ES2271943T3 - Combustion de residuos organicos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la producción de negro de carbono a partir de residuos orgánicos, tales como neumáticos de desecho y plástico residual, que comprende las etapas siguientes: quemar parcialmente y gasificar el residuo orgánico en una mezcla gaseosa de un gas que contiene oxígeno y vapor con una proporción equivalente de oxígeno a carbono de 1 o inferior, particularmente de 0, 1 a 0, 5, a una temperatura de 500ºC a 1.000ºC; quemar parcialmente el gas combustible resultante a una temperatura de 1.000ºC o superior en un ambiente deficiente en oxígeno que contiene una cantidad inferior a la cantidad estequiométrica de oxígeno requerido para la combustión, preferentemente a una proporción de oxígeno a carbono de 0, 1 a 0, 5, para de esta manera deshidrogenar y policondensar mutuamente cualquier hidrocarburo y para formar negro de carbono; enfriar bruscamente el gas de combustión parcial resultante, que presenta una temperatura de 1.000ºC o superior hasta una temperatura de 700ºC a 200ºC en unaatmósfera inerte, y separar y recoger el negro de carbono del gas de reacción que contiene negro de carbono.
Description
Combustión de residuos orgánicos.
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La presente invención se refiere de manera
general a la combustión de residuos orgánicos, tales como neumáticos
de desecho y plásticos residuales. Más específicamente, la invención
se refiere a un procedimiento para la producción de negro de carbono
mediante la utilización de neumáticos de desecho y otros residuos
orgánicos, tales como plásticos residuales, como materia prima.
Convencionalmente, los residuos orgánicos, tales
como neumáticos de desecho y plásticos residuales, se han incinerado
directamente con el fin de generar vapor por medio de un
intercambiador de calor y utilizando el vapor como fuente de
calor.
Tomando los neumáticos de desecho como ejemplo
de residuo orgánico, están compuestos de 50% a 60% de volátiles, 20%
a 30% de carbono fijado, y 10% a 15% de materia inorgánica, tal como
acero y ceniza, tal como se muestra en la Tabla 1. Debido a que los
neumáticos de desecho comprenden alambres de acero, resulta difícil
triturarlos en trozos pequeños. De acuerdo con ello, la práctica
convencional ha sido quemar neumáticos de desecho enteros en un
fogón o estufa o triturar los neumáticos de desecho en cubos de
aproximadamente 10 cm y quemarlos en un fogón o estufa. Sin embargo,
estos procedimientos de combustión implican los problemas
siguientes:
(1) Si se queman neumáticos de desecho con la
ayuda de aire, se descomponen y queman rápidamente los volátiles
presentes en los mismos. Como resultado, se alcanza localmente una
temperatura elevada, de 1.500ºC o superior, tendiendo a causar daños
en el horno. Además, se producen grandes cantidades de hollín y de
alquitrán a partir de la llama, requiriendo un tratamiento
posterior.
(2) El carbono fijado presenta una tasa de
quemado tan baja que puede formar un residuo en mezcla con materia
inorgánica. Este residuo no resulta fácil de eliminar.
Por estos motivos, resulta difícil eliminar los
residuos orgánicos, tales como los neumáticos de desecho. En el
presente estado de la técnica, ha resultado imposible utilizar
recursos a partir de estos residuos.
| Componente | Contenido (%) | |
| Volátiles | Caucho crudo | 40-50 |
| Aceite | 5-10 | |
| Carbono fijado | 20-30 | |
| Acero y cenizas | 10-15 |
Un ejemplo de un horno de gasificación de lecho
fijo convencional para la gasificación de residuos orgánicos, tales
como neumáticos de desecho y plásticos residuales se ilustra en la
fig. 10. En el horno de gasificación de lecho fijo 201 de la Fig.
10, los volátiles presentes en los residuos orgánicos 206
alimentados desde arriba se pirolizan y se gasifican por el calor
desarrollado como resultado de la combustión parcial del carbono
fijado presente en el residuo subyacente, proporcionando de esta
manera un residuo 207 constituido en gran parte por carbono fijado.
El carbono fijado presente en el residuo 207 se quema parcialmente y
gasifica con un agente gasificante 211 que es una mezcla de un gas
que contiene oxígeno y vapor, y que se suministra a un espacio por
debajo de una placa perforada 204 a través de una válvula 212, y el
carbono fijado sirve para suministrar el calor requerido para
pirolizar los volátiles. El gas producido por la pirólisis y la
gasificación de los volátiles y el gas producido por la gasificación
del carbono fijado se mezclan conjuntamente y se extraen como gas
gasificado de residuos orgánicos 210. Las reacciones que se producen
durante este procedimiento se representan mediante las ecuaciones
siguientes (1), (2) y (3).
(1)C + O_{2}
- -> CO + CO_{2} + Q_{1}
(exotérmica)
(suministro del calor de reacción por la
combustión parcial y gasificación del carbono fijado)
(2)C + H_{2}O
- -> CO + H_{2} - Q_{3}
(endotérmica)
(gasificación por la reacción de carbono fijado
con vapor)
\newpage
| C_{n}H_{m} - -> C_{n1}H_{m1} - Q_{2} (endotérmica) | (3) | |
| (n > n1, m > m1) |
(pirólisis y gasificación de volátiles)
Si la temperatura de pirólisis de volátiles es
elevada (por ejemplo de 700ºC o superior), se rompen de manera
extendida los enlaces C-C, de manera que se produce
en proporciones elevadas un gas hidrocarburo de bajo peso molecular
constituido por componentes de bajo peso molecular, tales como
metano (CH_{4}), etano (C_{2}H_{6}) y etileno
(C_{2}H_{4}). Por otra parte, si la temperatura de pirólisis es
baja (por ejemplo 500ºC a 700ºC), se produce un gas hidrocarburo de
elevado peso molecular que contiene compuestos aromáticos, tales
como benceno (C_{6}H_{6}), tolueno (C_{7}H_{8}) y naftaleno
(C_{10}H_{8}). Esta situación se muestra esquemáticamente en la
fig. 11.
Cuando se utiliza un gas obtenido mediante la
gasificación de residuos orgánicos como materia prima para la
formación de negro de carbono, el gas producido en el horno de
gasificación se introduce en un horno de combustión para la
formación de negro de carbono, y se quema en un ambiente pobre en
oxígeno para formar negro de carbono. Durante este procedimiento, se
quema predominantemente un gas constituido por componentes de bajo
peso molecular mediante la reacción con oxígeno, creando un área de
elevada temperatura. En este área de temperatura elevada, un gas
hidrocarburo de elevado peso molecular experimenta deshidrogenación
y policondensación repetidamente y de esta manera crece para formar
negro de carbono. Es decir, con el fin de incrementar el rendimiento
del negro de carbono, resulta preferido incrementar el contenido de
componentes de elevado peso molecular, tales como naftaleno
(C_{10}H_{8}) y antraceno (C_{14}H_{10}), en el gas obtenido
mediante la gasificación de los residuos orgánicos. Con este fin,
resulta preferible llevar a cabo la pirólisis de los volátiles a una
temperatura comprendida entre 500ºC y 700ºC.
Si la temperatura de pirólisis es superior a
700ºC, los enlaces C-C presentes en los volátiles se
romperán de manera extendida, produciendo hidrocarburos de bajo peso
molecular, tales como metano (CH_{4}), etano (C_{2}H_{6}) y
etileno (C_{2}H_{4}). Si es inferior a 500ºC, la pirólisis no se
producirá satisfactoriamente.
Habitualmente, la cantidad de calor requerida
para pirolizar y gasificar los volátiles a una temperatura
comprendida entre 500ºC y 700ºC será únicamente de aproximadamente
5% a 10% de la cantidad total de calor poseído por los residuos
orgánicos. En el caso de que el contenido de carbono fijado en los
residuos orgánicos sea elevado (por ejemplo del 20%), la combustión
de todo el carbono fijado desarrollará una cantidad excesiva de
calor.
De esta manera, cuando se desee producir un gas
hidrocarburo de elevado peso molecular a partir de volátiles en la
gasificación de residuos orgánicos, surgen los problemas siguientes.
Estos problemas dificultan el control de la temperatura de pirólisis
de los volátiles para que permanezcan en un intervalo apropiado.
(1) Si la tasa de alimentación de oxígeno se
reduce para disminuir la cantidad de carbono fijado que experimenta
combustión parcial (es decir, el calor de combustión, Q_{1}, de
carbono fijado) y de esta manera se reduce la temperatura de
pirólisis, queda un residuo que contiene carbono fijado. Este
residuo no resulta fácil de eliminar.
(2) Por el contrario, si se quema parcialmente
carbono fijado a una tasa de alimentación suficientemente elevada de
oxígeno, de manera que no quede ningún carbono fijado residual, se
incrementa el calor de combustión, elevando la temperatura de
pirólisis. Como resultado, no puede obtenerse gas hidrocarburo de
elevado peso molecular.
(3) La temperatura de reacción puede reducirse
mediante la adición de vapor al agente de gasificación. Sin embargo,
si la tasa de alimentación de vapor se eleva para incrementar la
cantidad de calor (Q_{3}) absorbida por la reacción del carbono
fijado con el vapor, el carbono fijado y el vapor no reaccionado
reaccionan con el gas hidrocarburo de elevado peso molecular
producido por la pirólisis de los volátiles, resultando en la
formación de hidrocarburos de bajo peso molecular.
| C_{n1}H_{m1} + H_{2}O - -> C_{n2}H_{m2} + CO + H_{2} - Q_{4} | (4) | |
| (n1 > n2, m1 > m2) |
Además, tal como se ha indicado anteriormente,
se requiere un control correcto de la temperatura para obtener un
gas con una composición adecuada para la utilización como materia
prima para la producción de negro de carbono. En los hornos de
gasificación de lecho fijo convencionales, la tasa de alimentación
de todo el agente gasificante habitualmente se controla en respuesta
a la altura de la capa de residuos orgánicos dentro del horno y esto
implica los problemas siguientes.
Si la tasa de alimentación de los residuos
orgánicos varía, el cambio resultante en la tasa de alimentación del
agente gasificante se retrasa debido al retardo temporal del cambio
en la altura de la capa de residuos orgánicos. Esto provoca que se
desequilibre la proporción de agente gasificante/residuos orgánicos.
Como resultado, el suministro de calor por la combustión parcial y
gasificación del carbono fijado de acuerdo con las ecuaciones
anteriores (1) y (2) se desequilibra asimismo, de manera que puede
resultar modificada la temperatura interna del horno de
gasificación. De esta manera, la temperatura de pirólisis de los
volátiles dependiente de la ecuación (3) puede resultar modificada,
para alejarse de su intervalo apropiado. Es decir, si se reduce la
tasa de alimentación de residuos orgánicos, la proporción de agente
gasificante/residuos orgánicos se eleva indebidamente, resultando en
un incremento de la temperatura de pirólisis. Por el contrario, si
se incrementa la tasa de alimentación de residuos orgánicos, la
proporción de agente gasificante/residuos orgánicos se vuelve
temporalmente indebidamente reducida, resultando en una reducción de
la temperatura de pirólisis. En consecuencia, las propiedades del
gas gasificado de residuos orgánicos resultante resultan
modificadas, conduciendo a un funcionamiento inestable del
procedimiento posterior (tal como el procedimiento de producción de
negro de carbono) que utiliza este gas.
Además, con el fin de mantener reducida la
temperatura de pirólisis de los volátiles, resulta necesario
mantener reducida la temperatura de combustión parcial/gasificación
del carbono fijado. Debido a que de esta manera se reduce la tasa de
reacción del carbono fijado, la capa de residuos orgánicos se vuelve
gruesa, requiriendo un horno de gasificación de lecho fijo de
grandes dimensiones.
Otro procedimiento para la producción de negro
de carbono en un procedimiento de gasificación a partir de
neumáticos de desecho y residuos se describe en el documento EP nº 0
554 688 A1. El gas de síntesis que contiene monóxido de carbono
producido utiliza como tal o tras su enriquecimiento en monóxido de
carbono mediante el enriquecimiento en 0% a 100% en un sistema de
producción de negro de carbono. El procedimiento consiste
esencialmente en el quemado y la gasificación del material residual
en una mezcla gaseosa de aire (oxígeno) y vapor con una proporción
infra-estequiométrica de oxígeno para la combustión
generalmente bajo temperaturas muy elevadas, de 1.300ºC a 1.600ºC,
para la generación de CO y H_{2}, y de CO_{2} y H_{2}O.
También puede introducirse en un generador de negro de carbono tras
el enriquecimiento en CO, debido a que el gas de bajo peso molecular
(tal como CO y CO_{2}) y los hidrocarburos de bajo peso molecular,
si se obtienen a partir de residuos orgánicos, resultan ineficientes
en la producción del negro de carbono. El gas de síntesis en primer
lugar puede utilizarse para la generación de vapor (reduciendo de
esta manera la temperatura). Tras la separación del polvo y de
H_{2}S y CO_{2}, puede enfriarse además mediante enfriamiento
brusco con agua. Se recupera negro de carbono de alta calidad con
elevada conductividad térmica y eléctrica.
Un objetivo de la invención consiste en
proporcionar un procedimiento para la producción de negro de carbono
a partir de residuos orgánicos, tales como neumáticos de desecho, de
funcionamiento sencillo y elevada eficiencia y, además, que permite
convertir los residuos orgánicos en un recurso y reutilizarlos como
materia prima para la producción del valioso negro de carbono.
El objetivo de la invención se consigue mediante
los procedimientos definidos en las reivindicaciones adjuntas 1 y
2.
Según la reivindicación 1 de la invención, las
reacciones de gasificación se producen en la combustión parcial y
gasificación de residuos orgánicos en una mezcla gaseosa de un gas
que contiene oxígeno y vapor con una proporción equivalente de
oxígeno a carbono de 1 o inferior, particularmente de 0,1 a 0,5, a
una temperatura de entre 500ºC y 1.000ºC. Las reacciones de
gasificación se representan mediante las ecuaciones (5) a (9)
siguientes.
Los volátiles y el carbono fijado se queman
parcialmente por reacción con oxígeno, y el calor desarrollado de
esta manera provoca la pirólisis de los volátiles. Además, los
volátiles se convierten en compuestos de bajo peso molecular
mediante reacción con el vapor, y el carbono fijado se gasifica
mediante reacción con el vapor. La temperatura de estas combustión
parcial y gasificación se encuentra comprendida preferentemente en
el intervalo comprendido entre 500ºC y 1.000ºC. Si la temperatura es
inferior a 500ºC, la reacción de pirólisis de los volátiles según la
ecuación (3) no transcurrirá de manera satisfactoria. Si es superior
a 1.000ºC, las reacciones (5) y (7) se producen rápidamente y una
parte de los volátiles pirolizados (C_{n1}H_{m1}) experimentan
policondensación en el ambiente deficiente en oxígeno, con el fin de
formar alquitrán y hollín.
Además, si la combustión tiene lugar únicamente
en aire, la temperatura de combustión se eleva debido a la falta de
vapor, y una parte de los volátiles descompuestos (C_{n1}H_{m1})
experimenta policondensación, con el fin de producir alquitrán y
hollín.
(5)C_{n}H_{m}
+ O_{2} - -> C_{n1}H_{m1} + CO + CO_{2} + H_{2} + H_{2}O
+
Q_{1}
(reacción exotérmica por la combustión parcial
de los volátiles)
(6)C + O_{2}
- -> CO + CO_{2} +
Q_{2}
(reacción exotérmica por la combustión parcial
del carbono fijado)
(7)C_{n}H_{m}
- -> C_{n1}H_{m1} - Q_{3} (n >
n1)
(pirólisis de volátiles, reacción
endotérmica)
(8)C_{n}H_{m}
+ H_{2}O - -> C_{n1}H_{m1} + CO + H_{2} - Q_{4} (n >
n1)
(conversión de volátiles en compuestos de bajo
peso molecular por reacción con vapor, reacción endotérmica)
(9)C + H_{2}O
- -> CO + H_{2} -
Q_{5}
(gasificación del carbono fijado por reacción
con vapor, reacción endotérmica)
En las reacciones indicadas anteriormente, la
temperatura de gasificación y la composición del gas combustible
resultante pueden controlarse mediante la variación de las tasas de
alimentación de oxígeno y de vapor. La Fig. 4 muestra la relación
entre las proporciones de oxígeno y vapor suministrados y el
carbono, y las características de reacción en la gasificación de
neumáticos de desecho a 700ºC. En la Fig. 4, se representan las
proporciones molares de O_{2} (oxígeno) a C (carbono) y de
H_{2}O (vapor) a C presentes en los residuos orgánicos, como
ordenada y abscisa, respectivamente. Tal como se muestra en la Fig.
4, las reacciones de gasificación se dividen en cinco regiones con
diferentes patrones de reacción según las proporciones de O_{2} y
de H_{2}O.
(1) Región de no combustión: en esta región, la
combustión no puede mantenerse debido a la escasez de O_{2}.
(2) Región con remanente de carbono fijado:
existe O_{2} que en la región (1) y la combustión se mantiene. Sin
embargo, la cantidad de O_{2} todavía es insuficiente y H_{2}O
es además escaso, de manera que queda algo de carbono sin
quemar.
(3) Región de gas pirolítico: la cantidad de
H_{2}O es incrementada respecto a la región (2) y no queda carbono
sin quemar. Sin embargo, los hidrocarburos no se convierten en
compuestos de bajo peso molecular.
(4) Región de gas limpio: ésta es una región con
más H_{2}O que en la región (3). Los hidrocarburos se convierten
en compuestos de bajo peso molecular, tales como CO, H_{2} y
CH_{4}.
(5) Región de coqueo: ésta es una región en la
que está presente más O_{2} que en las regiones (3) y (4). La
temperatura de combustión se encuentra elevada localmente e
hidrocarburos que pirolizan rápidamente experimentan
policondensación mutua (coqueo), para formar alquitrán y
hollín.
En la presente invención, resulta necesario
producir grandes cantidades de hidrocarburos de elevado peso
molecular con el fin de obtener negro de carbono a un rendimiento
elevado. Las condiciones preferidas para este fin (es decir, una
proporción equivalente de oxígeno a carbono de 0,3 a 0,5, y una
proporción equivalente de vapor de aproximadamente 2 a 3 en este
ejemplo) se representan mediante la zona sombreada en la fig. 4.
La reacción de pirólisis que se produce en la
pirólisis y gasificación de los residuos orgánicos a una temperatura
de 500ºC o superior a un ambiente libre de oxígeno según la
reivindicación 2 se representa mediante la ecuación siguiente
(10).
La temperatura apropiada para la pirólisis es de
500ºC o superior, y preferentemente se encuentra comprendida en el
intervalo entre 500ºC y 900ºC. Si la temperatura es inferior a
500ºC, la pirólisis no transcurrirá satisfactoriamente, mientras que
si es superior a 900ºC, el gas resultante estará constituido por
componentes de bajo peso molecular, resultando en un rendimiento
reducido de negro de carbono.
(10)C_{n}H_{m} - ->
C_{n1}H_{m1} - Q_{6} (n >
n1)
(pirólisis de volátiles, reacción
endotérmica)
En los procedimientos de la presente invención,
el gas combustible obtenido de la manera indicada anteriormente (es
decir, mediante la combustión parcial y gasificación de residuos
orgánicos en una mezcla gaseosa de un gas que contiene oxígeno y
vapor con una proporción equivalente de oxígeno a carbono de 1 o
menos, o mediante la pirólisis y la gasificación de residuos
orgánicos a una temperatura de 500ºC o superior en un ambiente libre
de oxígeno) se quema en un ambiente deficiente en oxígeno que
contiene una cantidad inferior a la estequiométrica de oxígeno
necesario para la combustión. Debido a que la presencia de cualquier
partícula gruesa en este gas combustible puede degradar la calidad
del negro de carbono, resulta preferido eliminarlas por medio de un
ciclón o similar.
Las reacciones que se producen en esta etapa se
representan mediante las ecuaciones siguientes (11) a (14). El gas
combustible se quema parcialmente para crear un área de temperatura
elevada, a 1.000ºC o superior. En este área de temperatura elevada,
los hidrocarburos se deshidrogenan y después se policondensan a
continuación mutuamente debido a la escasez de oxígeno. De esta
manera, tal como se muestra en la fig. 5, los hidrocarburos se
convierten en aromáticos y a continuación en aromáticos
macromoleculares, que se condensan formando gotas y finalmente
forman partículas de negro de carbono.
Durante este procedimiento, la tasa de la
reacción de deshidrogenación de los hidrocarburos puede
incrementarse alcanzando una temperatura de 1.000ºC o superior,
preferentemente de 1.000ºC a 2.000ºC. Como resultado, la difusión de
oxígeno se vuelve insuficiente y se incrementa la proporción de
hidrocarburos mutuamente policondensados, resultando en un
rendimiento incrementado de negro de carbono. La temperatura
raramente supera los 2.000ºC en el caso de la combustión en estas
condiciones de escasez de oxígeno.
Por otra parte, si la temperatura es baja, la
proporción de hidrocarburos que reacciona con el oxígeno en difusión
se incrementa, resultando en un rendimiento reducido de negro de
carbono. Además, la reacción de deshidrogenación no transcurre
satisfactoriamente, de manera que no puede obtenerse negro de
carbono de alta calidad.
- CO + O_{2} - -> CO_{2} + Q_{7}
- (11)
- H_{2} + O_{2} - -> H_{2}O +Q_{8}
- (12)
- C_{n1}H_{m1} + O_{2} - -> CO + CO_{2} + H_{2} + H_{2}O + Q_{9}
- (13)
(reacción exotérmica por la combustión parcial
de gases combustibles)
- C_{n1}H_{m1} - -> C + H_{2} - Q_{10}
- (14)
(formación de negro de carbono por la
deshidrogenación y policondensación de hidrocarburos)
A continuación, las reacciones para la
conversión de los hidrocarburos en negro de carbono se detienen
mediante el enfriamiento brusco instantáneo del gas de combustión
parcial resultante, de una temperatura de 1.000ºC o superior hasta
una temperatura de 700ºC o inferior, preferentemente de 200ºC a
700ºC, en una atmósfera inerte. Si el gas de combustión parcial se
enfría lentamente, se forma negro de carbono con diferentes
propiedades a diversas temperaturas durante el curso del
enfriamiento, de manera que no puede obtenerse negro de carbono de
propiedades uniformes. Como medios de enfriamiento brusco resulta
preferido utilizar agua o un gas inerte, tal como nitrógeno, que
puede además servir como medios para mantener el gas de combustión
parcial en una atmósfera inerte. El tamaño de partícula, el
contenido de hidrógeno y otras propiedades del negro de carbono
pueden controlarse mediante la regulación del momento del
enfriamiento brusco. El intervalo preferido de tamaño de partícula
se encuentra comprendido entre 20 a 100 nm y el intervalo preferido
de contenido de hidrógeno de las mismas se encuentra comprendido
entre 0,3% y 0,5%. Si la temperatura de enfriamiento brusco es
inferior a 200ºC, se alcanza el punto de condensación de cualquier
SO_{x} presente en el gas de combustión parcial, de manera que
resulta difícil la recuperación del negro de carbono.
A continuación, puede obtenerse el negro de
carbono mediante su separación y recolección del gas de reacción que
contiene negro de carbono.
El negro de carbono producido de la manera
indicada anteriormente presenta un tamaño de partícula pequeño y una
densidad aparente baja (0,1 g/cm^{3} o inferior). Si se desea,
puede incrementarse su densidad aparente mediante la granulación del
negro de carbono en un granulador húmedo o similar y secándolo a
continuación.
La invención hace posible producir valioso negro
de carbono a partir de residuos orgánicos, tales como neumáticos de
desecho, que convencionalmente se han incinerado únicamente con el
fin de utilizar el calor desprendido por su combustión como fuente
de calor. Además, aunque los neumáticos de desecho y similares
presentan la desventaja de requerir operaciones molestas para su
eliminación, los procedimientos de la presente invención facilitan
la eliminación de estos residuos orgánicos. Los sistemas de acuerdo
con la invención permiten llevar a cabo eficazmente los
procedimientos descritos anteriormente.
La Fig. 1 es un diagrama de bloques que ilustra
una primera forma de realización preferida del sistema de la
presente invención;
la Fig. 2 es un diagrama de bloques que ilustra
una segunda forma de realización preferida del sistema de la
invención;
la Fig. 3 es un diagrama de bloques que ilustra
una tercera forma de realización preferida del sistema de la
invención;
la Fig. 4 es un gráfico que muestra la relación
entre las proporciones de oxígeno y vapor suministrados a carbono, y
las características de reacción en la gasificación de neumáticos de
desecho a 700ºC;
la Fig. 5 es un diagrama esquemático que ilustra
el mecanismo de formación de negro de carbono;
la Fig. 6 es una vista esquemática que ilustra
un sistema básico de ensayo para llevar a cabo los procedimientos de
la invención;
la Fig. 7 es un diagrama esquemático que ilustra
un primer procedimiento ejemplificativo de producción de negro de
carbono de acuerdo con la invención;
la Fig. 8 es un diagrama esquemático que ilustra
un segundo procedimiento ejemplificativo de producción de negro de
carbono de acuerdo con la invención;
la Fig. 9 es un diagrama esquemático que ilustra
un tercer procedimiento ejemplificativo de producción de negro de
carbono de acuerdo con la invención;
la Fig. 10 es una representación esquemática de
un ejemplo de un horno convencional para la gasificación de residuos
orgánicos, y
la Fig. 11 es un gráfico que muestra
esquemáticamente la relación entre la temperatura de pirólisis de
residuos orgánicos y la composición del gas producido de esta
manera.
En la forma de realización de la Fig. 1, se
forma un horno de gasificación/combustión 4 mediante la unión de una
sección de gasificación 6 que constituye unos medios de
gasificación, una sección de combustión 7 que funciona como horno de
combustión, y una sección de enfriamiento brusco 9, que constituye
unos medios de enfriamiento brusco. Cuando se alimentan residuos
orgánicos, tales como neumáticos de desecho, a este horno de
gasificación y combustión 4, se queman parcialmente y gasifican bajo
la condición de que la proporción equivalente de oxígeno es 1 o
inferior en la sección de gasificación 6 a la que se suministra un
gas que contiene oxígeno 16, tal como aire, aire enriquecido en
oxígeno u oxígeno, y vapor 17.
En la sección de combustión 7 siguiente a la que
se suministra un gas que contiene oxígeno 18, tal como aire, aire
enriquecido en oxígeno u oxígeno, el gas combustible producido en la
sección de gasificación 6 se quema parcialmente a una temperatura de
1.000ºC o superior en un ambiente deficiente en oxígeno que contiene
una cantidad inferior a la estequiométrica de oxígeno. El gas de
combustión parcial resultante, que presenta una temperatura de
1.000ºC o superior, se enfría bruscamente en la sección de
enfriamiento brusco 9 mediante la adición de agua o nitrógeno 19 de
manera que se detienen las reacciones.
El gas de combustión que contiene negro de
carbono 10 obtenido de esta manera se introduce en un colector, tal
como un filtro de bolsa 11, en el que se recoge el negro de carbono
12. El negro de carbono 12 recogido se granula adecuadamente y se
seca, para producir un producto.
Por otra parte, el gas de escape de combustión
13 a partir del cual se ha separado el negro de carbono 13 se somete
a tratamientos de control de la contaminación, tales como
desulfurización, denitración y eliminación de polvo, en un aparato
de tratamiento de gas de escape 14, y se descarga en la atmósfera
como gas de escape tratado 15.
En la forma de realización de la Fig. 2, se
instala independientemente un horno de gasificación 2 que sirve como
medios de gasificación. El gas combustible 5 obtenido llevando a
cabo en el mismo la misma reacción que en la sección de gasificación
6 de la Fig. 1, se introduce en un horno de combustión 8 acoplado a
una sección de enfriamiento brusco 9, en el que se quema
parcialmente y a continuación se enfría. El flujo posterior a la
sección de enfriamiento brusco 9 es el mismo que en la forma de
realización de la fig. 1.
En la forma de realización de la fig. 3, se
instala un horno de pirólisis 3 en lugar del horno de gasificación 2
utilizado en la forma de realización de la fig. 2. De esta manera,
se pirolizan y gasifican los residuos orgánicos 1 a una temperatura
de 500ºC o superior en un ambiente sin oxígeno, para obtener un gas
combustible (o gas pirolítico) 5. El flujo posterior al horno de
combustión 8 es el mismo que en la forma de realización de la Fig.
2.
En las formas de realización de las Figs. 1 a 3,
el horno de gasificación 2, el horno de pirólisis 3 y el horno de
gasificación/combustión 4 están provistos de unos medios para la
separación de cenizas (o residuo pirolítico). Si resulta necesario,
puede instalarse un dispositivo de eliminación de polvo previamente
a la introducción del gas combustible producido mediante
gasificación o pirólisis en el horno de combustión.
Además, los componentes combustibles se
encuentran todavía contenidos en el gas de escape de combustión 13
del que se ha separado el negro de carbono 12. Por lo tanto, si se
desea, puede introducir gas de escape de combustión 13 en una
caldera, en la que se quema para generar vapor con fines de
recuperación de calor. Este vapor puede además utilizarse en la
gasificación de residuos orgánicos.
A continuación, se explica la presente invención
con mayor detalle haciendo referencia a los ejemplos siguientes.
La Fig. 6 es una vista esquemática que ilustra
un sistema de ensayo básico para la producción de negro de carbono a
partir de residuos orgánicos. Este sistema está constituido por un
aparato principal de ensayo 20 que presenta una sección de
gasificación 6, una sección de combustión 7 y una sección de
enfriamiento brusco 9, y un colector 11. Durante el funcionamiento
de este sistema, en primer lugar se disponen los residuos orgánicos
1 sobre una parrilla 21 en la sección de gasificación 6 y se
gasifican (1) mediante el suministro, desde la cara inferior de la
parrilla 21, de un agente gasificante 22 que comprende una mezcla de
aire, oxígeno y vapor en cualquier proporción deseada, y se
precalientan a cualquier temperatura deseada hasta 700ºC, o (2)
mediante el suministro, desde la cara inferior de la parrilla 21, de
un agente gasificante 22 que comprende gas nitrógeno o similar, y se
precalienta hasta una temperatura de 500ºC o superior.
En la sección de combustión 7, el gas
combustible 5 producido de esta manera se quema en un ambiente
deficiente en oxígeno mediante el suministro de un gas comburente 24
que comprende una mezcla de aire y oxígeno en cualquier proporción
deseada a través de una boquilla 23. A continuación, el gas de
combustión resultante se enfrió bruscamente en la sección de
enfriamiento brusco 9 mediante la introducción de gas nitrógeno 26 a
través de una boquilla 25. El gas de combustión que contiene negro
de carbono resultante obtenido de esta manera se introdujo en un
colector 11, tal como un filtro de bolsa, en el que se separó y se
recogió el negro de carbono. Las composiciones y las temperaturas
del agente gasificante 22 y gas comburente 24 pueden controlarse
convenientemente de acuerdo a las propiedades de los residuos
orgánicos 1.
Los procedimientos para la producción de negro
de carbono en el sistema anteriormente descrito mediante la
utilización de neumáticos de desecho como residuos orgánicos, se
describen más específicamente a continuación.
(1) Se cargaron neumáticos de desecho,
triturados formando trozos cúbicos de aproximadamente 1 cm, en un
parrilla 21 a una tasa de alimentación de 5 kg por hora. Por otra
parte, se suministró un agente gasificante 22 que comprende una
mezcla 1:1 de aire y vapor precalentada a 700ºC a una tasa de
alimentación de 50 N litros por minuto. De esta manera, se gasificó
la totalidad de los neumáticos de desecho con la excepción del acero
y las cenizas.
(2) Se cargaron neumáticos de desecho,
triturados formando trozos cúbicos de aproximadamente 1 cm, en una
parrilla 21 a una tasa de alimentación de 5 kg por hora. Por otra
parte, se suministró gas nitrógeno precalentado a 700ºC a una tasa
de alimentación de 50 N litros por minuto. De esta manera, se
pirolizaron y gasificaron los volátiles, tales como el caucho crudo
y el aceite.
El gas combustible 5 obtenido en la etapa
anterior (1) o (2) se quemó parcialmente a una temperatura de
1.000ºC o superior con ayuda de un gas comburente 24 que comprendía
una mezcla 1:1 de aire y oxígeno suministrado a través de boquillas
23 por encima de la parrilla, a una tasa de alimentación de 10 N
litros por minuto.
El gas de combustión procedente de la sección de
combustión se enfrió bruscamente hasta 700ºC o menos mediante el
suministro de gas nitrógeno hacia el mismo a través de una boquilla
25 a una tasa de flujo de 50 N litros por minuto. De esta manera, se
obtuvo un gas de combustión que contenía negro de carbono.
El gas de combustión anterior que contiene negro
de carbono se introdujo en el colector (o filtro de bolsa), en el
que se separó y se recogió el negro de carbono. El rendimiento de
negro de carbono era de aproximadamente 1 kg por hora.
La fig. 7 es un diagrama esquemático que ilustra
un procedimiento ejemplificativo a escala industrial utilizando el
sistema de la fig. 1. Este procedimiento se llevó a cabo de la
manera siguiente.
1. Se cortaron neumáticos de desecho, utilizados
como residuo orgánico 1, en cubos de aproximadamente 10 cm y se
alimentaron a un horno de gasificación/combustión 4.
2. En la sección de gasificación 6 del horno de
gasificación/combustión 4 a la que se había alimentado aire, o aire
enriquecido en oxígeno 16', y vapor 17, se quemó una parte de los
residuos orgánicos (neumáticos de desecho) 1 para producir calor y
de esta manera elevar la temperatura interna hasta 700ºC o más.
3. Se produjo un gas combustible 5 que contiene
CO, H_{2}, CH_{4} y compuestos hidrocarburo de elevado peso
molecular, tales como alquitrán, a partir de los residuos orgánicos
(neumáticos de desecho) 1. El resto se extrajo en forma de cenizas
inorgánicas 27.
4. En su sección de combustión 7, a la que se
suministró aire o aire enriquecido en oxígeno 18', el gas
combustible 5 producido en la sección de gasificación 6 se quemó
parcialmente a 1.500ºC en un ambiente deficiente en oxígeno que
contenía una cantidad inferior a la estequiométrica de oxígeno con
el fin de formar negro de carbono 12.
5. En su sección de enfriamiento brusco 9, el
gas de combustión que contiene negro de carbono 12 se enfrió
bruscamente a 500ºC mediante la adición de agua 19' para detener las
reacciones.
6. El gas de combustión que contenía negro de
carbono 10 producido de esta manera se transportó a un filtro de
bolsa 28, en el que se recogió el negro de carbono 12. Este negro de
carbono 12 se granuló convenientemente y se secó, para producir un
producto.
7. Debido a que quedan componentes combustibles
en el gas de escape de combustión 13 a partir del que se ha separado
el negro de carbono 12, este gas de escape de combustión 13 se quemó
en una caldera 29, para generar vapor 30.
8. Una parte del vapor 30 se utilizó como parte
del vapor 17 suministrado a la sección de gasificación 6, y el resto
se utilizó como fuente de calor.
9. El gas de escape de combustión 13, cuyos
componentes combustibles se habían quemado en la caldera 29 se trató
en un aparato de tratamiento de gases de escape 14, según se
requiere. El gas de escape libre de contaminantes resultante se
descargó en la atmósfera.
La fig. 8 es un diagrama esquemático que ilustra
un procedimiento a escala industrial ejemplificativa con el sistema
de la Fig. 2. En este procedimiento, se instaló un ciclón 31 entre
un horno de gasificación 2 y un horno de combustión 8 provisto de
una sección de enfriamiento brusco 9 con el fin de eliminar las
partículas gruesas del gas combustible. Este procedimiento se llevó
a cabo de la manera siguiente.
1. Se cortaron neumáticos de desecho, utilizados
como residuo orgánico 1, en cubos de aproximadamente 10 cm y se
alimentaron al horno de gasificación 2.
2. En el horno de gasificación 2, al que se
había suministrado aire o aire enriquecido en oxígeno 16' y vapor
17, se quemó una parte de los residuos orgánicos (neumáticos de
desecho) para producir calor y de esta manera elevar la temperatura
interna hasta 700ºC o más.
3. Se produce un gas combustible 5 que contiene
CO, H_{2}, CH_{4}, compuestos aromáticos, tales como benceno y
tolueno, y compuestos hidrocarburo de elevado peso molecular, tales
como alquitrán, a partir de residuos orgánicos (neumáticos de
desecho) 1. El resto se extrae en forma de cenizas inorgánicas
27.
4. El polvo se elimina del gas combustible 5 por
medio de un ciclón 31. A continuación, en el horno de combustión 8
al que se suministra aire o aire enriquecido en oxígeno 18', se
quema parcialmente gas combustible 5 a 1.500ºC en un ambiente
deficiente en oxígeno que contiene una cantidad inferior a la
estequiométrica de oxígeno, preferentemente a una proporción de
oxígeno/carbono de 0,1 a 0,5, para formar negro de carbono 12. Si la
proporción oxígeno-carbono es inferior a 0,1, el gas
combustible 5 no puede quemarse, mientras que si es superior a 0,5,
el rendimiento de negro de carbono se encuentra reducido.
5. En su sección de enfriamiento brusco 9, el
gas de combustión que contiene negro de carbono 12 se enfría
bruscamente hasta 500ºC mediante la adición de agua 19' para detener
las reacciones.
6. El gas de combustión que contiene negro de
carbono 10 producido de esta manera se transporta hasta un filtro de
bolsa 28, en el que se recoge el negro de carbono 12. Este negro de
carbono 12 se granula adecuadamente y se seca, produciendo un
producto.
7. Debido a que quedan componentes combustibles
en el gas de escape de combustión 13 del que se ha separado el negro
de carbono 12, este gas de escape de combustión 13 se quema en una
caldera 29 para generar vapor 30.
8. Una parte del vapor 30 se utiliza como una
parte del vapor 17 suministrado a la sección de gasificación 6 y el
resto se utiliza como una fuente de calor.
9. El gas de escape de combustión 13 cuyos
componentes combustibles se han quemado en la caldera 29 se trata en
un aparato de tratamiento de gases de escape 14, según se requiere.
El gas de escape libre de contaminantes resultante se descarga en la
atmósfera.
La Fig. 9 es un diagrama esquemático que ilustra
un procedimiento ejemplificativo a escala industrial con el sistema
de la Fig. 3. En este procedimiento, se utiliza un horno de
pirólisis 3 como los medios de gasificación. Este procedimiento se
lleva a cabo de la manera siguiente.
1. Neumáticos de desecho, utilizados como
residuo orgánico 1, se cortan en cubos de aproximadamente 10 cm y se
alimentan a un horno de pirólisis 3 por medio de doble regulador de
tiro 32.
2. Dentro del horno de pirólisis 3 con una
temperatura de 600ºC, se pirolizan los neumáticos de desecho
mientras se desplazan en un cargador 33. El residuo se extrae por
medio de un doble regulador de tiro 34.
3. Una parte del gas combustible resultante (gas
pirolítico) 5, consistente en gran parte en aceites ligeros, tales
como benceno, tolueno, xileno y estireno se mezcla con aire 36 y se
quema con quemadores con el propósito de calentar el horno de
pirólisis 3.
4. El resto del gas combustible (gas pirolítico)
5 se introduce en un horno de combustión 8 al que se suministra aire
18'', y se quema parcialmente a una temperatura comprendida entre
1.000ºC y 1.500ºC en un ambiente deficiente en oxígeno que contiene
una cantidad inferior a la cantidad estequiométrica de oxígeno,
preferentemente a una proporción oxígeno/carbono de 0,1 a 0,5, para
formar negro de carbono 12. Si la proporción
oxígeno-carbono es inferior a 0,1, el gas
combustible 5 no puede quemarse, mientras que si es superior a 0,5,
la mayor parte del gas combustible 5 se quema, resultando en un
rendimiento reducido de negro de carbono.
5. En su sección de enfriamiento brusco 9, el
gas de combustión que contiene negro de carbono 12 se enfría
bruscamente hasta 500ºC mediante la adición de agua para detener las
reacciones.
6. El gas de combustión que contiene negro de
carbono 10 producido de esta manera se transporta hasta un filtro de
bolsa 28 en el que se recoge el negro de carbono 12. Este negro de
carbono 12 se granula adecuadamente y se seca para proporcionar un
producto.
7. El gas de escape de combustión 13 del que se
ha separado el negro de carbono 12 se trata en un aparato de
tratamiento de gases de escape 14, según se requiere. El gas de
escape libre de contaminantes resultante se descarga en la
atmósfera.
Claims (2)
1. Procedimiento para la producción de negro de
carbono a partir de residuos orgánicos, tales como neumáticos de
desecho y plástico residual, que comprende las etapas
siguientes:
quemar parcialmente y gasificar el residuo
orgánico en una mezcla gaseosa de un gas que contiene oxígeno y
vapor con una proporción equivalente de oxígeno a carbono de 1 o
inferior, particularmente de 0,1 a 0,5, a una temperatura de 500ºC a
1.000ºC;
quemar parcialmente el gas combustible
resultante a una temperatura de 1.000ºC o superior en un ambiente
deficiente en oxígeno que contiene una cantidad inferior a la
cantidad estequiométrica de oxígeno requerido para la combustión,
preferentemente a una proporción de oxígeno a carbono de 0,1 a 0,5,
para de esta manera deshidrogenar y policondensar mutuamente
cualquier hidrocarburo y para formar negro de carbono;
enfriar bruscamente el gas de combustión parcial
resultante, que presenta una temperatura de 1.000ºC o superior hasta
una temperatura de 700ºC a 200ºC en una atmósfera inerte, y
separar y recoger el negro de carbono del gas de
reacción que contiene negro de carbono.
2. Procedimiento para la producción de negro de
carbono a partir de residuos orgánicos, tales como neumáticos de
desecho y plástico residual, que comprende las etapas
siguientes:
pirolizar y gasificar los residuos orgánicos a
una temperatura de 500ºC o superior, particularmente a una
temperatura de entre 500ºC y 900ºC, en un ambiente sin oxígeno,
quemar parcialmente el gas combustible
resultante a una temperatura de 1.000ºC o superior en un ambiente
deficiente en oxígeno que contiene una cantidad inferior a la
cantidad estequiométrica de oxígeno requerida para la combustión,
preferentemente a una proporción de oxígeno a carbono de 0,1 a 0,5,
para de esta manera deshidrogenar y policondensar mutuamente
cualquier hidrocarburo y para formar negro de carbono;
enfriar bruscamente el gas de combustión parcial
resultante, que presenta una temperatura de 1.000ºC o superior,
hasta una temperatura de 700ºC a 200ºC en una atmósfera inerte,
y
separar y recoger el negro de carbono del gas de
reacción que contiene negro de carbono.
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