ES2209478T3 - Gasificacion de biomasa en un lecho fluidizado que contiene material de lecho antiaglomerante. - Google Patents

Abstract

Método para gasificar biocombustible en un reactor de lecho fluidizado, en cuyo método se alimenta combustible (15) y gas de gasificación (18, 19) a un flujo que contiene partículas sólidas fluidizadas y se conduce a través del reactor (1), caracterizado porque en el método se mantiene una circulación (3, 4, 6), que implica una parte de las partículas fluidizadas, a través del reactor de lecho fluidizado (1) y un ciclón (5), porque se conduce la gasificación a una temperatura que es mayor que la temperatura del punto de fusión o la temperatura del punto de sinterización de las cenizas producidas a partir del combustible, porque las partículas contenidas en el lecho fluidizado (3) se componen de partículas que son de un material duro, esencialmente no triturable en mezcla adicional con partículas que son de un material poroso, fácilmente triturable, pulverizando así dichas partículas porosas en la fluidización mientras se liga la ceniza sobre ellas, porque se añade las partículas porosas (17) a la circulación (4), y porque el gas producido, junto con partículas (9, 13) que contienen ceniza finamente molida, se separan de la circulación en el ciclón, mientras que las partículas circulantes son devueltas desde el ciclón nuevamente al reactor de lecho fluidizado.

Description

Gasificación de biomasa en un lecho fluidizado que contiene material de lecho antiaglomerante.

El objeto de esta invención es un método para gasificar biocombustible en un reactor de lecho fluidizado, de acuerdo con cuyo método se suministra combustible y gas de gasificación a un flujo que incluye partículas sólidas fluidizadas que es pasado a través del reactor.

En la gasificación de biocombustible dentro de un reactor de lecho fluidizado el problema reside en muchos casos en la fusión y/o sinterización de cenizas que interfiere con la fluidización provocando aglomeración de las partículas fluidizadas, y causa depósitos nocivos en las partes superiores del reactor y en los conductos de circulación y salida del gas. Cuando se usa como combustible ciertas especies de madera comunes en Finlandia, este problema no ocurre porque las cenizas contenidas en estas especies no se funden o sinterizan a las temperaturas inferiores a 900ºC que se usan en la gasificación. En cambio, este problema atañe a muchos otros biocombustibles tales como la mayoría de los residuos agrícolas y biomasas de crecimiento rápido tales como el sauce fertilizado que se cultiva para la producción de energía en los metales alcalinos antes mencionados. Sodio y potasio reducen las temperaturas de fusión y de sinterización de las cenizas. El mismo efecto pueden producirlo los cloruros y sulfatos de cinc, manganeso, plomo y hierro. Con estos biomateriales las cenizas pueden fundirse o sinterizarse incluso por debajo de temperaturas de 700-800ºC, es decir, a temperaturas que son insuficientes para la conversión del carbono que es esencial para una gasificación eficiente.

Un modo de evitar este problema es gasificar biocombustible mezclado en carbón de lecha de forma que la proporción de biomasa en la mezcla sea inferior al 50% en peso. El biocombustible es pues una extensión del carbón de leña que es el combustible principal de la planta. Este procedimiento no proporciona una solución para gasificar biocombustible como tal en su propio reactor de forma que se produzca las cenizas principalmente libres de metales pesados que podrían volver como fertilizante nuevamente a los bosques o campos.

Otro modo de solución con el fin de evitar este problema consiste en usar aditivos reactivos de ligado alcalino, tales como caolín, en la gasificación. La desventaja de estos aditivos es sin embargo su carestía y en algunos casos pueden impedir el uso de las cenizas obtenidas como fertilizante.

Se podría contemplar también la elevación de la temperatura de fusión y de sinterización de las cenizas con algún aditivo tal que la temperatura de gasificación necesaria permaneciese más baja. Una sustancia conocida para elevar la temperatura de fusión de las cenizas es el óxido de aluminio, pero cuando se ensayó éste como partículas fluidizadas en la gasificación de la paja que es difícil de gasificar, el resultado fue que las cenizas se pegaron a la superficie de los gránulos de óxido de aluminio como una película que hizo que se pegasen sobre ella otras partículas que pueden dar lugar a la aglomeración del lecho fluidizado.

En la patente US nº 4.448.589 se describe un proceso para la gasificación de combustible que utiliza un lecho de borboteo fluidizado con cierta altura estática para mantener las partículas fluidizadas. Con el fin de superar el problema de la aglomeración se propone agregar a las partículas fluidizadas de arena de cuarzo un material preventivo que puede ser piedra de cal, mármol o dolomita. Aunque el material preventivo puede ser pulverizado por la acción de la arena y abandonar con ella el lecho fluidizado, la publicación antes mencionada recomienda los minerales de carbonato cálcico antes mencionados a causa de su dureza relativa por lo que la pérdida de material preventivo y la adición del mismo son lo más bajas posible. Los sólidos que abandonan el lecho de borboteo fluidizado están muy finamente divididos y pueden separarse en un ciclón. En la técnica de acuerdo con esta publicación el problema planteado por la eliminación de las cenizas no es resuelto eficazmente, por lo que a largo plazo puede producirse aglomeración por gasificación. Adicionalmente, por esta técnica no se puede evitar la acumulación de sólidos como depósitos nocivos en las partes superiores del reactor y en las salidas de escape de gas, y esto conduce progresivamente al bloqueo de las salidas.

La presente invención se propone eliminar los problemas mencionados más arriba con una solución que posibilita la gasificación de biocombustibles tales como varios residuos agrícolas y biomasas energéticas que son difíciles de gasificar a temperaturas suficientemente altas desde el punto de vista de conversión del carbón de leña sin el problema de aglomeración causado por la fusión o sinterización de cenizas y sin la necesidad de usar costosos aditivos para evitar la aglomeración, mientras que las cenizas restantes del combustible son útiles como fertilizante para campos o bosques. El método inventivo para gasificar se caracteriza porque se mantiene una circulación a través del reactor que contiene una parte de las partículas fluidizadas transformadas, porque se conduce la gasificación a una temperatura que es mayor que la temperatura del punto de fusión o del punto de sinterización de las cenizas producidas a partir del combustible, porque las partículas contenidas en el lecho fluidizado se componen de partículas que son de un material duro, esencialmente no triturable en mezcla adicional con partículas que son de un material poroso, fácilmente triturable, pulverizando dichas partículas porosas en fluidización mientras se liga la ceniza sobre ellas, se añade las partículas porosas a la circulación, y las partículas que contienen ceniza finalmente molida son retiradas de la circulación.

Contrariamente a la patente US nº 4.448.589 es esencial para la invención que la circulación conducida a través del reactor contenga partículas fluidizadas circulantes. Aunque el método inventivo se opera a temperaturas superiores a la temperatura de fusión y de sinterización de las cenizas, se puede usar una temperatura de gasificación que es suficiente desde el punto de vista de la conversión del carbón de leña y que es preferiblemente superior a 800ºC. Usando como partículas fluidizadas al mismo tiempo partículas duras no triturables y partículas porosas más quebradizas, se consigue que las partículas porosas actúen como ligantes de las cenizas a la vez que son molidas en el impacto de las partículas duras y finalmente, estando suficientemente molidas, pueden separarse en la circulación de forma que con ellas se retire también las cenizas. Las partículas de tamaño mas grande que son principalmente del material duro antes mencionado permanecen en el proceso principalmente en su sitio en un lecho fluidizado estacionario mientras que las partículas mas finas, de las que la parte principal consiste en el material poroso antes mencionado, se desplazan en la circulación y penetran así repetidamente en el lecho fluidizado estacionario incluyendo partículas duras donde las partículas porosas, al colisionar con las partículas duras, se vuelven cada vez más finas. La retirada de las partículas más finas de la circulación se realiza entonces con medios de separación apropiados que incluyen al menos un ciclón fuera del espacio del reactor propiamente dicho. La retirada continua de las partículas más finas mantiene baja la cantidad de cenizas en el proceso.

Es esencial desde el punto de vista inventivo que en cualquier caso la circulación contenga una cantidad suficiente de partículas fluidizadas relativamente gruesas en la circulación que barre las paredes del reactor y los canales de circulación de forma que se evite la creación de depósitos sólidos nocivos.

Como partículas fluidizadas puede usarse preferiblemente en el proceso de acuerdo con la invención materiales baratos, como partículas duras no triturables, convenientemente arena con una tamaño de partícula de aproximadamente 0,1-0,6 mm y como partículas triturables un mineral poroso tal como piedra de cal o dolomita con un tamaño de partícula en el momento de la alimentación de aproximadamente 0,1-0,6 mm. Especialmente las partículas de arena más pequeñas que acaban en la circulación poseen un eficaz efecto limpiador del reactor y las paredes de los canales. Lo mismo es válido para las partículas de creta y dolomita que son relativamente gruesas al comienzo de su trituración. Sin embargo, la trituración de lo que se acaba de mencionar avanza rápidamente sin impedimento de las cenizas ligadas encima mientras que se produce lotes de área específica para que se liguen las cenizas. Se prefiere que las partículas que contienen ceniza sean pulverizadas aproximadamente a un tamaño de 5-20 \mum de forma que en el recorrido en la circulación a través del ciclón de separación puedan separarse del gas de producto, por ejemplo, por medio de un ciclón secundario o filtros.

La factibilidad del método inventivo ha sido detectada en experimentos donde se ha usado paja como material gasificable que incluye mucho potasio y cloro. En cuanto a estos experimentos, se hace referencia a los ejemplos de trabajo facilitados más adelante. Cuando se gasificó la paja por métodos tradicionales se detectó una sinterización sustancial de cenizas incluso a 750ºC y la sinterización total de cenizas a la temperatura de 800ºC, por lo que como resultado de ello la capa de lecho fluidizado quedó fuertemente aglomerada y se produjeron capas de ceniza en las partes superiores del reactor. Usando simplemente arena como partículas fluidizadas se produjo aglomeración de la capa del lecho fluidizado. Cuando las partículas fluidizadas estaban compuestas por material simplemente triturable, en los experimentos piedra de cal, no se produjo aglomeración pero el consumo de piedra de cal, debido a su trituración plena, fue tan grande, incluso el 10-20% de la cantidad de combustible alimentado, que hizo el procedimiento inutilizable. En contraste, un proceso funcional útil con alta conversión de carbono, sin aglomeración de la capa del lecho fluidizado, fue realizado cuando se usó como partículas fluidizadas partículas duras, no triturables y partículas porosas triturables en mezcla adicional de acuerdo con la invención.

En el proceso inventivo, de forma óptima una parte principal de las partículas fluidizadas se compone de material duro, no triturable, tal como arena. Las partículas del lecho fluidizado en la circulación pueden comprender así 70-90%, preferiblemente 80% en peso aproximadamente de partículas duras no triturables, y 10-30%, con preferencia 20% en peso aproximadamente de partículas porosas triturables.

Ambas partículas duras y porosas antes mencionadas pueden añadirse a la capa de lecho fluidizado o a la circulación durante el proceso de gasificación, según sea necesario. Se añade convenientemente partículas porosas, tales como partículas de piedra de cal o de dolomita, al 1-4% en peso aproximadamente de la cantidad de combustible alimentado, mientras que las partículas duras, no triturables, tales como partículas de arena, pueden añadirse al 1-3% en peso aproximadamente de la cantidad de combustible alimentado. El menor porcentaje de partículas porosas mencionado en partículas fluidizadas es debido al menor tiempo de residencia de las partícula en el proceso. Añadiendo partículas duras al proceso se compensará su pérdida del fondo del reactor de lecho fluidizado al retirar las cenizas acumuladas encima.

Se prefiere que el gas gasificador esté compuesto de una mezcla de aire y de vapor de agua en el que el porcentaje de vapor de agua es a lo sumo del 30% en volumen mientras que se prefiere más el 10-30% en volumen aproximadamente. De acuerdo con los experimentos, incluso el vapor de agua tiene un impacto significativo para impedir la aglomeración del lecho fluidizado.

Con el fin de lograr en la gasificación una conversión del carbono superior al 90% o incluso mayor, superior al 95%, la temperatura de gasificación usada es preferiblemente de 800ºC o superior. La temperatura de gasificación puede ser entonces aproximadamente 50-200ºC superior a la temperatura de fusión o de sinterización de las cenizas del combustible.

El método inventivo es preferido particularmente para gasificar biocombustibles con los que la temperatura de fusión o de sinterización de las cenizas es baja a causa del sodio o del potasio presente. Son materiales apropiados para la producción de energía las pajas o residuos agrícolas análogos de origen vegetal y el sauce energético o biomasa cultivada análoga de crecimiento rápido.

En lo que sigue se ilustra la invención con referencia al dibujo anexo (figura 1) donde se describe un ejemplo de equipo apropiado para realizar el proceso de gasificación.

El equipo de acuerdo con este dibujo comprende un reactor cilíndrico vertical 1 que funciona como un reactor de lecho fluidizado cuya parte inferior está provista de una parrilla 2. Encima de la parrilla 2 hay una capa estacionaria de lecho fluidizado 3 que se compone de partículas fluidizadas más grandes, y encima de la misma el reactor 1 contiene en circulación partículas fluidizadas más pequeñas 4. El flujo de gas junto con las partículas contenidas en el mismo se transfiere desde la parte superior del reactor 1 a un ciclón primario 5 del que circulan las partículas circulantes a lo largo de un conducto 6 de nuevo al reactor 1. El gas de producto junto con las partículas más pequeñas que abandonan el reactor 1 en la circulación ascendente 4, pasan a través del ciclón primario 5 y luego a lo largo de un conducto 7 a un ciclón secundario 8 donde la mayoría de las partículas antes mencionadas se separan como una fracción removible 9. El medio junto con las partículas más finas contenidas en el mismo son transferidos desde el ciclón secundario 8 a lo largo de un conducto 10 a un enfriador de gas 11 y después a un filtro 12. El filtro 12 separa la fracción de polvo más fina 13 del gas combustible purificado 14 obtenido como resultado final del proceso.

La alimentación del biocombustible a gasificar, de las partículas fluidizadas y el gas gasificador al reactor 1 está representada esquemáticamente en la figura 1 con flechas tales que la flecha 15 representa el combustible, la flecha 16 representa las partículas duras, no triturables a añadir al proceso, la flecha 17 representa las partículas porosas triturables, la flecha 18 representa el aire y la flecha 19, el vapor de agua. Del fondo del reactor 1 parte un canal 20 para las cenizas del fondo retiradas del proceso junto con las partículas de mayor tamaño contenidas en ellas. Con el número de referencia 21 se indica el retorno óptimo opcional de la fracción de partículas 9 separadas por el ciclón secundario 8 al reactor 1, estando representadas las partículas que contienen cenizas a retirar del proceso por la fracción 13 retirada del filtro 12.

En el proceso representado en la figura 1 la alimentación 15, por ejemplo paja de trigo, se introduce en el reactor 1 por la parte superior de la capa de lecho fluidizado estacionaria 3 situada en la parte inferior del reactor 1. Encima de la capa de lecho fluidizado 3 se alimenta también el material en partículas duro, no triturable 16, por ejemplo arena u óxido de aluminio, y el material poroso en partículas triturables 17, por ejemplo piedra de cal o dolomita. Las partículas antes mencionadas 16, 17 pueden alimentarse junto con el combustible 15 o por medio de equipo de alimentación separado. Las partículas no triturables 16 tienen convenientemente un tamaño de 0,1-0,6 mm por lo que parte de estas partículas permanece siempre en la capa de lecho fluidizado estacionario 3 mientras que otra parte participa en la circulación 4, 5, 6. Incluso el material poroso, triturable 17 puede tener en el momento de la alimentación un tamaño de 0,1-0,6 mm, pero debido a la rápida trituración de las partículas, las mismas estarán principalmente en el proceso en circulación 4, 5, 6. Si el material triturable es piedra de cal, a la temperatura del proceso el carbonato cálcico se calcinará en óxido de calcio mientras que al mismo tiempo la trituración incrementa la superficie porosa de las partículas. El gas de gasificación se compone de aire 18 y vapor de agua 19 que se alimentan al reactor desde debajo de la parrilla 2 con el fin de soportar el lecho fluidizado 3 y la circulación. Las cenizas que son liberadas del biocombustible gasificado en el proceso se funden parcialmente y/o son vaporizadas y permanecen parcialmente como material sólido de tamaño extremadamente fino y de fácil adherencia. La mayor parte de las cenizas es ligada con partículas porosas triturables, de tamaño fino. El ciclón primario 5 permite que las partículas más finas, por ejemplo las de tamaño inferior a 20 \mum, pasen al flujo 7 que contiene gas de producto del que el ciclón secundario 8 separa la fracción de partículas 9 que contiene partículas que contienen ceniza molida que abandonan el proceso. El filtro 12 funciona así como medio limpiador final del gas con respecto al polvo restante. Sin embargo, es posible devolver la fracción de partículas separada del ciclón nuevamente al proceso de gasificación de manera que se consiga la separación de la fracción que contiene ceniza a retirar simplemente con filtros. Adicionalmente, las cenizas del fondo del reactor 1 y las partículas gruesas son retiradas de vez en cuando del reactor al paso 20.

Ejemplo 1

El material a gasificar fue paja de trigo con una humedad del 10,5% en peso, tamaño de partícula medio 2 mm, contenido de sustancia seca 47,5% C, 5,9% H, 0,7% N y 4,8% de cenizas más un contenido elemental problemático desde el punto de vista de la gasificación de 6120 ppm de Cl, 140 ppm de Na y 16.730 ppm de K. Este material que, como se había comprobado, producía una fuerte aglomeración del lecho fluidizado y acumulación de cenizas a las partes superiores del reactor en la gasificación tradicional de lecho fluidizado, fue gasificado de acuerdo con la invención en un equipo de acuerdo con la figura 1 en el que el diámetro interior del reactor fue de 154 mm.

Se ejecutó la gasificación a la temperatura de 805-819ºC y desde debajo del lecho fluidizado estacionario se sopló 14,7 g/seg de aire más 2,7 g/seg de vapor de agua. La alimentación de combustible fue de 11,3 g/seg. Junto con el combustible se alimentó 0,42 g/seg de piedra de cal con un tamaño de partículas de 0,1-0,6 mm, y a 0,42 g/seg arena cuyo tamaño de partículas fue igualmente de 0,1-0,6 mm. La diferencia de presión a través del lecho fluidizado se mantuvo constante por retirada del fondo del lecho del reactor de material compuesto principalmente de arena. Las condiciones de gasificación junto con los resultados esenciales conseguidos están representados en la tabla que sigue. La duración total del experimento de gasificación fue de aproximadamente 10 horas, tiempo durante el cual no se detectaron problemas en el proceso. La parte principal de las cenizas del combustible fue retirada por medio del ciclón secundario y del filtro. Del potasio de la paja se retiró 49% junto con el polvo del ciclón, 30% se retiraron con el filtro y 21% en las cenizas del fondo.

Ejemplo 2

Se gasificó el mismo biomaterial que en el ejemplo 1, en las condiciones que están representadas en la tabla siguiente. Se condujo aquí la gasificación a la temperatura de 833-841ºC. Igualmente, la cantidad de arena alimentada fue reducida considerablemente en comparación con el ejemplo 1. En este experimento, con el fin de maximizar la conversión del carbono, incluso los sólidos separados por el ciclón secundario fueron devueltos a la capa estacionaria de lecho fluidizado del equipo de gasificación. Del fondo del reactor se retiró material compuesto principalmente de partículas de arena, y todas las cenizas volantes fueron retiradas por el filtro. La duración total del experimento fue de aproximadamente 10 horas y los resultados obtenidos están representados en la tabla. Se comprobó que las cenizas retiradas del fondo del reactor contenían pequeños aglomerados de aproximadamente 1-2 mm, sin embargo, éstos no plantearon problemas para el funcionamiento del proceso.

Ejemplo 3

En este ejemplo se operó el equipo de gasificación como en el ejemplo 2, con la excepción de que el polvo separado en el ciclón secundario no fue reciclado nuevamente a la circulación. Incluso este experimento, cuyos resultados están representados en la tabla, fue exitoso y la conversión de carbono alcanzada fue solamente unas 1,5 unidades porcentuales más baja que en el experimento 2. La duración total del experimento fue de 11 horas, tiempo durante el cual no se encontraron problemas. La cantidad de aglomerados de las cenizas del fondo fue claramente más baja que en el ejemplo 2.

TABLA

1

Para un experto en la materia resulta evidente que las aplicaciones inventivas no se limitan a los ejemplos descritos más arriba, sino que pueden variar dentro del ámbito de las reivindicaciones anexas.

Claims (13)

1. Método para gasificar biocombustible en un reactor de lecho fluidizado, en cuyo método se alimenta combustible (15) y gas de gasificación (18, 19) a un flujo que contiene partículas sólidas fluidizadas y se conduce a través del reactor (1), caracterizado porque en el método se mantiene una circulación (3, 4, 6), que implica una parte de las partículas fluidizadas, a través del reactor de lecho fluidizado (1) y un ciclón (5), porque se conduce la gasificación a una temperatura que es mayor que la temperatura del punto de fusión o la temperatura del punto de sinterización de las cenizas producidas a partir del combustible, porque las partículas contenidas en el lecho fluidizado (3) se componen de partículas que son de un material duro, esencialmente no triturable en mezcla adicional con partículas que son de un material poroso, fácilmente triturable, pulverizando así dichas partículas porosas en la fluidización mientras se liga la ceniza sobre ellas, porque se añade las partículas porosas (17) a la circulación (4), y porque el gas producido, junto con partículas (9, 13) que contienen ceniza finamente molida, se separan de la circulación en el ciclón, mientras que las partículas circulantes son devueltas desde el ciclón nuevamente al reactor de lecho fluidizado.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas del lecho fluidizado y de la circulación (3, 4, 6) comprenden 70-90%, con preferencia aproximadamente 80% en peso de partículas duras no triturables y 10-30%, preferiblemente un 20% en peso de partículas porosas triturables.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las partículas duras, no triturables del lecho fluidizado (3) son de arena, cuyo tamaño de partícula es principalmente de aproximadamente 0,1-0,6 mm.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque se agrega arena (16) al lecho fluidizado de forma que la cantidad de arena suministrada sea de aproximadamente el 1-3% en peso de la cantidad de combustible (15) suministrado.

5. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las partículas porosas fluidizadas en la circulación (3, 4, 6) son de un material mineral tal como piedra de cal o dolomita.

6. Método de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque se agrega a la circulación partículas de piedra de cal o de dolomita (17), cuyo tamaño de partículas es principalmente de aproximadamente 0,1-0,6 mm, de forma que la cantidad de partículas suministrada sea de aproximadamente el 1-4% en peso de la cantidad de combustible (15) suministrado.

7. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se retira de la circulación (4, 6) partículas (9, 13) cuyo diámetro es a lo sumo de aproximadamente 20 \mum y preferiblemente del orden de 5-20 \mum.

8. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las partículas (9, 13) que contienen ceniza finamente molida se separan del gas de producto por medio de un ciclón (8) y/o por filtración (12).

9. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas de gasificación es una mezcla de aire (18) y vapor de agua (19), siendo el porcentaje de vapor de agua preferiblemente del 10-30% en volumen aproximadamente.

10. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la temperatura de gasificación es aproximadamente 50-200ºC mayor que la temperatura del punto de fusión o la temperatura del punto de sinterización de las cenizas del combustible y es preferiblemente de por lo menos 800ºC.

11. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el combustible (15) a gasificar contiene materia alcalina.

12. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el combustible (15) a gasificar es un residuo agrícola tal como paja.

13. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado porque el combustible (15) a gasificar es una planta de crecimiento rápido cultivada como fuente de energía tal como sauce.