recalentador (43) para combustión de los
productos de pirólisis sobre la superficie de los sólidos.
Los productos gaseosos obtenidos del reactor se
pueden condensar en una cascada del condensador (no mostrada) para
producir productos de pirólisis líquidos utilizables, por ejemplo,
como combustibles.
Se recogen residuos forestales y se envían a la
planta de proceso de pirólisis. Para el aparato mostrado en la
figura 1, el producto de alimentación es secado en un secador
separado (no mostrado) hasta conseguir el contenido de humedad
apropiado, normalmente menos de 15 por ciento en peso, y es
triturado, cortado o martillado hasta conseguir el grosor y longitud
apropiados antes de ser alimentado el sistema de reactor mediante
un dispositivo alimentador de husillo.
En la realización mostrada en la figura 2, el
material de alimentación húmedo es alimentado en la sección de
secado, en la que se seca el contenido deseado de humedad,
recirculando como mínimo la parte del material a través del canal
(47). Gases húmedos de chimeneas son liberados del secador y una
parte del secado es conducido a través del dipleg al reactor donde
se mezcla con la materia de transferencia de calor en partículas
(por ejemplo, arena).
Gases quemados del recalentador de
arena/regenerador (43) o gases no condensables procedentes de la
sección de recogida de líquido son comprimidos y alimentados al
reactor (41) para fluidización del lecho. El material de entrada es
alimentado el conjunto del reactor en el fondo del mismo en el punto
en el que el material del lecho calentado es devuelto al
reactor.
En cualquier alternativa, las partículas de
entrada son calentadas rápidamente en 0,5 a 5 segundos a la
temperatura operativa de 450 a 600ºC, donde son sometidas a
conversión térmica o pirólisis formando una mezcla de vapores
condensables, sólidos y gases no condensables. El carbón sólido y el
material del lecho son retirados de la corriente de gas mediante un
ciclón de aberturas múltiples, y los vapores de la pirólisis son
dirigidos a una serie de condensadores donde la temperatura es
rebajada desde una temperatura comprendida entre 450 y 600ºC a una
temperatura final de 40 a 60ºC. Los vapores son condensados y
mezclados consiguiendo un rendimiento final de líquido de 50 a 75
por ciento en peso. Los gases no condensables que se comprimen
principalmente a base de óxido de carbono, monóxido de carbono y
metano son utilizados en el secador como fuente de calor o el
regenerador como fuente de calor o como gas fluidizante.
En la sección de regenerador (43), el material
del lecho es calentado por oxidación de carbón sólido combustible
retirado de la corriente de gas por el ciclón de aberturas
múltiples y asimismo, en caso deseado, por gases no condensables
procedentes del condensador. Como gas fluidizante se utiliza aire
(aire ambiente o aire caliente y húmedo procedente del secador). Los
gases quemados procedentes del regenerador son utilizados para el
gas fluidizante del reactor de pirólisis y/o para el secado del
producto de alimentación junto con el carbón sólido.
Claims (20)
1. Procedimiento para la conversión térmica de
productos de alimentación carbonosos seleccionados a partir de
biomasa y residuos orgánicos, en cuyo método
- -
- el producto de alimentación es alimentado a un reactor de lecho fluidizado (1-3; 41, 42, 52), en el que el producto de alimentación es convertido a elevada temperatura bajo la influencia de materia en partículas mantenida en estado fluidizado por un gas fluidizante,
- -
- la materia en partículas es transferida desde el reactor a un regenerador (24, 28, 29; 43-45) para su regeneración, y a continuación es recirculada al reactor después de la regeneración, y
- -
- los productos de hidrocarburos convertidos son recuperados del reactor,
caracterizado por la utilización de:
- -
- un reactor (1-3), que comprende un conducto vertical (13; 41) que tiene una sección transversal axialmente anular y que está equipado con un ciclón de entradas múltiples (14, 17; 50) para la separación de materia en partículas, y un regenerador (24, 28, 29; 43-45), que comprende un conducto vertical (24) que tiene una sección transversal axialmente anular y que está montado concéntricamente con respecto al reactor utilizado, estando equipado dicho regenerador de un ciclón de entradas múltiples (25, 26; 51) para separación de la materia en partículas regenerada.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en
la que el reactor comprende un espacio vertical intermedio de la
envolvente (13; 41) formado entre dos superficies cilíndricas y/o
cónicas de envolventes situadas concéntricamente.
3. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2,
en el que el tiempo de permanencia de vapor en dicho proceso es de
0,1 – 5 segundos.
4. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, que comprende la utilización de un ciclón
de entradas múltiples (17) dotado de paletas en forma de persiana
(14).
5. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que el reactor (41, 42, 52) es un
reactor de lecho fluidizado circulante que tiene opcionalmente un
canal (52) para circulación interna.
6. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que el regenerador
(43-45) está dotado de un canal (44) para
circulación interna.
7. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que el regenerador está dotado de un
dipleg (29; 45), que comunica con el conducto vertical del
reactor.
8. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que el producto de alimentación es
secado en un secador (46-48) que comprende un
conducto vertical (46) que tiene una sección transversal axialmente
anular y que está dotado de un ciclón de entradas múltiples (49)
para la separación de la materia seca con respecto a los gases
vaporizados.
9. Procedimiento, según la reivindicación 8, en
el que el secador está dotado de un dipleg (48), que comunica con
el conducto vertical (41) del regenerador.
10. Procedimiento, según la reivindicación 8 ó 9,
en el que el secador (46-48) está dotado de un
canal (47) para circulación interna.
11. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 10, en el que el dipleg (45) del regenerador
comunica con el conducto vertical del secador (46).
12. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el producto de alimentación
es convertido térmicamente a una temperatura de 400 - 1000ºC.
13. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el producto de alimentación
es seleccionado entre residuos forestales y sobrantes, residuos de
agricultura, cosechas con destino a la generación de energía,
turba, residuos derivados de combustibles, desperdicios de
serrerías, contrachapados de madera, muebles y cualesquiera
desperdicios forestales, residuos de materiales plásticos y
emulsiones de desperdicio.
14. Procedimiento, según la reivindicación 13, en
el que el producto de alimentación es seleccionado entre paja,
residuos de aceitunas, heno con destino a la generación de energía
y Miscanthous.
15. Aparato para la conversión térmica de
productos de alimentación carbonosos, que comprende:
- -
- una unidad de secado (46-48) para el secado del producto de alimentación,
- -
- una unidad de reacción (41, 42, 52) en la que el producto de alimentación recibe contacto con materiales en partículas fluidizados y calientes, y
- -
- una unidad regeneradora (43-45) para la regeneración de la materia en partículas contaminada en el proceso de la primera unidad,
caracterizado porque
- -
- la unidad de reacción comprende un conducto vertical (41) con una sección transversal axialmente anular y que tiene un ciclón de entradas múltiples (50) para la separación de sólidos con respecto al gas, y
- -
- la unidad del regenerador comprende un reactor de lecho fluidizado circulante (43, 44) y un dipleg (45) montado alrededor de la unidad de reacción (41, 42, 52) en disposición simétricamente concéntrica, cuyo conducto vertical (43) tiene una sección transversal axialmente anular y está dotado de un ciclón de entradas múltiples (51) para la separación de sólidos del gas, cuyo dipleg (45) de la unidad de regeneración comunica con los conductos verticales (41, 46) de la unidad de reacción y con la unidad de secado.
16. Aparato, según la reivindicación 15, en el
que la unidad regeneradora (43-45) comprende un
canal (44) para la recirculación interna de materias sólidas dentro
de la unidad regeneradora.
17. Aparato, según la reivindicación 15 ó 16, en
el que la unidad de reacción (41, 42, 52) comprende un canal (52)
para la recirculación interna de materia sólida dentro del
reactor.
18. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 17, en el que la unidad de secado
(46-48) comprende un conducto vertical (46) montado
alrededor de la unidad de reacción en disposición concéntrica
simétrica, poseyendo dicho conducto vertical una sección
transversal anular.
19. Aparato, según la reivindicación 18, en el
que la unidad de secado (46-48) comprende un dipleg
que tiene una sección transversal axialmente anular y que comunica
con el conducto vertical (41) de la unidad de reacción.
20. Aparato, según la reivindicación 18 ó 19, en
el que el conducto vertical (46) de la unidad de secado está dotado
de un dispositivo separador de gases sólidos formado por un ciclón
de entradas múltiples (49).
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