ES2707379T3 - Método para la preparación de gas rico en hidrógeno mediante la gasificación de una sustancia orgánica sólida y vapor - Google Patents
Método para la preparación de gas rico en hidrógeno mediante la gasificación de una sustancia orgánica sólida y vapor Download PDFInfo
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Abstract
Un método para la preparación de gas rico en hidrógeno a partir de materiales orgánicos sólidos, que comprende: calentar las materias primas orgánicas sólidas en un dispositivo de reacción de pirólisis para permitir que se produzca la pirólisis; y realizar la gasificación de un producto gaseoso y vapor en un dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil para generar gas rico en hidrógeno, en el cual el producto gaseoso se genera a partir de la pirólisis; en donde el dispositivo de reacción de pirólisis está en paralelo con el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil; mediante el paso a través de un dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, el vehículo de calor sólido se divide en dos partes que se alimentan al dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, respectivamente, y, cuando deja el dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, las dos partes de vehículo de calor sólido se alimentan a un reactor elevador y de combustión para calentarse y elevarse y, después, se hacen pasar al dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido de nuevo para dividirse en dos partes y estas dos partes se alimentan después de nuevo, respectivamente, al dispositivo de reacción de pirólisis y dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil para crear un ciclo; en donde la parte del vehículo de calor sólido que se alimenta al dispositivo de reacción de pirólisis se usa como medio de calentamiento para la pirólisis y la otra parte del vehículo de calor sólido que se alimenta al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se usa como medio de calentamiento para la gasificación; y en donde el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido divide el vehículo de calor sólido en dos partes basándose en el tamaño de partícula promedio, en donde la parte con un tamaño de partícula promedio menor se alimenta al dispositivo de reacción de pirólisis y la otra parte con un tamaño de partícula promedio mayor se alimenta al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil.
Description
DESCRIPCIÓN
Método para la preparación de gas rico en hidrógeno mediante la gasificación de una sustancia orgánica sólida y vapor
Campo técnico
La presente invención pertenece al campo de la industria energética y química. Esta se refiere a un método para la preparación de gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materias primas orgánicas sólidas y su mezcla, mediante el uso de un vehículo de calor sólido en circulación como medio de calentamiento, catalizador y material de filtro para el filtrado y la retirada del polvo fino de manera simultánea.
Técnicas antecedentes
Un modelo ideal es preparar gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materiales orgánicos sólidos. Con el fin de lograr esto, han de resolverse al menos dos problemas: la provisión del calor requerido en la gasificación con vapor y la eliminación o la disminución de alquitrán en un producto de gas.
La patente de invención china n.° ZL200610113063.3 desvela un método y dispositivo de gasificación con lecho fluidizado de desacoplamiento: el reactor de lecho fluidizado se divide en dos salas interconectadas, en el que una sala se usa principalmente para el secado y la pirólisis del combustible sólido y la otra se usa para la gasificación con semicoque y la modificación del alquitrán y el hidrocarburo. El calor requerido por la pirólisis y la gasificación se proporciona a través de la reacción de combustión de las materias primas y el semicoque con aire u oxígeno, que se alimentan en un mismo espacio de reacción. La patente también proporciona un dispositivo y método de reacción de lecho fluidizado dual caracterizado por el uso de la circulación de un vehículo de calor sólido, en el que el calor requerido por la pirólisis y la gasificación se proporciona en parte por la combustión de semicoque sin reaccionar en otro reactor de lecho fluidizado. Debido al empleo de la combustión interna para el suministro de calor, el producto de gas de la gasificación comprendería definitivamente nitrógeno inerte, a menos que se emplee un agente de gasificación con oxígeno puro. La limitación del reactor de gasificación fluidizada también radica en: la baja temperatura de reacción; el corto tiempo de permanencia, que causa la conversión insuficiente del alquitrán y el hidrocarburo; y la alta formación de polvo fino del producto de gas. Además, parte de las materias primas se combustiona directamente para suministrar calor y, por tanto, el hidrógeno se convierte principalmente en agua, en lugar de entrar de manera eficaz en el producto de gas rico en hidrógeno, lo que no resulta razonable desde el punto de vista de la utilización del elemento.
La Universidad de Tecnología de Viena en Austria desarrolló un proceso de gasificación con biomasa con lecho fluidizado de circulación interna rápida (FICFB en inglés) (referencia: http://www.fi.cfb.at/). La estructura del reactor de gasificación con FICFB estaba compuesto principalmente por dos espacios de reacción: la zona de pirólisisgasificación con lecho fluidizado de burbujeo y la zona de elevación-combustión con lecho fluidizado y el vehículo de calor sólido circulaba dentro de estas dos zonas. El vehículo de calor sólido se calienta a través de la combustión de semicoque en la zona de combustión y se circula de vuelta a la zona de pirólisis y la zona de gasificación para suministrar el calor requerido mediante la gasificación con vapor y la pirólisis de biomasa en la zona de pirólisis y la zona de gasificación. A continuación, el vehículo de calor sólido se alimenta de nuevo a la zona de combustión para iniciar el siguiente ciclo. Los gases de las dos zonas se separan entre sí, por lo tanto, se puede producir gas rico en hidrógeno sin nitrógeno. La pirólisis y la gasificación de la tecnología de FICFB se realizan en un mismo espacio de reacción, lo que es difícil para lograr el control independiente sobre la pirólisis y la gasificación y tiene una limitación en cuanto a la capacidad de adaptación de diferentes materias primas. Tanto el tiempo de permanencia de la materia volátil de pirólisis de la biomasa en el reactor de gasificación con lecho fluidizado como el tiempo de contacto de la materia volátil con el vehículo de calor sólido son cortos, lo que condujo a una conversión insuficiente del alquitrán y un alto contenido de alquitrán en el producto de gas, por lo tanto, se restringe la mejora de la eficacia de la gasificación. En los casos en los que se usan la biomasa, el lignito joven, etc. como materias primas, el producto gaseoso generado tendría una gran cantidad de polvo fino debido a la pulverización de las materias primas durante el proceso de gasificación y pirólisis. Si el polvo fino no se puede retirar de manera eficaz en condiciones de calor, el polvo fino y el alquitrán en el producto gaseoso formarían una mezcla viscosa en el siguiente proceso de condensación-purificación, lo que afecta al funcionamiento normal del sistema.
La patente de invención china n.° ZL200710011214.9 proporciona un método, que permite el control independiente sobre la pirólisis de las materias primas de combustibles sólidos, la descomposición y conversión adicional del alquitrán y el hidrocarburo en el producto gaseoso generado mediante la pirólisis y el suministro de calor a las reacciones mediante la combustión del semicoque a partir de la pirólisis. El método se logra a través de la circulación del vehículo de calor sólido dentro de tres reactores en tándem, que son un reactor de pirólisis con lecho móvil, un reactor de gasificación con lecho móvil y un reactor elevador y de combustión. Las reacciones realizadas respectivamente dentro de los tres reactores son: la pirólisis de las materias primas de combustibles sólidos, la gasificación con vapor del producto gaseoso (incluyendo el alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono) generado mediante la pirólisis y la combustión de semicoque y el recalentamiento y la elevación del vehículo de calor sólido. La limitación del método es: puesto que el reactor de pirólisis y el reactor de gasificación se conectan en
tándem, el vehículo de calor sólido procedente del reactor elevador y de combustión se hace pasar, a su vez, a través del reactor de pirólisis y el reactor de gasificación y, a continuación, vuelve al principio al reactor elevador y de combustión; por lo tanto, las condiciones de funcionamiento del reactor de pirólisis y el reactor de gasificación se restringen entre sí. La temperatura del vehículo de calor sólido alimentado al reactor de pirólisis depende por completo del grado de reacción dentro del reactor de gasificación y los tipos y la cantidad del vehículo de calor sólido alimentado al reactor de pirólisis y el reactor de gasificación tampoco se pueden controlar respectivamente de manera independiente. Por lo tanto, resulta difícil lograr que tanto el reactor de pirólisis como el reactor de gasificación estén funcionando en sus respectivas condiciones ópticas de funcionamiento.
El documento DE 19945 771 C1 especifica un gasificador y un reactor de pirólisis que se calientan mediante un material de vehículo de calor que fluye a través de los dos reactores en serie.
Sumario
A fin de resolver las cuestiones anteriores, la presente invención proporciona un método y dispositivo para la preparación de gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materiales orgánicos sólidos. Mediante el uso de la circulación del vehículo de calor sólido, se puede lograr un control independiente y optimizado de la pirólisis rápida de las materias primas orgánicas sólidas y la descomposición y conversión que implica vapor catalítica del alquitrán y el hidrocarburo dentro del producto gaseoso generado mediante la pirólisis.
Las siguientes son las soluciones técnicas de la presente invención:
Se desvela un método para la preparación de gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materias primas orgánicas sólidas, con el que se pueden lograr, respectivamente, la rápida pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas y la catalización de la gasificación con vapor del producto gaseoso generado mediante la pirólisis, mediante el uso de la circulación del vehículo de calor sólido. El dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil del presente método se disponen en paralelo. El dispositivo de reacción de pirólisis tiene un reactor de pirólisis o al menos dos reactores de pirólisis en paralelo y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil tiene un reactor de gasificación con lecho móvil o al menos dos reactores de gasificación con lecho móvil en paralelo, en el que cada reactor de pirólisis corresponde con al menos un reactor de gasificación con lecho móvil o cada reactor de gasificación con lecho móvil corresponde con al menos un reactor de pirólisis; en el que el producto gaseoso procedente de cada uno de los reactores de pirólisis se alimenta al reactor de gasificación con lecho móvil correspondiente. El reactor de pirólisis puede ser un reactor de pirólisis con lecho móvil o un reactor de pirólisis con lecho fluidizado, preferentemente un reactor de pirólisis con lecho móvil.
Una parte del vehículo de calor sólido se usa como medio de calentamiento para el calentamiento de las materias primas orgánicas sólidas que se van a hacer reaccionar. La otra parte se usa como medio de calentamiento para la gasificación y, al mismo tiempo, también se puede usar como catalizador para la gasificación y material de filtro de partículas para la captura del polvo fino arrastrado en el producto gaseoso de la pirólisis. La parte del vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula promedio menor se usa como medio de calentamiento para el calentamiento de las materias primas orgánicas sólidas para permitir una pirólisis rápida de las materias primas con el fin de obtener un producto sólido y un producto gaseoso. La otra parte del vehículo de calor sólido con mayor tamaño de partícula promedio se usa como medio ce calentamiento y para la captura del polvo fino arrastrado en el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis y, al mismo tiempo, se usa como catalizador para permitir la gasificación entre el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis y el vapor para descomponer y convertir el alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono en gas rico en hidrógeno. Las dos partes del vehículo de calor sólido con baja temperatura, cuyas temperaturas se han reducido debido a la intervención del proceso de pirólisis y gasificación, se unen entre sí para calentarse y elevarse. El vehículo de calor sólido con alta temperatura que se ha calentado se somete a la retirada de polvo fino y la granulometría de partículas y se divide en dos partes, después de eso, las dos partes del vehículo de calor sólido de alta temperatura que tienen, respectivamente, el tamaño de partícula promedio menor y mayor se usan, respectivamente, para la pirólisis y la gasificación de nuevo para formar un ciclo.
De manera específica, la operación de pirólisis incluye: la pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas se realiza en el dispositivo de reacción de pirólisis. Las materias primas orgánicas sólidas se mezclan rápidamente con el vehículo de calor sólido de alta temperatura con un tamaño de partícula promedio menor en la sección de mezclado del dispositivo de reacción de pirólisis y se transfieren rápidamente a la sección de reacción del dispositivo de reacción de pirólisis. Durante este proceso, las materias primas orgánicas sólidas se calientan rápidamente hasta la temperatura de pirólisis, es decir, 400 °C ~800 °C. La reacción de descomposición de las materias primas orgánicas sólidas que se han calentado hasta la temperatura de pirólisis se produce en la sección de reacción del dispositivo de reacción de pirólisis para generar un producto de pirólisis gaseoso (que incluye el vapor de alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono) y un producto de pirólisis sólido, en la que el producto de pirólisis sólido tiene un residuo de carbono. Además, algunos componentes del producto de pirólisis gaseoso reaccionan adicionalmente, lo que se denomina reacción secundaria, para generar un depósito de carbono adherido a las partículas del vehículo de calor sólido. La mezcla del producto de pirólisis sólido y el vehículo de calor sólido de baja temperatura deja el dispositivo de reacción de pirólisis a través de una válvula de suministro cuantitativo con el
efecto de la gravedad y se alimenta al reactor elevador y de combustión. El producto gaseoso generado a partir de la pirólisis junto con el vapor alimentado al dispositivo de pirólisis se extrae del dispositivo de reacción de pirólisis y se alimenta al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil.
La función de la operación de pirólisis es: por un lado, la materia orgánica volatilizable en las materias primas orgánicas sólidas se puede convertir por completo en un producto gaseoso que después se convierte en un gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor del producto gaseoso durante la operación de gasificación; por otro lado, la pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas genera una cantidad moderada de depósito de carbono y producto sólido con residuo de carbono.
En el método precedente, las materias primas orgánicas sólidas se seleccionan de biomasa, desecho sólido polimérico, carbón, coque de petróleo o combinaciones de dos o más de los mismos. La biomasa significa plantas herbáceas y leñosas compuestas de celulosa, hemicelulosa y lignina, por ejemplo, desecho agrícola (por ejemplo, paja, bagazo y cáscara de arroz), desecho forestal (por ejemplo, corteza, cáscara de núcleo y astillas de madera) o cultivo energético (por ejemplo, Miscanthus y Pennisetum hydridum), etc. Preferentemente, los materiales orgánicos sólidos usados como materia prima individual o usados para materias primas mixtas deberían tener una materia volátil en una cantidad relativamente alta, que es preferentemente entre el 20-70 % (presente en la fracción de masa de base libre de ceniza seca). El límite superior de humedad de las materias primas debería ser adecuado para garantizar que las materias primas se transporten con suavidad a la sección de mezclado del dispositivo de reacción de pirólisis. La humedad de las materias primas entra en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil junto con el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis e interviene en la catalización de la gasificación con vapor del producto gaseoso generado mediante la pirólisis. Por lo tanto, la cantidad moderada de humedad contenida en las materias primas puede reducir la cantidad de agua adicional.
En la operación de pirólisis, también se requiere una velocidad de calentamiento de la materia prima y una temperatura de pirólisis adecuadas. Estas dependen principalmente de la composición y el tamaño de partícula de las materias primas, el tamaño de partícula y la temperatura del vehículo de calor sólido y la velocidad de mezclado y la relación del vehículo de calor sólido respecto a las materias primas. En la condición de que se proporcione la composición de las materias primas orgánicas sólidas y el tamaño de partícula y la temperatura del vehículo de calor sólido, la temperatura del dispositivo de reacción de pirólisis se puede ajustar a través del control de la relación de mezclado del vehículo de calor sólido respecto a las materias primas, como tal, se puede controlar el grado de pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas. Mientras el dispositivo de reacción de pirólisis funciona en modo de lecho móvil, por unidad de tiempo, la relación en masa del vehículo de calor sólido alimentado al dispositivo de reacción de pirólisis respecto a la materia prima orgánica sólida debería ser de 2-7:1. De acuerdo con el experimento y el análisis específicos del inventor de la presente solicitud, dependiendo de la situación práctica, la relación específica se puede elegir de manera específica como 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1 o 7:1, preferentemente 3-5:1. La temperatura del dispositivo de reacción de pirólisis se debería controlar dentro del intervalo de 400 a 800 °C, preferentemente de 500 a 700 °C. Cuanto más alta es la temperatura del vehículo de calor sólido, mayor es la relación en masa del vehículo de calor sólido respecto a la materia prima orgánica sólida que se alimenta al dispositivo de reacción de pirólisis que se puede lograr. Mientras el dispositivo de reacción de pirólisis funciona en modo de lecho fluidizado, con el fin de garantizar que las materias primas orgánicas sólidas puedan alcanzar el grado de pirólisis requerido, la relación en masa del vehículo de calor sólido respecto a las materias primas orgánicas sólidas debería aumentar y la relación puede ser tan alta como 40 o más. El tamaño de partícula menor de las materias primas orgánicas sólidas resulta ventajoso para un rápido calentamiento y descomposición. El límite superior adecuado del tamaño de partícula de las materias primas orgánicas sólidas del método de la invención depende de si se puede elevar con cuidado el producto sólido de la pirólisis en el reactor elevador y de combustión y se debería controlar normalmente por debajo de 8 mm. De acuerdo con el experimento y el análisis específicos del inventor de la presente solicitud, basándose en la situación práctica, el tamaño de partícula se puede elegir, de manera específica, como 2 mm, 6 mm o 7,5 mm y, preferentemente, el tamaño de partícula se debería controlar por debajo de 3 mm.
El vapor, que es una de las materias primas de gasificación, se alimenta de la parte inferior de la capa de material sólido en el dispositivo de reacción de pirólisis. Los beneficios son: el producto de pirólisis gaseoso que lleva calor de las materias primas orgánicas sólidas deja rápidamente el reactor de pirólisis, que promueve la reacción de pirólisis y reduce la reacción secundaria del producto gaseoso producido mediante la pirólisis para reducir la posibilidad de generar un depósito de carbono y negro de carbono. Mientras el reactor de pirólisis funciona en modo de lecho fluidizado, el vapor se usa como medio fluidificante y vehículo de calor gaseoso al mismo tiempo. Con el fin de garantizar que el reactor de pirólisis pueda obtener la temperatura requerida, la temperatura del vapor sobrecalentado alimentado al reactor de pirólisis debería ser lo suficientemente alta, que se controla normalmente por encima de 300 °C; al mismo tiempo, la relación de mezclado del vehículo de calor sólido respecto a las materias primas orgánicas sólidas alimentadas al reactor de pirólisis se debería aumentar de manera adecuada y también se puede alimentar una cantidad pequeña de oxígeno al reactor de pirólisis en el momento de la alimentación de vapor, si es necesario.
La operación de gasificación incluye: en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, a través del uso del calor y la superficie de reacción proporcionada por el vehículo de calor sólido de alta temperatura, el alquitrán y
el hidrocarburo de bajo contenido de carbono en el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis en el dispositivo de reacción de pirólisis se someten a una reacción de craqueo adicional y se hacen reaccionar con el vapor para generar un producto gaseoso rico en hidrógeno; al mismo tiempo, el depósito de carbono se forma, de manera normal, sobre la superficie del vehículo de calor sólido. El producto de gas rico en hidrógeno se recoge a través de la separación del agua sin reaccionar y el alquitrán residual del producto gaseoso mediante un dispositivo de enfriamiento por condensación. Aunque se emplea un vehículo de calor sólido que tiene actividad catalítica, mediante la catálisis del vehículo de calor sólido, el craqueo del alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono en el producto de pirólisis gaseoso y la reacción con vapor se pueden potenciar a una temperatura relativamente baja. Mientras que el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis fluye a través del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, el polvo fino arrastrado en el producto gaseoso se captura mediante la capa de lecho de partículas del vehículo de calor sólido. El vehículo de calor sólido con una temperatura reducida deja el dispositivo de reacción de gasificación y se envía al reactor elevador y de combustión junto con el polvo fino capturado.
La principal función de la operación de gasificación es hacer reaccionar el alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis con vapor, que es descomponer y convertirlos en gas rico en hidrógeno. La reacción es una reacción fuertemente endotérmica, por lo tanto, las condiciones básicas para garantizar que la reacción se produzca con suavidad son la alta temperatura, el catalizador y la distribución y permanencia eficaz del reactivo en la capa de lecho de catalizador. La temperatura del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se controla de manera normal a 800~950 °C. En condiciones específicas, por ejemplo, aunque el producto diana es un producto gaseoso con una concentración de hidrógeno alta y se emplea óxido de calcio como adsorbente de dióxido de carbono, el límite inferior de la temperatura del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil puede ser bajo hasta 700 °C. En la circunstancia de que se dé la condición de funcionamiento del dispositivo de reacción de pirólisis, la temperatura del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se puede ajustar por medio de la temperatura y la velocidad de circulación del vehículo de calor sólido alimentado al dispositivo de reacción de gasificación.
La cantidad del vehículo de calor sólido alimentado al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se puede determinar de acuerdo con la influencia de la eficacia de retirada de polvo fino y la situación de depósito de carbono del vehículo de calor sólido sobre la eficacia del catalizador del vehículo de calor sólido que se usa como catalizador. En la premisa de garantizar el equilibrio de energía del sistema de reacción, el aumento de la velocidad de circulación del vehículo de calor sólido en el dispositivo de reacción de gasificación resulta ventajoso para la reducción del tiempo de permanencia, reduciendo el depósito de carbono sobre el vehículo de calor sólido que sirve como catalizador para evitar la inactivación permanente del catalizador debido al excesivo depósito de carbono. El control de la velocidad de circulación adecuada del vehículo de calor sólido puede evitar la resistencia sobredimensionada de la capa de lecho debida a la captura del polvo fino, al tiempo que garantiza la eficacia de retirada de polvo fino de la capa de partículas móvil. Por unidad de tiempo, la relación en masa del vehículo de calor sólido alimentado al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil respecto a aquellos alimentados al dispositivo de reacción de pirólisis se debería controlar a 0,1-5. De acuerdo con el experimento y el análisis específicos del inventor de la presente solicitud, basándose en la situación práctica, la relación se puede elegir de manera específica como 0,5, 1, 3 y 4,5, con todo lo que se puede lograr la presente invención.
En el reactor de gasificación con lecho móvil, la mezcla del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis en el dispositivo de reacción de pirólisis y el vapor entra en contacto con la capa móvil de partículas del vehículo de calor sólido en un modo de contacto seleccionado de un grupo que consiste en corriente en paralelo, contracorriente, corriente radicalmente cruzada o combinaciones del modo de flujo y contacto de gas-sólido anterior. Cuando se usa un catalizador a base de níquel o a base de hierro como vehículo de calor sólido, el modo de contacto de gas-sólido de la contracorriente o corriente radicalmente cruzada resulta ventajoso para la autorreducción del catalizador (es decir, en atmósfera de reducción, el óxido metálico sobre el vehículo se reduce a un metal puro que tiene actividad catalítica) y la mejora del tiempo de permanencia para una reacción eficaz. Además, la capa de lecho de partículas del vehículo de calor sólido móvil de corriente radicalmente cruzada también tiene muchas ventajas: un área de contacto grande de la fase de gas-sólido en el volumen del reactor unitario, un caudal bajo al que se hace pasar el gas a través de la capa de lecho de partículas móvil, una resistencia disminuida y así sucesivamente. Por lo tanto, la capa de lecho de partículas del vehículo de calor sólido móvil de corriente de corriente radicalmente cruzada es la preferida para el método de la presente invención. El empleo de un reactor de gasificación con lecho móvil de corriente radicalmente cruzada también puede capturar de manera eficaz el polvo fino arrastrado en el producto gaseoso de la pirólisis.
Las operaciones de calentamiento y elevación incluyen: en la parte inferior del reactor elevador y de combustión, la mezcla del producto sólido generado a partir de la pirólisis en el dispositivo de reacción de pirólisis y el vehículo de calor sólido adherido con un depósito de carbono, junto con el vehículo de calor sólido adherido con un depósito de carbono procedente del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, se fluidiza y se eleva mediante aire caliente. Durante el proceso de elevación, el residuo de carbono del producto sólido y el depósito de carbono sobre la superficie del vehículo de calor sólido se queman para generar calor y gas de combustión. El vehículo de calor sólido se calienta mediante el calor generado para dar un vehículo de calor sólido de alta temperatura. El vehículo de calor sólido de alta temperatura y el gas de combustión caliente que lleva polvo fino generado entran en el
dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido.
La función principal del reactor elevador y de combustión es regenerar el vehículo de calor sólido, que se usa como medio de calentamiento, catalizador y material de filtro de partículas en movimiento, mientras se eleva el vehículo de calor sólido mediante un flujo de aire caliente. La mezcla del vehículo de calor sólido de baja temperatura y el producto sólido generado a partir de la pirólisis que deja el dispositivo de reacción de pirólisis se alimenta a la parte inferior del reactor elevador y de combustión; al mismo tiempo, el vehículo de calor sólido de baja temperatura, que ya captura el polvo fino y deja el reactor de gasificación con lecho móvil, también se transporta cuantitativamente en este caso.
El vehículo de calor sólido de baja temperatura congregado, junto con el producto sólido generado a partir de la pirólisis, se fluidiza y eleva rápidamente mediante el aire caliente. Durante el proceso de elevación, el residuo de carbono del producto sólido y el depósito de carbono sobre la superficie del vehículo de calor sólido se queman y el vehículo de calor sólido se calienta mediante el calor generado. Con el fin de permitir que el residuo de carbono del producto sólido (es decir, los combustibles en el producto de pirólisis sólido) y el depósito de carbono sobre el vehículo de calor sólido se quemen en el reactor elevador y de combustión, la temperatura del aire alimentado a la entrada del reactor elevador y de combustión debería ser superior al punto inflamable del residuo de carbono y el depósito de carbono en el producto sólido; de manera normal, la temperatura es superior a 400 °C. Con el fin de garantizar la regeneración del vehículo de calor sólido que se usa como medio de calentamiento para cumplir con el requisito de calor del dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación, cuando el vehículo de calor sólido deja el reactor elevador y de combustión, su temperatura debería ser lo suficientemente alta, que, de manera normal, alcanzaría 800~1000 °C, y el límite superior de la temperatura debería ser inferior a la temperatura de fundición de la ceniza del producto sólido generado a partir de la pirólisis. Con el fin de garantizar la regeneración del vehículo de calor sólido que se usa como catalizador, el depósito de carbono sobre el vehículo de calor sólido ha de quemarse por completo. Con el fin de lograr el objetivo, además de cumplir con las condiciones de combustión del reactor elevador y de combustión (tal como la temperatura, la concentración de oxígeno, el tiempo de permanencia del vehículo de calor sólido y así sucesivamente), también se debería controlar la cantidad y el tipo del depósito de carbono que se adhiere al vehículo de calor sólido alimentado al reactor elevador y de combustión, por ejemplo, mediante el control del tiempo de permanencia adecuado del vehículo de calor sólido en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil. En la situación de que la condición de operación del reactor elevador y de combustión no pueda cumplir con el requisito de quemar totalmente el depósito de carbono sobre un catalizador de vehículo de calor sólido, se debería disponer un regenerador de quema de carbono especial antes del dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, para asegurar que el catalizador de vehículo de calor sólido no tenga un depósito de carbono adherido cuando circule de vuelta al dispositivo de reacción de pirólisis y al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil.
En la circunstancia de fluidización y alta temperatura del reactor elevador y de combustión, se usarán de manera inevitable las partículas de vehículo de calor sólido. Por lo tanto, se deberían emplear las partículas de vehículo de calor sólido con buena resistencia mecánica a alta temperatura, al mismo tiempo, el vehículo de calor sólido se debería reponer a tiempo a través de la entrada de reposición de vehículo de calor sólido dispuesta en el reactor elevador y de combustión.
El combustible auxiliar se puede añadir a través de la entrada de combustible auxiliar, que se dispone en la parte inferior del reactor elevador y de combustión, para complementar el calor a través de la combustión del mismo, si el producto sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas tiene un bajo rendimiento de residuo de carbono, de tal manera que la combustión del residuo de carbono del producto sólido en el reactor elevador y de combustión no es suficiente para proporcionar el calor deseado del sistema de reacción. Se puede usar combustible líquido o sólido o gas como combustible auxiliar. El combustible auxiliar alimentado desde la parte inferior del reactor elevador y de combustión también se puede usar para las operaciones de encendido y de inicio del sistema de reacción.
A fin de resolver el problema de que el producto sólido generado a partir de la pirólisis de la materia prima orgánica sólida tiene un rendimiento bajo de residuo de carbono, de tal manera que la combustión del residuo de carbono del producto sólido en el reactor elevador y de combustión no es suficiente para proporcionar el calor deseado del sistema de reacción, otra manera eficaz es el uso de la cogasificación, es decir, algún producto sólido generado a partir de la pirólisis con un alto rendimiento de residuo de carbono (tal como coque de petróleo) se añade a las materias primas orgánicas sólidas que se van a alimentar al dispositivo de reacción de pirólisis, a fin de dar materias primas mixtas. El producto sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas mixtas debería tener un rendimiento suficientemente alto de residuo de carbono, de tal manera que la combustión de este producto sólido sea capaz de proporcionar el calor deseado al sistema de reacción. En comparación con la combustión directa del combustible auxiliar en el reactor elevador y de combustión, la ventaja de este método es que las composiciones ricas en hidrógeno de las materias primas se pueden transportar al producto durante el proceso de copirólisis, en lugar de combustionarse directamente.
Las operaciones de granulometría de tamaño y retirada de polvo fino para el vehículo de calor sólido incluyen: el vehículo de calor sólido de alta temperatura que se ha calentado en el reactor elevador y de combustión, junto con el
gas de combustible caliente, entra en el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, en el que el vehículo de calor sólido, que se usa como material de filtro de partículas en movimiento, se regenera mediante la retirada de polvo fino. Basándose en la diferencia de caudal del vehículo de calor sólido que arrastra polvo fino alimentado al dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, mediante el uso de la diferencia en cuanto a la densidad, la fuerza de inercia o la fuerza centrífuga o la combinación de dos o tres de estas entre las partículas sólidas con diferentes tamaños, el vehículo de calor sólido se puede separar del gas de combustible caliente que lleva polvo fino y dividir en dos partes, cada una con un tamaño de partícula promedio menor o mayor. Después de dejar el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo de vehículo de calor sólido, se emite el gas de combustible caliente que lleva polvo fino, después de someterse a la retirada de polvo fino y al reciclado de calor. Como medio de calor, las dos partes del vehículo de calor sólido, cada una con un tamaño de partícula promedio menor y mayor, se alimentan al dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación, respectivamente, para una nueva ronda de operación, para formar dicho ciclo. La granulometría de las partículas de vehículo de calor sólido también se puede lograr mediante el método de tamizado mecánico.
La función de la granulometría de las partículas de vehículo de calor sólido es: como medio de calentamiento en el dispositivo de reacción de pirólisis, el vehículo de calor sólido de partículas pequeñas tiene mayor área superficial específica y es más fácil de lograr mezclando y calentando rápidamente con materias primas orgánicas sólidas en una menor relación de mezclado, de tal manera que la materia orgánica en las materias primas orgánicas sólidas se pueda convertir por completo en un producto gaseoso y, adicionalmente, en un gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor. Como medio de calentamiento, catalizador y material de filtro de partículas en movimiento en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, las partículas de vehículo de calor sólido con mayor tamaño de partícula promedio resultan ventajosas para la reducción de la resistencia cuando el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis fluye a través de la capa de partículas en movimiento del vehículo de calor sólido y resultan ventajosas para la gasificación catalítica heterogénea de gas-sólido que se realiza con suavidad y, al mismo tiempo, la captura del polvo fino arrastrado en el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis.
Se puede observar que el método de la invención incluye dos circulaciones en paralelo del vehículo de calor sólido:
I. La circulación del vehículo de calor sólido usado para el calentamiento de la materia prima orgánica sólida para lograr una pirólisis rápida:
mientras se separa del gas de combustible caliente que lleva polvo fino en el dispositivo de granulometríaeliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, el vehículo de calor sólido de alta temperatura procedente del reactor elevador y de combustión se divide en dos partes de acuerdo con la diferencia del tamaño de partícula promedio. Como medio de calentamiento, el vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula promedio menor se mezcla con las materias primas orgánicas sólidas en el dispositivo de reacción de pirólisis, de tal manera que se calientan las materias primas orgánicas sólidas que se van a pirolizar. Posteriormente, el vehículo de calor sólido de baja temperatura, cuya temperatura se disminuye debido a la provisión de calor a las materias primas orgánicas sólidas, se mezcla con el vehículo de calor sólido procedente del dispositivo de reacción de gasificación; la mezcla se calienta hasta una temperatura alta mediante el reactor elevador y de combustión y se eleva para alimentarse al dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, hasta iniciar otra circulación.
II. La circulación del vehículo de calor sólido usado como medio de calentamiento, catalizador y material de filtro de partículas en movimiento de manera simultánea:
mientras se separa del gas de combustible caliente que lleva polvo fino en el dispositivo de granulometríaeliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, el vehículo de calor sólido de alta temperatura procedente del reactor elevador y de combustión se divide en dos partes de acuerdo con la diferencia del tamaño de partícula promedio. El vehículo de calor sólido con mayor tamaño de partícula promedio entra en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil y calienta el producto gaseoso procedente del dispositivo de reacción de pirólisis para permitir que se produzca la gasificación con vapor catalítica y la pirólisis. Al mismo tiempo, el polvo fino arrastrado en el producto gaseoso procedente del dispositivo de reacción de pirólisis se captura mediante la capa de partículas de vehículo de calor sólido. Posteriormente, el vehículo de calor sólido con temperatura reducida y el polvo fino capturado entra en el reactor elevador y de combustión y se mezcla con el vehículo de calor sólido y el producto sólido procedente del dispositivo de reacción de pirólisis para dar una mezcla y la mezcla, después, se calienta y se eleva. Durante el proceso de su calentamiento y elevación, se quema el depósito de carbono sobre la superficie del vehículo de calor sólido, a través del que se regenera el vehículo de calor sólido usado como catalizador. Posteriormente, el vehículo de calor sólido de alta temperatura vuelve de nuevo al dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido para iniciar otra circulación.
En el método precedente, el olivino de combustión dura presenta una resistencia a la abrasión a alta temperatura relativamente buena y tiene actividad catalítica para la gasificación con vapor del alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono. Por lo tanto, el olivino de combustión dura es el vehículo de calor sólido básico para la presente invención. Los vehículos de calor sólidos adecuados para la presente invención también incluyen arena de sílice, arena de corindón, magnesita calcinada, materiales cerámicos de alta temperatura, mullita, arena de circón,
arena de hierro, sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas (es decir, el producto sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas también se puede usar de manera circular como vehículo de calor sólido) o combinaciones de dos o más de los mismos.
En el método precedente, la realización preferida del vehículo de calor sólido es un catalizador sólido resistente al calor que tiene actividad catalítica para la reacción de descomposición-conversión que implica vapor del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis, que puede ser un catalizador de oliva o a base de níquel con soporte de olivino, o un catalizador a base de hierro con soporte de olivino, o un catalizador de perovskita a base de níquel o un catalizador a base de níquel comercial o las combinaciones de los mismos.
En el método precedente, se puede usar la caliza o la dolomita o la calcita junto con el vehículo de calor sólido para funcionar como desulfurante, adsorbente de dióxido de carbono y vehículo de calor sólido. Esto no solo resulta ventajoso para la descomposición y la conversión que implica vapor del alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono, sino que también resulta ventajoso para la desulfuración y la mejora del contenido de hidrógeno del producto de gas. Tomando como ejemplo el caso de la caliza que se añade a la temperatura alta del reactor elevador y de combustión, la caliza se descompone para dar óxido de calcio. El óxido de calcio, que se circula de nuevo al dispositivo de reacción de pirólisis, no se usa solo como vehículo de calor para proporcionar el calor requerido por la pirólisis del material orgánico sólido, sino que también se usa como desulfurante para reaccionar con el sulfuro de hidrógeno generado a partir del proceso de pirólisis y lleva el azufre generado al reactor elevador y de combustión, que puede evitar que el azufre generado entre en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil y entre, adicionalmente, en el producto de gas. El azufre que entra en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil hará que el catalizador a base de níquel se desactive. El óxido de calcio, que se circula de nuevo al dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, se puede usar como adsorbente de dióxido de carbono para reaccionar con el dióxido de carbono arrastrado en el producto de pirólisis gaseoso para generar carbonato de calcio. Esta reacción puede promover la reacción de conversión de gas de agua, mejorando de este modo el contenido de hidrógeno del gas de producto. Al mismo tiempo, la reacción es una reacción exotérmica, que resulta, por tanto, ventajosa para la mejora del equilibrio térmico del sistema de reacción. Sin embargo, cuando se realiza a presión atmosférica y temperatura relativamente baja, la reacción es eficaz en cuanto a la termodinámica. Por lo tanto, la reacción se produce principalmente en el dispositivo de reacción de pirólisis con temperatura relativamente baja. Con el fin de promover la reacción que se produce en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, la temperatura del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se debería controlar a una temperatura relativamente baja, por ejemplo, 700-750 °C.
El límite superior de partículas del vehículo de calor sólido precedente se determina dependiendo de si se puede elevar con suavidad en el reactor elevador y de combustión. De manera normal, el límite superior de partículas del vehículo de calor sólido precedente se controla por debajo de 6 mm.
En el método precedente, la presión de operación de cada reactor es presión atmosférica; la temperatura del dispositivo de reacción de pirólisis es 400~800 °C, la temperatura del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil es 700~950 °C y la temperatura del reactor elevador y de combustión es 800~1100 °C.
La presente invención también proporciona un sistema para la preparación de gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materias primas orgánicas sólidas. El sistema consiste en las siguientes partes: el dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, el reactor 2 de pirólisis, el reactor 3 de gasificación con lecho móvil, el reactor 4 elevador y de combustión, el sistema 5 de condensaciónenfriamiento y etcétera. En cuanto a las circulaciones del vehículo de calor sólido, el reactor 2 de pirólisis y el reactor 3 de gasificación con lecho móvil se disponen en paralelo. Es decir, después de dejar el dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, una parte del vehículo de calor sólido entra en el reactor 2 de pirólisis y la otra parte entra en el reactor 3 de gasificación con lecho móvil.
En la presente invención, el reactor de pirólisis se selecciona de reactor de un pirólisis con lecho móvil y un reactor de pirólisis con lecho fluidizado, preferentemente un reactor de pirólisis con lecho móvil. Se puede usar un reactor elevador y de combustión en correspondencia con una combinación de un reactor de pirólisis y un reactor de gasificación con lecho móvil, que se disponen en paralelo, y el producto gaseoso generado a partir de la reacción de pirólisis se alimenta al reactor de gasificación con lecho móvil. Con respecto a la falta de coincidencia entre el reactor elevador y de combustión y la combinación del reactor de pirólisis y el reactor de gasificación con lecho móvil, de manera específica, la capacidad de producción del reactor elevador y de combustión es relativamente alta, mientras que el volumen del reactor individual y la capacidad de procesamiento de tanto el reactor de pirólisis como el reactor de gasificación con lecho móvil son relativamente bajos, preferentemente se pueden emplear las siguientes formas en el método de pirólisis rápida de la presente invención para mejorar la capacidad de producción del sistema individual: se usa un reactor elevador y de combustión en combinación con dos o más reactores de pirólisis en paralelo (tal como se muestra en la Figura 3, dos reactores 21, 22 de pirólisis, que se disponen en paralelo), en los que las mezclas del vapor y el producto de pirólisis gaseoso con arrastre de polvo fino de todos los reactores de pirólisis en paralelo se unen entre sí y se alimentan a un reactor de gasificación con lecho móvil común. O, de otra manera, se usa un reactor elevador y de combustión en combinación con una combinación de dos o más reactores de pirólisis en paralelo y dos o más reactores de gasificación con lecho móvil en paralelo, en los que cada reactor de
pirólisis corresponde a uno o más reactores de gasificación con lecho móvil o cada reactor de gasificación con lecho móvil corresponde a uno o más reactores de pirólisis y el producto de pirólisis gaseoso generado a partir del reactor de pirólisis se alimenta, respectivamente, al correspondiente reactor de gasificación con lecho móvil.
El dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido tiene una entrada para la alimentación de la mezcla de las partículas de vehículo de calor sólido y el gas de combustible con arrastre de polvo fino y una salida para la descarga del gas de combustible que lleva polvo fino en la parte superior y una salida de vehículo de calor sólido de partículas pequeñas y una salida de vehículo de calor sólido de partículas grandes en la parte inferior. Las salidas de vehículo de calor sólido de partículas pequeñas y grandes proporcionan, respectivamente, el acceso al reactor 2 de pirólisis y al reactor 3 de gasificación con lecho móvil dispuestos debajo del dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido.
El reactor 2 de pirólisis con lecho móvil incluye dos partes, que son la sección de elaboración o premezclado y la sección de reacción. Las materias primas orgánicas sólidas y el vehículo de calor sólido de partículas pequeñas procedentes del dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido se alimentan, respectivamente, a la sección de mezclado del reactor de pirólisis con lecho móvil y, después, se alimentan a la sección de reacción, después de mezclarse por completo. El reactor de pirólisis con lecho móvil tiene una salida en el extremo inferior, que se usa para la alimentación de la mezcla del vehículo de calor sólido y el producto de pirólisis en el reactor 4 elevador y de combustión. El reactor de pirólisis con lecho móvil tiene una salida de producto gaseoso en la parte superior que se conecta con el reactor 3 de gasificación con lecho móvil para proporcionar un acceso para la alimentación de la mezcla del producto de pirólisis gaseoso y el vapor en el reactor de gasificación con lecho móvil. Una entrada de vapor también se dispone en la parte inferior del reactor de pirólisis con lecho móvil. El mecanismo de detección y control del nivel de material sólido se dispone en el reactor de pirólisis con lecho móvil, a fin de mantener el nivel de material sólido de la sección de reacción de pirólisis por debajo de la salida para la descarga del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis.
La entrada superior del reactor 3 de gasificación con lecho móvil se conecta con la salida de vehículo de calor sólido de partículas grandes del dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y la salida inferior del reactor de gasificación con lecho móvil se conecta con la parte inferior del reactor 4 elevador y de combustión. Una entrada para la alimentación de la mezcla del producto de pirólisis gaseoso con arrastre de polvo fino y el vapor y una salida para la descarga del producto de gas de la gasificación con vapor se disponen sobre el reactor de gasificación con lecho móvil y se conectan, respectivamente, con el reactor 2 de pirólisis con lecho móvil y el sistema 5 de condensación-enfriamiento.
El reactor 4 elevador y de combustión, en la parte inferior, se equipa con una entrada de aire caliente, una entrada para la mezcla del vehículo de calor sólido procedente del reactor de pirólisis y el producto sólido y una entrada para el vehículo de calor sólido procedente del reactor de gasificación con lecho móvil que ya captura el polvo fino. Una entrada adicional para la reposición de vehículo de calor sólido y combustible auxiliar se dispone en la parte inferior del reactor elevador y de combustión. La salida superior del reactor elevador y de combustión se conecta con el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido.
El regenerador 6 y 7 de quema de carbono especial se puede disponer, respectivamente entre el dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y el reactor 2 de pirólisis con lecho móvil y entre el dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y el reactor 3 de gasificación con lecho móvil. El reactor con lecho móvil o el reactor con lecho fluidizado se puede emplear como regenerador de quema de carbono.
Con la ayuda del efecto de sellado del material causado por el vehículo de calor sólido en las tuberías que conectan los reactores adyacentes, la atmósfera en el reactor de pirólisis con lecho móvil y el reactor de gasificación con lecho móvil, la atmósfera en el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido localizado arriba y la atmósfera del reactor elevador y de combustión localizado debajo se desconectan entre sí y no tienen fugas entre sí. Por lo tanto, se puede lograr un producto de gas rico en hidrógeno casi sin nitrógeno.
La presión de operación de cada uno de los reactores precedentes es una presión atmosférica.
En comparación con la técnica anterior, las principales características técnicas y los efectos técnicos que se pueden lograr con el método de invención anterior para la preparación de gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materias primas orgánicas sólidas son: el método proporcionado por la presente invención incluye dos circulaciones de vehículo de calor sólido en paralelo, cada una de las mismas se puede optimizar y controlar de manera independiente, en el que el vehículo de calor sólido circulado se divide en dos partes con diferente tamaño de partícula promedio cada una. La parte con un tamaño de partícula menor se usa como medio de calentamiento para calentar materia prima orgánica sólida, que se piroliza de este modo de manera rápida; y la otra parte con un tamaño de partícula mayor se usa como medio de calentamiento, catalizador y material de filtro de partículas en movimiento para la gasificación con vapor catalítica del producto gaseoso que incluye alquitrán e hidrocarburo de bajo contenido de carbono generado a partir de la pirólisis y la captura del polvo fino arrastrado en el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis.
Con la ayuda de la circulación del vehículo de calor sólido, el reactor elevador y de combustión se puede conectar con el reactor de gasificación con lecho móvil y el reactor de pirólisis con lecho móvil en paralelo, respectivamente, para combinar los tres en un sistema de gasificación. El método logra el respectivo control independiente sobre la (1) pirólisis de la materia prima orgánica sólida, la (2) descomposición y conversión que implica vapor (también conocida como gasificación) del producto gaseoso (que incluye gas de hidrocarburo y alquitrán) generado a partir de la pirólisis y el (3) control independiente de la reacción de combustión del producto sólido generado a partir de la pirólisis que proporciona el calor requerido para la pirólisis de las materias primas y la descomposición y la conversión que implica vapor del producto de gas de pirólisis. El método está presente en el proceso sencillo y de operación de presión normal y, por tanto, es adecuado para la gasificación y cogasificación de diversos materiales orgánicos sólidos de alta volatilidad, incluyendo las materias primas que contienen una cantidad relativamente grande de humedad, sustancia mineral y azufre.
El vehículo de calor sólido circulado se somete a una granulometría por tamaño y se asigna al reactor de pirólisis con lecho móvil y al reactor de gasificación con lecho móvil que se disponen en paralelo, con lo que se puede lograr la optimización de las condiciones de funcionamiento tanto del reactor de pirólisis con lecho móvil como del reactor de gasificación con lecho móvil. Es decir, el vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula pequeño se aplica al reactor de pirólisis para lograr una rápida pirólisis de las materias primas. Paralelamente, el vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula mayor se aplica al reactor de gasificación con lecho móvil, que permite que el reactor de gasificación con lecho móvil tenga una menor resistencia de capa de lecho y tenga una descomposición y conversión más eficaz del alquitrán y el hidrocarburo de bajo contenido de carbono y una retirada del polvo fino en caliente, en la premisa del efecto de gasificación de catalización adecuado. Como tal, la conversión de las sustancias orgánicas en la materia prima orgánica sólida en el gas rico en hidrógeno, un producto diana limpio, se puede maximizar.
Mediante el uso de las materias primas de alta volatilidad en combinación con las materias primas que lograrán un rendimiento relativamente alto del producto sólido generado a partir de la pirólisis que tiene un alto contenido de carbono, es decir, el uso de un método de cogasificación, se puede generar un producto sólido con el contenido de residuo de carbono y la cantidad deseada a partir de la pirólisis, con lo que se puede proporcionar al sistema de reacción el calor requerido a través de la combustión de dicho producto sólido, de tal manera que se pueda lograr el equilibrio de energía del sistema de reacción sin el calor provisto de manera externa. Puesto que no existe la necesidad de combustionar las materias primas orgánicas sólidas directamente para el suministro de calor, se puede maximizar una transferencia orientada de hidrógeno de las materias primas al producto, el gas rico en hidrógeno.
Después de conectarse en paralelo, los múltiples reactores de pirólisis con lecho móvil y los correspondientes reactores de gasificación con lecho móvil se conectan con el reactor elevador y de combustión en tándem. Al hacer eso, la capacidad de producción del sistema se puede mejorar de manera eficaz y se puede superar la limitación de la capacidad de producción baja del reactor de pirólisis con lecho móvil individual.
Descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama esquemático que muestra el principio de funcionamiento del método proporcionado por la presente invención para preparar gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materias primas orgánicas sólidas;
la Figura 2 es un diagrama esquemático que muestra el principio de funcionamiento del método provisto por la presente invención para la preparación de gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materias primas orgánicas sólidas (incluyendo el regenerador de quema de carbono);
la Figura 3 es un diagrama esquemático que muestra el sistema que tiene reactores de pirólisis con lecho móvil en paralelo y se usa para la implementación del método de la presente invención para la preparación de gas rico en hidrógeno a través de la gasificación con vapor de materias primas orgánicas sólidas.
Realizaciones detalladas
La solución técnica en la presente invención se ilustrará, adicionalmente, más adelante con referencia a las Figuras y las realizaciones específicas.
La cogasificación rápida de las virutas de pino de color blanco y el lignito se realiza en el sistema experimental con una escala de procesamiento de 1 kg/h y el principio de funcionamiento de este sistema experimental es el mismo que se muestra en la Figura 1. La humedad de base seca en aire, la materia volátil de base seca en aire y el tamaño de partícula de la primera materia prima de virutas de pino de color blanco y la segunda materia prima de lignito son, respectivamente, del 5,0 %, del 77,7 %, menos de 2 mm y del 27,9 %, del 35,1 %, menos de 1,2 mm. Antes del experimento, las materias primas se secan durante 3 h a una temperatura de 105~110 °C en un horno. Las partículas del catalizador de olivino o a base de níquel con soporte de olivino con un tamaño de partícula de 0,2~1,2 mm se emplean como vehículo de calor sólido circulado.
Después de secarse, las virutas de pino de color blanco y el lignito se alimentan, respectivamente, de manera cuantitativaa un alimentador de tornillo secundario desde cada tanque de almacenamiento de materias primas a través de los correspondientes alimentadores de tornillo primarios; ambos dos materiales se alimentan a una velocidad de alimentación de 250 g/h. La mezcla de las virutas de pino de color blanco y el lignito se transporta y alimenta rápidamente desde el alimentador de tornillo secundario hasta una mezcladora de agitación dispuesta internamente que se localiza en la parte superior del reactor 2 de pirólisis con lecho móvil. Posteriormente, la mezcla se mezcla rápidamente con el vehículo de calor sólido circulado a alta temperatura desde el dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, cuyo tamaño de partícula más probable es de aproximadamente 0,5 mm, y cae rápidamente en la sección de reacción que se localiza en la parte inferior del reactor 2 de pirólisis con lecho móvil para realizar la reacción de pirólisis.
El nivel de material sólido del reactor 2 de pirólisis con lecho móvil se mide con una sonda de nivel de impedimento. El flujo del vehículo de calor sólido alimentado al reactor de pirólisis se controla mediante una válvula que conecta el dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y el reactor 2 de pirólisis con lecho móvil; el flujo de la mezcla del vehículo de calor sólido que deja el reactor de pirólisis y el producto sólido generado a partir de la pirólisis se controla mediante una válvula configurada en la tubería que conecta el reactor 2 de pirólisis y la parte inferior del reactor 4 elevador y de combustión; a través de la cooperación de las dos válvulas precedentes, el nivel de material sólido del reactor de pirólisis se puede controlar aproximadamente 20 mm por debajo de la salida de gas de pirólisis.
Una entrada de vapor sobrecalentado se dispone en la parte inferior del reactor 2 de pirólisis con lecho móvil. El vapor sobrecalentado alimentado al reactor 2 de pirólisis con lecho móvil con una temperatura de sobrecalentamiento de 450 °C se hace pasar a través de la capa que comprende el vehículo de calor sólido y el producto sólido generado a partir de la pirólisis y va hacia arriba. Durante este proceso, el vapor se calienta adicionalmente mediante el producto sólido generado a partir de la pirólisis y el vehículo de calor sólido y, al mismo tiempo, el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis es transportado por y deja la capa de material sólido del reactor de pirólisis con lecho móvil, junto con el vapor.
El producto gaseoso de la pirólisis de las materias primas en el reactor de pirólisis con lecho móvil se alimenta al reactor 3 de gasificación con lecho móvil con el efecto de bombeo de una bomba de vacío que se dispone corriente abajo del sistema 5 de condensación-enfriamiento. La mezcla del producto sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas en el reactor 2 de pirólisis y el vehículo de calor solido se alimenta de manera cuantitativa a la sección de mezclado y prefluidización en la parte inferior del reactor 4 elevador y de combustión a través de la válvula de tubería con el efecto de la gravedad.
El reactor 3 de gasificación con lecho móvil es un lecho móvil radial, dentro del que se dispone un paso de capa de partículas de vehículo de calor sólido móvil circinada que se forma al rodear la red interna y la red externa. Un paso de gas de distribución central está dentro de la red interna y un paso de gas de unión está entre la red externa y la pared externa del reactor 3 de gasificación con lecho móvil. El vehículo de calor sólido circulado a alta temperatura procedente del dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido con el tamaño de partícula más probable de aproximadamente 0,7 mm fluye de manera continua a través del paso de capa de partículas móvil circinada, cuyo tiempo de permanencia y cantidad de flujo se pueden controlar mediante la válvula de tubería que conecta el reactor 3 de gasificación con lecho móvil y la parte inferior del reactor 4 elevador y de combustión. El producto gaseoso generado a partir de la pirólisis entra en el paso de gas de distribución central del reactor 3 de gasificación con lecho móvil desde la parte inferior del mismo. Después del paso a través de la capa de partículas móvil de vehículo de calor sólido circinada en modo de contracorriente, el producto gaseoso se recoge en el paso de gas de unión y se alimenta al sistema 5 de condensación-enfriamiento a través de la tubería de salida de gas que se localiza en la parte superior del reactor 3 con lecho móvil.
El sistema 5 de condensación-enfriamiento está en modo de condensación-enfriamiento directo e incluye dos secciones de condensador de agua helada en circulación y dos secciones de enfriador de etanodiol a baja temperatura (-10 °C) en circulación en tándem. El gas caliente procedente del reactor 3 de gasificación con lecho móvil fluye a través de las cuatro secciones precedentes del reactor de condensación-enfriamiento, en el que la materia condensable (agua y una pequeña cantidad de alquitrán) se condensa y recoge en el tanque de almacenamiento de líquido en la parte inferior de cada sección del reactor de condensación-enfriamiento. Después del enfriamiento, el gas se alimenta a un filtro cargado con algodón desengrasante para capturar la neblina de alquitrán residual y, posteriormente, el gas se alimenta al gasómetro a través de la bomba de vacío.
La mezcla del vehículo de calor sólido procedente del reactor 2 de pirólisis con lecho móvil y el producto sólido generado a partir de la pirólisis se une con el vehículo de calor sólido procedente del reactor 3 de gasificación con lecho móvil en la sección de prefluidización en la parte inferior del reactor 4 elevador y de combustión. El diagrama esquemático estructural de la sección de prefluidización en la parte inferior del reactor 4 elevador y de combustión se muestra en la Figura 3. Además de la función principal de la elevación del aire, se dispone una segunda entrada de aire para ayudar a la prefluidización del material sólido.
La temperatura del aire caliente alimentado a la parte inferior del reactor 4 elevador y de combustión se controla a
400 °C. Durante el proceso de elevación de la mezcla del vehículo de calor sólido y el producto sólido generado a partir de la pirólisis mediante aire caliente, se combustionan por completo el residuo de carbono sobre el producto sólido generado a partir de la pirólisis y el depósito de carbono adherido al vehículo de calor sólido y, al mismo tiempo, se calienta el vehículo de calor sólido. Posteriormente, el vehículo de calor sólido de alta temperatura junto con el gas de combustible caliente que lleva polvo fino de gas de combustible sale de la parte superior del reactor 4 elevador y de combustión y se alimenta al dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido.
El dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido está compuesto de cilindros internos y externos que tienen forma de cono en la parte inferior y cada uno de los mismos tiene una salida de vehículo de calor sólido en el extremo inferior del mismo. Las salidas de vehículo de calor sólido conducen, respectivamente, al reactor 2 de pirólisis con lecho móvil y al reactor 3 de gasificación con lecho móvil. El cilindro interno tiene una altura de aproximadamente 1/3~2/3 de la altura del cilindro externo y está abierto en el extremo superior. El extremo superior del cilindro externo está cerrado y tiene una salida para el gas de combustible caliente que lleva polvo fino dispuesta en la parte central del mismo. Una entrada para la mezcla del gas de combustible caliente y el vehículo de calor sólido de alta temperatura se encuentra en la dirección de tangente horizontal de la pared interna del cilindro externo en la parte superior del dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido.
Después de la entrada del gas de combustible caliente que lleva el vehículo de calor sólido de alta temperatura a lo largo de la dirección de tangente procedente del reactor 4 elevador y de combustión en el dispositivo 1 de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, con el efecto de la fuerza de inercia y la fuerza centrífuga, el vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula promedio mayor se encuentra principalmente en la sección con forma de cono en la parte inferior del cilindro externo y el vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula promedio menor se encuentra principalmente en la sección con forma de cono en la parte inferior del cilindro interno, mientras que el polvo fino, junto con el gas de combustible caliente, deja la salida de gas de combustible caliente en el extremo superior y se emite después de la retirada de polvo fino y el enfriamiento adicional.
La Tabla 1 muestra los resultados de dos experimentos, que emplean, respectivamente, catalizador de níquel con soporte de olivino calcinado y de olivino calcinado a 900 °C (la fracción en masa de NiO es del 5 %) como vehículo de calor sólido en circulación y las virutas de pino de color blanco y el lignito se alimentan de manera continua durante 3 horas. Otras condiciones de experimento son: la velocidad de circulación del vehículo de calor sólido que pasa a través del reactor de pirólisis con lecho móvil es de 2 kg/h; la velocidad de circulación del vehículo de calor sólido que pasa a través del reactor de gasificación con lecho móvil radial es de 3 kg/h; la temperatura del reactor elevador y de combustión es de 870 °C; la temperatura del dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido es de 870 °C; la temperatura del reactor de pirólisis con lecho móvil es de 600 °C; la temperatura del reactor de gasificación con lecho móvil radial es de 850 °C; la relación en masa del vapor/(lignito+virutas de pino de color blanco) es de 0,64. Después de recogerse mediante un gasómetro, el producto de gas rico en hidrógeno se somete a un análisis de composición y contenido con cromatografía de gases. El método para el análisis del producto líquido se muestra a continuación: después del experimento, se emplea tetrahidrofurano (THF) para lavar el sistema de condensación-enfriamiento y recoge el producto líquido. La mezcla líquida recogida (agua alquitrán THF) se evapora mediante un evaporador giratorio a 40 °C y presión reducida, que sirve para retirar el THF para obtener la mezcla de alquitrán y agua; se emplea acetato de etilo para extraer el alquitrán y la mezcla de acetato de etilo y alquitrán se evapora mediante el evaporador giratorio a 45 °C y presión reducida, que sirve para retirar el acetato de etilo para obtener alquitrán y, después, se mide y calcula la cantidad de alquitrán y agua.
El resultado del experimento muestra que, en comparación con el olivino calcinado, como vehículo de calor sólido en circulación, el catalizador de níquel con soporte de olivino calcinado presenta una actividad relativamente alta en la retirada de alquitrán y en el reformado con metano del producto gaseoso y se mejoran el rendimiento de gas y el contenido de H2 y c O del gas de producto, en el que la tasa de descomposición-retirada de alquitrán y la tasa de conversión del metano son respectivamente del 94,4 % y del 98,2 %. Dentro del producto líquido recogido, no se detecta ninguna cantidad significativa de polvo fino.
Tabla 1. Comparación de la capacidad de gasificación de diferentes catalizadores de vehículo de calor sólido V e h íc u lo de c a lo r s ó lid o N íq u e l co n s o p o rte de o liv in o O liv in o
C o m p o s ic ió n de g a s (% e n v o l.)
H 2 46 ,0 38 ,0
C O 25 ,0 15 ,3
CÜ2 28 ,7 33 ,8
C H 4 0 ,2 11 ,9
R e n d im ie n to de l g a s r ico e n h id ró g e n o (N m 3/k g d a f.) 1 ,39 0 ,89
C o n te n id o d e a lq u itrá n en e l g a s de p ro d u c to (g /N m 3) 0 ,44 7 ,89
Claims (15)
1. Un método para la preparación de gas rico en hidrógeno a partir de materiales orgánicos sólidos, que comprende:
calentar las materias primas orgánicas sólidas en un dispositivo de reacción de pirólisis para permitir que se produzca la pirólisis; y
realizar la gasificación de un producto gaseoso y vapor en un dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil para generar gas rico en hidrógeno, en el cual el producto gaseoso se genera a partir de la pirólisis; en donde el dispositivo de reacción de pirólisis está en paralelo con el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil; mediante el paso a través de un dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, el vehículo de calor sólido se divide en dos partes que se alimentan al dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, respectivamente, y, cuando deja el dispositivo de reacción de pirólisis y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, las dos partes de vehículo de calor sólido se alimentan a un reactor elevador y de combustión para calentarse y elevarse y, después, se hacen pasar al dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido de nuevo para dividirse en dos partes y estas dos partes se alimentan después de nuevo, respectivamente, al dispositivo de reacción de pirólisis y dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil para crear un ciclo; en donde la parte del vehículo de calor sólido que se alimenta al dispositivo de reacción de pirólisis se usa como medio de calentamiento para la pirólisis y la otra parte del vehículo de calor sólido que se alimenta al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se usa como medio de calentamiento para la gasificación; y en donde el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido divide el vehículo de calor sólido en dos partes basándose en el tamaño de partícula promedio, en donde la parte con un tamaño de partícula promedio menor se alimenta al dispositivo de reacción de pirólisis y la otra parte con un tamaño de partícula promedio mayor se alimenta al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que:
(i) las materias primas orgánicas sólidas se seleccionan de biomasa, desecho sólido polimérico, carbón, coque de petróleo o combinaciones de dos o más de los mismos, opcionalmente, adicionalmente caracterizado por que: la biomasa se compone de los componentes de celulosa, hemicelulosa, lignina y similares, que comprende desecho agrícola, desecho forestal o cultivo energético o combinaciones de los mismos; o
(ii) el dispositivo de reacción de pirólisis comprende un reactor de pirólisis o al menos dos reactores de pirólisis en paralelo y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil comprende un reactor de gasificación con lecho móvil o al menos dos reactores de gasificación con lecho móvil en paralelo;
en donde cada reactor de pirólisis se corresponde con al menos un reactor de gasificación con lecho móvil o cada reactor de gasificación con lecho móvil se corresponde con al menos un reactor de pirólisis; en donde el producto gaseoso procedente de cada uno de los reactores de pirólisis se alimenta al reactor de gasificación con lecho móvil correspondiente; o
(iii) el dispositivo de reacción de pirólisis comprende un reactor de pirólisis de lecho fluidizado; o
(iv) el dispositivo de reacción de pirólisis comprende un reactor de pirólisis con lecho móvil; o
(v) el vehículo de calor sólido se usa como catalizador para la gasificación, al tiempo que se usa como medio de calentamiento para la gasificación; o
(vi) el óxido de calcio se usa como absorbente de dióxido de carbono, desulfurante y vehículo de calor sólido para la gasificación y la gasificación se realiza a una temperatura de 700 a 750 °C para preparar un producto gaseoso con alta concentración de hidrógeno; o
(vii) el vapor para la gasificación se alimenta desde la parte inferior de la capa de material sólido al dispositivo de reacción de pirólisis; o
(viii) el vehículo de calor sólido en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se usa como material de filtro de partículas, al tiempo que se usa como medio de calentamiento, para capturar el polvo fino arrastrado en el producto gaseoso de la pirólisis.34
3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el vehículo de calor sólido se usa como catalizador para la gasificación, al tiempo que se usa como medio de calentamiento para la gasificación y se caracteriza, adicionalmente, por que: el vehículo de calor sólido es un catalizador a base de níquel con soporte de olivino o de olivino, un catalizador a base de hierro con soporte de olivino, un catalizador de perovskita a base de níquel, un catalizador a base de níquel comercial, un producto sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas o combinaciones de dos o más de los mismos.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que:
(i) la materia volátil de base libre de ceniza seca en las materias primas orgánicas sólidas está presente en una fracción en masa de entre el 20 y el 70 %; o
(ii) la temperatura del dispositivo de reacción de pirólisis se ajusta por medio del control de la relación de mezclado del vehículo de calor sólido respecto a las materias primas orgánicas sólidas, con el fin de controlar el grado de pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas; o
(iii) por unidad de tiempo, la relación en masa del vehículo de calor sólido alimentado al dispositivo de reacción
de pirólisis respecto a las materias primas orgánicas sólidas es de 2-7:1; o
(iv) por unidad de tiempo, la relación en masa del vehículo de calor sólido alimentado al dispositivo de reacción de pirólisis respecto a las materias primas orgánicas sólidas es de 3-5:1;
(v) el tamaño de partícula de las materias primas orgánicas sólidas es de hasta 8 mm; o
(vi) el tamaño de partícula de las materias primas orgánicas sólidas es menor de 3 mm; o
(vii) la temperatura del dispositivo de reacción de pirólisis es de 400 a 800 °C; o
(viii) la temperatura del dispositivo de reacción de pirólisis es de 500 a 700 °C; o
(ix) la temperatura del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil es de 700 a 950 °C; o
(x) la temperatura del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil es de 800 a 950 °C; o
(xi) la temperatura a la que se realiza la gasificación se ajusta por medio del control de la temperatura y la velocidad de circulación del vehículo de calor sólido que se alimenta al dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil; o
(xii) las partículas del vehículo de calor sólido forman una capa móvil en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que las partículas del vehículo de calor sólido forman una capa móvil en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil y está caracterizado por que: la mezcla del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis en el dispositivo de reacción de pirólisis y el vapor entra en contacto con la capa móvil en un modo de contacto seleccionado de un grupo que consiste en corriente en paralelo, contracorriente, corriente radicalmente cruzada o combinaciones del modo de flujo y contacto de gas-sólido anterior, opcionalmente, adicionalmente caracterizado por que: cuando se usa un catalizador a base de níquel o a base de hierro como vehículo de calor sólido, la mezcla de los productos gaseosos generados a partir de la pirólisis y el vapor entra en contacto con la capa móvil en un modo de contacto de contracorriente o de corriente radicalmente cruzada.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el reactor elevador y de combustión está equipado con una entrada de aire caliente y en el que:
(i) se configura la temperatura de entrada del aire caliente que entra en el reactor elevador y de combustión para garantizar la combustión del residuo de carbono y el depósito de carbono; o
(ii) la temperatura de entrada del aire caliente es superior a 400 °C.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que:
una reacción secundaria del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas se produce en el dispositivo de reacción de pirólisis para formar un depósito de carbono sobre la superficie del vehículo de calor sólido;
el producto sólido generado a partir de la pirólisis, cuando deja el dispositivo de reacción de pirólisis, forma una mezcla con el vehículo de calor sólido que lleva el depósito de carbono y la mezcla se une al vehículo de calor sólido que sale del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil con el polvo fino capturado en el reactor elevador y de combustión y se fluidiza y eleva rápidamente mediante el aire caliente; durante la elevación, el residuo de carbono en el producto sólido generado a partir de la pirólisis y el depósito de carbono se quema para proporcionar calor, de tal manera que el vehículo de calor sólido se calienta y se regenera.
8. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que:
(i) se calienta el vehículo de calor sólido hasta una temperatura de entre 800 y 1100 °C en el reactor elevador y de combustión; o
(ii) en el reactor elevador y de combustión, el vehículo de calor sólido tiene una temperatura inferior a la temperatura de fundición del contenido de ceniza del producto sólido generado a partir de la pirólisis; o
(iii) se configura una entrada para la reposición del vehículo de calor sólido en la parte inferior del reactor elevador y de combustión; o
(iv) se configura una entrada para la reposición de combustible auxiliar en la parte inferior del reactor elevador y de combustión y se usa el combustible auxiliar para uno o ambos de los siguientes fines:
(1) el combustible auxiliar se usa para las operaciones de encendido y de inicio de todo el sistema;
(2) el combustible auxiliar se combustiona para reponer el calor si el producto sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas tiene un bajo rendimiento de residuo de carbono, de tal manera que la combustión del residuo de carbono en el reactor elevador y de combustión no es suficiente para proporcionar el calor deseado.
9. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que:
(i) el depósito de carbono y el producto sólido que comprende el residuo de carbono se generan a partir de la pirólisis de los materiales orgánicos sólidos; el residuo de carbono y el depósito de carbono se queman después en el reactor elevador y de combustión para proporcionar el calor para la pirólisis y la gasificación; o
(ii) se separa el vehículo de calor sólido del gas de combustible caliente que lleva polvo fino en el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y se divide en dos partes en las que una parte tiene un tamaño de partícula promedio menor y la otra parte tiene un tamaño de partícula promedio mayor; la separación se realiza basándose en la diferencia de caudal del vehículo de calor sólido que lleva polvo fino debido a la diferencia en cuanto a la densidad, la fuerza de inercia o la fuerza centrífuga de las partículas sólidas con diferentes tamaños de partículas o combinaciones de dos o tres de las diferencias de propiedad anteriores; o (iii) se realiza por medio de tamizado mecánico una granulometría del tamaño de partícula del vehículo de calor sólido en el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido; o
(iv) el vehículo de calor sólido son partículas de olivino, arena de sílice, arena de corindón, magnesita calcinada, materiales cerámicos de alta temperatura, mullita, arena de circón, arena de hierro, un producto sólido generado a partir de la pirólisis de las materias primas orgánicas sólidas o combinaciones de dos o más de los mismos; o (v) las partículas de vehículo de calor sólido tienen un tamaño de partícula de hasta 6 mm; o
(vi) la presión de funcionamiento para cada dispositivo de reacción y reactor es la presión atmosférica; o (vii) por unidad de tiempo, la relación en masa del vehículo de calor sólido que entra en el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil respecto al vehículo de calor sólido que entra en el dispositivo de reacción de pirólisis se controla en el intervalo de 0,5 a 5.
10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el depósito de carbono y el producto sólido que comprende el residuo de carbono se generan a partir de la pirólisis de los materiales orgánicos sólidos; el residuo de carbono y el depósito de carbono se queman después en el reactor elevador y de combustión para proporcionar el calor para la pirólisis y la gasificación y si la pirólisis genera el residuo de carbono en un rendimiento bajo, de tal manera que la combustión del residuo de carbono en el reactor elevador y de combustión no es suficiente para proporcionar el calor deseado para la pirólisis y la gasificación, entonces se añaden los componentes de las materias primas orgánicas sólidas alimentadas al dispositivo de reacción de pirólisis, que pueden generar un producto sólido con un mayor rendimiento de residuo de carbono, o se añaden otras materias primas orgánicas sólidas, que pueden generar un producto sólido con un mayor rendimiento de residuo de carbono, mediante pirólisis, para aumentar el rendimiento de residuo de carbono en el producto sólido de la pirólisis para proporcionar suficiente calor y, opcionalmente, está caracterizado, adicionalmente, por que: otras materias primas orgánicas sólidas que pueden generar un producto sólido con un mayor rendimiento de residuo de carbono mediante pirólisis son el coque de petróleo.
11. Un sistema para la preparación de gas rico en hidrógeno a partir de materiales orgánicos sólidos, que comprende:
un dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, para la división del vehículo de calor sólido en dos partes, en el que una parte tiene un tamaño de partícula promedio menor y la otra parte tiene un tamaño de partícula promedio mayor;
un dispositivo de reacción de pirólisis, para el calentamiento de los materiales orgánicos sólidos con el vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula promedio menor procedente del dispositivo de granulometríaeliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido, para permitir que se produzca la pirólisis;
un dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, para la recepción del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis en el dispositivo de reacción de pirólisis y permitir la gasificación del producto gaseoso y el vapor para generar el gas rico en hidrógeno por medio del vehículo de calor sólido con un tamaño de partícula promedio mayor procedente del dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido; y
un reactor elevador y de combustión, para la recepción y la quema del vehículo de calor sólido procedente del dispositivo de reacción de pirólisis, el producto sólido generado a partir de la pirólisis y el vehículo de calor sólido procedente del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil, de tal manera que el vehículo de calor sólido que se recibe en el reactor elevador y de combustión se puede calentar y elevar hasta el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido.
12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que: el dispositivo de reacción de pirólisis comprende un reactor de pirólisis o al menos dos reactores de pirólisis en paralelo, el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil comprende un reactor de gasificación con lecho móvil o al menos dos reactores de gasificación con lecho móvil en paralelo, en donde cada reactor de pirólisis se corresponde con al menos un reactor de gasificación con lecho móvil o cada reactor de gasificación con lecho móvil se corresponde con al menos un reactor de pirólisis; en donde el producto gaseoso procedente de cada uno de los reactores de pirólisis se alimenta al reactor de gasificación con lecho móvil correspondiente.
13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que:
(i) el dispositivo de reacción de pirólisis comprende un reactor de pirólisis con lecho móvil; o
(ii) el dispositivo de reacción de pirólisis comprende un reactor de pirólisis con lecho fluido; o
(iii) los regeneradores de quema de carbono se configuran, respectivamente, entre el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y el dispositivo de reacción de pirólisis, y entre el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y el dispositivo de
reacción de gasificación con lecho móvil; el regenerador de quema de carbono se usa para la quema completa del depósito de carbono que queda sobre el vehículo de calor sólido; en donde el depósito de carbono se forma sobre la superficie del vehículo de calor sólido mediante la reacción secundaria del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis; o
(iv) el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil se usa, adicionalmente, para la captura del polvo fino en el producto gaseoso generado a partir de la pirólisis; o
(v) el reactor elevador y de combustión está equipado con una entrada de aire caliente; o
(vi) la temperatura de entrada del aire caliente en el reactor elevador y de combustión es mayor de 400 °C; o (vii) comprende, adicionalmente, un dispositivo de condensación-enfriamiento, el dispositivo de condensaciónenfriamiento se usa para la condensación de sustancias condensables en el producto gaseoso caliente procedente del dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil; el producto gaseoso comprende el gas rico en hidrógeno.
14. El sistema de acuerdo con la reivindicación 13, en el que los regeneradores de quema de carbono están configurados, respectivamente, entre el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y el dispositivo de reacción de pirólisis y entre el dispositivo de granulometría-eliminación de polvo fino de vehículo de calor sólido y el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil; el regenerador de quema de carbono se usa para la quema completa del depósito de carbono que queda sobre el vehículo de calor sólido; en donde el depósito de carbono se forma sobre la superficie del vehículo de calor sólido mediante la reacción secundaria del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis y está, adicionalmente, caracterizado por que: el regenerador de quema de carbono es un reactor con lecho fluidizado o un reactor con lecho móvil.
15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 13, en el que el reactor elevador y de combustión está equipado con una entrada de aire caliente y está, adicionalmente, caracterizado por que:
el producto sólido generado a partir de la pirólisis deja el dispositivo de reacción de pirólisis para formar una mezcla con el vehículo de calor sólido que lleva el depósito de carbono, la mezcla se fluidiza y eleva rápidamente mediante el aire caliente en el reactor elevador y de combustión junto con el vehículo de calor que lleva el polvo fino capturado que deja el dispositivo de reacción de gasificación con lecho móvil y, durante la elevación, el residuo de carbono contenido en el producto sólido y el depósito de carbono se quema para proporcionar calor, de tal manera que el vehículo de calor sólido se calienta y se regenera; en donde el depósito de carbono se forma sobre la superficie del vehículo de calor sólido mediante la reacción secundaria del producto gaseoso generado a partir de la pirólisis y
opcionalmente, adicionalmente caracterizado por que: la temperatura de entrada del aire caliente en el reactor elevador y de combustión está configurado para garantizar la combustión del residuo de carbono y el depósito de carbono.
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