ES2332624B1 - Planta de generacion electrica y termica a partir de la gasificacion de biomasa. - Google Patents
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Abstract
Planta de generación eléctrica y térmica a
partir de la gasificación de biomasa.
La invención describe un reactor de gasificación
(1) de biomasa tipo downdraft de lecho fijo que incorpora un segundo
sector (4) de configuración cónica de orientación inferior
divergente de material refractario donde se produce la operación
final de la pirólisis, oxidación y parte de la reducción de forma
homogénea ante cualquier variación de caudal de gas. Por otra parte
y de acuerdo con la invención la planta de gasificación cuenta con
una plataforma portadora de fácil transporte e instalación sobre la
que se encuentran montados y controlados de forma coordinada el
reactor de gasificación (1), un sistema de acondicionamiento del gas
pobre y unos motores de combustión interna (17) que se alimentan de
gas pobre para la generación de energía eléctrica y térmica.
Description
Planta de generación eléctrica y térmica a
partir de la gasificación de biomasa.
La presente invención se refiere a una planta de
transformación de biomasa, especialmente residuos lignocelulósicos,
en gas pobre, para ser aprovechado como combustible, previo
acondicionamiento y limpieza del mismo, en un sistema de generación
de energía eléctrica formado por motores de combustión interna con
acoplamiento de alternadores.
La biomasa es la energía solar convertida por la
vegetación en materia orgánica; esa energía se puede recuperar
mediante su combustión directa o transformándola en otros
combustibles. Puede hablarse de biomasa de origen vegetal (residuos
de madera, restos de poda, material vegetal procedente de cultivos
energéticos, etc.), y biomasa de origen animal (residuos ganaderos
como purines, estiércol, etc.).
La gasificación es la transformación
termoquímica de un sólido en un gas combustible, siendo habitual la
obtención del mismo mediante un proceso de combustión incompleta
que tiene lugar en reactores denominados gasificadores o gasógenos.
Pueden clasificarse en función del lecho interno del reactor en
gasificadores de lecho fijo o soportado y en gasificadores de lecho
fluido o fluidizado, en función de la dirección de los flujos en
gasificadores en contracorriente (updraft), en equicorriente
(downdraft) y flujo cruzado, también pueden clasificarse en
gasificadores abiertos, adecuados para la operación en continuo, y
gasificadores cerrados, adecuados para operaciones
discontinuas.
En particular, un reactor downdraft de lecho
fijo es apropiado para la obtención de gas pobre con una baja
concentración de alquitranes, lo que es adecuado para plantas de
gasificación con posterior aprovechamiento eléctrico operando con
cantidades de biomasa reducidas en comparación con instalaciones con
gasificación en lecho fluidizado.
En un reactor de este tipo pueden distinguirse
cuatro zonas de proceso longitudinalmente:
- 1-
- zona de secado de la biomasa.
- 2-
- zona de pirólisis de la biomasa
- 3-
- zona exotérmica de oxidación.
- 4-
- zona endotérmica de reducción.
\vskip1.000000\baselineskip
En la patente US4584947 se describe un reactor
downdraft de lecho fijo, abierto por la parte superior por donde se
alimenta el combustible sólido para su operación en continuo, en el
que el agente oxidante se alimenta por zonas diferenciadas. Desde
antaño la alimentación del agente oxidante es comúnmente realizada
por zonas diferenciadas del reactor como son la parte superior
junto a zonas inferiores correspondientes a la zona de combustión u
oxidación, tal como aparece por ejemplo en las patentes US1821263,
US2204902, US3746521. Otras referencias históricas respecto a
plantas, equipos o procesos de gasificación, son los descritos en
las patentes: FR634399, FR642344, US3639111, FR2290488, EP0040265,
US4459136, EP0101143, US4497637, FR2574423 y US4592762.
Asimismo caben destacar las siguientes patentes:
ES2136477, ES2183662, ES2190689, ES2182608, ES2199612, ES2206056
pertenecientes al estado de la técnica relativos a reactores y/o
plantas de gasificación.
Un aspecto fundamental a la hora de utilizar el
gas pobre generado en plantas de gasificación con posterior
aprovechamiento energético, es su acondicionamiento para poder ser
empleado en los equipos de combustión de una forma adecuada. En el
caso de aprovechamiento energético del gas en motores de combustión
conlleva eliminar partículas, alquitranes y otras impurezas que
pueden perjudicar el buen funcionamiento de los motores. Son
diversos los sistemas utilizados al respecto como ciclones, filtros
electroestáticos, filtros de mangas, separadores de gotas, y/o
refrigeración del gas en sistemas de intercambio de calor con agua,
scrubbers, así como filtros de carbono activo.
El aprovechamiento energético del gas pobre
puede ser realizado en sistemas de turbina de gas o de caldera de
vapor-turbina de vapor, sistemas adecuados para
gasificación y aprovechamiento energético de grandes cantidades de
biomasa, o en sistema motor de
combustión-alternador, mas adecuado para cantidades
de biomasa mas reducidas. En este sentido, el empleo de un sistema
motor de combustión-alternador de una forma
eficiente implica la disponibilidad de un adecuado control de su
operatividad.
La presente invención describe una planta de
generación de energía eléctrica y térmica a partir de gasificación
de biomasa, especialmente residuos lignocelulósicos, que permite una
óptima y sencilla transformación del combustible sólido en un gas
pobre, limpio y frío empleado como combustible que alimenta una
bancada de motores de combustión
interna-alternadores para la generación de energía
eléctrica.
De acuerdo con un primer objeto de la invención,
la planta de generación de energía eléctrica y térmica comprende
una plataforma portadora de fácil transporte e instalación sobre la
que se encuentran montados y controlados de forma coordinada al
menos los siguientes equipos:
- un reactor de gasificación en equicorriente
(downdraft) de lecho fijo alimentado por biomasa para obtención de
un gas pobre,
- un sistema de acondicionamiento del gas pobre
situado a continuación del reactor de gasificación para su empleo
como combustible en motores de combustión interna,
- unos motores de combustión
interna-alternadores adaptados para su operación con
el gas pobre como único combustible para la generación de energía
eléctrica y térmica.
De modo preferente se contempla que el sistema
de acondicionamiento del gas pobre comprenda:
- un ciclón para la separación de partículas del
gas pobre producido en el gasificador,
- dos circuitos de
refrigeración-condensación-filtración
similares para el filtrado y enfriamiento del gas pobre y obtención
de un gas limpio a temperatura adecuada para alimentar los motores
de combustión interna,
- una válvula de selección que regula el paso
del gas pobre procedente del ciclón para su introducción en uno o
en ambos circuitos de
refrigeración-condensación-filtración.
El empleo de dos circuitos evita la necesidad de parar el
funcionamiento de la planta ante una operación de mantenimiento o
similar.
La planta incorpora adicionalmente un
intercambiador de calor dotado de una primera entrada por la que
circulan los condensados, separados del gas pobre en los circuitos
de
refrigeración-condensación-filtración,
una segunda entrada por la que penetran los gases de salida de los
motores de combustión interna que calientan estos condensados, una
primera salida por la que salen los condensados calientes para su
recirculación al reactor de gasificación como agente oxidante
secundario, y una segunda salida por la que salen los gases de
escape fríos de los motores de combustión interna.
Un segundo objeto de la invención se refiere al
reactor de gasificación de biomasa que puede emplearse en la planta
de gasificación descrita. El reactor de gasificación es de tipo
downdraft de lecho fijo que dispone de un primer sector superior
cilíndrico por el que se alimenta y circula biomasa donde se produce
el precalentamiento y secado de ésta así como parte de la
pirólisis. A continuación y de acuerdo con la invención el reactor
de gasificación incorpora un segundo sector de configuración cónica
de orientación inferior divergente de material refractario donde se
produce la operación final de la pirólisis, oxidación y parte de la
reducción de forma homogénea para diferentes caudales de gas.
Esta configuración cónica de orientación
inferior divergente facilita, a diferencia de la solución
convencional de contar con un sector cilíndrico, que se produzca
una homogeneización en la distribución de aire y que se mantenga la
llama prácticamente de forma constante en el mismo lugar.
Esta solución resulta especialmente
satisfactoria en el caso de que se utilicen diferentes tipos de
biomasa con distintas capacidades caloríficas y por tanto con
tendencia a ocasionar variaciones en el caudal en el reactor, ya
que la expansión que se produce en el paso de la sección cilíndrica
a la sección cónica de orientación inferior divergente permite
absorber posibles variaciones que se pudieran originar en el proceso
de combustión facilitando esa homogeneidad en la distribución de
aire y la posición constante, así como la posición de la llama.
A continuación del segundo sector el reactor de
gasificación dispone de un tercer sector de configuración cónica de
orientación inferior convergente donde se termina de realizar la
reducción y se establece una reserva de carbón a utilizar en el
caso de que se produzcan variaciones de caudal.
Seguidamente se encuentra un cuarto sector o
sector inferior en el que se encuentra una parrilla que soporta el
lecho y que está configurada por:
- dos placas enrejilladas enfrentadas que están
ligeramente separadas entre si por uno de sus lados, y que son
basculantes respecto a sus lados opuestos, y
- un mecanismo de agitación, preferentemente
motorizado, integrado en las placas enrejilladas, que está dotado
de un movimiento de basculación en torno a su eje central que regula
la acumulación y caída de las cenizas.
El mecanismo de agitación está formado por un
perfil central sobre el que apoyan los lados enfrentados de las
placas enrejilladas, del que parten a ambos lados una pluralidad de
aletas paralelas que se encuentran situadas en correspondencia con
los espacios libres de las placas enrejilladas, cubriendo dichos
espacios libres en la posición en la que soportan las cenizas y
descubriéndolos por su movimiento de basculación para facilitar la
caída de las cenizas.
Con este mecanismo de agitación se controla la
extracción de cenizas del gasificador y su pérdida de carga,
asegurando en todo momento unas adecuadas y homogéneas condiciones
de caudal y de composición del gas generado.
La planta funciona de modo general en depresión
para evitar fugas y conducir el gas pobre combustible hacia los
motores de combustión-alternadores, incorporando a
tal efecto un soplante de aspiración-impulsión antes
de los motores. En la alimentación de cada motor dispone de una
electroválvula de seguridad previa a cada válvula de mariposa de
regulación.
De acuerdo con lo descrito la planta de
gasificación permite obtener en continuo un gas combustible caliente
de un poder calorífico superior a 4300 KJ/m^{3}N y baja
concentración de alquitranes.
Por otro lado los motores de combustión
interna-alternadores están adaptados para la
operación con este gas pobre con un rendimiento superior al 20% y
muy baja emisión de gases combustibles y contaminantes a la
atmósfera.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un diagrama de bloques del
proceso llevado a cabo por la planta de generación de energía
eléctrica y térmica a partir de gasificación de biomasa.
Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de
la parrilla con el mecanismo de agitación girado.
Figura 3.- Muestra una vista en alzado de la
parrilla con las placas enrejilladas y mecanismo de agitación en
posición horizontal.
Figura 4.- Muestra una vista en alzado de la
parrilla en la que se ha representado la posición del mecanismo de
agitación girado, así como una de las placas enrejilladas igualmente
girada por acción del mecanismo para facilitar la caída de la
ceniza.
A partir de las figuras se describe un modo de
realización preferente de los objetos de la presente invención.
De acuerdo con la figura 1 el reactor de
gasificación (1) según la invención comprende fundamentalmente:
- -
- Un primer sector (2) superior cilíndrico, por el que se alimenta y circula la biomasa, donde se produce el precalentamiento de ésta y parte de la pirólisis, que dispone de un espacio anular (3) por el que circula el gas de salida resultante de la gasificación que se produce en el reactor de gasificación (1), que precalienta la biomasa antes de su salida,
- -
- un segundo sector (4) de configuración cónica de orientación inferior divergente de material refractario donde se produce la zona final de la pirólisis, oxidación y parte de reducción,
- -
- una entrada de aire externa (5) perimetral, situada entre el primer sector (2) y el segundo sector (4) por la que se introduce aire al reactor de gasificación (1),
- -
- un tercer sector (6) de configuración cónica de orientación inferior convergente situado a continuación del segundo sector (4) donde se termina de realizar la reducción y en el que se establece una reserva de carbón a utilizar en el caso de que se produzcan variaciones de caudal,
- -
- un cuarto sector (7) situado a continuación del tercer sector (6), en el que se ubica una parrilla (8) que soporta el lecho, que dispone de una salida para la evacuación de cenizas y escorias finales de la gasificación.
El lecho formado por la biomasa en proceso es
soportado por la parrilla (8), representada en las figuras 2 a 4,
que está configurada por dos placas enrejilladas (10) enfrentadas,
que están ligeramente separadas entre si por uno de sus lados, y
que son basculantes respecto a sus lados opuestos, y por un
mecanismo de agitación (11) que está dotado de un movimiento de
basculación, preferentemente motorizado, en torno a su eje
intermedio.
El mecanismo de agitación (11) está formado por
un perfil central (12) sobre el que apoyan los lados enfrentados de
las placas enrejilladas (10) del que parten a ambos lados una
pluralidad de aletas (13) paralelas, que se encuentran situadas en
correspondencia con los espacios libres de las placas enrejilladas
(10).
Mediante esta parrilla (8) se soporta el lecho
interno, con las placas enrejilladas (10) en posición horizontal y
las aletas (13) del mecanismo de agitación (11) introducidas en las
placas enrejilladas (10) para impedir la caída de las cenizas,
situación que aparece representada en la figura 3. Cuando se precisa
descargar parte del lecho se hace girar el mecanismo de agitación
(11) en torno a su eje central, ocasionando, por una parte el giro
del perfil central (12) que soporta las placas enrejilladas (10) que
determina una ligera basculación descendente de una de las placas
enrejilladas (10), y por otra parte se produce un movimiento
ascendente del grupo de aletas (13) situadas a un lado del perfil
central (12) y un movimiento ascendente del grupo de aletas (13)
situadas al otro lado del perfil central (12), liberando así los
espacios libres de las placas enrejilladas (10) para permitir la
caída de las cenizas, así como para reducir la pérdida de carga
ejercida por el lecho y mantener una estructura del mismo adecuada
sin la presencia de caminos preferenciales.
Las cenizas generadas durante el proceso de
gasificación son evacuadas en continuo por la parte inferior del
reactor de gasificación, mediante el empleo preferentemente de un
tornillo sin fin (14) dispuesto en el interior de una conducción de
acero inoxidable que descarga las cenizas a un colector hermético
(15).
El gas pobre generado en el reactor de
gasificación (1), compuesto principalmente por monóxido de carbono,
hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno, metano, vapor de agua y
trazas de hidrocarburos volátiles no quemados es conducido por
debajo de la parrilla (8) a un ciclón (16) para la separación de
posibles partículas arrastradas con la corriente gaseosa, que son
dirigidas a un depósito (24).
El gas libre de partículas procedente del ciclón
(16) se reintroduce nuevamente en el reactor de gasificación (1) y
se dirige por el espacio anular (3) del reactor de gasificación (1)
para abandonar el mismo por su parte superior.
A continuación el gas es dirigido a unos
circuitos de
refrigeración-condensación-filtración
(19-20-21) para su filtrado y
enfriamiento con objeto de alcanzar la temperatura apropiada de
alimentación de los motores de combustión interna (17),
incorporando anteriormente una válvula de selección (18) que permite
operar con uno u otro circuito
(19-20-21) o con los dos de forma
simultánea.
Cada uno de los circuitos
(19-20-21) dispone de un filtro de
partículas (19) basado en la filtración a través de malla metálica
y a continuación se encuentra un filtro intercambiador (20) que
consiste en un intercambiador multitubular por el interior de cuyos
tubos se introduce el gas que ha pasado previamente por el filtro de
partículas (19). Por el exterior de los tubos del filtro
intercambiador (20) circula aire ambiental como fluido refrigerante
en sentido ascendente, el cual es impulsado por un ventilador que
refrigera el gas ocasionando la condensación de vapor de agua y de
trazas de hidrocarburos volátiles condensables del gas no quemados
en el reactor de gasificación (1) que son arrastrados hacia un
intercambiador de calor (22).
La fracción de gas pobre no condensada se dirige
a continuación hacia un filtro que utiliza un lecho de material
regenerable (21).
A continuación el gas pobre ya refrigerado y
limpio procedente de cada uno de los circuitos (19, 20, 21)
confluyen en una válvula (9) para alimentar los motores de
combustión interna (17), cada uno de los cuales está asociado a un
alternador para la generación de energía eléctrica.
Los condensados separados del gas pobre
procedente del filtro intercambiador (20) son recirculados al
reactor de gasificación (1) como agente oxidante secundario, previa
vaporización en el mencionado intercambiador de calor (22), en el
que se introducen los gases de escape de los motores de combustión
interna (17) de la planta como fluido
calo-portador. El paso de los gases de escape por
este intercambiador de calor (22) permite enfriar los mismos,
compuestos mayoritariamente por dióxido de carbono, nitrógeno y
vapor de agua.
Antes de los motores de combustión interna (17)
la planta incorpora un soplante de
aspiración-impulsión (23) que permite que ésta
funcione en depresión para evitar fugas y conducir el gas pobre
combustible hacia los motores de combustión interna (17).
Claims (10)
1. Reactor de gasificación (1) de biomasa tipo
downdraft de lecho fijo, que dispone de un primer sector (2)
superior, cilíndrico, por el que se alimenta y circula biomasa,
donde se produce el precalentamiento y secado de ésta y parte de la
pirólisis, caracterizado porque comprende a continuación del
primer sector (2), un segundo sector (4) de configuración cónica de
orientación inferior divergente de material refractario donde se
produce la operación final de la pirólisis, oxidación y parte de la
reducción de forma homogénea ante cualquier variación de caudal de
gas.
2. Reactor de gasificación (1) de acuerdo con la
reivindicación 1 caracterizado porque a continuación del
segundo sector (4) comprende un tercer sector (6) de configuración
cónica de orientación inferior convergente donde se termina de
realizar la reducción y se establece una reserva de carbón a
utilizar en el caso de que se produzcan variaciones de caudal.
3. Reactor de gasificación (1) de acuerdo con la
reivindicación 2 caracterizado porque a continuación del
tercer sector (6) comprende un cuarto sector (7) en el que se
encuentra una parrilla (8) que soporta el lecho y que está
configurada por dos placas enrejilladas (10) enfrentadas que están
ligeramente separadas entre si por uno de sus lados, y que son
basculantes respecto a sus lados opuestos, y por un mecanismo de
agitación (11) integrado en las placas enrejilladas (10) que está
dotado de un movimiento de basculación en torno a su eje central
que regula la acumulación y caída de las cenizas.
4. Reactor de gasificación (1) de acuerdo con la
reivindicación 3 caracterizado porque el mecanismo de
agitación está formado por un perfil central (12) sobre el que
apoyan los lados enfrentados de las placas enrejilladas (10) del
que parten a ambos lados una pluralidad de aletas (13) paralelas que
se encuentran situadas en correspondencia con los espacios libres
de las placas enrejilladas (10), cubriendo dichos espacios libres en
la posición en la que soportan las cenizas y descubriéndolos por el
movimiento de basculación para facilitar la caída de las
cenizas.
5. Planta de generación de energía eléctrica y
térmica a partir de la gasificación de biomasa caracterizada
porque comprende una plataforma portadora de fácil transporte e
instalación sobre la que se encuentran montados y controlados de
forma coordinada al menos los siguientes equipos:
- un reactor de gasificación (1) de lecho fijo
alimentado por biomasa para obtención de un gas pobre,
- un sistema de acondicionamiento del gas pobre
situado a continuación del reactor de gasificación para su empleo
como combustible en motores de combustión interna (17),
- unos motores de combustión interna (17), cada
uno de ellos asociado a un alternador, adaptados para su operación
con el gas pobre como único combustible para la generación de
energía eléctrica y térmica.
\vskip1.000000\baselineskip
6. Planta de generación de energía eléctrica y
térmica a partir de la gasificación de biomasa de acuerdo con la
reivindicación 5 caracterizada porque el reactor de
gasificación consiste en el reactor de gasificación (1) descrito en
las reivindicaciones 1 a 4.
7. Planta de generación de energía eléctrica y
térmica a partir de la gasificación de biomasa de acuerdo con la
reivindicación 6 caracterizada porque el sistema de
acondicionamiento del gas pobre comprende:
- un ciclón (16) para la separación de
partículas del gas pobre producido en el reactor de gasificación
(1),
- dos circuitos de
refrigeración-condensación-filtración
(19-20-21) similares, para el
filtrado y enfriamiento del gas pobre y obtención de un gas limpio
a temperatura adecuada para alimentar los motores de combustión
interna (17),
- una válvula de selección (18) que regula el
paso del gas pobre procedente del ciclón (16) para su introducción
en uno u otro circuito de
refrigeración-condensación-filtración
(19-20-21) o en ambos.
\vskip1.000000\baselineskip
8. Planta de generación de energía eléctrica y
térmica a partir de la gasificación de biomasa de acuerdo con la
reivindicación 7 caracterizada porque cada uno de los
circuitos de
refrigeración-condensación-filtración
(19-20-21) comprende:
- un filtro de partículas (19) de malla metálica
situado a continuación de la válvula de selección (18),
- un filtro intercambiador (20) dispuesto a
continuación del filtro de partículas (19) en el que el que se
enfría el gas y se divide en un condensado y en una fracción de gas
pobre no condensada,
- un filtro de lecho de material regenerable
(21) situado a continuación del filtro intercambiador (20).
\vskip1.000000\baselineskip
9. Planta de generación de energía eléctrica y
térmica a partir de la gasificación de biomasa de acuerdo con la
reivindicación 8 caracterizada porque incorpora un
intercambiador de calor (22) dotado de:
- una primera entrada por la que circulan los
condensados separados del gas pobre en el filtro intercambiador
(20),
- una segunda entrada por la que penetran los
gases de salida de los motores de combustión interna (17), que
calientan los condensados,
- una primera salida por la que salen los
condensados calientes para su recirculación al reactor de
gasificación (1) como agente oxidante secundario, y
- una segunda salida por la que salen fríos los
gases de escape de los motores de combustión interna (17).
\vskip1.000000\baselineskip
10. Planta de generación de energía eléctrica y
térmica a partir de la gasificación de biomasa de acuerdo con la
reivindicación 5 caracterizada porque incorpora un soplante
de aspiración-impulsión (23) en disposición previa
a los motores de combustión interna (17) que mantiene la planta en
depresión para evitar fugas y conducir el gas pobre combustible
hacia los motores de combustión interna (17).
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