ES2355394T3 - Método para enfriar y convertir gases de escape calientes, así como dispositivo para realizar dicho método. - Google Patents

Abstract

Método para enfriar y convertir gases de escape calientes procedentes de reacciones de gasificación o pirólisis de reactores de alta temperatura conducidos de forma reductora en metalurgia, técnicas inorgánicas o tecnología medioambiental, en las que, en una primera etapa, se realiza un enfriamiento a una temperatura de entre 605 o C y 1050 o C utilizando oxígeno o vapor de agua, con oxidación simultánea de CO y H2 y partes reducidas de Zn, Cd, Cu y/o Hg, tras lo cual, en una segunda etapa, se enfría a una temperatura superior al punto de rocío del agua.

Description

La presente invención se refiere a un método para enfriar y convertir gases de escape calientes, en especial gases de combustión, o bien gases procedentes de reacciones de gasificación o pirólisis de reactores de reducción controlada de alta temperatura en metalurgia, técnicas inorgánicas o tecnología medioambiental, así como a un dispositivo para realizar dicho método. 5

Cuando se enfrían con aire gases de escape de combustión, que en los reactores de fusión también pueden contener una serie de sustancias contaminantes y sustancias valiosas, entre éstas por ejemplo vapores de metales, esto conduce durante el proceso de enfriamiento a la formación de sustancias tóxicas, de modo que en presencia de cloruros se pueden formar, por ejemplo, dioxinas y furanos y, junto con el nitrógeno del aire, óxidos de nitrógeno. Cuando el enfriamiento es relativamente lento, también se forman grandes cantidades de fases plásticas, lo 10 que conduce a acumulaciones en las conducciones de gases de escape, cuya limpieza o eliminación conlleva costes elevados. La gran cantidad de gases requiere filtros de grandes dimensiones en los que se puedan separar las sustancias sólidas formadas durante el enfriamiento.

El documento WO 2005/094153 A1 se refiere a una instalación destinada a oxidar, reducir, calcinar, sinterizar o fundir polvos con un ciclón dosificador, en el que se introducen los polvos y en el que desemboca una 15 conexión tangencial para la introducción de los gases portadores. La cámara de combustión, axialmente conectada al ciclón dosificador, es adecuada para introducir sustancias oxidables en forma de gases o bien líquidas, disueltas en líquidos o suspendidas en gases. Dentro del ciclón dosificador se ha dispuesto una abertura de salida coaxialmente a la abertura de descarga del ciclón dosificador.

El objeto de la presente invención es dar a conocer un método de la clase citada al principio, con el 20 que se consigue frenar la generación de sustancias contaminantes, en especial dioxinas, furanos y óxidos de nitrógeno, y al mismo tiempo mantener la cantidad total de gases enfriados lo más reducida posible, a fin de que sean suficientes dispositivos de filtros e instalaciones de separación de sólidos de dimensiones pequeñas.

Para conseguir este objetivo, el procedimiento, según la invención, consta básicamente en que, en una primera etapa con utilización de agua y oxígeno o vapor de agua, se realiza un enfriamiento a temperaturas de 25 entre 650o C y 1050o C al mismo tiempo que se oxida el CO y H2 y cantidades reducidas de Zn, Cd, Cu y/o Hg, tras lo cual, en una segunda etapa, se enfría a una temperatura superior al punto de rocío del agua.

Dado que el método tiene lugar en dos etapas, es posible realizar en una primera etapa un enfriamiento extremadamente rápido mediante inyección de agua o partículas de hielo, de modo que para la inyección de agua o de vapor de agua se emplea oxígeno técnicamente puro, para evitar la formación de óxidos de nitrógeno. De 30 este modo, se inyecta agua con oxígeno, y el oxígeno se puede utilizar en parte como oxígeno líquido, lo que conduce a la inyección de partículas de hielo. Por ello, teniendo en cuenta las altas temperaturas de los gases de combustión, una parte significativa de la energía necesaria para el enfriamiento se obtiene cuando el agua en estado sólido o líquido pasa al estado gaseoso, y sólo una parte pequeña procede del gas propulsor, es decir, del oxígeno. En este caso es preferente el empleo de agua líquida. Así se puede conseguir el efecto suficiente con una cantidad pequeña de gas 35 portador y a pesar de ello lograr un enfriamiento rápido, con lo que se impide la formación de fases plásticas. Es importante que esta primera etapa, en la que se produce una oxidación y, en su caso, una disociación pirohidrolítica de compuestos tales como CuCl2, CuSO4 o ZnCl2, se realice de forma que la oxidación haya concluido a una temperatura superior a 650o C. Es necesario conseguir la combustión completa de CO y H2 para poder asegurar que posteriormente ya no habrá en los gases de combustión hidrógeno libre ni CO libre. Durante la conversión oxidativa se logra oxidar 40 totalmente el CO y H2, y transformar los vapores de metales, p. ej., cinc, cadmio, cobre y/o mercurio en sus correspondientes óxidos, de modo que, como consecuencia del rápido enfriamiento, se obtienen sustancias sólidas. También es importante la transformación, mediante disociación pirohidrolítica, del cloruro de cobre (CuCl2 + H2O → CuO + 2HCl) que pudiera estar presente, dado que de esta manera se elimina un catalizador fundamental para la resíntesis de dioxina que se podría producir en presencia de cloruros. Así pues, se forma en la corriente de gases un 45 gas de escape exento de sustancias tóxicas y con sólidos oxidados, de modo que en la realización de la segunda etapa, según la invención, se lleva a cabo el enfriamiento posterior a temperaturas superiores al punto de rocío del agua, a fin de no afectar con el agua la separación de materias sólidas y poder operar con filtros de pequeñas dimensiones. Este segundo enfriamiento es relativamente poco exigente en lo que respecta al tiempo necesario y a la velocidad de enfriamiento, ya que, en este caso, ya no son de temer transformaciones no deseadas. Según un perfeccionamiento 50 preferente del método, según la invención, en la primera etapa se atomiza o nebuliza agua y/o vapor de agua con oxígeno técnicamente puro, preferentemente oxígeno líquido. Esta nebulización o atomización, debido a la superficie enormemente grande de las gotitas de agua o partículas de hielo, produce un rapidísimo intercambio de sustancias y de calor, y a una mezcla intensa y muy rápida, lo que conduce a un muy rápido enfriamiento a la temperatura deseada en la que ya no se deben temer más transformaciones y el H2 y CO sean totalmente oxidados. 55

Subsiguientemente, en la segunda etapa es ventajoso pulverizar agua a presión enfriada indirectamente y/o pulverizar o nebulizar agua con aire. En caso de enfriamiento indirecto, en esta etapa se puede emplear el calor cedido para generar vapor, siendo en este caso ventajoso someter al gas, enfriado en la segunda etapa a una temperatura superior al punto de rocío del agua, a una separación de sólidos, p. ej., mediante un filtro o un ciclón.

Mientras no se alcance el punto de rocío del agua, la separación de sólidos se puede realizar en un ciclón o con filtros de dimensiones pequeñas, sin que se produzcan lodos difíciles de eliminar.

El método según la invención se lleva a cabo, de forma especialmente ventajosa, realizando en la primera etapa el enfriamiento y oxidación a temperaturas entre 800o C y 1050o C, de manera que a esta temperatura preferente entre 800o C y 1050o C se consigue, entre otras cosas, que por debajo de 1050o C ya no es de temer la 5 formación de fases plásticas, y a temperaturas de aproximadamente 800° C se supera con seguridad la temperatura de inflamación de H2 y CO para asegurar la combustión total con oxígeno. Se ha observado que para un enfriamiento de esta clase, para alcanzar las temperaturas deseadas, cuando se ajusta adecuadamente la nebulización o atomización con oxígeno, agua o vapor de agua, es suficiente un tiempo de fracciones de segundo (0,01 – 0,2 seg) con un diámetro de gotitas de 40 – 250 m. 10

El enfriamiento de la tobera y al mismo tiempo la introducción de oxígeno se pueden hacer adicionalmente y de forma ventajosa introduciendo en la primera etapa oxígeno líquido, como medio de bloqueo, concéntricamente a una tobera Laval para pulverizar agua con oxígeno.

Se obtiene así globalmente un método combinado, en el que la primera etapa se realiza en un convertidor de gas, mientras que la segunda etapa se corresponde a un enfriamiento convencional, de modo que 15 grandes cantidades de gas en bruto a alta temperatura con sustancias reducibles o pirohidrolíticamente convertibles se pueden limpiar convirtiéndolos en gases de escape inocuos. Es sobre todo una ventaja fundamental la eliminación de la posibilidad de una resíntesis de dioxinas y furanos, y la formación térmica de óxidos de nitrógeno a partir de N2 del aire con O2 del aire o materias perjudiciales similares. No obstante, esto sólo se consigue cuando en la primera etapa se utilizan gases en gran medida exentos de nitrógeno. 20

En la segunda etapa de enfriamiento se puede inyectar aire como medio pulverizador o agua a presión. Debido a la pequeña cantidad de gas adicional introducido, se forma un gas con concentración relativamente alta de materia sólida y suspendida, lo que permite una primera separación económica de sólidos en un ciclón, y además el volumen de filtros requerido se puede reducir notablemente. Junto a la reducción de los volúmenes de filtros, naturalmente se consigue también la reducción de la potencia de ventiladores necesaria y, con ello, el correspondiente 25 ahorro energético, de modo que todas estas economías compensan con creces el mayor consumo de oxígeno.

El segundo recipiente o segunda etapa puede estar configurado como caldera de vapor o refrigerador por convección.

El dispositivo según la invención, para llevar a cabo el método según la invención, se perfecciona ventajosamente de modo que a un primer convertidor de gases se conecta, como mínimo, una tobera Laval, mediante la 30 cual se pulverizan en forma de neblina oxígeno y agua. El empleo de una tobera Laval para nebulizar agua con oxígeno presenta la ventaja de que se puede reducir adicionalmente la cantidad de gas necesaria, de modo que se ha observado que el oxígeno técnicamente puro sólo es necesario en la medida en que se requiera para la oxidación, ya que esto se corresponde con la proporción CxHy, CO, H2 y metales o sustancias pirohidrolíticamente convertibles. Las toberas Laval también se emplean para desplazar el punto de vaporización dentro del recinto del convertidor, lejos de la 35 tobera, para eliminar el riesgo de carbonatación. Para la propia inyección por tobera son suficientes cantidades de gas relativamente pequeñas, y el necesario remolino y rápido enfriamiento se aseguran sobre todo mediante toberas Laval, en las que el flujo penetra a velocidad supersónica en la zona de vaporización del convertidor de gases a la que se conducen los gases en bruto calientes.

Un perfeccionamiento especialmente preferente del dispositivo según la invención, radica en que las 40 toberas Laval para pulverizar agua con oxígeno en el primer convertidor de gases se disponen de forma que desembocan cerca de la entrada de los gases de escape calientes, de modo que preferentemente se conectan al primer convertidor de gases, como segunda etapa, boquillas refrigerantes de evaporación, boquillas humectadoras o una caldera recuperadora de calor.

A continuación se explica con más detalle la invención en base a un ejemplo de realización 45 representado esquemáticamente en el dibujo. En el dibujo, la figura 1 muestra una representación esquemática de las etapas de los procesos según la invención, y la figura 2 muestra una vista ampliada de una tobera adecuada para introducir agua y oxígeno.

En la figura 1 se designa con el numeral -1- el recinto de reacción de un convertidor de gases, al que se conducen gases en bruto o gases de combustión calientes mediante la conducción -2-. En este recinto de gases -1- 50 del convertidor se inyectan mediante la conducción -3- oxígeno y agua. El gas en bruto que se inyecta mediante la conducción de gases a una temperatura de aproximadamente 1900o C, además de CO, H2, Zn, Zu y Hg, puede contener una serie de otros metales o compuestos metálicos. En especial, el gas en bruto puede contener CuCl2, ZnCl2 o CuSO4. Por ejemplo, en el gasificador de fusión se pueden fundir y procesar residuos electrónicos, chatarra, restos de trituradora, desechos, residuos domésticos, residuos especiales y residuos de la lixiviación en la metalurgia del cinc. 55 Naturalmente, especialmente en tales residuos cuando se funden concentrados de cinc y hierro secos, el gas también puede contener azufre y compuestos de azufre. También puede haber presente chatarra electrónica, residuos de cubilotes, baños de hierro o trituradoras.

El gas, bruscamente enfriado en el recinto de gas -1- del convertidor, abandona el recinto -1- del convertidor a través de la conducción -4- a una temperatura de aproximadamente 800° C y pasa a una caldera de recuperación de calor -5-, en la que, en su caso, se puede nebulizar mediante una conducción -6- de agua a presión, si se desea un enfriamiento más rápido. Alternativamente, dicha caldera de recuperación de calor -5- puede estar rodeada de serpentines refrigerantes, a fin de permitir así la generación de vapor al tiempo que se enfrían indirectamente los 5 gases en el recinto de la caldera -7-. El gas enfriado que contiene sustancias sólidas sale de la instalación por la conducción -8- y luego se puede someter a una separación de sólidos convencional, no representada, de modo que después de un ciclón se puede emplear un filtro adecuado.

En la figura 2 se muestra una conducción -9- de agua a presión, con la que se puede inyectar agua a una presión, por ejemplo, de 2 a 35 bar. Mediante la conducción -10- se aporta oxígeno, de modo que, por ejemplo, se 10 puede ajustar la presión del gas entre 2 y 8 bar. El oxígeno, a través de la cámara de oxígeno -11- y un difusor de gas caliente en la conducción -9-, llega a una tobera -16- configurada como tobera Laval, cuya zona Laval se ha indicado con la letra -a-. El tramo de mezcla en el que se mezclan el oxígeno y el agua a presión está indicado por la zona -b-. La mezcla de oxígeno y agua forma dos fases y sale hacia el recinto del convertidor a velocidad ultrasónica, como se indica con la flecha -12-. Por la conducción -2- se alimenta el gas en bruto a este convertidor, de modo que, después de la 15 conversión con la mezcla de oxígeno y agua, se obtiene un gas caliente oxidado, el cual se puede extraer mediante la conducción -4-. El enfriamiento se realiza en la zona de carga de la corriente de gas en bruto con la mezcla de dos componentes que sale de la tobera Laval, a una temperatura de aproximadamente 800o C, en un tiempo muy breve, de modo que se ha medido un tamaño de gotitas de agua/hielo de entre 40 y 300 m. Para el enfriamiento y aislamiento, o bien contra reflujos desde el recinto del convertidor, se puede introducir oxígeno líquido mediante una conducción -13-, 20 con lo que se forma una capa de protección -14- de oxígeno líquido, que forma un medio de bloqueo que impedirá de manera segura el reflujo o densificación sobre la tobera. El numeral -15- indica la envolvente del convertidor de gases cuyo recinto de gases -1- muestra la figura 1.

Los productos a fundir en el gasificador de fusión no representado pueden ser de clases diferentes, en primer lugar se pueden procesar y fundir residuos que contienen cinc o cobre, u otros residuos, que subsiguientemente 25 requerirían una costosa limpieza del gas.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

   1. Método para enfriar y convertir gases de escape calientes procedentes de reacciones de gasificación o pirólisis de reactores de alta temperatura conducidos de forma reductora en metalurgia, técnicas inorgánicas o tecnología medioambiental, en las que, en una primera etapa, se realiza un enfriamiento a una temperatura de entre 605o C y 1050o C utilizando oxígeno o vapor de agua, con oxidación simultánea de CO y H2 y 5 partes reducidas de Zn, Cd, Cu y/o Hg, tras lo cual, en una segunda etapa, se enfría a una temperatura superior al punto de rocío del agua.
2. 2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque el enfriamiento se realiza con la fragmentación adicional de CuCl2, CuSo4, ZnCl2.
3. 3. Método, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la primera etapa se atomiza agua 10 y/o vapor de agua empleando oxígeno técnicamente puro.
4. 4. Método, según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque en la primera etapa se atomiza agua y/o vapor de agua empleando oxígeno líquido técnicamente puro.
5. 5. Método, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en la segunda etapa se atomiza agua a presión enfriada y/o se atomiza o nebuliza agua mediante oxígeno. 15
6. 6. Método, según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la segunda etapa el gas enfriado a una temperatura superior al punto de rocío se lleva a un medio de separación de sólidos.
7. 7. Método, según la reivindicación 6, caracterizado porque la separación de sólidos se realiza en forma de filtro o ciclón.
8. 8. Método, según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicho enfriamiento y 20 oxidación en la primera etapa se realiza por debajo de la temperatura de la zona plástica de las fracciones sólidas que contiene el gas.
9. 9. Método, según la reivindicación 8, caracterizado porque el enfriamiento y la oxidación se realizan en la primera etapa a temperaturas de entre 800o C 1050o C.
10. 10. Método, según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque en la primera etapa se 25 introduce oxígeno líquido como medio de bloqueo con una tobera Laval (16) para atomizar agua con oxígeno.
11. 11. Dispositivo para enfriar y convertir gases de escape calientes, en particular gases de combustión o gases de reacción procedentes de reacciones de gasificación o pirólisis de reactores de alta temperatura conducidos de forma reductora en metalurgia, técnicas inorgánicas o tecnología medioambiental, con un convertidor de gases dentro del cual se abre un conducto (2) para los gases de escape calientes y al que está conectado un conducto (4) para 30 extraer los gases de escape, como mínimo parcialmente enfriados, en el que está conectada al convertidor de gases, como mínimo, una tobera Laval (16) mediante la cual se inyectan el oxígeno y el agua en estado nebulizado.
12. 12. Dispositivo, según la reivindicación 11, caracterizado porque las toberas Laval (16) para atomizar agua con oxígeno están dispuestas de forma que desembocan en un lugar próximo a un medio de alimentación de los gases de escape calientes. 35
13. 13. Dispositivo, según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque se han conectado al convertidor de gases, como segunda etapa, boquillas de enfriamiento por evaporación, boquillas de humidificación o bien una caldera de recuperación (5).