ES2292508T3 - Procedimiento y aparato para el tratamiento termico y la transformacion quimica de materiales naturales y sinteticos mediante la generacion de un gas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el tratamiento térmico y la transformación química de materiales naturales y sintéticos mediante la generación de un gas de producto para su uso posterior, en donde altas temperaturas actúan sobre una mezcla de productos procedente de materiales de reciclado y/o mezclas orgánicas en un reactor para carbonización a baja temperatura (1) y se forman gases para su posterior procesamiento, caracterizado por que a) se mezcla un producto de partida que contiene agua con un producto intermedio existente de una corriente de producto intermedio procedente de la cámara de alta temperatura (4) del reactor para carbonización a baja temperatura (1) y se lleva a una temperatura superior a 300 °C en la cámara de mezcla (2) del reactor para carbonización a baja temperatura (1) para producir una descomposición y gasificación, b) se fabrica un producto intermedio junto con una entrada de gas adicional a una temperatura de 500 - 1000 °C en la cámara de alta temperatura (4) del reactor para carbonización a baja temperatura (1), c) se introduce de forma bidireccional una corriente de producto de la mezcla formada por producto intermedio y producto de partida que contiene agua como mezcla de producto intermedio entre la cámara de alta temperatura (4) y la cámara de mezcla (2) del reactor para carbonización a baja temperatura (1) de forma que así se realiza la fabricación del producto intermedio mediante un tratamiento a alta temperatura en la cámara de alta temperatura (4) del reactor para carbonización a baja temperatura (1), d) el producto intermedio así obtenido en la fabricación del producto intermedio es enviado en sentido ascendente bidireccional como producto intermedio a la cámara de mezcla (2) y en la segunda corriente de producto en sentido descendente al reactor secundario de carbonización a baja temperatura (16/1), en donde al mismo tiempo en el reactor secundario de carbonización a baja temperatura (16/1) a través de una boca (6) se introduce un aceite de pirólisis.
Description
Procedimiento y aparato para el tratamiento
térmico y la transformación química de materiales naturales y
sintéticos mediante la generación de un gas.
El objeto de la invención es encontrar un
procedimiento y un dispositivo para el tratamiento térmico y la
transformación química de materiales naturales y sintéticos mediante
la generación de un gas de producto para su uso posterior, en donde
se realiza una carbonización a baja temperatura de materiales
residuales procedentes de la industria del papel, la agricultura y
la silvicultura y el gas de producto generado queda disponible para
un uso material o energético posterior.
Los métodos de pirólisis conocidos están basados
en que los productos residuales y de desecho, como por ejemplo
rechazos de papel, plásticos, gomas, maderas, etc., producen
mediante una reacción de pirólisis a alta temperatura y a presión
normal o a sobrepresión o subpresión ligera una descomposición de
las estructuras moleculares y la formación de gas. Es conocido que
en estos procesos también se incluyen áridos, como por ejemplo CaO,
CaOH, etc., que son utilizados en otros procedimientos como, p. ej.,
procedimientos de combustión, para neutralizar los formadores de
ácidos generados en la descomposición. Los gases formados son
depurados en etapas de depuración posteriores en las que, por lo
general, se utiliza un lavado de gas. Los procedimientos conocidos
presentan características que han sido aprovechadas de múltiples
formas en los procedimientos técnicos.
El proceso de carbonización a baja temperatura
de los materiales antes mencionados, sin embargo, libera en el
aparato de pirólisis productos con propiedades que afectan
negativamente a los equipos cuando se utilizan procedimientos
convencionales, de forma que estos procedimientos no resultan
aplicables. Se forman productos de descomposición que forman
condensados en las superficies y piezas de los equipos y tras un
período prolongado de funcionamiento se forman acumulaciones
sólidas que afectan al proceso, lo que es considerado como un
inconveniente.
Debido a los vapores de agua transportados que
se liberan en el aparato de pirólisis se escapa calor que, en las
acumulaciones de material formadas en los aparatos de pirólisis
convencionales, causan importantes diferencias de temperatura en el
material de forma que la reacción de pirólisis deseada no se produce
de forma homogénea y sólo pueden liberarse gases de pirólisis de la
superficie de las acumulaciones de material, dado que la
transferencia de calor por conducción no es suficiente y, por tanto,
se produce una limitación de la transformación química y del
material debido a una transmisión térmica excesivamente baja. Por
otro lado, un porcentaje de los productos volátiles que se evaporan
de la capa de difusión próxima a la superficie ya a bajas
temperaturas da lugar a un empobrecimiento de la mezcla de gases, de
forma que la reacción tras la disgregación de los materiales
sintéticos da lugar a una formación de un gas de producto en
condiciones de equilibrio no óptimas. La composición de gases se
caracterizar por un alto porcentaje de CO_{2}, lo que no se
considera óptimo. La velocidad de la reacción no alcanza el orden de
magnitud necesario.
Otros procedimientos frecuentemente utilizados
evitan estos inconvenientes insuflando a un espacio de reacción
partículas con un tamaño de hasta 3 mm, a menudo en presencia de
cantidades de aire introducidas a nivel subestequiométrico que,
mediante una reacción de combustión que provoca la gasificación,
sufren una carbonización y un calentamiento de las superficies
suficientes para mantener la posterior reacción de gasificación a
una temperatura adecuada. Mediante este procedimiento se obtiene,
con un elevado coste de equipamiento, un gas pobre a mayor
temperatura, el cual sólo puede ser utilizado desde el punto de
vista energético en varias etapas del proceso y que, debido a las
inevitables impurezas, presenta problemas de depuración de los gases
que deben ser resueltos mediante procesos materiales y energéticos
habitualmente muy costosos de aprovechamiento posterior,
valorización y refino de los gases.
A menudo los procedimientos de gasificación se
asocian a procesos económicos que son conocidos y que no deben
asociarse obligatoriamente con la preparación de materiales
sintéticos para obtener un gas valorizable sino que, por el
contrario, no representan la mejor opción para la valorización de
acuerdo con el estado de la técnica. Por tanto, las soluciones
técnicas mencionadas presentan inconvenientes que son evitados por
la solución de la presente invención.
El objeto de la invención es realizar un
procedimiento y el correspondiente dispositivo para el tratamiento
térmico y la transformación química de materiales naturales y
sintéticos mediante la generación de un gas de producto para su uso
posterior y su aplicación con alta calidad y bajo coste
tecnológico.
La tarea de la invención es realizar un
procedimiento y un dispositivo para el tratamiento térmico y la
transformación química de materiales naturales y sintéticos
mediante la generación de un gas de producto para su uso posterior,
en donde en un proceso de carbonización a baja temperatura se genera
un gas de producto de acuerdo con las reivindicaciones de las
etapas posteriores del procedimiento desde el punto de vista
material y energético.
La tarea se resuelve de acuerdo con la invención
realizando un procedimiento y un dispositivo para el tratamiento
térmico y la transformación química de materiales naturales y
sintéticos mediante la generación de un gas de producto para el
procesamiento posterior, en donde el procedimiento y las
correspondientes características del dispositivo son de acuerdo con
lo definido en la presente memoria descriptiva. Se utiliza un
producto de partida que contiene agua con el que se fabrica una
mezcla en la cámara de carbonización a baja temperatura superior
alimentando el producto intermedio. Se fabrica un producto
intermedio mediante una reacción de equilibrio en la cámara de alta
temperatura en presencia del producto intermedio existente, la
mezcla y el gas de producto. El producto intermedio es sometido a
determinadas condiciones, debe ser transportado en una corriente de
producto bidireccional y con ello se constituye en un portador de
calor para la cámara de mezcla superior y los componentes en la
cámara de alta temperatura. Así se ajustan en el proceso las
condiciones según el procedimiento para la reacción en la mezcla,
para la reacción de equilibrio en la cámara de alta temperatura
entre mezcla, producto intermedio y gas y para las propiedades del
producto intermedio en la segunda dirección complementaria de la
formación de los productos.
En la primera etapa del proceso se trata una
mezcla formada por el producto intermedio existente y el producto
de partida que contiene agua a una temperatura > 300ºC de forma
que se produzca la reacción de pirólisis en la mezcla generada.
La relación de mezcla en la zona de reacción
entre el producto de partida y el producto intermedio es de entre 1
: 1 y 1 : 5.
El producto intermedio es un material fabricado
en la zona de alta temperatura.
El material denominado producto intermedio
consiste en:
- -
- los monómeros de los plásticos utilizados y sus derivados (productos alifáticos de cadena larga, olefinas, estireno, cloruro de vinilo) y materiales naturales y sintéticos de partes de la matriz celulósica, compuestos furánicos,
- -
- oligómeros de los productos antes mencionados hasta 50%, polímeros parcialmente craqueados en el intervalo C_{6} - C_{35},
- -
- carbono puro,
- -
- condensados que contienen aceites y brea (productos alifáticos y olefinas) con un punto de ebullición superior a 200ºC.
De acuerdo con el proceso el producto intermedio
contiene como mínimo un número diez veces mayor de grupos
terminales insaturados que el producto de partida. La mezcla formada
por el producto intermedio existente y el producto de partida que
contiene agua, tras otra etapa del procedimiento, es enviada a un
tratamiento a alta temperatura por el cual, a partir de la mezcla y
la corriente de producto intermedio, se forma continuamente
producto intermedio en el dispositivo existente y, de acuerdo con
otra reivindicación del procedimiento, este es enviado de nuevo en
sentido bidireccional a la mezcla con producto de partida de la
etapa de procedimiento descrita en la primera etapa del
procedimiento. Este producto intermedio existente en el tratamiento
a alta temperatura es fabricado con una entrada de gas adicional
procedente de otras zonas de reacción mediante alimentación de
calor a una temperatura de 700 a 1000ºC. De acuerdo con las demás
reivindicaciones del procedimiento, este es enviado a continuación
a las etapas del procedimiento corriente abajo en las que los gases
CH_{4}, C_{2}H_{6}, C_{3}H_{6}, C_{6}H_{6},
C_{6}H_{12,}entre otros, son generados, en parte enviados a la
corriente de producto intermedio y a continuación eliminados. La
corriente de producto intermedio del producto intermedio se forma
en sentido bidireccional a partir de la mezcla de la zona de
reacción y del material de la zona de descarga para la producción
del producto intermedio.
El transporte bidireccional de la corriente de
producto intermedio se realiza de forma intermitente de manera que
la corriente bidireccional del producto intermedio, o de la mezcla
formada por la mezcla de productos y el producto intermedio, es
invertida de dirección con una frecuencia > 10 s^{-1} y al
invertir la dirección de la corriente de producto intermedio este
es enviado a la primera sección del procedimiento y alternativamente
a las siguientes secciones del procedimiento.
Bajo el concepto de transporte bidireccional de
la corriente de producto del producto intermedio o de la mezcla
resultante formada por el producto de partida y el producto
intermedio debe entenderse que:
La corriente de producto intermedio arriba
mencionada fabricada en la zona de alta temperatura es enviada de
forma intermitente a la cámara de mezcla superior (2) y a la salida
de producto (C1 y C2) mediante un tornillo sin fin de transporte
situado en su interior. Durante el tiempo de permanencia en la
cámara de alta temperatura (4) se produce la formación de la
corriente de producto intermedio. En la primera dirección y debido a
la elevada capacidad calorífica específica de la corriente de
producto intermedio tiene lugar la alimentación de calor a la
mezcla de productos de la cámara de mezcla superior. En la segunda
dirección, la mezcla de productos para formar la corriente de
producto intermedio de la zona de alta temperatura y el producto
intermedio existente en la zona de alta temperatura son conducidos
en parte a la etapa de procedimiento corriente abajo a través de la
salida de producto (C1 y C2). La primera y la segunda direcciones
garantizan el transporte bidireccional.
A continuación se describen en detalle las
diferentes etapas del procedimiento:
Una corriente de producto intermedio se conduce
en sentido bidireccional como portador de calor móvil a las zonas
de reacción. Para ello se ajusta una relación de mezcla de 1 : 1 a 1
: 5 entre la corriente de producto de partida y la corriente de
producto intermedio. Un problema de la descomposición de los
materiales naturales y sintéticos es el aporte de calor dirigido al
producto de partida que contiene agua. Este aporte de calor se
realiza a través del producto intermedio regulado a alta temperatura
que se mezcla con este. De esta forma el producto intermedio es el
portador de calor en la mezcla. Bajo la acción de los gases de
producto se forman, a partir de las partículas y mediante unión
adhesiva física, microgránulos con un tamaño de hasta 150 mm. Los
microgránulos consisten en materiales sintéticos y más del 10% de
celulosa químicamente craqueada y presentan en la superficie
adherencias que contienen coque. La mezcla, como corriente de
producto pulsante con una densidad inferior a 600 kg/m^{3} y un
tiempo de permanencia definido de hasta 30 min., es llevada en una
capa de choque con impulsos de presión inferiores a 5 kPa a una
temperatura superior a 300ºC. Al mismo tiempo sobre los
microgránulos formados en la corriente de producto intermedio actúan
los gases de producto formados. La corriente de producto dirigida
en sentido bidireccional llega a la zona de alta temperatura en
donde junto con las partículas que presentan la composición arriba
mencionada forman un producto intermedio con una densidad inferior
a 600 kg/m^{3} y una relación hidrógeno : carbono superior a 1,5 :
1. El elevado porcentaje de agua, que es conducido con los
microgránulos a la zona de alta temperatura, escapa aquí hasta
alcanzar una temperatura superficial de los microgránulos de
600ºC.
La mezcla de gases exenta de fenol contiene
sustancias aromáticas que, debido a la presión parcial del vapor de
agua en la zona de alta temperatura con una presión de más de 0,01
bar (absoluta), son eliminadas con la corriente de gas. De esta
forma se reduce la temperatura de ebullición de los productos de
descomposición orgánicos que llegan a la corriente de gas de forma
que resulta extremadamente difícil una condensación a partir del
gas. Debido a la pulsación con una frecuencia superior a 10
seg^{-1} con la que la corriente de producto intermedio es
dirigida a través de la zona de alta temperatura con una corriente
de producto bidireccional, se consigue que a temperaturas
superficiales en la zona de alta temperatura de hasta 1000ºC el
porcentaje de gas en la corriente de producto intermedio sea muy
elevado, permitiendo así la aplicación de condiciones de reacción
en las que se pueda formar un gas con alto potencial calórico.
La corriente bidireccional de producto
intermedio llega desde la parte inferior de la zona de alta
temperatura parcialmente a la zona de reacción posterior después de
que las propiedades del producto intermedio hayan sido convertidas
mediante una separación de las longitudes de cadena de los
materiales sintéticos en cadenas con menos de 30 unidades
monoméricas en presencia de carbono y gas de producto aplicando un
tiempo de permanencia inferior a 30 min. en un tipo de proceso no
estacionario. En la corriente de producto de la zona de reacción
posterior se condensan en los microgránulos productos de reacción
líquidos, entre otros procedentes de la preparación de gas, y se
mezclan con un porcentaje inferior al 5% en la reacción posterior.
El porcentaje de coque en esta zona es de hasta 20%. El gas de
producto es conducido a la zona de reacción posterior tanto desde
la zona de alta temperatura como también desde la zona en la que el
producto de partida es mezclado con el producto intermedio y,
mediante evaporación de los componentes volátiles del producto de
reacción aquí presentes y a una presión de más de 2 kPa, se lleva a
una temperatura inferior a 800ºC. El tiempo de permanencia del gas
hasta la salida de la zona de reacción posterior es, debido a la
estructura
de la instalación, de más de 4 seg. para así permitir de forma opcional que se produzca la reacción del gas.
de la instalación, de más de 4 seg. para así permitir de forma opcional que se produzca la reacción del gas.
La corriente de producto intermedio de
materiales sintéticos mezclados con mezclas minerales y carbono, con
un porcentaje de carbono del 15% al 75% y un porcentaje de agua del
1% al 10%, forma una mezcla de reacción que sirve como portador de
calor móvil con un porcentaje de hidrocarburos líquidos y que en
corriente de producto bidireccional forma por un lado una mezcla
con la corriente de producto de partida y por otro una mezcla con
cantidades añadidas de coque y condensado y materiales
minerales.
La mezcla de producto intermedio y producto de
partida se produce en una corriente bidireccional como capa de
choque a una temperatura relativamente baja pero superior a 400ºC
mediante circulación radial y mediante la adición de microgránulos
con una superficie como mezcla que presentan una densidad inferior a
600 kg/m^{3} debido a la pulsación de presión.
La zona de alta temperatura y la zona de
reacción posterior son calentadas mediante combustión de gas de
producto a una temperatura superficial de hasta 1000ºC, en donde el
gas de combustión es conducido a un espacio de combustión que
encierra a la zona de alta temperatura de forma cilíndrica.
Mediante la alimentación de gas y aire u oxígeno
en un dispositivo de alimentación dispuesto de forma central en la
zona de alta temperatura y en la zona de reacción posterior se
ajusta la temperatura en la superficie de este dispositivo de forma
que los productos de disgregación líquidos de la pirólisis alcancen
una temperatura superior a 600ºC. Simultáneamente se forman gases
que, a continuación, influyen en las reacciones de equilibrio en la
capa de choque de la zona de mezcla.
Para mayor facilidad de comprensión del
procedimiento descrito en la memoria descriptiva de la presente
invención, la desviación del procedimiento de pirólisis se describe
de la forma siguiente:
En el procedimiento de pirólisis se forma en una
reacción de equilibrio una mezcla de reactivos y productos de
reacción. Para que la reacción se produzca de acuerdo con el
desarrollo deseado se eliminan productos de reacción y se añaden
reactivos como, por ejemplo hidrocarburos, agua, etc.
Una característica principal de los diferentes
procedimientos de pirólisis es la alimentación de oxígeno (aire)
para generar calor o producir la ausencia de oxígeno y la
alimentación de calor desde el exterior. En el primer caso se forma
un gas pobre con mayor porcentaje de dióxido de carbono y nitrógeno.
En el procedimiento descrito se forma un gas con alto potencial
calórico en el que de forma independiente una parte de coque puede
ser descargada o también utilizada realizando una conversión de
acuerdo con el estado de la técnica.
En la invención no se describe el hecho de que
una conversión resulte totalmente finalizada o prematuramente
interrumpida sino que los materiales naturales y sintéticos son
"carbonizados a baja temperatura". Nosotros hemos introducido
aquí el término gasificación dado que estos materiales son
gasificados mediante el proceso de carbonización a baja
temperatura. Queremos hacer constar que no se trata de forma expresa
de una gasificación de carbón sino que en un proceso de
gasificación y mediante las etapas del procedimiento descritas se
realiza la producción del producto intermedio con el que puede
obtenerse una determinada calidad del gas.
La descripción técnica definida por las
reivindicaciones del procedimiento contiene la producción de una
mezcla a partir de un producto de partida y el producto intermedio
descrito y la producción de la corriente de producto intermedio, en
donde su conducción es sometida a diferentes etapas de reacción.
- 1.
- Descomposición/mezcla
- 2.
- Descomposición/craqueado
- 3.
- Fabricación del producto intermedio en una reacción de equilibrio
- 4.
- Gasificación en una reacción de gas como reacción de equilibrio para la formación de determinados productos de reacción, p. ej., gases
Estas reacciones, el craqueado de los materiales
naturales y sintéticos para la producción de la corriente de
producto intermedio a determinadas temperaturas y en diferentes
etapas y la consiguiente reacción del gas como reacción de
equilibrio entre los reactivos y los productos de reacción tienen
lugar en las etapas del procedimiento en la cámara de mezcla
superior, en la zona de alta temperatura y en las etapas del proceso
corriente abajo de diferente relevancia así como el resultado de
acuerdo con la invención.
Asimismo en las reivindicaciones del
procedimiento se describe la forma de producción del producto
intermedio. Esta producción se realiza a una temperatura superior a
500ºC con alimentación de la mezcla y los gases producidos en las
etapas del procedimiento corriente abajo. En el tercer grupo de
características se describe que una corriente de producto
procedente de la cámara de mezcla superior, que consiste en producto
intermedio y producto de partida como mezcla de productos para el
tratamiento a alta temperatura, es enviada a la zona de alta
temperatura donde se realiza en las condiciones arriba mencionadas
la producción del producto intermedio. Además, a través de la
conducción bidireccional se realiza el aprovechamiento de la
corriente de producto intermedio para la alimentación de calor y
material, teniendo así lugar un proceso con alimentación de calor en
la cámara de mezcla superior (1ª etapa del procedimiento) y una
gasificación adicional en las etapas del procedimiento corriente
abajo a través de la salida de producto (C1 y C2).
A continuación se describe el procedimiento de
la presente invención mediante un ejemplo de realización o la
Figura 3 para el desarrollo, de acuerdo con el procedimiento, de una
instalación conjunta y en especial del reactor para carbonización a
baja temperatura según la invención:
El procedimiento se divide en las etapas de
regulación de las corrientes de materiales de partida, reacción de
la mezcla de corrientes de producto, gasificación a alta
temperatura, gasificación a baja presión, regulación de las
corrientes de materiales de salida, producción de electricidad y
separación de gases. Es característico de la etapa de reacción del
procedimiento la existencia de corrientes de producto gaseosas,
líquidas y sólidas procedentes de las etapas del proceso de la
invención con propiedades específicas. Las corrientes de producto
sólidas se dividen en las corrientes de materiales de partida y la
corriente de producto intermedio.
En la zona de entrada se prepara la primera
corriente de producto de partida mediante la aplicación de gas de
escape de la producción de electricidad, que presenta una
temperatura en el intervalo de 100ºC a 700ºC y que en principio no
tiene presión, de tal forma que se forman partículas con una
superficie no adhesiva. Las partículas tienen un tamaño de como
máximo 100 mm de longitud de lado. La temperatura de la primera
corriente de producto de partida se eleva a como máximo 100ºC. La
primera corriente de producto de partida consiste en material
celulósico natural y/o sintético.
La segunda corriente de producto de partida, que
ya puede ser mezclada con la primera corriente de producto de
partida durante la etapa del procedimiento, contiene una mezcla de
plásticos.
La tercera corriente de producto de partida, que
también puede ser ya mezclada, contiene un elevado porcentaje de
carbono.
Las corrientes de materiales de partida que
contienen celulosa y carbono presentan antes de la regulación un
porcentaje de agua de como máximo 50% de la masa total. Mediante el
tratamiento con la corriente de gas de escape procedente de la
etapa de procedimiento de producción de electricidad este porcentaje
se ajusta a 5 - 35%. Las corrientes de materiales de partida
ajustadas contienen material con capacidad de hinchamiento e
hinchado y se encuentran en un ambiente de vapor de agua. En estas
condiciones son enviadas para su reacción.
La corriente de producto intermedio se obtiene
del proceso de la etapa de gasificación a alta temperatura. Esta
corriente de producto consiste en 25% de carbono (sólido) y 55% de
hidrocarburos que contienen una cantidad doce veces mayor de
enlaces dobles que el producto de partida. El producto intermedio
presenta 5 - 6% de hidrocarburos líquidos con un porcentaje de 35%
de productos aromáticos. La relación hidrógeno : carbono en el
producto intermedio sólido es de 2 : 1.
La alimentación del producto intermedio en la
etapa de procedimiento de reacción no es continua sino que se
realiza a impulsos con una frecuencia de 10 - 200 segundos. La
conducción de la corriente de producto desde la zona de reacción de
la cámara de mezcla a la de gasificación a alta temperatura y desde
esta de vuelta a la zona de reacción está asociada a la formación
de una presión en el límite con la zona de reacción. La corriente
de producto intermedio pulsante que entra genera así una capa de
choque en la mezcla de sólidos en la zona de reacción que pone en
estrecho contacto a los componentes de reacción que se encuentran en
esta zona y bajo la acción adicional de un agitador y de tornillos
sin fin con una frecuencia de 10 - 20 revoluciones por minuto, que
son girados hacia delante y hacia atrás, se produce un contacto
material directo con un vapor de agua liberado de forma dosificada
por el material con capacidad de hinchamiento con producto
intermedio, coque y los componentes de las corrientes de materiales
de partida. La reacción se produce a través de los componentes
templados de acuerdo con la invención de la corriente de producto
intermedio a temperaturas entre 450ºC y 750ºC en la superficie de
los componentes de reacción que se encuentran en contacto. La mezcla
se encuentra bajo la acción de la corriente de producto gaseosa que
entra pulsante desde la zona de alta temperatura a la zona de
reacción y presenta una temperatura superior a 650ºC, de forma que
los componentes gaseosos procedentes de la zona de reacción y la
zona de alta temperatura son llevados a reaccionar a temperaturas
de reacción superiores a 600ºC. En este punto se forma un gas con
las siguientes propiedades:
5% de etano
11% de etileno
28% de propano
21% de metanol y CO
10% de CO_{2}
7% de benceno
6% de productos alifáticos superiores
12% de alcanos superiores (líquidos).
\vskip1.000000\baselineskip
La zona de reacción a alta temperatura donde se
genera la corriente de producto intermedio presenta una superficie
cilíndrica con una temperatura de hasta 1000ºC. En esta superficie y
mediante rotores de tipo tornillo sin fin se condensa la corriente
de producto intermedio de forma pulsante y se pone en contacto
estrecho con la zona de pared para, de forma alternante con la fase
de compresión, ser separada de la pared y llevada a las zonas de
reacción limítrofes. Durante la fase de compresión en los espacios
huecos del producto intermedio de la zona de reacción a alta
temperatura y de la zona de gasificación a baja presión corriente
abajo se genera una presión interna de aprox.
5 kPa.
5 kPa.
La zona de gasificación a baja presión corriente
abajo recoge un producto intermedio que en parte no fue transportado
a la zona de reacción sino que, debido al tamaño de partículas
obtenido menor de 40 mm de longitud de lado, fue descargado por
transportadores de tornillo sin fin. La gasificación a baja presión
tiene lugar hasta una presión de como máximo 2,5 kPa. La presión
existente en esta zona se genera al continuar de nuevo la pirólisis
del producto intermedio con el aporte indirecto de calor en esta
zona que es alimentada en parte con el calor de la producción de
electricidad. La gasificación del producto intermedio resultante de
una alimentación de calor uniforme a una temperatura de 600ºC a
700ºC alimenta un espacio de gas conectado con la zona de alta
temperatura, en donde mediante la alimentación de aceites de
pirólisis y materiales como, por ejemplo, hidrocarburos
policíclicos y materiales aromáticos del producto intermedio es
sometido este a una carbonización a una temperatura de 600 - 700ºC,
en donde mediante desviación en condiciones de carbonización
progresiva de la corriente de producto a un espacio de reacción
lineal con dispositivos de transporte se alcanza un tiempo de
permanencia de los materiales alimentados en el medio portador de
forma que se produce una absorción de los materiales enviados. Al
mismo tiempo a través de una boca dispuesta en el reactor secundario
de carbonización a baja temperatura se introduce el correspondiente
aceite de pirólisis de hidrocarburos alifáticos y se ajusta una
temperatura de entre 200 y 600ºC, en donde los hidrocarburos
cíclicos y policíclicos (por ejemplo xileno, fenol) están
contenidos en una concentración de hasta 20% y en donde también se
añaden bajas cantidades de hidrocarburos clorados en un medio
portador calcáreo para así someter al producto intermedio a una
carbonización progresiva a temperaturas de entre 400 y 800ºC. La
corriente de producto producida en el reactor secundario de
carbonización a baja temperatura es absorbida durante la
carbonización progresiva que admite sin evaporar el aceite de
pirólisis y los componentes del medio portador introducidos por la
boca durante un tiempo de hasta 5 segundos debido a la temperatura
del medio portador de aprox. 150ºC.
Mientras que la corriente de gas pierde tensión
de forma pulsante en las etapas del proceso corriente arriba, por
la zona de reacción a baja presión sale la corriente de producto de
descarga. El material que ha salido de esta corriente de producto
es tratado a continuación con vapor caliente y filtrado de forma que
se obtenga un porcentaje como carbón activo. En esta fase se
separan del carbón activo cenizas y escoria.
El gas generado y mezclado en las etapas del
proceso de gasificación a baja presión, zona de reacción a alta
temperatura y zona de reacción es enviado a una zona para regular la
corriente de gas de producto en la que existe una temperatura entre
450ºC y 950ºC. En esta zona tiene lugar la regulación de la
composición de los gases en función de la temperatura. A través de
un bypass se alimenta para ello gas procedente de la reacción a
baja presión. A esta temperatura se pasa el gas a través de carbón
activo. Esta etapa del proceso va seguida de una etapa de
depuración del gas convencional y de almacenamiento de gases.
En el almacén de gases se prepara el gas para
las etapas de procedimiento de producción de electricidad y
separación de gases. El calor generado durante la producción de
electricidad presenta una temperatura de 550ºC a 700ºC y, de acuerdo
con la memoria descriptiva, sirve en la etapa de reacción a baja
presión para templar los procesos. Una corriente parcial es
derivada y utilizada para la regulación del producto de partida y la
formación de partículas con una temperatura superior a 550ºC.
Para regular una mezcla de gases de acuerdo con
la invención se alimenta a través de una alimentación secundaria
hasta como máximo 25% de producto seco a la etapa del proceso de
gasificación a baja presión a una temperatura de 50ºC - 90ºC.
En la instalación se realiza una carbonización a
baja temperatura de materiales residuales celulósicos para generar
gases sintéticos o para obtener energía. Los materiales residuales
utilizados proceden del reciclado y se caracterizan porque con
ellos no puede realizarse de forma conveniente otro tipo de
valorización ecológica o económica. La principal razón es el
elevado porcentaje de agua (p. ej., residuos de reciclado) o la
compleja mezcla de diferentes materiales que contienen. El alto
porcentaje de agua hace que no resulte conveniente su
aprovechamiento mediante otros procedimientos debido al alto coste
energético del secado de este tipo de materiales. Por otro lado, el
elevado nivel de mezcla de diferentes sustancias conlleva un coste
muy elevado de separación de los materiales e incluso en algunos
casos esto puede resultar imposible. La carbonización a baja
temperatura de este tipo de materiales residuales permite un
aprovechamiento material parcial (gases sintéticos) así como un
aprovechamiento energético. Dado que los gases de carbonización a
baja temperatura generados son separados en un proceso cerrado de
depuración de materiales contaminantes, puede excluirse una
contaminación del aire. El agua del circuito de la instalación de
lavado de gases puede aprovechar el calor de escape que se produce
en el proceso de carbonización a baja temperatura y a continuación
esta puede ser enviada a depósitos para su valorización y
depuración en una planta depuradora. Los componentes oleosos del
gas de carbonización a baja temperatura son aglutinados en un
absorbedor de coque. En función de la composición de estos
componentes, el coque contaminado puede ser enviado de nuevo a la
carbonización a baja temperatura o eliminado.
Toda la instalación, p. ej., para la
carbonización a baja temperatura de materiales residuales
celulósicos procedentes del reciclado de papel, la agricultura y la
silvicultura, se divide en las unidades operativas que se presentan
a continuación, descritas en la Figura 1. Los siguientes componentes
de la instalación, mostrados en la Figura 1, se encuentran
conectados entre sí:
Almacén de recepción (21)
Preparación y secado (22, 23, 24)
Reactor para carbonización a baja temperatura
(1)
Reactor secundario de carbonización a baja
temperatura (16/1; 16/2; 16/3)
Reactor de gas (25)
Depuración de gases, preparación del agua,
depuración de gases de escape (26, 30, 27)
Almacenamiento de gases (28)
Producción de electricidad (29)
\vskip1.000000\baselineskip
El reactor para carbonización a baja temperatura
1 está representado en las Figuras 2 y 3 como una unidad operativa
donde realmente se produce la pirólisis. Los diferentes reactores se
subdividen en las siguientes partes:
Cámara de mezcla 2
Cámara de alta temperatura 4
Estas partes se encuentran unidas entre sí de
forma fija y no pueden ser separadas durante el funcionamiento. La
subdivisión únicamente se utiliza para describir las diferentes
funcionalidades. A través de ambas cámaras de carbonización a baja
temperatura pasa un tornillo sin fin 7 con una geometría
especial.
El producto de carbonización a baja temperatura
llega como corriente de producto de partida desde los tornillos sin
fin de secado al tornillo sin fin de carga. Desde allí es enviado a
la cámara de mezcla 2. El tornillo sin fin de carga es un tornillo
sin fin con artesa de diseño simple que penetra en la cámara de
mezcla 2. La cámara de mezcla 2 tiene una capacidad de 2 m^{3}.
Por un lado es calentada por la cámara blindada (5) aunque
básicamente es templada por una mezcla del producto intermedio y un
intercambio de gases con la cámara de alta temperatura 4. En la
cámara de mezcla 2 existen temperaturas de aprox. 500 - 700ºC. La
mezcla del producto de partida y el producto intermedio es en parte
carbonizada a baja temperatura en la cámara de mezcla 2 y en parte
enviada por la acción de transporte del tornillo sin fin hasta la
cámara de alta temperatura 4. En la cámara de mezcla 2 entran los
gases de carbonización a baja temperatura generados en la cámara de
alta temperatura 4 y los tornillos sin fin de carbonización a baja
temperatura secundarios. Desde la cámara de mezcla 2 los gases de
carbonización a baja temperatura llegan tanto a través de las
toberas de salida de gas b1 y b2 como también de forma descendente
a través de la zona de alta temperatura a la zona de reacción
posterior y a través de las toberas hasta la unidad operativa de
depuración de gases y almacenamiento de gases.
La cámara de carbonización a baja temperatura
consiste en diferentes cámaras calentadas de forma directa o
indirecta que constan de cuerpos huecos cilíndricos y cuyo eje
central presenta una inclinación > 60º con respecto al plano
horizontal, en donde un dispositivo de transporte inverso trabaja a
través de un eje hueco 7 con un tornillo sin fin 8. En la cámara de
mezcla 2 se encuentra preferentemente dispuesto un brazo agitador 11
para preparar la mezcla.
Por debajo de la cámara de mezcla 2 se encuentra
la cámara de alta temperatura 4. En esta cámara de carbonización a
baja temperatura existe una temperatura de hasta 1000ºC. La
carbonización a baja temperatura del material introducido es
continuada en esta zona. Se produce un intercambio de materiales con
la cámara de mezcla 2. El material es descargado a través del
tornillo sin fin de descarga que penetra en la cámara de alta
temperatura 4 en la unidad operativa de preparación de coque,
descarga de coque y descarga de cenizas. La cámara de alta
temperatura 4 está rodeada por la cámara toroidal 3. Esta está
provista de un revestimiento resistente al calor y sirve para
calentar la cámara de alta temperatura 4. La calefacción se realiza
mediante quemadores de gas a través de las toberas del quemador d.
El funcionamiento se realiza con el gas de pirólisis generado. El
gas de escape del quemador de gas, que sale a través de las toberas
de gas de escape e1, e2, se utiliza para calentar la camisa de
calefacción de la cámara de mezcla 2 y para la preparación del
agua.
Los reactores para carbonización a baja
temperatura disponen de una serie de sondas de medición para
controlar la reacción de carbonización a baja temperatura y para
garantizar la seguridad de los reactores. Los quemadores de gas y
el sistema de seguridad son controlados a través de estos
sensores.
El reactor para carbonización a baja temperatura
1 dispone corriente abajo de una serie de reactores secundarios de
carbonización a baja temperatura con tornillos sin fin. Estos
tornillos sin fin están diseñados como simples tornillos sin fin
con calefacción de camisa. El producto de carbonización a baja
temperatura ya fuertemente carbonizado a baja temperatura es
retirado del tornillo sin fin de descarga por la salida de producto
c1, c2 del reactor para carbonización a baja temperatura 1 a una
temperatura de más de 800ºC y llevado al reactor secundario de
carbonización a baja temperatura 16/1. En la camisa del reactor
secundario de carbonización a baja temperatura 16/1 se introduce
gas de combustión para generar calor o gas de escape procedente de
la producción de electricidad o de los reactores para carbonización
a baja temperatura con el fin de mantener así una temperatura de
más de 500ºC en el reactor secundario de carbonización a baja
temperatura. Para ello en el reactor secundario de carbonización a
baja temperatura 16/1 se encuentra dispuesta una boca 6 por la que
se introduce un aceite de pirólisis de hidrocarburos alifáticos y se
ajusta la temperatura a 200 - 600ºC, en donde los hidrocarburos
cíclicos y policíclicos (p. ej., xileno, fenol) están contenidos en
una concentración de hasta 20% y al que también se añaden bajas
cantidades de hidrocarburos clorados en un medio portador calcáreo
para de esta forma someter al producto intermedio a una
carbonización progresiva a temperaturas de entre 400 y 800ºC.
De esta forma se mantiene el proceso de
carbonización a baja temperatura durante aprox. otros 60 minutos
para obtener una completa carbonización a baja temperatura del
producto de carbonización a baja temperatura. Como residuos de la
pirólisis quedan coque y cenizas. Estos productos son retirados de
los reactores secundarios de carbonización a baja temperatura 16/2
y 16/3 en recipientes cerrados, donde se les deja enfriar. El número
de reactores secundarios de carbonización a baja temperatura con la
misma estructura necesarios para conseguir una completa
carbonización a baja temperatura del producto de carbonización a
baja temperatura depende del material de partida utilizado. Los
reactores secundarios de carbonización a baja temperatura disponen
de tornillos sin fin de carga y descarga para el gas de
producto.
\newpage
- 1
- Reactor para carbonización a baja temperatura
- 2
- Cámara de mezcla
- 3
- Cámara toroidal
- 4
- Cámara de alta temperatura
- 5
- Cámara blindada
- 6
- Boca
- 7
- Eje hueco
- 8
- Tornillo sin fin
- 10
- Entrada de aire
- 11
- Brazo agitador
- 16/1
- Reactor secundario para carbonización a baja temperatura
- 16/2
- Reactor secundario para carbonización a baja temperatura
- 16/3
- Reactor secundario para carbonización a baja temperatura
- 21
- Almacén
- 22
- Dispositivo de carga
- 23
- Tornillo sin fin doble
- 25
- Reactor de gas
- 26
- Lavado de gas
- 27
- Recipiente tampón
- 28
- Recipiente del depósito de gas
- 29
- Motor de gas/Turbina
- 30
- Caloportador
- a
- - Entrada de la mezcla de producto
- b1
- - Tobera de salida de gas
- b2
- - Tobera de salida de gas
- c1
- - Salida de producto
- c2
- - Salida de producto
- d
- - Tobera del quemador
- e1
- - Tobera de gas de escape
- e2
- - Tobera de gas de escape
- f1
- - Tobera de gas
- f2
- - Tobera de gas
- a1
- - Producto de partida
- a2
- - Producto de partida
- b...
- - Gases
- c
- - Producto intermedio/Producto
- c_{n}
- - Producto intermedio/Producto
- e...
- - Gases de combustión
- f...
- - Gases de combustión
- h...
- - Medios auxiliares
- w...
- - Agua.
Claims (11)
1. Procedimiento para el tratamiento térmico y
la transformación química de materiales naturales y sintéticos
mediante la generación de un gas de producto para su uso posterior,
en donde altas temperaturas actúan sobre una mezcla de productos
procedente de materiales de reciclado y/o mezclas orgánicas en un
reactor para carbonización a baja temperatura (1) y se forman gases
para su posterior procesamiento,
caracterizado porque
- a)
- se mezcla un producto de partida que contiene agua con un producto intermedio existente de una corriente de producto intermedio procedente de la cámara de alta temperatura (4) del reactor para carbonización a baja temperatura (1) y se lleva a una temperatura superior a 300ºC en la cámara de mezcla (2) del reactor para carbonización a baja temperatura (1) para producir una descomposición y gasificación,
- b)
- se fabrica un producto intermedio junto con una entrada de gas adicional a una temperatura de 500 - 1000ºC en la cámara de alta temperatura (4) del reactor para carbonización a baja temperatura (1),
- c)
- se introduce de forma bidireccional una corriente de producto de la mezcla formada por producto intermedio y producto de partida que contiene agua como mezcla de producto intermedio entre la cámara de alta temperatura (4) y la cámara de mezcla (2) del reactor para carbonización a baja temperatura (1) de forma que así se realiza la fabricación del producto intermedio mediante un tratamiento a alta temperatura en la cámara de alta temperatura (4) del reactor para carbonización a baja temperatura (1),
- d)
- el producto intermedio así obtenido en la fabricación del producto intermedio es enviado en sentido ascendente bidireccional como producto intermedio a la cámara de mezcla (2) y en la segunda corriente de producto en sentido descendente al reactor secundario de carbonización a baja temperatura (16/1), en donde al mismo tiempo en el reactor secundario de carbonización a baja temperatura (16/1) a través de una boca (6) se introduce un aceite de pirólisis.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
se ajusta una relación de mezcla entre el
producto de partida y el producto intermedio de 1 : 1 a 1 : 5.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
la corriente bidireccional del producto
intermedio o de la mezcla resultante del producto de partida y el
producto intermedio es invertida de dirección con una frecuencia
superior a 10 segundos^{-1}.
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
el gas conducido desde otras zonas a través del
producto intermedio contiene preferentemente CH_{4},
C_{2}H_{6}, C_{3}H_{6}, C_{3}H_{8,} C_{6}H_{6,}
CO_{2} y vapor de estireno o xileno y además consiste en 2 - 6%
de vapor de agua, siendo el tiempo de permanencia del volumen de gas
superior a 4 segundos.
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
en las moléculas de hidrocarburo craqueadas del
producto intermedio se ajusta mediante la entrada de corriente de
producto una relación hidrógeno : carbono superior a 1,2 - 1,5 : 1 y
los enlaces dobles aumentan en más del triple con respecto al
producto de partida.
6. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
la segunda corriente de producto bidireccional
en sentido descendente es conducida a un reactor secundario de
carbonización a baja temperatura (16/1) en el que existe una
temperatura superior a 450ºC y en el cual la corriente de producto
intermedio introducida a través de una boca (6) es tratada con
aceite de pirólisis procedente de hidrocarburos alifáticos a una
temperatura de 200 - 600ºC que contiene hidrocarburos cíclicos y
policíclicos (por ejemplo xileno, fenol) hasta una concentración del
20% y a la que también se añaden bajas cantidades de hidrocarburos
clorados en un medio portador calcáreo para al mismo tiempo someter
al producto intermedio a una carbonización progresiva a
temperaturas de entre 400 y 800ºC.
7. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y
6,
caracterizado porque
la corriente de producto que se forma en el
reactor secundario de carbonización a baja temperatura (16/1)
durante la carbonización progresiva admite sin evaporar los
componentes del aceite de pirólisis y los componentes del medio
portador añadidos por la boca (6) debido a la reducción local de la
temperatura causada por el medio portador para así absorberlos.
8. Dispositivo para la realización del
procedimiento según las reivindicaciones 1 - 4 anteriores, en donde
existe un reactor para carbonización a baja temperatura con un
espacio para carbonización a baja temperatura con un tornillo sin
fin de transporte y mezclador en su interior
caracterizado porque
- un reactor para carbonización a baja
temperatura 1 presenta una cámara de mezcla superior (2) y está
encerrado en una cámara blindada (5) y asimismo existe una
alimentación de producto de partida (a) y toberas de salida de gas
(b1) y (b2),
- por debajo de la cámara de mezcla (2) se
encuentra dispuesta una cámara de alta temperatura (4) de menor
sección, en donde esta está encerrada por una cámara toroidal (3)
con una tobera del quemador (d) y toberas de gas de escape (e1) y
(e2),
- dentro de la cámara de mezcla (2) y de la
cámara de alta temperatura (4) existe un eje hueco (7) con un
tornillo sin fin (8), en donde el eje hueco gira en sentido inverso
y dentro del eje hueco (7) está dispuesta una entrada de gas de
combustión y una entrada de aire (10) hasta por encima de la cámara
toroidal (3) con orificios de salida,
- por debajo de la cámara toroidal (3) está
dispuesta una salida de producto (c1), (c2) con un tornillo sin fin
de transporte en su interior.
9. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque
la cámara toroidal (3), la cámara de alta
temperatura (4) y la cámara de mezcla (2) están conformadas como
cilindros y la cámara blindada (5) preferentemente encierra a la
cámara de mezcla (2).
10. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque
el eje hueco (7) en la cámara de mezcla (2)
presenta un brazo agitador (11) preferentemente en el tercio
inferior de la cámara de mezcla (2).
11. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque
el conjunto del reactor para carbonización a
baja temperatura (1) presenta una inclinación > 30º con respecto
al plano horizontal.
Applications Claiming Priority (2)
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