ES2343167T3 - Gasificador de multiples facetas y procedimientos relacionados. - Google Patents

Gasificador de multiples facetas y procedimientos relacionados. Download PDF

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Abstract

Un gasificador (1) que comprende: una entrada de combustible grueso (2); una sección de gasificación de lecho fijo de dos fases para recibir el combustible grueso desde la entrada de combustible grueso (2), comprendo dicha sección de gasificación de lecho fijo (4, 5, 8, 11, 13): una sección de lecho fijo superior (4, 5, 8, 13) en la que el combustible grueso puede desvolatilizarse para formar gases volatilizados que pueden fluir hacia abajo; una sección de lecho fijo inferior; una pluralidad de accesos de inyección (6, 10, 25, 26, 53) configurados para introducir oxígeno, vapor o aire en las diferentes secciones del gasificador (1), en el que una parte de los accesos (6, 10, 19, 25) están localizados adyacentes a la entrada de combustible grueso (2); un recinto superior (14); y un sitio para el efluente de gas (15, 56) desde el que los gases obtenidos a partir del combustible grueso pueden descargarse, en el que el gas efluente de la sección de gasificación del lecho fijo (4, 5, 8, 13) pueden recogerse dentro del recinto superior (14) y en el que el sitio para el efluente de gas (15, 56) se localiza adyacente al recinto superior (14); el gasificador comprende adicionalmente y está caracterizado por: un estrechamiento de la sección transversal interna (11) en la sección de lecho fijo superior (4, 5, 8, 13); estando dispuesto el recinto superior (14) adyacente al estrechamiento de la sección transversal interna (11).

Description

Gasificador de múltiples facetas y procedimientos relacionados.
Campo de la invención
La presente invención se refiere, en general, a la gasificación de combustibles que contienen carbono y, más particularmente, a un nuevo aparato y metodología de gasificación para la gasificación de reservas carbonosas que incorpora tanto procedimientos de gasificación en lecho fijo como procedimientos de gasificación de tipo flujo atrapado en un recipiente. Opcionalmente, pueden utilizarse los principios de fluidificación en el gasificador. El carbón mineral de carbono activado generado internamente puede usarse como el absorbente principal para la limpieza del gas de síntesis para producir un gas de síntesis (gas de síntesis) medio ambientalmente mejor. La presente invención es capaz de recibir y procesar combustibles gruesos en las secciones de lecho fijo y sólidos pulverizados o finos, así como materia prima líquida y gaseosa, en la sección de flujo atrapado.
Antecedentes de la invención
En líneas generales, la gasificación es la creación de un gas combustible conocido como gas de síntesis y denominado habitualmente como "gas de síntesis" en el presente documento, a partir de combustibles que contienen carbono. La gasificación es un procedimiento industrial bien conocido, usado para convertir materias primas sólidas, líquidas y gaseosas, usando reactantes tales como aire, oxígeno y vapor, en gases tales como hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y metano. Los gases resultantes pueden usarse para generar energía eléctrica, producir calor y vapor, o como una materia prima para la producción de diversos compuestos químicos y combustibles líquidos, o cualquier combinación de los anteriores. Para valorar la presente invención, será útil haber entendido la historia de la gasificación y las actuales limitaciones de la técnica anterior en tecnologías de gasificación comerciales.
Se han usado diversas formas de gasificación desde 1800 como una manera de convertir los combustibles sólidos (principalmente carbono) en combustible gaseoso (gas de síntesis o syngas). La gasificación de carbón vegetal a gran escala se aplicó en primer lugar como una manera para generar gas ciudad, distribuido a través de sistemas de gaseoductos por gran parte de Europa antes del desarrollo y uso del gas natural.
Los procedimientos de gasificación más antiguos se conocen como gasificación en lecho fijo (o lecho móvil). Los alemanes desarrollaron originalmente una gasificación en lecho fijo y, posteriormente, los primeros gasificadores de carbón vegetal en lecho fijo a gran escala. Más recientemente, otros han desarrollado procedimientos adicionales que incluyen gasificación en lecho fluidizado y procedimientos de gasificación de lecho atrapado o de flujo atrapado. Los tres procedimientos de gasificación tienen características beneficiosas así como limitantes, que se describirán de forma general en el siguiente análisis.
La gasificación en lecho fijo requiere combustibles gruesos (típicamente 6,35 mm - 50,8 mm de diámetro). La tecnología de gasificación en lecho fijo mejor conocida y usada más ampliamente es el gasificador de ceniza seca Lurgi (la ceniza se recupera seca y no se convierte en fundido o escoria). La tecnología de ceniza seca Lurgi se usa actualmente en Sudáfrica para convertir las grandes reservas de carbón en gas de síntesis, que se convierte después en combustibles líquidos y compuestos químicos mediante catalizadores para gas de síntesis aguas abajo. Casi la mitad de todos los combustibles para transporte usados en Sudáfrica procede de plantas de gasificación de carbón basadas en Lurgi en este país. Actualmente, hay una instalación de gasificación basada en Lurgi en Estados Unidos que convierte lignito (alta humedad, calidad baja) en gas de síntesis, que después se convierten posteriormente en metano de calidad para gaseoductos y se comercializa en el sistema de gaseoductos de gas natural. Una ventaja del gasificador Lurgi es su capacidad para producir gas de síntesis con una proporción de hidrógeno a monóxido de carbono mayor de dos. Esto permite que el gas de síntesis, después de la limpieza, se use en procedimientos de conversión aguas abajo para preparar combustibles líquidos y compuestos químicos que requieren esta mayor propor-
ción.
La gasificación en lecho fijo usa combustibles gruesos, que en primer lugar deben desvolatilizarse (es decir, eliminar de los mismos todos los compuestos volátiles) antes de que ocurra la gasificación del carbono fijo restante. Que el gas de síntesis contenga alquitranes y aceites del gasificador de ceniza seca Lurgi conduce al desarrollo del gasificador de formación de escoria en lecho fijo Lurgi de Gas Británico (BG/L). Aunque también contiene alquitranes y aceites con el efluente del gas de síntesis bruto inicial, el BG/L tiene la capacidad de recircular y reinyectar los alquitranes y aceites en la sección de formación de escoria inferior más caliente (ceniza fundidas) del gasificador, donde los alquitranes y aceites se convierten en los constituyentes del gas de síntesis. La reinyección de alquitranes y aceites es una etapa adicional innecesaria que se elimina mediante la presente invención. Sería un avance en la técnica de los gasificadores de lecho fijo proporcionar un sistema de gasificación que evite la creación de alquitranes y aceites en el efluente de gas de síntesis bruto.
Las características técnicas limitantes de la gasificación en lecho fijo incluyen: (1) contenido de alquitranes y aceite en el gas de síntesis; (2) dificultad para usar finos de carbón vegetal/combustible porque atascan el espacio hueco entre los combustibles gruesos en el lecho fijo (debido a esto, grandes pilas de finos de carbón vegetal descargados se acumulan cerca de estas plantas o se transportan fuera del sitio a las instalaciones de combustión que puedan usar finos, dando como resultado eficacias carbón vegetal a producto globales bajas); (3) dificultad para usar materias primas de hidrocarburo líquido; y (4) dificultades para usar carbones vegetales de obturación (carbones vegetales con temperaturas de fusión de ceniza bajas) que a menudo requieren agitación mecánica para agitar el lecho de combustible.
Un procedimiento de gasificación más nuevo se conoce como gasificación de flujo atrapado o de lecho atrapado. Los combustibles sólidos pulverizados y/o combustibles líquidos viscosos se suministran al reactor de gasificación y se convierten rápidamente en gas de síntesis. Una ventaja principal de los procedimientos de gasificación de flujo atrapado es que no se producen aceites ni alquitranes, impidiendo su presencia en el gas de síntesis efluente.
Otra ventaja del procedimiento de gasificación de flujo atrapado es su capacidad para gasificar materias primas líquidas (es decir, petróleo o residuos pesados de petróleo de las refinerías). Las tecnologías de gasificación de flujo atrapado principales incluyen aquellas desarrolladas por: Texaco, Shell y Dow Chemical (Destec). Los procedimientos de gasificación de flujo atrapado son incapaces de procesar fácilmente combustibles gruesos. Esto hace difícil procesar ciertos combustibles, tales como biomasa y residuos sólidos municipales segregados o recortes de neumáticos (los combustibles no pueden pulverizarse económicamente para usarlos como combustible). Otra limitación de la gasificación de flujo atrapado es la incapacidad de conseguir un control interno amplio de la proporción de hidrógeno a monóxido de carbono en el gas de síntesis que sale. Ajustar esta proporción en favor del hidrógeno requeriría un reactor de desplazamiento de agua-gas-aguas abajo adicional para aumentar el hidrógeno y reducir el monóxido de carbono.
Las tecnologías de gasificación de flujo atrapado tienen también limitaciones técnicas y de procesamiento del combustible. Para transportar el combustible al gasificador, algunos de los gasificadores de flujo atrapado usan un suministro en suspensión que, a menudo, es agua mezclada con sólidos pulverizados a una proporción de aproximadamente 1:2, respectivamente. Otro gasificador de flujo atrapado comercial usa suministros de sólido pulverizado seco al gasificador. Todos estos gasificadores producen un gas de síntesis con una proporción de hidrógeno a monóxido de carbono de aproximadamente 1:2 o menor, con una capacidad limitada para controlar esta relación. Los gasificadores que usan el procedimientos de suministro en suspensión para materias primas sólidas limitan su capacidad al uso de combustibles de alto contenido de humedad tales como carbones vegetales de lignito, puesto que suministrar demasiada humedad al sistema gasificador da como resultado un mal rendimiento de gasificación.
Además de las limitaciones citadas anteriormente, otros problemas de la técnica anterior incluyen: (a) atascamiento, obturación y/o acumulaciones indeseadas de material en el suministro de combustible, en el lecho y/o en las regiones de descarga de escoria del gasificador; (b) control inadecuado de especies de azufre y contaminantes que exigen la necesidad de limpieza extensiva del gas de síntesis y un equipo de procesamiento aguas abajo del gasificador; (c) altos costes de instalación y operativos, y (d) flexibilidad del combustible limitada.
Un tercer procedimiento de gasificación conocido como el procedimiento en lecho fluidizado se ha utilizado de forma limitada. Los gasificadores de lecho fluidizado usan también combustibles gruesos, sin embargo, los combustibles gruesos son de un tamaño un poco más pequeño que los combustibles gruesos usados por los gasificadores de lecho fijo. Una ventaja de los procedimientos en lecho fluidizado es su capacidad para usar combustibles con contenidos de ceniza relativamente altos. Los procedimientos de gasificación en lecho fluidizado se enfrentan a desafíos relacionados con la aglomeración de combustible en el lecho. Además, los procedimientos de gasificación en lecho fluidizado tienen algunas limitaciones similares a las de los procedimientos en lecho fijo.
El documento GB 2164660 desvela un gasificador de lecho fluidizado y de lecho fijo combinados en el que el gasificador de lecho fijo se dispone en la trayectoria de los gases efluentes resultantes del gasificador de lecho fluidizado. El combustible del lecho fijo, en particular carbón vegetal, actúa como un filtro para las partículas atrapadas generadas a partir del lecho fluido y, a su vez, los gases efluentes desvolatilizan el combustible del lecho fijo. Este combustible del lecho fijo, por lo tanto, se degrada y cae o se dirige al lecho fluidizado.
El documento EP 0554529 desvela una zona de lecho fijo que comprende tanto una zona fluidizada como una zona de vapor neumático. Los sólidos de grano grueso se suministran desde la zona de lecho fijo a la zona fluidizada y ascienden a la zona de vapor neumático desde la que el sólido no calcinable con gas se extrae en un estado fundido. El gas generado por gasificación en la zona de vapor neumático y la zona fluidizada se conducen y descargan desde la zona fluidizada.
El documento US 4.883.499 desvela un gasificador que comprende una sección de gasificación de lecho fijo que comprende una capa superior de material de entrada orgánico, dos capas intermedias para carbonizar, oxidar parcialmente y paralizar el material introducido y una capa inferior de carbón vegetal sin alquitrán.
El documento US 4.967.673 desvela un aparato de gasificación de flujo en contra corriente. El material carbonoso sólido se introduce en una cámara de combustión donde se calcina para crear un frente de combustión en avance. Se introduce un oxidante de manera que fluya en una dirección opuesta al frente de combustión en avance. La temperatura del sistema se controla mediante la presión, pureza del oxidante y contenido de humedad dentro del reactante carbonoso. El control de temperatura se proporciona adicionalmente mediante la temperatura de entrada y el caudal de oxidante y la temperatura del lecho para el reactante carbonoso.
Resumiendo, las principales limitaciones de la técnica de gasificación anterior incluyen la capacidad limitada para procesar o gasificar simultáneamente combustibles sólidos, tanto gruesos como finos, o procesar o gasificar simultáneamente materias primas de hidrocarburo tanto bastas como líquidas, dando como resultado una falta general de flexibilidad de combustible en un sistema cualquiera. Aunque las plantas de gasificación generalmente son capaces de satisfacer con creces alta limitaciones de emisión, sus costes de capital permanecen altos. Los costes para controlar las especies contaminantes deben reducirse para permitir su uso generalizado para muchas plantas de generación de energía o electricidad. La presente invención se diseña para superar estos desafíos.
Breve sumario de la invención
La presente invención se dirige a un procedimiento de gasificación continuo para producir gas de síntesis medioambientalmente mejor que tiene capacidades internas para generar una carbón mineral de carbono activado como un medio para adsorber los contaminantes bien conocidos encontrados en las corrientes de gas de síntesis. Adicionalmente, este procedimiento es capaz de usar una amplia variedad de tipos de combustibles carbonosos realizando procedimientos de gasificación tanto en lecho fijo como de flujo atrapado en un solo recipiente. Adicionalmente, la presente invención es también capaz de utilizar las características de fluidización para agitar el combustible y/o las cenizas del lecho fijo para aumentar opcionalmente el contenido de materiales particulados de carbón mineral de carbono activado con la corriente de gas de síntesis efluente. Se prefiere que la presente invención funcione como un gasificador de formación de escoria.
En la presente invención se prefiere el uso de un quemador de suministro seco para las secciones de entrada de suministro de flujo atrapado, evitando la necesidad de procedimientos de suministro en suspensión acuosa. Debido a la capacidad de suministrar en seco los combustibles a la sección de flujo atrapado acoplada con un lecho fijo de combustible, la presente invención es capaz de controlar ventajosamente la proporción de vapor a oxígeno que da como resultado la capacidad de aumentar la producción de hidrógeno a partir de una reacción de desplazamiento parcial de agua-gas dentro del gasificador. Si se desea, otra moderación de la temperatura interna usando vapor puede potenciar las reacciones de metanación posteriores para aumentar el contenido de metano del gas de síntesis. Tener el control sobre la proporción de hidrógeno a carbono elimina o mitiga la necesidad de tener reactores de desplazamiento de agua-gas adicionales y/o gasificadores secundarios aguas abajo del gasificador principal. Esto puede mejorar la economía global de la planta cuando se producen productos que requieren una mayor proporción, tales como metanol, amoniaco, metano o combustibles líquidos a través de diversos catalizadores y procedimientos aguas abajo que utilizan el gas de síntesis.
El combustible grueso se suministra a la parte superior del gasificador donde la elevación del lecho de combustible se autorregula mediante tres etapas de cambio en el diámetro del lecho. La primera etapa de cambio está cerca de la parte superior del gasificador, donde el combustible grueso entra y se inclina respecto al ángulo de reposo de los combustibles. Esta sección superior representa la sección de gasificación de bajada de la sección de lecho fijo del gasificador, denominada campana en lo sucesivo en el presente documento. En la campana, los combustibles gruesos se desvolatilizan antes de convertirlos en carbón mineral de carbono activado cerca de la parte inferior de la campana, donde las temperaturas suben justo por debajo del punto de fusión de la ceniza del combustible grueso. La inyección de aire u oxígeno adicional y vapor pueden eliminar suficientemente los alquitranes y aceites. La inclusión del aparato con campana dentro del recipiente de gasificador principal forma un recinto superior alrededor del exterior de la campana donde el gas de síntesis tiene un acceso de salida. Todos los gases de gasificación del lecho fijo superior deben pasar, hacia abajo, o simultáneamente con el combustible, alrededor del borde inferior de la campana antes de entrar en el recinto superior y salir del gasificador por el acceso de salida.
La campana puede ser un inserto cilíndrico de acero con bordes convergentes hacia dentro inferiores de soporte que sostienen el material cerámico usado como revestimiento en su interior. Para asegurar una refrigeración y control de temperatura apropiadas del acero en la campana, pueden usarse tubos de bayoneta en su exterior con agua en circulación.
Después de que el carbón mineral de carbono fijo pase por debajo del borde inferior de la campana, el combustible grueso fluye de nuevo hacia fuera formando otro ángulo de reposo hacia la pared interior de la carcasa del gasificador principal revestido con cerámico.
Otra etapa interna de cambio comienza en la misma área forzando al combustible grueso a converger a medida que se mueve hacia abajo hacia la sección de lecho fijo inferior del gasificador. El propósito de que el revestimiento cerámico converja hacia abajo en diámetro es crear un recinto anular inferior que rodea el combustible del lecho fijo inferior, en el que recibir los gases desde la sección de gasificación de flujo atrapado usando quemadores encendidos tangencialmente. A medida que el carbón mineral de carbono fijo grueso se mueve hacia abajo por debajo de la campana, los gases fluyen hacia arriba en contracorriente con el combustible. El combustible continúa moviéndose hacia abajo hacia la región de formación de escoria de ceniza, donde la ceniza fundida se retira a través de una lámina fina de escoria en la parte inferior. Cada vez que el combustible grueso toque la parte revestida con cerámico del gasificador, puede usarse una pluralidad de orificios para fluidificar o agitar el combustible grueso o la ceniza.
A la sección de gasificación de flujo atrapado se pueden suministrar sólidos finos o pulverizados, combustibles líquidos o gaseosos o cualquier combinación de los mimos. La sección de flujo atrapado puede procesar aproximadamente dos veces el combustible que se suministra a la sección de lecho fijo. Los gases de la sección de flujo atrapado trabajan hacia arriba a través del lecho fijo inferior mezclándose en primer lugar con los gases procedentes del lecho fijo inferior, continuando después moviéndose hacia arriba y mezclándose finalmente con los gases que salen de la sección de campana. Todos los gases se mezclan en el recinto superior antes de salir del gasificador. El recinto superior actúa también como el medio para controlar el tiempo de residencia y la temperatura de los gases antes de que salgan, para asegurar la destrucción de los alquitranes y aceites.
Además, el gasificador puede extraer el carbón mineral de carbono activado del gasificador de dos maneras. Una es arrastrar intencionalmente el material particulado de carbono con el efluente de gas de síntesis que después se separa mediante un sistema de retirada de materiales particulados. La segunda es tener un acceso de extracción en el que se extraen los combustibles gruesos de la sección media del gasificador. Este último procedimiento sólo se usa si el volumen de material arrastrado por el material particulado no puede suministrar suficiente carbón mineral de carbono activado al sistema de cámara de filtro de bolsa aguas abajo para satisfacer las velocidades de adsorción de contaminación deseadas y la eficacia.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un gasificador que comprende dos puntos: una entrada de combustible grueso; una sección de gasificación de lecho fijo en dos fases para recibir el combustible grueso desde la entrada de combustible grueso, comprendo dicha sección de gasificación de lecho fijo: una sección de lecho fijo superior en la que el combustible grueso puede desvolatilizarse para formar gases volatilizados que pueden fluir hacia abajo; una sección de lecho fijo inferior y una pluralidad de accesos de inyección configurados para introducir oxígeno, vapor o aire en diferentes secciones del gasificador, en el que una parte de los accesos se localizan adyacentes a la entrada de combustible grueso; un recinto superior (14) y un sitio para el efluente de gas desde el que los gases obtenidos a partir del combustible grueso pueden descargarse, en el que el gas efluente de la sección de gasificación de lecho fijo puede recogerse dentro del recinto superior y en el que el sitio para efluente de gas se localiza adyacente al recinto superior; el gasificador comprende adicionalmente y está caracterizado por: un estrechamiento de la sección transversal interna en la sección de lecho fijo superior; estando dispuesto el recinto superior adyacente al estrechamiento de la sección transversal interna.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporciona un procedimiento de gasificación de una materia prima de combustible carbonoso en un dispositivo gasificador que comprende las etapas de: suministrar un combustible grueso en la sección de lecho fijo superior de un gasificador de acuerdo con la presente invención; e introducir oxígeno, vapor o aire en la sección de lecho fijo superior y la sección de lecho fijo inferior para controlar la temperatura dentro del gasificador; y extraer el gas efluente del gasificador, en el que la sección de lecho fijo superior funciona a una temperatura suficiente para desvolatilizar el combustible grueso y formar gases volatilizados, que fluyen hacia abajo.
De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención se proporciona un procedimiento para retirar contaminantes en fase vapor del gas efluente producido por la gasificación del combustible carbonoso, en el que la gasificación del combustible carbonoso produce también un absorbente de carbono activado como un subproducto de acuerdo con la presente invención, comprendo el procedimiento las etapas de: suministrar ese absorbente de carbono activado a una cámara de filtro de bolsa, que tiene una bolsa de filtro en su interior, hasta que la bolsa de filtro se revista con una capa de absorbente; e introducir el gas efluente en la cámara de filtro de bolsa, suministrándose una cantidad suficiente de absorbente de carbono activado a la cámara de filtro de bolsa para revestir la bolsa de filtro y facilitar el contacto íntimo entre el absorbente de carbono activado y los contaminantes en fase vapor y, de esta manera, retirar los contaminantes en fase vapor del gas efluente.
En resumen, la presente invención supera o sustancialmente mitiga muchos de los problemas existentes hasta ahora en la técnica de gasificación. La presente invención comprende tanto nuevos aparatos como metodología única para la gasificación de materias primas carbonosas para producir un gas de síntesis medio ambientalmente mejor (syngas) que combina procedimientos de gasificación en lecho fijo y procedimientos de gasificación de flujo atrapado en un solo recipiente. Opcionalmente, pueden utilizarse los principios de fluidización para impulsar los combustibles gruesos y/o las cenizas en el lecho. Además, el componente de lecho fijo del gasificador combina tanto gasificación de bajada como gasificación de subida. Las mejores características operativas dentro del gasificador se consiguen aumentando las eficacias químicas y térmicas mientras que se reducen los costes para la producción de gas de síntesis. El procedimiento de gasificación representado en la presente invención es altamente flexible respecto al combustible y es capaz de utilizar combustibles sólidos tanto gruesos como pulverizados, así como materias primas líquidas o gaseosas y cualquier combinación de las mimas. La proporción de hidrógeno a monóxido de carbono en el gas de síntesis se controla fácilmente dentro de un intervalo de 0,5:1 a 3,3:1. El carbón mineral de carbono activado generada internamente crea un medio absorbente para retirar los contaminantes del gas de síntesis incluyendo, aunque sin limitación, especies de azufre, mercurio, cloruros y otros. El atascamiento y obturación se minimizan, los alquitranes y aceites se eliminan dentro del gasificador y no están contenidos en el gas de síntesis bruto, y se obtienen altas eficacias del procedimiento, dando como resultado menores costes del equipo, instalación y operativos. Estos y otros objetos y características de la presente invención resultarán evidentes a partir de la descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una representación en sección transversal de un gasificador dentro del ámbito de la presente invención.
La Figura 2 es una representación también en sección transversal del gasificador con números adicionales.
La Figura 3 es una representación también en sección transversal del gasificador con números adicionales.
Las Figuras 4 y 4A son dibujos en sección transversal que representan la campana interna de una sección de lecho fijo superior del gasificador.
La Figura 5 es una vista en planta del gasificador que muestra los quemadores encendidos tangencialmente.
La Figura 6 es una vista en sección transversal de un quemador típico que puede usarse.
La Figura 7 es un diagrama de flujo del procedimiento que representa cómo el carbón mineral de carbono activado puede recogerse desde el gasificador para usarla como un absorbente para la limpieza del gas de síntesis.
La Figura 8 es una vista en sección transversal del gasificador que representa cómo el sistema pulsátil puede localizarse en el gasificador.
La Figura 9 es un diagrama del centro de control pulsátil.
Descripción detallada de la invención
Se hará referencia ahora a las realizaciones actualmente preferidas de la invención, que se ilustran con las figuras. En la realización ilustrada, mostrada en la Figura 1, se muestra una vista en sección transversal del gasificador 1. La materia prima carbonosa de tamaño grueso entra en la parte superior del gasificador, a través de una entrada de suministro grueso 2 y circula hacia abajo moviéndose a través del gasificador 1 hasta que se convierte en una ceniza fundida en la parte inferior 3. Las materias primas bastas pueden incluir, aunque sin limitación, las siguientes: carbón, coque de petróleo, residuos sólidos municipales, biomasa o cualquier combinación de los mismos.
Por debajo de la entrada de materia prima basta 2 el combustible entra en una zona de pirólisis, marcada como 4 en la parte superior de la zona y 5 en la parte inferior de la zona. En la zona de pirólisis el combustible grueso se calienta mediante una combinación de combustión y gasificación, que provoca que el combustible grueso se desvolatilice. El oxígeno o el aire para combustión y el vapor necesarios para la pirólisis entran a través de diversos accesos 6 pasando a través de las gaseoductos 7. La cantidad de oxígeno o aire añadido en el acceso 6, se ajusta para mantener las temperaturas en el punto 4 entre 260ºC (500ºF) y 816ºC (1500ºF) y, preferentemente, por encima de 371ºC (700ºF) y en el punto 5 entre 427ºC (800ºF) y 816ºC (1500ºF) y, preferentemente, a aproximadamente 649ºC (1200ºF). En los puntos alrededor de los accesos 6 puede ocurrir una llama de combustión caliente a medida que el oxígeno o el aire se queman con los gases de pirólisis que proceden del combustible. A medida que los gases se dispersan por toda la zona de pirólisis 4 ó 5 las temperaturas del gas se moderan.
Como en otros procedimientos de gasificación en lecho fijo de bajada, tanto el combustible como los gases de pirólisis se mueven hacia abajo. Este movimiento del gas hacia abajo provoca que los gases de pirólisis pasen a través de una zona de gasificación de oxidación entre los puntos 8 y 9. En los accesos de entrada 10, entra más oxígeno o aire y 30 vapor en el gasificador, para elevar la temperatura de los gases a una temperatura un tanto por debajo del punto de reblandecimiento de la ceniza del combustible en el cuello 11. Diversas gaseoductos 12 pueden llevar el oxígeno o el aire y el vapor a los accesos 10. Para carbones vegetales típicos, el punto de reblandecimiento de ceniza varía de 1038ºC (1900ºF) a aproximadamente 1316ºC (2400ºF). Durante el funcionamiento, el pico de temperatura máximo en la zona del cuello 11 se mantiene al menos a 10ºC (50ºF) por debajo del punto de reblandecimiento de la ceniza, siendo 38ºC (100ºF) por debajo la condición máxima normal.
A medida que los gases de pirólisis pasan a través de la zona de combustión en el cuello 11 y hacia fuera para salir del lecho en el punto 9, la mayor parte, si no todos los alquitranes y aceites, se destruyen y convierten en gas de síntesis. Los constituyentes químicos principales del gas de síntesis son hidrógeno, monóxido de carbono, metano y dióxido de carbono. La sección del gasificador desde la entrada de combustible 2 al punto designado 13 se denomina sección de campana o sección de lecho fijo superior. Los gases desde la sección de campana dejan el lecho de combustible grueso en el punto 9.
Al salir del lecho los gases pasan por el recinto anular 14. El volumen del recinto 14 se dimensiona para proporcionar un tiempo de residencia suficiente de los gases para destruir y convertir cualquier alquitrán y aceite restante en gas de síntesis antes de que salgan del gasificador a través de la tubería de salida 15. Un tiempo de residencia típico será de al menos dos segundos para aplicaciones donde no son permisibles los más mínimos niveles de alquitranes o aceites.
Adicionalmente, las proporciones y los flujos de vapor a oxígeno o aire se ajustan para mantener la temperatura en la salida del lecho 9 en el intervalo de 538ºC (1000ºF) a 817ºC (1600ºF) y, preferentemente, a aproximadamente 843ºC (1550ºF) cuando se trabaja para un contenido casi cero de alquitrán y aceite desde el gasificador. Se ha demostrado en programas de ensayo que esta combinación de alta temperatura y tiempo de residencia durante dos o más segundos destruye completamente todos los alquitranes y aceites.
Una característica importante de la sección de campana es la capacidad para controlar la cantidad de oxígeno o aire y vapor introducido en los accesos 6 y los accesos 10. Esto permite que la temperatura del combustible grueso se haga suficientemente alta para asegurar la desvolatilización completa del combustible y la destrucción de todos los alquitranes y aceites antes de que salga de la sección de campana en la localización 13. La sección de campana entre los puntos 2 y 13 representa la primera fase de un lecho fijo de dos fases dentro del gasificador. A medida que el combustible grueso alcanza la parte inferior de la sección de campana, sustancialmente todos los volátiles se han expulsado y los alquitranes y aceites se han consumido debido a las altas temperaturas cerca del final de la campana, en los puntos 8, 11 y 13.
Después de que el combustible se haya desvolatilizado, el carbono fijo restante se ha convertido en carbón mineral de carbono activado y cenizas sólidas, que continúan moviéndose hacia abajo hacia la parte inferior del lecho. La pared principal interna del gasificador 16 puede converger para crear un segundo recinto inferior 17. Este recinto inferior 17 es la zona para la que el combustible fino o particulado del flujo atrapado entra desde una cámara de filtro de bolsa cilíndrica, de gasificación de combustión 18. Los combustibles finos líquidos y/o gaseosos pueden suministrarse a esta sección inferior usando uno o más quemadores encendidos tangencialmente 19. La gasificación de las materias primas finas líquidas y/o gaseosas ocurre casi instantáneamente dentro de los quemadores tangenciales 19 y dentro del recinto inferior 17 alrededor del lecho de combustible grueso inferior. Las materias primas para la sección de flujo atrapado pueden incluir, aunque sin limitación: carbón vegetal pulverizado, coque de petróleo pulverizado, hidrocarburos líquidos, gas natural, otros combustibles finos o cualquier combinación de los mismos. Los gases de la sección de flujo atrapado se mueven hacia arriba a través del lecho fijo inferior desplazándose del punto 17 al punto 9. Los gases del lecho fijo inferior y el lecho fijo superior se mezclan en el recinto superior 14 con los gases procedentes de la sección de flujo atrapado antes de salir del gasificador por la salida del gasificador 15.
De esta manera, los combustibles gruesos se suministran a la parte superior del gasificador formando la zona de gasificación de lecho fijo, mientras que los combustibles finos, líquidos y/o gaseosos, se suministran a la sección de flujo atrapado inferior del gasificador. La integración de estos dos tipos de procedimientos de gasificación permite que la sección de flujo atrapado reciba combustibles finos o pulverizados secos que no se transportan mediante una suspensión acuosa. Haciendo esto, el gasificador es capaz de tener un amplio control sobre la proporción de vapor a oxígeno dentro del gasificador, que a su vez da al gasificador la capacidad de controlar ventajosamente la proporción de hidrógeno a monóxido de carbono en el efluente gaseoso de gas de síntesis.
Además, la sección de lecho fijo de dos fases del gasificador consume prácticamente todos los alquitranes y aceites mientras que convierte parte del carbono fijo en carbono activado dentro del gasificador. Parte de este carbono activado puede usarse en el sistema de limpieza como un absorbente multi-contaminante para especies gaseosas indeseables.
El gasificador 1 mostrado en las Figuras 1 y 2 comprende un recipiente de presión codificada ASME, designado generalmente como 20 en la Figura 2. El recipiente a presión 20 es de una geometría compleja para proporcionar todas las funciones. El exterior del recipiente 20 se mantiene a temperaturas codificadas aceptables proporcionando refrigeración. Los dos procedimientos normales son refrigeración con aire y refrigeración con agua. La refrigeración con aire usando la radiación de la pared al entorno es más simple y menos cara que el procedimiento de refrigeración. El interior del recipiente incluye preferentemente un revestimiento cerámico 21 para el recipiente principal y un revestimiento cerámico 22 para la sección de campana del recipiente. El cerámico cubre todas las áreas donde existen temperaturas excesivas. Con revestimientos cerámicos diseños apropiadamente 21 y 22, la refrigeración radiante al entorno es aceptable. La refrigeración por fuerza de arrastre usando aire es el siguiente el procedimiento de refrigeración más sencillo y económico. Para hacer esto, se construye una vaina protectora alrededor del recipiente y se fuerza el aire a través de la vaina. Para aplicaciones donde es deseable una ligera mejora de eficacia y que representan el tercer procedimiento de refrigeración, el recipiente puede encamisarse con agua para fabricar vapor para usarlo en el gasificador o en el resto de la planta.
En el interior del gasificador 1 la forma interna de los revestimientos cerámicos 21 y 22 es importante para el éxito del gasificador. En la Figura 3, se muestra la sección transversal interna de la superficie inferior cerámica 23. La superficie 23 proporciona una pendiente con forma de cono para que la ceniza fundida pueda deslizarse hacia el orificio de extracción de ceniza fundida 24. Se proporcionan Un acceso de oxígeno 25 y un acceso de combustible gaseoso 26 (puede usarse más de uno de cada uno de ellos) para crear una llama caliente para mantener la ceniza en un estado fundido en el orificio de extracción 24, encendiéndola según sea necesario. Los combustibles gaseosos pueden ser cualquiera de diversos gases de síntesis reciclados incluyendo propano o gas natural. En algunas aplicaciones puede incluso usarse aceite. Cuando la ceniza fundida 5 pasa a través del orificio 24 se desliza sobre una placa con forma de disco cerámico 27. La placa 27 tiene una pendiente para provocar que la ceniza fundida se dirija fuera de la placa 27. A medida que gotea desde la placa 27 cae en un baño de agua 28 donde la ceniza fundida se solidifica. A medida que la ceniza solidificada cae a través del baño de agua 28 tiene que pasar a través de una trituradora de clínquer 29 que tritura las cenizas a un tamaño que puede transportarse hidráulicamente a un tanque de almacenamiento de ceniza. Las personas expertas en la materia apreciarán que puede usarse una amplia variedad de sistemas de recogida y manipulación de cenizas alternativos en el presente documento.
Una purga de vapor 30 en el lado del recipiente retira el vapor formado mediante la ceniza y evita que el vapor se dirija excesivamente a través del orificio de extracción de ceniza fundida 24 que podría conducir a la solidificación de cenizas en el orificio 24. El vapor que viene de la purga 30 se usa para proporcionar parte de los requisitos de vapor del gasificador. El espaciado entre la placa cerámica 27 y la parte inferior del orificio 24 es ajustable. La recogida de ceniza fundida en recipientes de baño no acuoso, seco, puede usarse también pero no se analiza en el presente documento.
Por encima de la sección cerámica con forma de cono 23 el revestimiento cerámico 21 puede conformarse para formar una zona de restricción 31. Esto crea una cavidad por debajo del revestimiento cerámico en el punto 32 que forma un recinto anular inferior alrededor del lecho fijo inferior del combustible grueso. Los gases de los quemadores encendidos tangencialmente 19 entran en la cavidad angular por la abertura 18. Los gases circulan alrededor del recinto inferior 32 y entran en el lecho de combustible.
Por encima de la restricción 31 la superficie cerámica 33 también tiene forma de cono, preferentemente. El lecho de combustible grueso de la abertura inferior de la campana 13 es un área menor que la superficie cerámica 31 por debajo del mismo. Esto provoca una superficie libre del lecho natural entre la superficie cerámica 33 y el área de salida de la campana 13. La superficie libre en el punto 9 es donde todos los gases salen del lecho tanto desde la sección de campana como desde la sección de lecho fijo inferior. Pasan a través de la zona del recinto superior 14 antes de salir del gasificador por la tubería de salida 15.
El cerámico usado en las superficies 33, 32, 31 y 23 y en la campana está preferentemente a una alta temperatura, es un cerámico de alta calidad, tal como Zirchrom 90 producido por Saint-Gobain Industrial Cermacis. Zirchrom 90 tiene una temperatura operativa por encima de 1538ºC (2800ºF) y está compuesto por un 86% de Cr_{2}O_{3} y un 7% de ZrO_{2}. El cerámico se hace a partir de bloques dimensionados para ensamblarse en el recipiente. El revestimiento cerámico está soportado por la pared del recipiente 20 y la parte inferior 34 con forma de cúpula del recipiente 34. Se usa preferentemente un cerámico menos resistente al calor más barato como el material de revestimiento entre el recipiente 20 y los cerámicos de alta temperatura que forman las superficies interiores. Para las superficies cerámicas 35 y 36 puede usarse un cerámico menos caro como AL100 que es Al_{2}O_{3}. En la sección de campana puede usarse un cerámico de alta calidad, tal como Zirchrom 90, en las zonas de superficie de alta temperatura designadas con los puntos 37 y 38, y un cerámico como AL100 en la superficie cerámica de baja temperatura 39.
La Figura 4 muestra la sección de campana 40 del gasificador 1. Una sección de acero con forma de cono 41 soporta el revestimiento cerámico 22. Esto se muestra mejor en la Figura 4A, que es una ampliación de la esquina izquierda inferior de la campana 40. La sección de cono 41 forma la parte inferior de la campana 40 y se suelda preferentemente a un cilindro de acero vertical 42. El cilindro 42 se suelda preferentemente a la parte superior del recipiente de campana 43. Pueden soldarse numerosos tubos de bayoneta de eje vertical 44 alrededor de la circunferencia del cilindro 42. Los tubos de bayoneta penetran a través de la parte superior del recipiente con forma de cúpula 43. Hay un tubo de pequeño diámetro 64 preferentemente en el centro de cada tubo de bayoneta, para permitir que el agua en ebullición pase hacia abajo por el tubo. El tubo externo de bayoneta 44 puede doblarse en la parte inferior y soldarse a la sección de cono de 41. El tubo interno 64 se detiene en el punto de doblado. Normalmente, el agua que entra en el tubo interior 64 de los tubos de bayoneta está cerca del punto de ebullición del agua para la presión de agua usada. A medida que el agua pasa por el tubo de bayoneta externo 44 la transferencia de calor provoca que el agua hierva y forme una mezcla bifásica de agua y vapor. Estos tubos de bayoneta 44 refrigeran el cono de acero 41 y el cilindro de acero 42, manteniéndolos dentro de las resistencias de material codificado ASME. El vapor puede usarse para las necesidades de entrada de vapor al gasificador o en otros usos de la planta.
El oxígeno o el aire mezclado con el vapor en las gaseoductos 12 pueden fijarse al cilindro de acero 42. Puede haber muchas gaseoductos 12 alrededor del anillo del cilindro 42 que proporcionan gases de entrada a la campana
40.
La superficie cerámica 45 forma el cuello del gasificador. El cuello es una restricción en el área de flujo para los gases formados, que provoca que la temperatura aumente en la zona del cuello 11. Esta restricción de área y aumento de la temperatura operativa se diseña para evitar que los aceites y alquitranes formados en la desvolatilización del combustible grueso escapen de la campana 40. Los gases efluentes que pasan a través del cuello 11 se exponen a temperaturas suficientemente altas, en combinación con las reacciones de gasificación y combustión, para craquear y convertir los aceites y alquitranes en los compuestos principales del gas de síntesis, principalmente hidrógeno, monóxido de carbono, metano y dióxido de carbono. La superficie cerámica 46 es una superficie con forma de cono invertido que está suficientemente empinada para mantener el material del lecho contra la misma y permitir que los gases se expandan y limitar la caída de presión asociada. La región entre los accesos de entrada 10 al cuello 45 es la zona de combustión principal de la sección de campana.
En la Figura 5 se muestra una vista superior del gasificador 1. Se muestran dos quemadores encendidos tangencialmente 19 conectados a los recipientes principales 20. Estos dos quemadores 19 oxidan parcialmente y gasifican los combustibles sólidos finos o pulverizados, los combustibles líquidos o los combustibles gaseosos tales como gas natural. Los quemadores típicamente tienen una sección transversal circular con una tubería de acero que forma la pared externa. El interior de la tubería está revestido preferentemente con un cerámico de alta temperatura 46 mostrado en la Figura 6. Normalmente, los combustibles finos o sólidos pulverizados pueden llevarse hacia los quemadores mediante un alimentador de tornillo 47. Los gases de entrada, oxígeno y aire y vapor entran en el quemador por el acceso 48. Hay diversos diseños de quemador conocidos que pueden usarse en el presente documento. En la Figura 6 se muestra un quemador típico. El quemador tiene un anillo 49 y paletas 50. El área crítica de desgaste en los quemadores es la superficie cerámica 51. Las paletas 50 provocan que el combustible 10 y los gases de entrada se mezclen y oxiden y gasifiquen en la zona 52. El combustible rápidamente se oxida parcialmente y gasifica hacia el centro del quemador mientras que parte de los gases de entrada continúan moviéndose hacia abajo por la pared proporcionando una capa protectora de refrigeración para el cerámico. En el otro extremo del quemador 18, los gases y el combustible restante entran en la zona del recinto 17 del gasificador. En este punto, los gases de flujo atrapado pasan a través del lecho fijo inferior del gasificador y salen del lecho por la zona 9 hacia el recinto 14 antes de salir del gasificador por la tubería de salida 15.
Combinar los gases de flujo atrapado en el lecho fijo inferior proporciona el carbono necesario para que los productos de flujo atrapado reaccionen en un equilibrio de gasificación. Se suministra vapor adicional en los accesos 53 mostrado en la Figura 1, que se descarga en la zona designada como 54 para controlar las condiciones de gasificación y la temperatura deseada en el punto 9. Las gaseoductos de vapor 55 proporcionan el vapor necesario. El uso de vapor en los accesos 53 proporciona un control importante de la temperatura de salida del lecho en la zona 9, que puede promover una reacción de desplazamiento parcial gas-agua para generar altas cantidades de gas hidrógeno. Así es como se controla la proporción de hidrógeno a monóxido de carbono. Cuando se añade vapor para llevar al lecho a la temperatura apropiada, la producción de hidrógeno puede maximizarse y la eficacia térmica del gasificador puede mejorarse. Si se desea, puede añadirse vapor adicional a la misma zona para potenciar la refrigeración y la producción de gases de metano a través de una reacción de metanización.
Normalmente, las reacciones de gasificación se ralentizan y detienen cuando las temperaturas caen hacia y por debajo de aproximadamente 704ºC (1300ºF). Cuando se usa vapor para controlar el lecho en la zona 9 a temperaturas en el intervalo de 760ºC (1400ºF) a 927ºC (1700ºF), la destrucción de alquitrán y aceite en el recinto 14 puede optimizarse. Si el cuello 11 en el lecho superior está funcionando apropiadamente, las altas temperaturas adicionales en el recinto superior usadas para destruir los alquitranes y aceites pueden no ser necesarias. La persona experta en la materia apreciará que el gasificador puede funcionar a diversos perfiles de temperatura y diversas cantidades de oxígeno, aire y vapor, dependiendo de las materias primas de combustible y la producción de gas de síntesis
deseada.
La Figura 7 representa una novedad importante dentro del ámbito de la presente invención. La Figura 7 muestra cómo el material particulado de carbón mineral de carbono activado se captura desde cualquier corriente de gas de síntesis efluente o se extrae directamente del gasificador para usarlo en una cámara de filtro de bolsa aguas abajo. La Figura 7 muestra el gasificador 1 con los componentes principales del sistema de limpieza de gas de síntesis. En esta figura, el gasificador 1 tiene una tubería de salida 56 que descarga el gas de síntesis caliente cargado de material particulado en un sistema de retirada de materiales particulados 57. El gas de síntesis se dirige después al generador de vapor para recuperación de calor 58. El gas de síntesis, tras dejar el generador de vapor para recuperación de calor 58 puede estar a aproximadamente 149ºC (300ºF). El gas de síntesis pasa entonces a una cámara de filtro de bolsa de doble función 59, que no sólo retira todos las partículas restantes sino también la mayor parte de los contaminantes en fase gaseosa del gas de síntesis incluyendo, aunque sin limitación, contaminantes tales como: especies de azufre, mercurio, cloruros, metales pesados y otros.
El carbón mineral de carbono activado dimensionada se mezcla con el gas de síntesis entrante en una mezcladora 60 justo aguas arriba de la cámara de filtro de bolsa 59. La mezcla del gas de síntesis y el carbón mineral de carbono activado lleva el carbón mineral de carbono activado a la cámara de filtro de bolsa y reviste las bolsas. El carbono activado se recoge en las bolsas en la cámara de filtro de bolsa 59. Este carbono activado es muy eficaz para absorber los diversos contaminantes a estas bajas temperaturas en el intervalo de 135ºC (275ºF) a 177ºC (350ºF). El carbono comercialmente activo es muy caro, a menudo más de 1000 dólares por tonelada, de manera que normalmente se usa para una limpieza de combustible gaseoso a gran escala. Aunque en la presente invención, el carbón mineral de carbono activado es un subproducto del gasificador y no es más caro que el combustible del que procede.
Hay dos procedimientos mediante los que el carbono activado se crea dentro del gasificador. El primero es en la sección de lecho fijo superior del gasificador, aproximadamente en el punto 13. La segunda área está en la sección de flujo atrapado. Dimensionando intencionadamente los sólidos finos a un tamaño en el que una porción de la partícula no se gasifica totalmente sino que se lleva como un material particulado con el gas de síntesis, esta partícula se expondrá a temperaturas muy altas para asegurar su activación.
El carbón mineral de carbono activado puede dejar el gasificador de dos maneras, atrapada con el gas efluente o retirada directamente del lecho fijo. Las partículas finas pueden quedar atrapadas con el gas de síntesis efluente originado en la sección de flujo atrapado analizada anteriormente o a partir de material particulado que se ha desprendido de un combustible grueso más grande, desde las regiones de combustible de lecho fijo. El segundo procedimiento de obtención de carbono activo es mediante los tubos de extracción 61. El tubo de extracción es una tubería doble inclinada que penetra en el lecho de combustible del gasificador justo por debajo de la superficie del lecho en el punto 9. Crear una presión ligeramente inferior en el extremo exterior del tubo hará que actúe como un vacío para sacar el carbono activo. La tubería es de doble pared con una camisa de agua entre las dos gaseoductos para refrigerar el tubo de extracción 61. Si el gasificador produce suficiente carbón mineral de carbono activo atrapada con el gas de síntesis efluente para satisfacer las necesidades de control de contaminación, el segundo procedimiento no es
necesario.
El carbón mineral de carbono activo parcialmente refrigerada extraída se pulveriza entonces 62, antes de llevarla al refrigerador de materiales particulados 63 donde puede unirse al material recogido por el sistema de retirada de material particulado. El carbón mineral de carbono activado se pulveriza entonces a la finura deseada en el punto 62. El carbón mineral de carbono activado pulverizada se inyecta después en una mezcladora 60 que lleva el carbón mineral de carbono activado hacia la cámara de filtro de bolsa 59.
Con la novedad del uso de carbón mineral de carbono activado generada internamente como un producto para la limpieza del gas de síntesis aguas abajo, la presente invención proporciona una eficacia operativa de la planta entera mejorada si se compara con otros sistemas de gasificación. Típicamente, la eficacia térmica se mide dividiendo la cantidad total de energía en la materia prima de combustible por la energía en el combustible gaseoso producido resultante. Ya que la presente invención puede extraer parte del carbono puesto en el gasificador como subproducto, su eficacia térmica total medida mediante los procedimientos tradicionales será menor que la de otros sistemas comparables. Un resultado diferente ocurre considerando al combustible (carbón vegetal u otros) como parte de combustible y parte de producto absorbente, en lugar de como todo combustible. Cuando el combustible introducido se mide, menos el carbono no convertido extraído usado como absorbente, las eficacias térmicas de la presente invención serán mayores. Además, cuando la eficacia se mide en toda la planta (incluyendo los costes operativos del equipo aguas abajo requeridos para limpiar el gas de síntesis) contra otros procedimientos comerciales, la presente invención muestra eficacias globales de la planta superiores.
Las partes de combustible en el lecho en el punto 9, Figura 3 del gasificador son una mezcla de cenizas y carbón mineral de carbono totalmente activado. El carbón mineral de carbono activado creada en la presente invención no está cegada por los alquitranes y aceites que normalmente existirían en otro lecho fijo o en algunos sistemas de gasificación de lecho fluidizado. Los diferentes combustibles gruesos tendrán diferentes grados de capacidad para convertirse en carbono activado. Los combustibles con menores proporciones de contenido de volátiles a carbono fijo no son tan adecuados como los combustibles que tienen una mayor proporción de contenido de volátiles a carbono
fijo.
La experiencia ha demostrado que ciertos combustibles sólidos, en ciertos intervalos de temperatura, tienen propiedades de obturación que evitan que fluyan apropiadamente en los entornos de lecho fijo. La capacidad de los combustibles gruesos de moverse apropiadamente hacia abajo puede mejorarse en gran medida por la presente invención proporcionando pequeños accesos en sitios seleccionados para provocar chorros de corta duración o pulsos de gas para agitar el combustible grueso o la ceniza. Los gases seleccionados para la pulsación pueden ser vapor, gas de síntesis reciclado, oxígeno, nitrógeno, aire u otros. Usando diversos accesos pulsátiles en cualquier área dada, pueden romperse grandes trozos de combustible de obturación para asegurar velocidades de gasificación apropiadas continuadas. La velocidad del gas de los pulsos de gas es preferentemente suficientemente alta para romper el combustible. Los accesos 65 se diseñan para pulsos de gas que alcanzan velocidad sónica. En la práctica, la velocidad del gas puede ser mucho menor. La Figura 8 muestra algunos accesos pulsátiles típicos 65. El número de accesos y su localización puede variar dependiendo de los combustibles 5 seleccionados. Por ejemplo, se muestra un anillo de accesos pulsátiles 65 en la zona de cuello 11 y se muestra un segundo anillo de accesos pulsátiles cerca de la zona de salida del gas del lecho 9. Pueden localizarse en cualquier sitio, tal como para agitar apropiadamente el combustible. Las áreas mencionadas anteriormente son regiones dentro del gasificador donde es probable la obturación del
combustible.
Los accesos pulsátiles consisten en tubos cerámicos que se fijan a gaseoductos pulsátiles 67. Las gaseoductos 67 se fijan preferentemente a la pared del recipiente 20 o a la pared del cilindro de campana 42. En el caso de la pared del cilindro de campana las gaseoductos pulsátiles pueden entrar en el gasificador a través de la parte superior de la campana 43. Para el recipiente, diversas gaseoductos pulsátiles pueden entrar a través del acceso de tubería 66 en el lado del recipiente 20. El recipiente 20 puede tener diversos accesos de tubería 66. La tubería pulsátil se fija preferentemente a la pared del recipiente para soporte.
El uso de pulsación para la agitación del lecho elimina la necesidad de los agitadores mecánicos que se usan en algunos gasificadores de lecho fijo anteriores. Cada acceso pulsátil puede tener grados variables de duración y frecuencia del pulso.
La Figura 9 muestra un diagrama de cómo pueden controlarse los pulsos a gaseoductos 67. Cada tubería 67 tiene una válvula de acción rápida 68, tal como una válvula de solenoide. Las válvulas en cada zona se conectan a una fuente de gas común 69, que se mantiene a una presión establecida. Un controlador informático 70 determina cuándo se abre cada válvula 68 y su duración. Mediante este procedimiento los pulsos pueden ajustarse a lo largo de todo el gasificador 1. La fuente de gas 69 a los accesos pulsátiles 65 puede ser diferente tanto en la composición como en la presión de gas para diferentes zonas del gasificador 1.
Además, la tabla a continuación representa temperaturas operativas probables anticipadas en diferentes zonas del gasificador ilustrado en las Figuras 1 y 6.
TABLA
1 
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A continuación se describe el modo de puesta en marcha actualmente preferido del gasificador 1. El gasificador se llena en primer lugar con combustible de carbón mineral basta o combustible del que se han retirado los volátiles. El carbón mineral basta llena el gasificador 1 desde el punto 3 hasta algo más de medio metro por encima del punto 2. Por encima del punto 2, el combustible normal puede añadirse al sistema de suministro del combustible grueso. Se hace circular gas nitrógeno a temperatura y presión atmosférica a través del gasificador por los accesos de entrada 6, 10, 19 y 25. El gas pasa a través del gasificador y hacia fuera a través de la tubería de salida 15 y hacia el separador 57 y después a través de los cambiadores de calor 58. La sección de super-calentamiento de los cambiadores de calor 58 se deja abierta a la caldera y la caldera se llena al nivel de tambor apropiado con un agua de calidad para caldera. El nitrógeno se añade lentamente hasta que se alcanza la presión operativa. El nitrógeno, al salir de los cambiadores de calor, pasa a través de una pequeña soplante de puesta en marcha que hace circular los gases de vuelta al gasificador 1 por los accesos de entrada 1, 6, 10, 19 y 25. Aguas abajo de la soplante de puesta en marcha un quemador quema el oxígeno y el gas natural o propano en el nitrógeno para calentar lentamente el gasificador a medida que circula a aproximadamente a 38ºC (100ºF). Cuando el agua en la caldera alcanza la presión operativa la válvula de salida del super-calentador mantiene la presión purgando el vapor en exceso a un condensador. Para plantas de Ciclo Combinado de Gasificación Integrada (IGCC) que producen electricidad como el producto principal, éste sería el condensador principal de la turbina de vapor. Cuando el lecho del gasificador alcanza una temperatura de aproximadamente 538ºC (1000ºF), la temperatura se mantiene durante dos horas para permitir que la temperatura a través de las paredes cerámicas se estabilice apropiadamente. Con el nitrógeno caliente aún circulando, se inyectan pequeños niveles de oxígeno en los accesos 6 y 10 y se inyectan propano y oxígeno a los quemadores 19 en un pequeño quemador de encendido. El propano o el gas natural se inyectan en 26 y el oxígeno en 25. El gas en exceso, después de hacerlo pasar a través del cambiador de calor se quema en la antorcha. La calcinación aumenta lentamente durante aproximadamente seis horas hasta las temperaturas operativas. Cuando la calidad del gas alcanza una composición aceptable, el gas se dirige a la cámara de filtro de bolsa 59, que se ha llevado a la temperatura operativa mediante el gas purgado caliente. El gasificador está ahora en línea a una carga mínima. El gasificador puede dirigirse ahora lentamente hasta conseguir las condiciones operativas totalmente normales analizadas anteriormente.

Claims (12)

1. Un gasificador (1) que comprende:
una entrada de combustible grueso (2);
una sección de gasificación de lecho fijo de dos fases para recibir el combustible grueso desde la entrada de combustible grueso (2), comprendo dicha sección de gasificación de lecho fijo (4, 5, 8, 11, 13):
una sección de lecho fijo superior (4, 5, 8, 13) en la que el combustible grueso puede desvolatilizarse para formar gases volatilizados que pueden fluir hacia abajo;
una sección de lecho fijo inferior;
una pluralidad de accesos de inyección (6, 10, 25, 26, 53) configurados para introducir oxígeno, vapor o aire en las diferentes secciones del gasificador (1), en el que una parte de los accesos (6, 10, 19, 25) están localizados adyacentes a la entrada de combustible grueso (2);
un recinto superior (14); y
un sitio para el efluente de gas (15, 56) desde el que los gases obtenidos a partir del combustible grueso pueden descargarse, en el que el gas efluente de la sección de gasificación del lecho fijo (4, 5, 8, 13) pueden recogerse dentro del recinto superior (14) y en el que el sitio para el efluente de gas (15, 56) se localiza adyacente al recinto superior (14);
el gasificador comprende adicionalmente y está caracterizado por:
un estrechamiento de la sección transversal interna (11) en la sección de lecho fijo superior (4, 5, 8, 13);
estando dispuesto el recinto superior (14) adyacente al estrechamiento de la sección transversal interna (11).
2. El gasificador (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el recinto superior (14) está configurado para proporcionar un tiempo de residencia del gas efluente y una temperatura operativa suficientes para craquear los alquitranes y aceites contenidos dentro del gas efluente.
3. El gasificador (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la sección de lecho fijo superior (4, 5, 8, 13) está configurada para funcionar a una temperatura que convierte una parte del combustible grueso en carbono activado.
4. El gasificador (1) de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el gasificador (1) está configurado de manera que el carbono activado queda atrapado en el gas efluente.
5. El gasificador (1) de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende adicionalmente un colector de carbono activado (59) para capturar y retirar el carbono activado y atrapado en el gas efluente.
6. El gasificador de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende adicionalmente un acceso de retirada de carbono activado (61) para permitir la retirada del carbono activado de la sección de gasificación de lecho fijo (4, 5).
7. El gasificador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los accesos de inyección (6, 10, 25, 26, 53) están configurados para facilitar el control de temperatura dentro del gasificador.
8. El gasificador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los accesos de inyección (6, 10, 25, 26, 53) están configurados para controlar la cantidad de oxígeno, vapor o aire en las diferentes secciones del gasificador para promover una reacción de desplazamiento parcial agua-gas.
9. El gasificador de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una pluralidad de chorros pulsátiles (65, 67) dispuestos alrededor de la sección de lecho fijo inferior (8, 11, 13) configurados para agitar el combustible grueso o las cenizas dentro de la sección de lecho fijo (4, 5, 8, 13).
10. Un procedimiento de gasificación de una materia prima de combustible carbonoso en un dispositivo gasificador (1) que comprende las etapas de:
suministrar un combustible grueso en la sección de lecho fijo superior de un gasificador (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2; y
introducir oxígeno, vapor o aire en la sección de lecho fijo superior (4, 5) y la sección de lecho fijo inferior para controlar la temperatura en el gasificador (1), y
retirar el gas efluente del gasificador (1), en el que la sección de lecho fijo superior funciona a una temperatura suficiente para desvolatilizar el combustible grueso y formar gases volatilizados que fluyen hacia abajo.
11. El procedimiento de la reivindicación 10 en el que la sección de lecho fijo superior (4, 5, 8, 13) funciona a una temperatura que convierte una parte del combustible grueso en carbono activado.
12. Un procedimiento para retirar los contaminantes en fase vapor del gas efluente producido mediante la gasificación del combustible carbonoso, en el que la gasificación del combustible carbonoso produce también un absorbente de carbono activado como un subproducto de acuerdo con el procedimiento de la reivindicación 11, comprendo dicho procedimiento las etapas de:
suministrar el absorbente de carbono activado a una cámara de filtro de bolsa (59) que tiene una bolsa de filtro en su interior, hasta que la bolsa de filtro se reviste con una capa de absorbente; e
introducir el gas efluente en la cámara de filtro de bolsa (59), en la que una cantidad suficiente de absorbente de carbono activado se suministra a la cámara de filtro de bolsa (59) para revestir la bolsa del filtro y facilitar el contacto íntimo entre el absorbente de carbono activado y los contaminantes en fase vapor y retirar, de esta manera, los contaminantes en fase vapor del gas efluente.
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