ES2249833T3 - Procedimiento y aparato para tratar aguas negras procedentes de lavadores de gas de sintesis por evaporacion ultrarrapida a vacio y para recuperar vapor. - Google Patents
Procedimiento y aparato para tratar aguas negras procedentes de lavadores de gas de sintesis por evaporacion ultrarrapida a vacio y para recuperar vapor.Info
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Abstract
La invención es un proceso de desgasificación y enfriamiento de fangos de aguas negras calientes. El fango de aguas negras calientes se obtiene de depuradoras de gas de síntesis. Los fangos de aguas negras se enfrían y desgasifica por exposición del fango de aguas negras al vacío bajo suficientes condiciones para separar los gases disueltos de los fangos de agua negra. Estos gases son eliminados entonces de los fangos de aguas negras. Esto gases pueden ser reciclados con ventajas en los procesos de gasificación.
Description
Procedimiento y aparato para tratar aguas negras
procedentes de lavadores de gas de síntesis por evaporación
ultrarrápida a vacío y para recuperar vapor.
Esta invención se refiere generalmente al
enfriamiento y desgasificación de agua negra obtenida de la
purificación de gases de síntesis.
El gas de síntesis o syngas, se puede producir
por la reacción de combustibles carbónicos sólidos o líquidos con
gases tales como el aire, el aire enriquecido u oxígeno, en
presencia, opcionalmente, de vapor de agua en un reactor de
gasificación. El syngas obtenido se retira del reactor de
gasificación y se somete a varias operaciones de limpieza para
librarlo de los diferentes contaminantes que se forman o se liberan
de los combustibles carbónicos sólidos o líquidos durante la
operación de gasificación. Estos contaminantes se pueden convertir
rápidamente en contaminantes medioambientales si no son tratados
adecuadamente durante la operación de gasificación.
Por ejemplo, con frecuencia se encuentran
materiales en el syngas, incluso sulfuro de hidrógeno, amoniaco,
cianuros, fenoles, varios halógenos y partículas en forma de
carbono, ceniza y carbón así como vestigios metálicos. La
eliminación y control de estos contaminantes se debe manejar
satisfactoriamente para hacer que la gasificación sea un
procedimiento viable sin sufrir el encargado problemas de
contaminación.
A medida que el syngas se descarga de la
gasificadora, se somete normalmente a operaciones múltiples de
enfriamiento y limpieza que implican una técnica de depuración en
la que el gas se introduce en al menos una depuradora y se pone en
contacto con agua pulverizada que enfría el gas y condensa los
condensables como el alquitrán, el aceite y productos orgánicos. El
agua usada en la operación de depuración se convierte en lo que
normalmente se conoce como "agua negra", ya que está
contaminada con carbono. Esta agua negra puede contener también
gases solubles. Esta agua negra se puede someter a una variedad de
etapas que pueden incluir la decantación de los sólidos con
contenido de carbono, la concentración parcial de sólidos en el
lodo, en la recuperación de gases como el sulfuro de hidrógeno,
amoniaco, así como etapas de extracción de disolventes para retirar
el carbono y los compuestos que contienen carbono disuelto tales
como fenoles y cianuros.
Los sólidos en partículas, es decir, carbono,
hollín y ceniza, arrastrado en la corriente de gas bruto caliente
procedente de un generador de gas por oxidación parcial se retiran
mediante enfriamiento rápido de la corriente de gas caliente
directamente en agua en un tambor de enfriamiento rápido y por
depuración con agua en una zona de depuración de gas. De esta
manera se produce una corriente de gas limpio y una dispersión de
sólidos en partículas, es decir, se produce carbono y ceniza. Es
económico recuperar el agua de la dispersión antes mencionada
eliminando los sólidos en partículas y las impurezas gaseosas. Sin
embargo, en la operación de recuperación se forman emulsiones
acuosas de bombeo problemático en el sistema que deben ser
eliminadas. Seguidamente, el agua recuperada se puede reciclar en
la zona de enfriamiento rápido y de depuración del gas.
La técnica anterior utilizaba una columna de
evaporación ultrarrápida en vacío para recuperar el agua gris. El
agua gris es agua que ha tenido una fracción sustancial de carbono
y otros sólidos eliminados. Estos sistemas no son capaces de
eliminar una cantidad suficiente de gases nocivos para poder
realizar el tratamiento al aire libre del agua negra
desgasificada.
El documento EP 0648828 A revela un procedimiento
de oxidación parcial para la producción de una corriente de gas de
síntesis enfriado y limpio, reduciendo el gas o el gas combustible
sustancialmente libre de materia en partículas en suspensión y
escoria. El procedimiento revelado incluye la producción de agua
negra que es tratada por evaporación ultrarrápida, produciendo de
esta manera vapor rápido que comprende agua gris vaporizada y un
gas ácido; y una corriente de residuos aparte del agua negra
vaporizada cuyo contenido de sólidos es mayor que el contenido de
sólidos de dicha agua negra.
Se presenta un procedimiento de desgasificación y
enfriado de lodo de agua negra obtenido de depuradoras de syngas
exponiendo el lodo de agua negra a un vacío en condiciones
suficientes para separar los gases disueltos del lodo de agua negra,
y eliminando los gases del lodo de agua negra;
Caracterizado porque solo se usa una sola etapa
de evaporación ultrarrápida y también porque el lodo de agua negra
está entre 150ºC y 300ºC al entrar en la cámara de evaporación
ultrarrápida en vacío. Se presenta además un aparato para la
evaporación ultrarrápida de agua negra al vacío y la recuperación de
agua y gases liberados usando una sola etapa de evaporación
ultrarrápida al vacío, comprendiendo dicho aparato
un tambor de evaporación ultrarrápida en
vacío,
un condensador de vapor de agua,
un absorbente que contiene agua cáustica o con
amoniaco,
y
un generador de vacío,
estando dispuesto dicho aparato de
manera tal que el agua negra entra en la cámara de evaporación
ultrarrápida en vacío a una temperatura de entre 150ºC y 300ºC, y
en el que el vapor obtenido por evaporación ultrarrápida en vacío
pasa sucesivamente desde el tambor de evaporación ultrarrápida en
vacío a través del condensador de vapor de agua, del absorbente y
del generador de
vacío.
Como se usa aquí, el término "vacío"
significa una presión inferior a la presión atmosférica, es decir,
inferior a una presión absoluta de aproximadamente 101 kPa. El grado
de vacío se define aquí por la presión absoluta, es decir, una
presión de 0 kPa es un vacío perfecto.
Como se usa aquí, el término "gases"
significa aquellas moléculas que están estado gaseoso en las
condiciones de presión y temperatura que existen en ese punto y
pueden incluir vapores que se condensarían a temperatura ambiente o
incluso a temperaturas superiores. El vapor de agua es un gas,
según el uso del término en el presente documento.
En el procedimiento de oxidación parcial para la
producción de mezclas de gases que comprenden hidrógeno y monóxido
de carbono, la corriente de gas bruto tratado contiene sólidos en
partículas en suspensión, es decir, carbono y ceniza. El gas
contiene también gases contaminados, particularmente dióxido de
carbono, amoniaco y sulfuro de hidrógeno. El gas puede contener
también sales, incluso sales de sodio y calcio. Los sólidos en
partículas y una gran fracción de los gases contaminantes son
eliminados por enfriado rápido o depuración, o ambos, con agua. En
el procedimiento de depuración del syngas que se genera en un
reactor de desgasificación se produce un lodo de agua negra que
contiene carbono en partículas y ceniza, en el que el agua contiene
dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, amoniaco y, posiblemente,
otros gases, y puede contener sales solubles, en particular sales
de calcio.
Los sulfuros que incluyen sulfuro de hidrógeno
pueden ser convertidos en sólidos añadiendo sales de hierro, es
decir, sulfato ferroso, y ser tratados en adelante como sólidos en
el agua negra. Alternativamente, los sulfuros pueden ser tratados
como gas volátil.
El lodo de agua negra caliente contiene entre
aproximadamente 0,3 y aproximadamente el 10% en peso de sólidos
suspendidos. El lodo de agua negra caliente está entre 150 grados
centígrados y 300 grados centígrados.
Este lodo de agua negra es evaporado rápidamente
en vacío para eliminar gases disueltos, volátiles y vapor de agua.
La evaporación ultrarrápida en vacío implica la exposición del lodo
de agua negra caliente a un vacío en condiciones en las que los
gases y los vapores pueden evolucionar o salir del lodo de agua
negra caliente. Generalmente, la agitación o el contacto
significativo del líquido con el gas, como el obtenido por las
placas de una torre de evaporación ultrarrápida en vacío o
introduciendo el líquido por un puerto por encima del gas, el
contacto es suficiente. Los gases obtenidos por evaporación
ultrarrápida en vacío, que incluyen vapores como el vapor de agua,
se separan seguidamente del lodo por gravedad en una región en calma
del tambor de vacío, y los gases salen del tambor por arriba
mientras que el lodo desgasificado frío sale del tambor por
abajo.
Dicha evaporación ultrarrápida en vacío también
elimina necesariamente vapor de agua, que enfría de esta manera la
corriente de gas. La cantidad del enfriamiento depende de la
cantidad de vacío generado y de la cantidad de vapor de agua
eliminado. A una presión de aproximadamente 52 kPa, el lodo se
debería enfriar hasta aproximadamente 82 grados centígrados.
Cuanto más vacío, más completa es la eliminación
de gases y vapores, sin embargo, el lodo de agua negra contiene
gases que se disolvieron en el mismo a una alta presión, es decir,
con frecuencia a presiones absolutas de 15000 kPa o más. Por
consiguiente, una presión absoluta de aproximadamente 50 a
aproximadamente 100 kPa eliminará en general la mayor parte de los
gases disueltos. Una presión absoluta de aproximadamente 35 KPa a
aproximadamente 50 kPa eliminará en general la mayor parte de los
gases disueltos, y un vacío de presión absoluta de aproximadamente
10 a aproximadamente 35 kPa eliminará esencialmente todos los gases
disueltos.
En un procedimiento en el que hay suficiente
contacto gas-agua y se mantiene un vacío de presión
absoluta de entre aproximadamente 35 y aproximadamente 75 kPa, el
lodo de agua negra resultante puede contener menos de
aproximadamente 10 partes por millón en peso de sulfuro de
hidrógeno y menos de aproximadamente 10 partes por millón en peso
de amoniaco libre, es decir, amoniaco no ligado iónicamente a un
ácido. En un procedimiento en el que hay suficiente contacto
gas-agua y se mantiene un vacío de presión
absoluta de entre aproximadamente 0 y aproximadamente 35 kPa, el
lodo de agua negra resultante pude contener menos de
aproximadamente 1 parte por millón en peso de sulfuro de hidrógeno
y menos de aproximadamente 1 parte por millón en peso de amoniaco
libre. Por supuesto que es posible obtener un vacío superior, es
decir, 5 kPa, pero los costes de la obtención de dicho vacío
normalmente no están justificados por la cantidad de gases extra
eliminados.
En la evaporación ultrarrápida en vacío, el lodo
de agua negra se enfría. El agua negra no se puede enfriar
fácilmente con los intercambiadores de calor convencionales, ya que
las superficies se contaminarían con los sólidos y las sales de
calcio. En la presente invención no hay superficie de enfriamiento
alguna, tal como la que se podría encontrar en un intercambiador de
calor, a contaminar con sólidos y sales de calcio. El lodo de agua
negra enfriado y desgasificado puede ser tratado posteriormente en
condiciones atmosféricas para separar sólidos del agua. El bajo
nivel de los gases, de otro modo peligrosos, particularmente el
sulfuro de hidrógeno, en el agua negra no representan un riesgo
para la seguridad.
El tambor de vacío está diseñado para manejar
este lodo con sus sólidos abrasivos. La parte inferior del tambor
de vacío y la tubería de conexión están inclinadas con ángulos
suficientes para prevenir la acumulación de sólidos, es decir, no
menos de aproximadamente 10 grados respecto de la horizontal. La
entrada del lodo de agua negra al tambor de vacío se enjuaga en su
pared interior para prevenir la erosión de la tobera.
Con frecuencia es conveniente condensar el vapor
de agua para su reciclado en depuradoras de syngas. Se puede usar
un condensador o un intercambiador de calor y un vaso deshidratador
de líquidos para condensar vapor de agua. Se prefiere que la
condensación se haga en vacío para minimizar la cantidad de
amoniaco, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno disueltos en el
agua condensada. Un tiempo breve de permanencia en el condensador
ayudará también a minimizar la cantidad de gases que se disuelven en
el agua condensada. Preferiblemente, el condensador enfría el gas
por debajo de aproximadamente 40 grados centígrados.
El gas refrigerado que sale del condensador de
vapor de agua contiene amoniaco absorbente, dióxido de carbono y
sulfuro de hidrógeno, así como monóxido de carbono e hidrógeno y
gases inertes, como nitrógeno. Es conveniente absorber el amoniaco,
el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno en agua básica
refrigerada. El agua básica puede contener o bien una base como el
hidróxido de sodio o ser un agua rica en amoniaco. Se prefiere que
el pH del agua sea superior a 9, preferiblemente superior a 11, más
preferiblemente superior a 12. El agua absorbente y el gas se ponen
en contacto íntimo en una unidad de depuración de gas. La unidad de
depuración de gas puede ser de cualquier tipo, incluso una
depuradora a chorro, una bandeja o columna empaquetada, un venturi,
u otras depuradoras de gas utilizadas en la industria. Se prefiere
una torre de depuración de gas a contracorriente con empaquetado.
El control de la temperatura es importante, y el agua cáustica o
rica en amoniaco retirada de la parte inferior de la torre debe
pasar a través de un intercambiador de calor para enfriar el fluido
antes de la circulación de retorno del fluido hacia la parte
superior de la torre. La temperatura preferida del agua cáustica es
de entre aproximadamente 0 y aproximadamente 40 grados centígrados,
preferiblemente entre aproximadamente 5 y aproximadamente 30 grados
centígrados.
A causa de ser la absorción de estos gases es
dependiente de la temperatura, se prefiere que el amoniaco, el
dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno sean absorbidos en
agua cáustica o rica en amoniaco fría mientras están todavía en
vacío. Es posible, especialmente si la bomba de vacío es mecánica,
dejar que estos gases pasen a través de la bomba de vacío y que
sean absorbidos a presión atmosférica o incluso a presiones
superiores.
El procedimiento de generación del vacío no es
importante. Los medios convencionales incluyen orificios de chorro
y bombas mecánicas.
El agua cáustica o rica en amoniaco se recicla
convenientemente en el reactor de gasificación. Allí, estos gases
ayudan a moderar el pH del reactor de gasificación neutralizando
algunos ácidos orgánicos, particularmente el ácido fórmico.
La Figura 1 es un esquema del procedimiento. El
agua negra caliente bruta entra desde los vasos de depuración de
gas (no se muestran) por medio del tubo (3) de conducción adentro
del tambor (10), el agua negra se evapora rápidamente en este vacío,
liberando gases disueltos y vapores, y enfriando el agua negra. El
agua negra se retira del tambor (10) de evaporación ultrarrápida en
vacío (10) a través de un tubo 22 de conducción a instalaciones de
tratamiento adicional (no se muestran).Los gases y vapores salen del
tambor (10) de evaporación ultrarrápida en vacío y pasan a través
de un condensador, representado aquí como un intercambiador (12) de
calor y un vaso (14) de condensación de líquidos. El vapor de agua
condensado pasa a través de una bomba (24) a los vasos de depuración
de gas (no se muestran). Los gases salen del vaso (14) de
condensación de líquido y entran en la torre de absorción (16). El
agua cáustica cargada de amoniaco se retira de la parte inferior de
la torre de absorción (16) a través de una bomba (20) de
circulación. Una fracción del agua que sale de esta bomba (20) de
circulación es dirigida a la gasificadora a través de la bomba (28)
de alta presión. Una fracción del agua que sale de esta bomba (20)
de circulación es dirigida a través de un enfriador (26) y vuelve a
la parte superior de la torre de absorción. Se añade agua cáustica
nueva que sea necesario. Los gases restantes, que incluyen
hidrógeno, monóxido de carbono y gases inertes, como nitrógeno, son
dirigidos por medio de un tubo (18) de conducción a través del
generador de vacío (no se muestra) a una antorcha de quemado de
gases de desecho.
Claims (17)
1. Un procedimiento de desgasificación y de
enfriamiento de lodo de agua negra obtenido de depuradoras de
syngas exponiendo el lodo de agua negra a un vacío en condiciones
suficientes para separar los gases disueltos del lodo de agua negra,
y retirando los gases del lodo de agua negra;
caracterizado porque se usa una sola etapa
de evaporación ultrarrápida en vacío y también porque el lodo de
agua negra está entre 150ºC y 300ºC cuando entra en la cámara de
evaporación ultrarrápida en vacío.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, que
comprende además el transporte de los gases a un condensador y la
condensación del vapor de agua.
3. El procedimiento de la reivindicación 2 que
comprende además el transporte del agua condensada a una depuradora
de syngas.
4. El procedimiento de la reivindicación 1 que
comprende además la exposición de los gases a agua básica fría en
condiciones suficientes para absorber amoniaco, dióxido de carbono
y sulfuro de hidrógeno.
5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el
que la etapa de absorción de amoniaco, dióxido de carbono y sulfuro
de hidrógeno en agua básica fría ocurre en vacío.
6. El procedimiento de la reivindicación 4, en el
que la etapa de absorción de amoniaco, dióxido de carbono y sulfuro
de hidrógeno en agua básica fría ocurre a una presión mayor o igual
a 101 kPa.
7. El procedimiento de la reivindicación 4, que
comprende además la etapa de reciclado de agua básica en el reactor
de desgasificación.
8. El procedimiento de la reivindicación 1, que
comprende además la etapa de tratamiento adicional del agua negra en
condiciones atmosféricas para separar sólidos del agua.
9. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que la presión está entre 10 y 75 kPa de presión absoluta.
10. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que la presión está entre 10 y 50 kPa de presión absoluta.
11. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que la presión está entre 35 y 50 kPa de presión absoluta.
12. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que la presión está entre 10 y 35 kPa de presión absoluta.
13. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que el lodo de agua negra resultante contiene menos de 10 partes
por millón en peso de sulfuro de hidrógeno y menos de 10 partes por
millón en peso de amoniaco libre.
14. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que el lodo de agua negra contiene menos de 1 parte por millón
en peso de sulfuro de hidrógeno y menos de 1 parte por millón en
peso de amoniaco libre.
15. Un aparato para la evaporación ultrarrápida
en vacío de agua negra y para la recuperación de agua y gases
liberados usando una sola etapa de evaporación ultrarrápida en
vacío, comprendiendo dicho aparato
un tambor de evaporación ultrarrápida en
vacío;
un condensador de vapor de agua,
un absorbente que contiene agua cáustica o con
amoniaco,
y un generador de vacío, estando
dispuesto dicho aparato de manera tal que el agua negra entra en la
cámara de evaporación ultrarrápida en vacío a una temperatura de
entre 150ºC y 300ºC, y en el que el vapor obtenido por evaporación
ultrarrápida pasa sucesivamente desde el tambor de evaporación
ultrarrápida a través del condensador de vapor de agua, absorbente
y el generador de
vacío.
16. El aparato de la reivindicación 15, en el que
la parte inferior del tambor de vacío y la tubería de conexión
están inclinados no menos de 10 grados respecto de la horizontal
para prevenir la acumulación de sólidos.
17. El aparato de la reivindicación 15, en el que
la entrada del agua negra en el tambor de vacío está a ras con la
pared interior para prevenir la erosión de la tobera.
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