ES2854730T3 - Aparato y proceso para la carbonización continua de virutas o desechos de madera y otros materiales orgánicos carbonizados - Google Patents
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Abstract
Un aparato para la producción autógena de carbón vegetal que comprende: un alimentador (1) para suministrar un material orgánico calentado a un receptáculo de reacción (2), el receptáculo de reacción (2) para soportar un lecho de reacción de material orgánico, y al menos un puerto de descarga (13) para descargar material orgánico descompuesto térmicamente del receptáculo de reacción (2), definiendo el receptáculo de reacción (2) una trayectoria de flujo en la que avanza la descomposición térmica del material orgánico a medida que el material orgánico avanza a través del receptáculo de reacción (2); comprendiendo el receptáculo de reacción (2): una zona de reacción (22) para la reacción de pirólisis autógena de material orgánico en el lecho de reacción para formar gases pirolignosos, una zona de enfriamiento (23) que tiene al menos una entrada de zona de enfriamiento (11) para suministrar gas de enfriamiento al lecho de reacción y una salida de zona de enfriamiento (10, 17) para extraer gas calentado del lecho de reacción, y al menos una entrada de zona de reacción (18) en forma de lanza (12) que se extiende a través del lecho de reacción hacia la zona de reacción (22) para suministrar un gas al receptáculo de reacción (2); y unas salidas de zona de reacción (9) provistas en la periferia de la zona de reacción (22) para eliminar el gas suministrado a la zona de reacción por la lanza (12), de manera que los gases entran en la zona de reacción (22) sustancialmente en una ubicación central en el receptáculo de reacción (2) y se mueven transversalmente a través del flujo de material en la zona de reacción (22) hacia la periferia del receptáculo de reacción (2).
Description
DESCRIPCIÓN
Aparato y proceso para la carbonización continua de virutas o desechos de madera y otros materiales orgánicos carbonizados
Campo de la invención
La invención se refiere a un aparato y a un proceso para la producción a bajo coste de carbón vegetal a partir de virutas o desechos de madera u otro material orgánico particulado, que se puede realizar en una amplia gama de tamaños y capacidades; siendo la calidad del carbón vegetal producido ser adecuada para su uso en aplicaciones que incluyen los reactivos químicos, los combustibles y los absorbentes.
Antecedentes de la invención
La sustitución de productos de carbón por carbón vegetal en la industria química, metalúrgica y de otro tipo presenta muchas ventajas, particularmente en lo que respecta a la mejora de la calidad del producto y los beneficios ambientales. No obstante, el uso actual de carbón vegetal por la industria está limitado por su precio relativamente alto, lo cual se debe, principalmente, al coste asociado a su producción, así como al coste de las materias primas. Las tecnologías actuales de producción de carbón vegetal no pueden producir carbón vegetal a precios que sean competitivos con los productos de carbón en la mayoría de los entornos económicos del mundo. Como tal, existe una clara necesidad de desarrollar un método nuevo y económicamente viable de producción de carbón vegetal, que también sea capaz de utilizar material lignocelulósico de bajo grado.
Los principales factores que afectan al precio del carbón vegetal incluyen: costes de capital de instalación de la planta, el tipo de proceso (es decir, por lotes o continuo), la escala del reactor, el tiempo de residencia requerido por el material en el reactor, los costes de mantenimiento, el coste de las materias primas, la eficiencia energética del proceso y el valor retenido con los subproductos.
Es preferente utilizar virutas/desechos de madera, en lugar de troncos de madera de construcción de calidad, como materia prima. Si bien el uso de madera de calidad generalmente da como resultado un producto de carbón vegetal de alta calidad, el uso de virutas y desechos de madera es económicamente más viable y rentable. Así mismo, el uso de virutas y desechos de madera disminuye el tiempo de residencia en un reactor, en comparación con los troncos de madera, ya que el tiempo de calentamiento de las virutas de madera es más corto. No obstante, con el uso de virutas/desechos de madera, la transferencia de calor al núcleo de una gran masa de material de virutas/desechos de madera es lenta debido a que el material a granel posee una baja permeabilidad a los gases y una baja conductividad térmica. Por ende, ni el calentamiento, mediante el soplado a través de un gas caliente, ni externamente, es eficiente para grandes volúmenes de material.
Existen muchos procesos comerciales a gran escala para producir carbón vegetal. Algunos de los procesos principales incluyen el sistema de retorta de Lambiotte/Lurgi (US 2289917), los sistemas de reactores tubulares con material accionado por un tornillo, por ejemplo, la retorta de Thomsen (US 3110652), los sistemas de retorta de tubo giratorio, por ejemplo, la retorta de Seaman (US 1115590), múltiples sistemas de hornos de calor, por ejemplo, el horno de Herreshoff (Handbook of charcoal making. Solar Energy R&D in the European Community. Series E, Energy from biomass, vol. 7 (1985)), los reactores de pirólisis de lecho fluidizado, y el proceso de Badger-Stafford (Nelson, W.G. Waste Wood Distillation by the Badger-Stafford Process. Ind. Eng. Chem. (1930). n.° 4, vol. 22, p.312-315.).
Muchos de estos sistemas tienen limitaciones que impiden la síntesis de carbón vegetal en la calidad deseada por un precio económicamente viable, que sea competitivo con el coste del carbón.
La figura 1 muestra una realización de una técnica de producción de carbón vegetal conocida como proceso de Stafford (US 1380262). Stafford descubrió que, cuando las virutas de madera están completamente secas (con un contenido de humedad inferior al 0,5%) y son precalentadas a al menos 150 °C, la descomposición térmica de masas de material suficientemente grandes puede ser completamente autógena incluso en la atmósfera libre de oxígeno (US 1380262). Por ende, en comparación con otros procesos, no se necesita ni el soplado de gases calientes a través del material ni el calentamiento externo con el fin de llevar a cabo la pirólisis. En el contexto de la invención, el término "autógeno" se utiliza en el presente documento para describir un proceso, que genera espontáneamente una cantidad suficiente de calor como para que sea autosuficiente en una atmósfera libre de oxígeno.
El proceso de Stafford se lleva a cabo preferentemente en una retorta cilíndrica vertical de funcionamiento continuo, en la que se evita la entrada de gases durante la carga y la extracción de los materiales (US 1380262).
La madera en la zona más fría de la retorta se calienta mediante vapores y gases pirolignosos que ascienden desde la zona más caliente. La madera se calienta a una temperatura correspondiente al punto en el que la reacción de carbonización se vuelve vigorosamente exotérmica (esto sucede a una temperatura de aproximadamente 300 °C en el caso de la madera). Incluso una permeabilidad limitada al gas es suficiente para que este mecanismo de calentamiento proceda, ya que la sobrepresión de los vapores desprendidos en la zona caliente los empuja hacia la
salida de gases/vapores ubicada en la parte superior del reactor. La temperatura máxima alcanzada en el proceso de Badger-Stafford es de aproximadamente 515 °C.
Debido a la naturaleza exotérmica del proceso, una vez que el proceso está en funcionamiento, únicamente se requiere calor inicialmente para secar la madera y precalentarla a 150 °C antes de que la madera entre en la retorta. El carbón vegetal abandona la retorta a aproximadamente 255 °C y es transportado directamente a un acondicionador de carbón vegetal, que es un tubo giratorio con paredes enfriadas por agua.
El proceso de Badger-Stafford puede convertir virutas/desechos de madera, pero no aserrín, en carbón vegetal, ya que es importante mantener el nivel mínimo requerido de permeabilidad al gas del material. Las piezas de madera más pequeñas que se pueden procesar tienen un tamaño de aproximadamente 2 mm x 2 mm x 50 mm; el tiempo de residencia estimado para el material en el reactor varía entre 1,5 y 3 horas.
Si bien el proceso de Badger-Stafford ofrece ventajas sobre los otros métodos de síntesis de carbón vegetal mencionados anteriormente, también presenta varios inconvenientes.
• No existe recuperación de calor a partir del carbón vegetal a medida que se enfría, es decir, se puede mejorar la eficiencia energética del proceso.
• El proceso tiene una flexibilidad y capacidad de control limitadas, es decir, no existen medios para aumentar la temperatura sustancialmente por encima de 515 °C o para mantener de manera fiable una temperatura más baja, por ejemplo, a 450 °C, si es preciso.
• No existe un control eficiente de la velocidad de calentamiento y el tiempo de residencia para cada porción de material dentro del reactor.
• Los vapores migran en sentido ascendente desde capas más cálidas a capas más frías de material y luego son extraídas; como resultado, algunas fracciones valiosas de alto punto de ebullición se condensan dentro de estas capas más frías de material y no pueden ser extraídas del reactor.
• A medida que los orgánicos salen de la retorta, si es deseable maximizar el rendimiento del carbón vegetal, no existe una oportunidad de reciclar los orgánicos hacia la zona de reacción para aumentar el rendimiento del carbón vegetal
Los documentos FR621350 A, WO79/00610A1 y BE836515 A1 divulgan un aparato y un método para la producción de carbón vegetal.
La presente invención proporciona un aparato para la síntesis de carbón vegetal y ofrece mejoras sobre el proceso de Badger-Stafford. En particular, la presente invención permite al menos una de flexibilidad y capacidad de control mejoradas del proceso, escalabilidad expandida del proceso, mejora de la eficiencia energética, aumento de la productividad del reactor, aumento del rendimiento del carbón vegetal, mejora de la calidad de los productos líquidos y acondicionamiento más rápido del carbón vegetal. La referencia a cualquier técnica anterior en la memoria descriptiva no es, y no se debería tomar como, un reconocimiento o cualquier forma de sugerencia de que esta técnica anterior forma parte del conocimiento general común en Australia o en cualquier otra jurisdicción o que se puede esperar razonablemente que esta técnica anterior se determine, entienda y considere pertinente por un experto en la materia.
Sumario de la invención
De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un aparato para la producción de carbón vegetal como se define en las reivindicaciones 1-8 actuales.
La descomposición térmica del material orgánico es preferentemente la carbonización del material orgánico y el producto descargado es material orgánico carbonizado (carbón vegetal). Los vapores pirolignosos condensables y el gas pirolignoso no condensable también se producen y se eliminan del aparato a través de unas salidas de gases en la cámara de reacción.
En una forma preferente de la invención, el receptáculo de reacción incluye unas entradas de gases adicionales para la introducción de gases portadores o de enfriamiento y unas salidas de gases para la eliminación de vapores condensables y gases no condensables de este. De esta forma, la invención ofrece un control mejorado del flujo de vapores pirolignosos y calor en comparación con el proceso de Badger-Stafford.
En la realización de acuerdo con la invención reivindicada actualmente, los gases entran en la zona de reacción sustancialmente en una ubicación central en la cámara de reacción y se mueven transversalmente a través del flujo de material hacia la periferia de la cámara de reacción. En una forma de esta realización, también pueden estar formadas unas entradas de gases adicionales en la lanza aguas abajo de las entradas de gases iniciales en la lanza
o lanzas. Los gases pueden ser un gas inerte o no oxidante que está destinado a portar tanto los vapores pirolignosos como el calor generado en la zona de reacción del reactor. Esto se puede hacer para controlar la temperatura del reactor por debajo de la temperatura que se obtendría de otro modo y también para extraer una fracción deseable de vapores pirolignosos generados en un intervalo de temperatura elegido.
Una primera salida de gases puede estar provista en la periferia de la zona de reacción. La primera salida de gases es para eliminar los vapores pirolignosos y el calor generados en la zona de reacción del reactor y el gas portador suministrado a la zona de reacción por la lanza.
Esta realización se puede utilizar cuando sea deseable producir carbón vegetal a una temperatura más baja, es decir, con un contenido de materia volátil superior al habitual, y también para aumentar el rendimiento de los productos de pirólisis condensables.
Las entradas y las salidas de gases adicionales también pueden estar provistas en otras ubicaciones del árbol del reactor, si es preciso.
En las realizaciones alternativas, existe una zona de calentamiento por encima de la zona de reacción y los gases pirolignosos se pueden extraer de la zona de calentamiento del reactor a una temperatura predeterminada e introducirse en la zona de reacción a través de la salida de lanza. De esta manera, los materiales orgánicos gaseosos que salen de otro modo del reactor y forman una fase condensable se convertirán parcialmente en carbón vegetal adicional a expensas del rendimiento del producto líquido.
El gas introducido a través de la lanza se puede calentar para controlar la temperatura en la zona de reacción a un nivel predeterminado deseado. Debido a la naturaleza autógena del proceso de carbonización, además de los procedimientos de puesta en marcha inicial, por lo general, no se requerirá la inyección de gas calentado, a menos que exista una necesidad específica de calentar el carbón vegetal sustancialmente por encima de 515 °C para obtener un producto de materia poco volátil.
Otra salida de gases puede estar provista en la región de la zona de enfriamiento del reactor para eliminar los gases calientes. La zona de enfriamiento está preferentemente en una trayectoria de flujo progresivo del material orgánico de la zona de reacción. El gas de enfriamiento es preferentemente un gas no oxidante que es hecho circular en dirección contraria al flujo del material.
En otro aspecto de la invención, se proporciona un proceso para la producción de carbón vegetal como se define en las reivindicaciones 9-14.
Si se necesita un carbón vegetal de alto contenido volátil, se puede introducir un gas frío en la zona de reacción exotérmica. Esto se debe a que la temperatura máxima en la zona de reacción debe limitarse por debajo de la temperatura máxima alcanzada de manera autógena.
Si es necesario calentar el carbón vegetal por encima de la temperatura máxima alcanzada de manera autógena para obtener un carbón vegetal de baja volatilidad, entonces el gas caliente debe introducirse por debajo de la zona exotérmica, pero por encima de la zona de enfriamiento. No es deseable introducir gases calientes en la zona de reacción exotérmica, ya que esto reducirá el rendimiento del carbón vegetal y la cantidad de calor generado en la zona exotérmica, por tanto, reducir la eficiencia de la reacción.
En la realización de la invención, los gases externos son inyectados a través de una lanza interna que tiene al menos una salida de gases en las zonas exotérmicas o de calentamiento del receptáculo de reacción. Los gases externos pueden ser gases inertes, tal como nitrógeno. De manera alternativa o adicional, los gases eliminados de otras partes del proceso, tales como la zona de calentamiento del receptáculo de reacción, pueden introducirse en la zona exotérmica u otras zonas del proceso.
El proceso puede proporcionar, además, gas de enfriamiento que entra en la zona de enfriamiento del receptáculo de reacción. El gas de enfriamiento calentado en la zona de enfriamiento de la zona de reacción se elimina a través de unas salidas de gases secundarias en las proximidades de la zona de enfriamiento del receptáculo de reacción. Estos gases pueden utilizarse luego para precalentar el material orgánico antes de cargarlo en el receptáculo de reacción en un aparato, tal como un precalentador, o utilizarse de otras maneras para recuperar calor a partir de estos.
En la forma preferente anterior, las salidas de gases secundarias pueden estar situadas en una lanza interna ubicada axialmente en el receptáculo de reacción y/o en la pared de receptáculo de reacción en las proximidades de la zona de enfriamiento. La lanza interna puede ser la misma lanza interna que se utiliza para inyectar gases externos en la zona exotérmica del receptáculo de reacción.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra la realización del proceso de Stafford.
La figura 2 es una vista en sección lateral de una realización de la invención.
La figura 3 es una vista inferior de la totalidad del receptáculo que se muestra en la figura 2.
Descripción detallada de las realizaciones
El aparato para la producción de carbón vegetal de la invención se considera bien adaptado para un proceso autógeno para la síntesis de carbón vegetal. En el contexto de la invención, la expresión "proceso autógeno" se utiliza en el presente documento para describir un proceso, que genera espontáneamente una cantidad suficiente de calor como para que sea autosuficiente en una atmósfera libre de oxígeno. Se considera que un proceso autógeno para la síntesis de carbón vegetal es el proceso más adecuado para producir grandes volúmenes de carbón vegetal a partir de virutas y/o desecho de madera porque:
(A) no se necesita un suministro externo de calor al material con el fin de que proceda la reacción de pirólisis, como resultado, la transferencia de calor al núcleo del material no limita el tamaño del reactor;
(B) el tiempo de residencia del material en el reactor es razonablemente corto;
(C) el proceso es energéticamente eficiente, ya que no se requiere energía térmica externa de alto grado para que suceda la reacción de pirólisis;
(D) el rendimiento del carbón vegetal es alto, debido a una combinación de la alta concentración de vapores pirolignosos y su tiempo de residencia suficiente que permite que las reacciones secundarias de formación de carbón vegetal procedan en un grado considerable;
(E) los vapores y los gases que abandonan el reactor tienen un valor económico más alto y son más fáciles de capturar, ya que no se diluyen con gases calientes circulantes, como es el caso de muchos otros procesos;
(F) dado que el proceso se lleva a cabo en una atmósfera libre de oxígeno, no existe combustión del carbón vegetal, los vapores o los gases;
(G) la realización de esta invención es mecánicamente sencilla, por tanto, tiene bajos costes de instalación y mantenimiento.
La presente invención proporciona un aparato para producir carbón vegetal a partir de una materia prima orgánica. En la figura 2, se muestra una realización de la invención. El aparato de esta realización comprende: un alimentador [1] para suministrar material a un receptáculo de reacción [2]. El aparato puede comprender, además, unos sistemas de control y seguimiento apropiados.
El alimentador comprende una tolva de materia prima (4) para recibir materia prima orgánica seca, preferentemente completamente seca, y precalentada procedente de un secador ubicado aguas arriba del alimentador (1) (que no se muestra en la figura 2); y un medio de transporte mostrado como un transportador sinfín [6] para suministrar la materia prima orgánica seca y calentada a una válvula cónica hermética al gas [7] por encima del receptáculo de reacción [2]. En el contexto de la invención, El material orgánico completamente seco tiene un contenido de humedad inferior a 0,5 % en peso.
El receptáculo de reacción [2] comprende un receptáculo de reacción ahusado [2] que diverge desde la válvula cónica hacia la base del reactor. La válvula cónica hermética al gas [7] está montada para girar en torno a un eje central para distribuir la materia prima de manera uniforme por la parte superior del receptáculo de reacción [2]. El receptáculo de reacción [2] está provisto de aislamiento térmico [5], alrededor de las superficies externas. El receptáculo de reacción generalmente tiene una primera sección que contiene una zona de calentamiento [21], una zona de reacción exotérmica [22] y una segunda sección que contiene una zona de enfriamiento [23]. Una salida de gases y vapores [8], respiraderos de pared lateral [9] en la zona de reacción exotérmica [22] y respiraderos de pared lateral [10] en la zona de enfriamiento [23] están provistos para eliminar el gas del receptáculo de reacción.
El receptáculo de reacción [2] está provisto, además, de una entrada de gases inicial, que se muestra en forma de una lanza interna [12] que sobresale del exterior por debajo de la base del receptáculo de reacción [2] y se extiende hacia la zona de reacción exotérmica para introducir gases en la zona exotérmica [22]. En esta realización, la lanza [12] comprende un conducto exterior [15] con un conducto concéntrico interior [16], por lo que el conducto exterior [15] se extiende hacia la zona de enfriamiento, y el conducto interior [16] se extiende hacia la zona de reacción exotérmica [22]. Si bien esta realización muestra una única lanza, los diseños de receptáculos más grandes pueden requerir más de una lanza. Si bien la realización de la invención se ha descrito con referencia a una lanza, se pueden utilizar otras formas de aparatos de suministro de gas dentro del amplio alcance de la invención. Las otras formas incluyen un conducto o tubería generalmente de material refractario que suministra gas centralmente a la zona de reacción exotérmica.
La tubería exterior [15] de la lanza de la realización preferente contiene un respiradero de extracción [17] a la zona de enfriamiento y está conectada a un sistema de extracción de gas [19]. El conducto interior [16] contiene un respiradero de suministro [18] a la zona de reacción exotérmica [22] y está conectado a un sistema de suministro de gas [20]. El gas suministrado a través del conducto interior [16] puede ser un gas no reactivo que no reacciona con el contenido del receptáculo de reacción [2]. De manera alternativa, el gas suministrado a través del conducto interior [16] puede ser vapores condensables reciclados devueltos al receptáculo de reacción para aumentar el rendimiento del carbón vegetal.
La sección inferior del receptáculo de reacción comprende, además, una válvula cónica de pared perforada para soportar el lecho de reacción y descargar el material cuando alcanza un nivel apropiado de descomposición térmica. La parte exterior de la válvula cónica se puede deslizar entre una posición abierta y cerrada para permitir que una cantidad predeterminada de carbón vegetal caiga a la cámara de volumen fijo formada por el cilindro [24] unido a la parte móvil de la válvula cónica.
La sección inferior del receptáculo de reacción también incluye unas entradas de gases de enfriamiento [11] y al menos un puerto de descarga de carbón vegetal [13] con válvulas de compuerta asociadas [14]. El carro de carbón vegetal [3] está provisto de, y comprende, medios, tales como una tolva, para recibir carbón vegetal descargado del puerto de descarga de carbón vegetal [13].
Funcionamiento
El alimentador [1] comprende una tolva [4] para recibir materia prima orgánica pretratada. El pretratamiento de la materia prima orgánica se realiza en un secador ubicado aguas arriba de la tolva [4] (que no se muestra en la figura 2) y comprende secar y precalentar el material hasta un contenido de humedad y temperatura propicios para la descomposición térmica de la materia prima orgánica en el receptáculo de reacción [2]. Idealmente, este es un contenido de humedad de menos de 0,5 % en peso y una temperatura superior a 150 °C. Los materiales orgánicos son preferentemente virutas de madera o desechos de madera. El tamaño mínimo de las virutas/desechos de madera es generalmente el mismo que el del proceso de Badger-Stafford expuesto anteriormente. Un alimentador [1] suministra la materia prima orgánica calentada seca a la válvula cónica hermética al gas [7] que precede al receptáculo de reacción [2] mediante un transportador sinfín [6] que luego pasa por gravedad hacia el receptáculo de reacción [2]. Para distribuir el material de manera uniforme por la parte superior del reactor, la válvula cónica [7] puede girar.
La conversión de materia prima orgánica en material orgánico carbonizado (carbón vegetal) se produce en el receptáculo de reacción [2].
Procedimiento de puesta en marcha
El fin principal del procedimiento de puesta en marcha es calentar el material en el reactor y las paredes del reactor a la temperatura que sea adecuada para que el proceso se desarrolle de manera autógena en una atmósfera libre de oxígeno. Con el fin de iniciar la descomposición autógena, la temperatura del material seco ubicado en la zona exotérmica del receptáculo de reacción debe elevarse a aproximadamente 400 a 500 °C. Para la puesta en marcha, se puede soplar tanto gas oxidante (por ejemplo, aire) como no oxidante hacia el reactor para elevar su temperatura. No obstante, soplar aire puede ser más eficiente/viable, ya que la combustión del material proporcionará calor, que, de lo contrario, debe tomarse de una fuente externa. Se introduce gas caliente con una temperatura de aproximadamente 500 °C en la zona de reacción exotérmica [22] preferentemente a través de los puertos de gases externos [16] en la lanza o conducto [15] y las salidas de gases [10] en las paredes del receptáculo de reacción pueden utilizarse para introducir gases calientes y quemar parte del material orgánico durante la fase de puesta en marcha. El gas caliente preferente es aire calentado.
El flujo de salida del gas que asciende por el receptáculo de reacción a través de la zona de calentamiento se produce preferentemente a través de la salida de gases [8]. En el caso de soplar aire caliente, cuando se inicia la combustión de la madera seca en la zona de reacción exotérmica, los productos de combustión también se pueden eliminar del reactor a través de la salida de gases [8]. Las entradas de gases de enfriamiento [11] deben cerrarse durante esta operación para evitar que el proceso de combustión se extienda en sentido descendente en lugar de extenderse en sentido ascendente. Es preferente cerrar las salidas de vapor [9] y la entrada de gases inertes [20] también, de manera que los productos de combustión pasarán y precalentarán el material ubicado en la zona de calentamiento en lugar de abandonar el reactor a través de las salidas de vapor [9] y la entrada de gases inertes [20]. La cantidad de aire (gas) inyectada debe controlarse estrictamente para evitar el sobrecalentamiento del receptáculo de reacción. Cuando la temperatura del material ubicado en la zona de reacción [22] alcanza aproximadamente 500 °C, debe detenerse el flujo de gases de puesta en marcha hacia el reactor y se debería evitar cualquier entrada de aire en el reactor. A continuación, el receptáculo de reacción [2] se puede hacer funcionar en el modo continuo autógeno.
En el modo de "funcionamiento normal", la temperatura en la zona de reacción exotérmica no está controlada por ningún medio, es decir, la temperatura se eleva al nivel máximo que puede alcanzar para el diseño de reactor dado y las propiedades químicas del material utilizado (por ejemplo, especies de madera). No obstante, la circulación de
nitrógeno gaseoso dentro de la zona de enfriamiento se utiliza para acelerar el enfriamiento, enfriar el carbón vegetal a temperaturas más bajas (de lo que serían de otra manera, reduciendo, por ende, los requisitos para el acondicionamiento del carbón vegetal) y para recuperar el calor a partir del carbón vegetal enfriado.
Para permitir la recuperación de calor (y el enfriamiento) del carbón vegetal, nitrógeno gaseoso frío entra a través de las entradas [11], en contraflujo con el carbón vegetal en el compartimento de descarga (por debajo de la válvula [24]) y el carbón vegetal en la zona de enfriamiento. El nitrógeno calentado abandona el reactor a través de las salidas de gases [17] y [19].
El nitrógeno que abandona el reactor a través de las salidas [17] y [19] puede calentarse hasta 500 °C y, por lo tanto, puede ser una fuente de calor de grado razonablemente alto para diversos fines. Esto contrasta con el proceso de Badger-Stafford, donde el carbón vegetal se enfría por pérdida natural de calor a través de las paredes del reactor y, por tanto, no se recupera de manera eficiente el calor a partir del carbón vegetal.
En modo continuo, el receptáculo de reacción [2] convierte la materia prima orgánica en carbón vegetal mediante un proceso de descomposición autógeno en el que el proceso de descomposición es un proceso de carbonización que avanza a medida que la materia prima orgánica avanza desde la entrada hasta la salida del receptáculo de reacción. El receptáculo de reacción comprende una serie de zonas de reacción que atraviesa el material. En esta realización, se han designado tres zonas de reacción; una zona de calentamiento [21], una zona de reacción exotérmica [22] y una zona de enfriamiento [23].
El material orgánico es alimentado a la zona de calentamiento del receptáculo de reacción, donde el material es calentado mediante gases ascendentes de modo que, a medida que avanza hacia la zona exotérmica del receptáculo de reacción [2], lo hace a una temperatura donde tiene lugar la descomposición autógena del material orgánico en carbón vegetal.
El gas caliente es introducido en la zona de reacción exotérmica [22] preferentemente a través de los puertos de gases externos [18] en la lanza o conducto [15]. Los gases pirolignosos y los gases externos calentados introducidos a través de los puertos de gases [18] pueden eliminarse a través de las salidas de gases [9] en las paredes del receptáculo de reacción en las proximidades de la zona de reacción exotérmica [22]. El flujo de gases desde los puertos de gases [18] en la lanza hasta las salidas de gases [9] proporciona un medio para controlar la temperatura en la zona exotérmica, permite la eliminación de gases pirolignosos, que pueden ser un subproducto, y mantiene la permeabilidad en el lecho de reacción. Esto ayuda a prevenir la sobrecompactación del lecho de reacción y mantiene la capacidad de controlar la calidad del producto y la temperatura en el lecho de reacción.
El gas de enfriamiento entra en la zona de enfriamiento del receptáculo de reacción. El gas de enfriamiento calentado en la zona de enfriamiento del receptáculo de reacción se elimina a través de unas salidas de gases secundarias en las proximidades de la zona de enfriamiento del receptáculo de reacción. Estos gases pueden utilizarse luego para precalentar el material orgánico antes de cargarlo en el receptáculo de reacción en un aparato, tal como un precalentador, o utilizarse de otras maneras para recuperar calor a partir de estos. Las salidas de gases secundarias pueden estar situadas en una lanza interna situada axialmente en el receptáculo de reacción y/o en la pared de receptáculo de reacción en las proximidades de la zona de enfriamiento. La lanza interna puede ser la misma lanza interna que se utiliza para inyectar gases externos en la zona exotérmica del receptáculo de reacción.
La presente invención permite el control del flujo de gases y vapores a través del receptáculo de reacción [2]. El flujo de salida de gases y vapores se puede controlar mediante cualquier combinación de la salida de gases y vapores [8] en la primera sección del receptáculo de reacción en la región de la zona de calentamiento [21], los respiraderos de pared lateral [9] en la zona de reacción exotérmica [22], los respiraderos de pared lateral [10] en la zona de enfriamiento [23] y la extracción de gases de la zona de enfriamiento [23] a través del respiradero de extracción [17] del conducto exterior [15] de la lanza [12]. El flujo de entrada de gases se puede controlar utilizando las entradas de gases de enfriamiento [11] y el suministro del gas no reactivo a través del respiradero de ventilación [18] del conducto interior [16] de la lanza [12]. Este control del flujo de gases a través de las diversas etapas de reacción del receptáculo de reacción [2] permite controlar el perfil de temperatura y la presión en el receptáculo de reacción y el lecho de reacción. Este control también permite la utilización del calor extraído de la zona de enfriamiento de otro modo desperdiciado, así como la extracción de una fracción deseable de vapores pirolignosos generados en un intervalo de temperatura elegido. Como tal, este método de producción tiene una alta eficiencia energética y permite controlar la composición del producto orgánico carbonizado final.
Las entradas y las salidas de gases también pueden estar provistas en otras ubicaciones del árbol del reactor, si es preciso. Por ejemplo, el gas se puede extraer de la zona de calentamiento del reactor a una temperatura predeterminada e introducirse en la zona de reacción a través de la salida de lanza 18. De esta manera, los materiales orgánicos que salen de otro modo del reactor y forman una fase condensable se convertirán parcialmente en carbón vegetal adicional a expensas del rendimiento del producto líquido.
A medida que el material atraviesa la zona de calentamiento [21], este se calienta a una temperatura a la que la reacción de carbonización se vuelve exotérmica. El material orgánico en la "zona de calentamiento" se calienta
mediante vapores pirolignosos que pueden ascender desde zonas posteriores. No se requiere energía térmica de una fuente externa para hacer avanzar la reacción en el receptáculo de reacción [2]. La energía térmica transportada a la zona de calentamiento [21] se puede controlar mediante el control del flujo de vapores pirolignosos a esa zona.
A medida que el material atraviesa la zona de reacción exotérmica [22], el material orgánico se descompone mediante un proceso de carbonización autógeno. Esto convierte el material orgánico en material orgánico carbonizado (carbón vegetal), vapor pirolignoso y energía térmica. El vapor pirolignoso puede ascender a zonas más altas en el reactor transportando energía térmica. El vapor pirolignoso se puede extraer de la zona exotérmica a través de respiraderos de pared lateral [9] que recubren las paredes del receptáculo de reacción [2] en la zona de reacción exotérmica [22]. Esto permite la extracción del vapor pirolignoso en la dirección radial como se ve desde la parte superior. Este control de la dirección del flujo másico del vapor pirolignoso permite controlar la velocidad y el grado de calentamiento. El vapor pirolignoso transporta una porción de la energía térmica generada como resultado de la descomposición exotérmica del material orgánico. La extracción de una alta proporción del vapor pirolignoso a través del respiradero de pared lateral [9] da como resultado que una baja proporción de vapor pirolignoso ascienda a las etapas anteriores del receptáculo de reacción [2], lo que da como resultado que una baja proporción de la energía térmica ascienda a las etapas anteriores del receptáculo de reacción [2]. Por el contrario, la extracción de una pequeña proporción del vapor pirolignoso a través de los respiraderos de ventilación de pared lateral da como resultado que una mayor proporción del vapor pirolignoso ascienda a las etapas anteriores del receptáculo de reacción [2], lo que da como resultado que en una mayor proporción de energía térmica ascienda a las etapas anteriores del receptáculo de reacción [2].
Los vapores pirolignosos generalmente se extraen del reactor después de haber migrado en sentido ascendente desde capas más cálidas a capas más frías. Como resultado, algunas fracciones valiosas de alto punto de ebullición de estos vapores se condensan dentro de las capas más frías de material y no se pueden extraer del reactor. Por lo tanto, un beneficio adicional de extraer los vapores pirolignosos directamente de la zona de reacción exotérmica es que se pueden extraer del reactor, a través de la trayectoria más corta posible, fracciones valiosas seleccionadas de vapores pirolignosos generados dentro de un intervalo de temperatura determinado. Tal disposición evitará el reciclado de estas fracciones de vapor dentro del reactor. Este modo de funcionamiento es ventajoso en la situación en la que la temperatura de tratamiento requerida está por debajo de la temperatura máxima posible que el reactor puede desarrollar de manera autógena y también si es viable alguna reducción del rendimiento del carbón vegetal a favor de la obtención de productos líquidos de mayor valor.
A medida que el material atraviesa la zona de enfriamiento [23], este se enfría a la temperatura deseada mediante el intercambio de calor con gases de enfriamiento. Generalmente, el gas es aire o mezclas con aire. La zona de enfriamiento está provista de una válvula cónica de pared perforada en su parte inferior para permitir que el lecho de reacción se forme en el receptáculo de reacción y retenga la progresión del material orgánico hasta que alcance un nivel de descomposición suficiente para avanzar al producto final. El carbón vegetal se descarga periódicamente del receptáculo de reacción. Para descargar el material, la parte exterior de la válvula cónica se desliza hacia abajo y una cantidad predeterminada de carbón vegetal cae en la cámara de volumen fijo formada por el cilindro [24] unido a la parte móvil de la válvula cónica. Cuando la parte exterior de la válvula cónica vuelve a la posición superior "cerrada", el carbón vegetal descargado se esparce sobre la parte inferior de la sección inferior del receptáculo de reacción, donde está expuesto al flujo de gases de enfriamiento. La zona de enfriamiento [23] tiene unas entradas de gases de enfriamiento [11] para suministrar gas de enfriamiento al lecho de reacción. A medida que el gas de enfriamiento asciende por la zona de enfriamiento [23], el gas de enfriamiento extrae energía térmica a partir del material orgánico carbonizado a través del intercambio de calor directo y se convierte en gas de enfriamiento calentado. El material orgánico carbonizado se enfría a la temperatura deseada controlando el caudal del gas de enfriamiento. El gas de enfriamiento calentado se puede extraer a través del respiradero de pared lateral [10] en la zona de enfriamiento y a través del respiradero de extracción [17] en la tubería exterior [15] de la lanza [12]. La energía térmica en el gas de enfriamiento calentado extraído se puede recuperar para utilizar en el secado y precalentamiento de la materia prima orgánica en el secador. Esto aumenta la eficiencia energética del proceso. Para garantizar que no penetre gas de enfriamiento en la zona de reacción exotérmica del reactor y que no haya un flujo recíproco de vapores pirolignosos en sentido descendente en la zona de enfriamiento [23], las presiones en las entradas de gases de enfriamiento [11] y la salida de gases y vapores [ 8] se controlan cuidadosamente. La mejor relación entre las presiones en las entradas [11] y la salida [8] se considera cuando se observa una cantidad muy pequeña de humo (aerosol formado por la condensación de vapores pirolignosos) en la salida de la salida de gases calientes [10].
El material orgánico carbonizado se retira del receptáculo de reacción [2] a través de al menos un puerto de descarga de carbón vegetal [13]. En esta realización, la descarga del puerto de descarga se controla mediante una serie de válvulas de compuerta [14] y el material orgánico carbonizado se descarga en un carro de carbón vegetal [3].
El tiempo de residencia del material dentro del receptáculo de reacción [2] puede optimizarse en cada región a medida que el material avanza a través del receptáculo de reacción. Esto se puede lograr variando el área de sección transversal horizontal del receptáculo de reacción [2]. Mediante la inclinación de las paredes del reactor y/o de la lanza para hacer que la sección transversal horizontal del receptáculo de reacción [2] se expanda o merme a medida que el material de reacción avanza a través del sistema, el tiempo de residencia de cada porción del material con el receptáculo de reacción [2] es lo más cercano al tiempo de residencia óptimo como sea prácticamente posible.
El receptáculo de reacción [2] también comprende un método para realizar un seguimiento de las variables de estado dentro del sistema. Las variables de estado de las que se realiza un seguimiento pueden incluir la temperatura y la presión en diversas etapas a través del receptáculo de reacción [2]. Las variables de estado de las que se realizar un seguimiento se pueden utilizar para controlar el flujo de vapores pirolignosos a través del receptáculo de reacción [2], el flujo del gas no reactivo a través de los respiraderos de salida [18] de la lanza [12], y el flujo del gas de enfriamiento a través de las entradas de gas de enfriamiento [11] en la zona de enfriamiento.
Control de calidad del producto
La presencia de la lanza [12] junto con los respiraderos de ventilación de pared lateral [9 y 10] permite controlar el flujo de vapores pirolignosos y la temperatura tanto en dirección horizontal como vertical a través del receptáculo de reacción. Esto permite realizar una serie de estrategias de control de calidad del producto. Estas estrategias de control incluyen, aunque sin limitación:
(A) la extracción de gases pirolignosos de una zona de temperatura elegida dentro del receptáculo de reacción permite obtener productos y subproductos de la calidad deseada. Por ejemplo, si es deseable maximizar el rendimiento del carbón vegetal, los gases pirolignosos extraídos de las zonas seleccionadas de temperatura más fría del receptáculo de reacción se pueden reciclar a las zonas de temperatura más alta para aumentar la conversión de los gases pirolignosos en carbón vegetal.
(B) Si se desea un producto de carbón vegetal con un alto contenido de volátiles que el producido en un funcionamiento normal (por ejemplo, en carbón vegetal con mayor inflamabilidad, ya que puede ser necesario para la inyección de carbono pulverizado en un alto horno), los gases calientes de la zona caliente del reactor se pueden extraer de modo que la temperatura del receptáculo de reacción se mantenga por debajo de un valor particular. Al producir carbón vegetal de mayor volatilidad, la temperatura máxima del tratamiento debe reducirse (digamos, hasta 450 °C). La temperatura máxima es el factor que afecta principalmente al contenido volátil del carbón vegetal. La temperatura máxima en la zona de reacción puede reducirse extrayendo una fracción de los vapores de pirólisis calientes producidos en la zona de reacción exotérmica [22] a través de las salidas [9], extrayendo, por lo tanto, calor de esa zona. Esto se puede hacer hasta ciertos límites únicamente, ya que la eficiencia del precalentamiento del material en la zona de calentamiento también se reducirá; sin embargo, el reactor debería tener alguna capacidad de reserva para soportar una pérdida de calor media, particularmente si se reduce la temperatura máxima requerida (por ejemplo, a 450 °C). Los vapores deberían poder fluir a través de las salidas [9] de manera espontánea, ya que su presión en la zona exotérmica es superior a la ambiental. No obstante, el soplado de gas no oxidante a través de la entrada [18, 20] puede aumentar el flujo de salida de vapores del reactor, si es necesario, o aumentar el flujo de gases a través de la zona de calentamiento para compensar el flujo reducido de gases/vapores de pirólisis a través de esa zona, si el precalentamiento resulta insuficiente. En este modo de funcionamiento, la cantidad de productos de pirólisis líquidos aumentará a expensas de la cantidad de carbono fija asociada con el carbón vegetal y de la cantidad de gas. Este modo de funcionamiento es particularmente favorable si el aumento del rendimiento de los productos líquidos es deseable y económicamente viable.
Por otro lado, la reducción de la temperatura en la zona de reacción exotérmica para producir carbón vegetal más volátil se puede lograr reciclando una fracción de los gases y vapores de pirólisis que salen del reactor desde la salida [8]) de regreso hacia la zona de reacción a través de los respiraderos [22]. Estos gases tienen una temperatura de 180 a 200 °C y portan vapores de pirólisis (aerosol de alquitranes de pirólisis). Los aerosoles de alquitrán de pirólisis, cuando se inyectan en la zona de reacción, se agrietarán en la superficie del carbonizado caliente fresco (esta es una reacción establecida) y generarán carbón vegetal adicional. Dado que los vapores extraídos de la salida [8] tienen una temperatura de 180 a 200 °C, su inyección en la zona de reacción exotérmica reducirá la temperatura allí. Al mismo tiempo, el reciclaje de la fracción de los gases de pirólisis de regreso hacia la zona de reacción aumentará el caudal total de gas a través de la zona de calentamiento (ya que la cantidad de gas que abandona el reactor debe permanecer aproximadamente igual para evitar la acumulación de presión). Como resultado, la altura relativa de la zona de reacción exotérmica, así como la temperatura de los gases que abandonan el reactor, puede aumentar ligeramente.
(C) Si se requiere un producto de carbón vegetal con un bajo grado de volátiles, una necesidad específica de un carbón vegetal de baja volatilidad (es decir, para la recarburización de acero), este se puede realizar en el proceso/reactor propuesto haciendo circular nitrógeno gaseoso caliente a través del mismo ciclo que el ciclo de enfriamiento (descrito anteriormente), aumentando la temperatura en el receptáculo de reacción. El nitrógeno caliente (por ejemplo, a 850 °C) debería entrar en el reactor a través de las entradas [11] y luego abandonar el reactor a través de las salidas [17] y [19] ligeramente enfriado (hasta aproximadamente 550 °C). La temperatura máxima del nitrógeno caliente puede estar limitada por la resistencia al calor de los materiales de los que está hecho el reactor. El enfriamiento y el acondicionamiento del carbón vegetal producido de esta manera (y la extracción de calor, si se desea) debería hacerse en un aparato por separado. Se espera que este modo de funcionamiento sea menos eficiente energéticamente que el modo anterior, pero puede resultar útil cuando se necesitan pequeñas cantidades de carbón vegetal de baja volatilidad para fines especiales.
Como se utiliza en el presente documento, excepto donde el contexto requiera lo contrario, el término "comprender" y
las variaciones del término, tales como "que comprende", "comprende" y "comprendido/a/os/as", no pretenden excluir otros aditivos, componentes, integrantes o etapas.
Claims (14)
1. Un aparato para la producción autógena de carbón vegetal que comprende:
un alimentador (1) para suministrar un material orgánico calentado a un receptáculo de reacción (2), el receptáculo de reacción (2) para soportar un lecho de reacción de material orgánico, y
al menos un puerto de descarga (13) para descargar material orgánico descompuesto térmicamente del receptáculo de reacción (2), definiendo el receptáculo de reacción (2) una trayectoria de flujo en la que avanza la descomposición térmica del material orgánico a medida que el material orgánico avanza a través del receptáculo de reacción (2);
comprendiendo el receptáculo de reacción (2):
una zona de reacción (22) para la reacción de pirólisis autógena de material orgánico en el lecho de reacción para formar gases pirolignosos,
una zona de enfriamiento (23) que tiene al menos una entrada de zona de enfriamiento (11) para suministrar gas de enfriamiento al lecho de reacción y una salida de zona de enfriamiento (10, 17) para extraer gas calentado del lecho de reacción, y
al menos una entrada de zona de reacción (18) en forma de lanza (12) que se extiende a través del lecho de reacción hacia la zona de reacción (22) para suministrar un gas al receptáculo de reacción (2); y unas salidas de zona de reacción (9) provistas en la periferia de la zona de reacción (22) para eliminar el gas suministrado a la zona de reacción por la lanza (12),
de manera que los gases entran en la zona de reacción (22) sustancialmente en una ubicación central en el receptáculo de reacción (2) y se mueven transversalmente a través del flujo de material en la zona de reacción (22) hacia la periferia del receptáculo de reacción (2).
2. El aparato de la reivindicación 1, que comprende, además, una zona de calentamiento (21) para calentar el material orgánico por los gases pirolignosos formados en, y que ascienden desde, la zona de reacción (22), y una salida de zona de calentamiento (8) para extraer los gases de la zona de calentamiento (21).
3. El aparato de la reivindicación 1 o 2, que comprende, además, una segunda salida de zona de enfriamiento (10, 17) en la región de la zona de enfriamiento (23) para eliminar los gases calientes de la zona de enfriamiento (23).
4. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la salida de zona de reacción (9) comprende unos respiraderos de pared lateral (9) que recubren las paredes del receptáculo de reacción (2) en la zona de reacción (22) de modo que los gases pirolignosos puedan extraerse de la zona de reacción (22) a través de los respiraderos de pared lateral (9).
5. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la lanza (12) comprende un conducto exterior (15) con un conducto concéntrico interior (16), extendiéndose el conducto exterior (15) hacia la zona de enfriamiento (23) y extendiéndose el conducto interior (16) hacia la zona de reacción exotérmica (22).
6. El aparato de la reivindicación 5, en donde la salida de zona de enfriamiento (17) comprende un respiradero de extracción (17) en el conducto exterior (15) de la lanza (12) y el conducto exterior (15) está conectado a un sistema de extracción de gas (19), y
en donde la entrada de zona de reacción (18) comprende un respiradero de suministro (18) en el conducto interior (16) y está conectada a un sistema de suministro de gas (20) para suministrar gas a la zona de reacción (22).
7. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el receptáculo de reacción (2) comprende más de una lanza (12) que se extiende a través del lecho de reacción hasta la zona de reacción (22) para suministrar un gas al receptáculo de reacción (2).
8. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el receptáculo de reacción (2) tiene un área en sección transversal que disminuye o aumenta al menos en, o en las proximidades de, la zona de reacción (22).
9. Un proceso para la producción autógena de carbón vegetal que comprende las etapas de:
añadir material orgánico seco a un primer extremo de un receptáculo de reacción (2), por lo que el material orgánico avanza a lo largo de una trayectoria de flujo a través del receptáculo de reacción (2) y se elimina de un puerto de descarga (13) en un segundo extremo del receptáculo de reacción (2);
calentar el material orgánico en una zona de calentamiento (21) del receptáculo de reacción (2) a medida que este avanza a través del receptáculo de reacción (2) a una zona de reacción (22) donde la temperatura del material orgánico ha alcanzado una temperatura suficiente para que se produzca la descomposición térmica autógena exotérmica del material orgánico;
permitir que el material orgánico en la zona de reacción (22) experimente una descomposición térmica autógena en carbón vegetal y gases pirolignosos; y
enfriar el carbón vegetal en una zona de enfriamiento (23) del receptáculo de reacción (2) antes de la descarga,
en donde los gases externos se inyectan en la zona de reacción (22) a través de una entrada de zona de reacción (18) en una lanza interna (12), y los gases pirolignosos se eliminan de las salidas de zona de reacción (9) en la periferia del receptáculo de reacción (2) en las proximidades de la zona de reacción (22) de manera que los gases se muevan sustancialmente transversalmente a través del material en la zona de reacción (22) hacia las salidas de zona de reacción (9).
10. El proceso de la reivindicación 9, en donde el gas de enfriamiento entra en la zona de enfriamiento (23) del receptáculo de reacción (2) a través de las entradas de zona de enfriamiento (11) y en donde el gas de enfriamiento calentado en la zona de enfriamiento de la reacción se elimina a través de las salidas de zona de enfriamiento (10,17) en las proximidades de la zona de enfriamiento del receptáculo de reacción.
11. El proceso de la reivindicación 10, en donde las salidas de zona de enfriamiento (17) están situadas en un conducto exterior (15) de la lanza interna (12) y el conducto exterior (15) está conectado a un sistema de extracción de gas (19), y en donde la entrada de zona de reacción (18) comprende un respiradero de suministro (18) en un conducto interior (16) de la lanza interna (12) y está conectada a un sistema de suministro de gas (20) para suministrar gas a la zona de reacción (22).
12. El proceso de la reivindicación 10 u 11, en donde el gas de enfriamiento calentado en la zona de enfriamiento (23) y eliminado a través de las salidas de zona de enfriamiento (10, 17) se utiliza para precalentar el material orgánico antes de añadirlo al primer extremo del receptáculo de reacción (2).
13. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde el proceso se realiza sin la aplicación de una fuente de calor externa para calentar el material orgánico o para mantener la temperatura del material orgánico.
14. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en donde una porción de los gases externos y los gases pirolignosos que se eliminan del receptáculo de reacción (2) son recirculados a la zona de reacción (22).
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