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ES2411684T3 - Tratamiento del gas de combustión del tratamiento de desechos - Google Patents

Tratamiento del gas de combustión del tratamiento de desechos Download PDF

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ES2411684T3
ES2411684T3 ES09799686T ES09799686T ES2411684T3 ES 2411684 T3 ES2411684 T3 ES 2411684T3 ES 09799686 T ES09799686 T ES 09799686T ES 09799686 T ES09799686 T ES 09799686T ES 2411684 T3 ES2411684 T3 ES 2411684T3
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Howard Morgan Clarke
Peter Bartl
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Pyropure Ltd
Original Assignee
Pyropure Ltd
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Abstract

Un procedimiento para el tratamiento de desechos, que comprende: Calentamiento de desechos en una cámara a una temperatura elevada para efectuar lapirólisis de los desechos; Introducción de oxígeno en la cámara para efectuar la gasificación de los desechospirolizados de tal forma que la pirolisis y gasificación se llevan a cabo de forma secuencalen la misma cámara; Contacto del gas de combustión de las fases de pirólisis y/o gasificación con uncatalizador de oxidación para convertir el monóxido de carbono y los hidrocarburos delgas de combustión en dióxido de carbono y agua; Medición del contenido de oxígeno del gas de salida del catalizador usando un sensor deoxígeno, y usando esta información para modular la entrada de aire al catalizador o a lacámara o tanto al catalizador como a la cámara de tal forma que se mantenga el nivel deoxígeno del gas que sale del dispositivo; y Monitorización de la temperatura del catalizador usando un sensor de temperatura en ocerca del catalizador de tal forma que un incremento en la temperatura desencadene unincremento en la entrada de aire al catalizador para reducir la temperatura.

Description

La presente invencion se refiere a un procedimiento y un dispositivo para procesar el gas de combustion del tratamiento de residuos.
Se conoce una serie de tecnicas para el tratamiento destructivo de los desechos, incluyendo la incineracion, pirolisis, combustion (gasificacion) y combinaciones de dichos procedimientos.
Un problema con el tratamiento de residuos, en particular con los residuos domesticos, es que no hay un par de cantidades de residuos que sean identicos, debido al numero de variables que existen en su composicion, incluyendo el peso, el volumen y el contenido en agua. Esto es generalmente cierto incluso para flujos de residuos unicos como el residuo fecal.
Los reglamentos que regulan la industria del tratamiento de residuos imponen niveles maximos para ciertos componentes de la produccion resultante del tratamiento. Por tanto, la realidad es que cualquier sistema de gestion de residuos tiene que tratar con entradas incontroladas pero se ve obligado a producir rendimientos controlados de emisiones no peligrosas.
Una cantidad tipica de residuos tratados por una combinacion de pirolisis y combustion de acuerdo con los procedimientos descritos es la de la patente W02007/104954, ya sea de flujo unico o mezclado, producira monoxido de carbono (CO), hidrogeno (H2), hidrocarburos diversos (incluyendo compuestos organicos volatiles, conocidos como VOCs por sus siglas en ingles o como CxHyOz, y alquitran, siendo una mezcla de compuestos organicos producidos por pirolisis de materia organica de desecho), agua (H2O), oxidos de sulfuro (SOx), oxidos de nitrogeno (tambien conocidos como oxidos nitrosos, NOx), cloruro de hidrogeno (HCl), fluoruro de hidrogeno (HF) y diversos metales volatiles. La patente US 5826520 tambien describe un dispositivo y un procedimiento para las consecutivas pirolisis y combustion de desechos el en interior de un unico cerramiento.
Se busca llevar a cabo dichos procedimientos en un lugar tan proximo como sea posible a la ubicacion de los desechos, evitando el transporte de los residuos a traves de largas distancias, pero conseguir esto al mismo tiempo que se cumple con los reglamentos que regulan el contenido del gas de combustion exige un cumplimiento estricto respecto a los niveles maximos de ciertos componentes del gas de combustion. Se busca tambien poner a disposicion procedimientos y dispositivos aptos para su uso a escala domestica.
Los procedimientos de pirolisis y combustion conocidos pueden producir altos niveles de monoxido de carbono y tambien hidrocarburos tales como VOCs y/o alquitranes. Se sabe como reducir tales emisiones en plantas de pirolisis de grandes dimensiones por la introduccion de una segunda fase de combustion. Esto, sin embargo, genera temperaturas que serian excesivas en una unidad domestica y pueden tambien generar otros componentes no deseados de gases de combustion.
Es objeto de la invencion el mejorar los problemas identificados supra. Un objeto de realizaciones particulares de la invencion es proporcionar un proceso y un dispositivo para el tratamiento in situ de desechos a escala domestica y gran escala domestica con reduccion en el monoxido de carbono y los niveles de hidrocarburos en gases de combustion. Es objeto de realizaciones especificas de la invencion el conseguir eso para residencias de multiples ocupantes y tambien para residencias domesticas individuales y empresas comerciales tales como supermercados, restaurantes, residencias y hospitales. Un objeto ulterior es reducir y/o eliminar la necesidad de transporte de desechos e impedir que el desecho termine en el vertedero de basuras, permitiendo a las autoridades locales cumplir con las exigencias de las directivas sobre reciclaje.
Consecuentemente, la invencion proporciona un procedimiento para el tratamiento de desechos de acuerdo con la reivindicacion 1.
En la presente invencion, el termino "combustion" incluye cualquier reaccion de oxidacion de materiales basados en el carbono, siendo el oxidante el oxigeno y siendo la reaccion neutral en relacion con la energia o, al menos, ligeramente exotermica. Esto incluye la gasificacion, que es el termino preciso para la reaccion de oxidacion que tiene lugar en la camara en la presente invencion en cuanto dicha oxidacion tiene a ser ligeramente exotermica y el principal producto es monoxido de carbono mas que dioxido de carbono.
Por tanto, en realizaciones tipo de la invencion, el desecho es calentado para llevar a cabo la pirolisis del desecho en la camara. En una fase subsiguiente, que, generalmente, tiene lugar inmediatamente despues, pero puede estar temporalmente distanciada de la pirolisis, se introduce suficiente oxigeno en la misma camara para efectuar la gasificacion, en la misma camara, del desecho pirolizado. Asi, la pirolisis y la gasificacion son llevadas a cabo de forma secuencial en la misma camara. Preferiblemente, la introduccion de oxigeno es suficiente para la gasificacion pero insuficiente para permitir la ignicion del desecho. Como resultado, la gasificacion tiene lugar sin la ignicion y sin una llama en la camara.
Los procedimientos y dispositivos de la invencion son particularmente aptos para el tratamiento de desecho seleccionado de entre desecho domestico, desecho que contenga alimento, desecho carbonaceo, desecho producido por pisos, casas y construcciones residenciales de unico o multiples ocupantes, desechos de restaurantes, desechos de supermercados, desechos de hospitales, desecho de servicios sanitarios incluidas residencias, desecho del tratamiento de aguas residuales y desecho sanitario, pero especialmente desecho domestico, desecho que contenga alimento, desecho producido por construcciones residenciales con multiples ocupantes.
La invencion tambien proporciona un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 13.
El catalizador de oxidacion es manejado, de forma adecuada, a una temperatura de entre 2000 C a 9000 C, especialmente a una temperatura de entre 3000C a 8000C. Los catalizadores de oxidacion para su uso en la invencion pueden comprender platino o paladio y ocasionalmente, aunque de forma menos comun, rodio. En realizaciones particulares, el catalizador de oxidacion es un filtro de particulas diesel o un conversor catalitico de doble via o comprende paladio sobre aluminio. Realizaciones especificas emplean uno o mas conversores cataliticos del tipo usado en la industria del automovil, que se ha descubierto su efectividad en la reduccion significativa del contenido en hidrocarburos y CO del gas de combustion. Pueden ser utilizados en la invencion catalizadores de oxidacion que contengan paladio y alumina o que contengan paladio e iridio.
Los procedimientos de la invencion pueden comprender el contactar el gas de combustion con un primer catalizador de oxidacion que es un filtro de particulas diesel y un segundo catalizador que es un conversor catalitico de doble via, o puede comprender el contactar el gas de combustion con un primer catalizador de oxidacion que es un filtro de particulas diesel y un segundo catalizador que comprende paladio y alumina.
Los procedimientos de la invencion pueden comprender tambien la filtracion de gas de combustion para eliminar la ceniza previamente al contacto del gas de combustion con los catalizadores de oxidacion y reduccion, preferiblemente filtrando el gas de combustion de tal forma que la ceniza permanezca en la camara. Las realizaciones especialmente preferidas comprenden la filtracion del gas de combustion para eliminar la ceniza y el uso de un catalizador de oxidacion que comprenda paladio o aluminio. En realizaciones alternativas de la invencion, puede ser usado un contenedor ciclonico para recoger ceniza previamente al contacto del gas de combustion con los catalizadores de oxidacion y reduccion de tal manera que la ceniza pueda ser posteriormente eliminada o vertida en una camara existente de una tuberia de drenaje.
En realizaciones ulteriores de la invencion, el procedimiento comprende ademas el contactar los gases de combustion con un catalizador de reduccion para eliminar los oxidos nitrosos, generalmente por conversion en nitrogeno y oxigeno. El termino "oxidos nitrosos" utilizado aqui hace referencia a cualquier oxido de nitrogeno, e incluye los compuestos comunmente conocidos como NOx. El orden de las superficies catalizadoras puede ser tal que el gas de combustion pase primero a traves del catalizador de oxidacion y entonces el catalizador de reduccion o que dicho gas de combustion pase primero a traves del catalizador de reduccion y despues del catalizador de oxidacion. Los catalizadores de reduccion para su uso en la invencion pueden comprender rodio y tambien, aunque menos corrientemente, paladio y/o platino. Los catalizadores de reduccion pueden comprenden rodio y platino, rodio y platino o tanto rodio, como paladio y platino.
El catalizador de reduccion es manejado de forma adecuada a una temperatura de 3000C7000C, especialmente a una temperatura de entre 4000C-6000C. El catalizador de reduccion puede ser un conversor catalitico de triple via, por ejemplo de la industria automovilistica.
Un catalizador de reduccion puede ser usado si del contenido en oxido nitroso del gas de combustion se sabe o se espera que este por encima de un cierto nivel, por ejemplo, un nivel en el cual los reglamentos de emision se verian infringidos. Un catalizador de reduccion puede ser tambien usado si otro procedimiento en el tratamiento de gas de combustion, al eliminar un componente no deseado, introduce oxidos nitrosos como un subproducto.
Puede ser usado un catalizador que combine, en una unica unidad, tanto superficies de catalizador de reduccion como superficies de catalizador de oxidacion o una superficie que pueda proporcionar tanto oxidacion como reduccion dependiendo de la naturaleza del gas.
Por tanto, la invencion proporciona un dispositivo que incorpora uno o mas conversores cataliticos para reducir el contenido de CO e hidrocarburos tales como los VOCs y alquitran en el gas de combustion.
En realizaciones especialmente preferidas, el procedimiento comprende el contactar el gas de combustion con un catalizador de oxidacion y, subsiguientemente, contactar el gas de combustion con un catalizador de reduccion. En una realizacion especifica descrita en los ejemplos, el procedimiento comprende contactar el gas de combustion con, secuencialmente, un catalizador de oxidacion, un catalizador de reduccion y un segundo catalizador de oxidacion. Una realizacion preferente adicional de la invencion comprende el contactar el gas de combustion con un unico catalizados de oxidacion. Otras unidades de tratamiento de gas de combustion descritas aqui pueden estar ubicadas entre los catalizadores, y lo anterior hace referencia a las respectivas posiciones de los catalizadores en el flujo del gas de combustion.
Como una etapa adicional, el procedimiento puede incluir el contactar el gas de combustion con uno o mas o la totalidad de (i) un estropajo humedo para eliminar acidos inorganicos y metales volatiles (ii) una llamada unidad VTT, que es una unidad de tratamiento termico de VOC que destruye compuestos organicos volatiles y alquitranes pesados pero puede producir NOx termico (iii) una unidad de filtrado seco, un eliminador de niebla, que impide el que se lleve el vapor de agua a subsiguientes fases del procedimiento, y (iv) un filtro que elimina particulas. Este ultimo filtro puede ser omitido si el gas de combustion pasa finalmente a una corriente de agua como la alcantarilla, pues el agua tambien eliminara las particulas. El estropajo humedo puede proporcionar tambien suficiente filtrado de particulas de tal forma que no se necesite ningun otro filtro.
La invencion proporciona, adicionalmente, un dispositivo de tratamiento de desechos de acuerdo con la reivindicacion 13, para implementar los procedimientos de la invencion.
La camara esta adaptada para ser sellada de tal forma que los desechos pueden ser calentados en ausencia de oxigeno para efectuar la pirolisis de los desechos, generalmente una etapa inicial del tratamiento de desechos. La camara comprende tambien una entrada para aire para permitir al oxigeno, como componente del aire, entrar a la camara para efectuar la combustion de los desechos. Cuando nos referimos aqui a ausencia de oxigeno, con objeto de efectuar la pirolisis, lo hacemos a una cantidad de oxigeno que sea insuficiente para que la combustion u oxidacion tenga lugar en algun grado significativo, siendo asi las reacciones en la camara en gran medida de pirolisis. Asi, durante la fase de pirolisis, puede haber alguna introduccion de aire, por ejemplo, para ayudar a transformar el gas de combustion en gases de escape. Puede suministrarse aire a la camara por medio de un compresor de aire opcionalmente conectado a un tanque de aire. Esto permite adicionalmente que sea inyectado aire presurizado en la camara para agitar el desecho asegurando asi que la cantidad total de desecho en la camara es calentada de manera uniforme.
El aire que es suministrado a la camara puede pasar a traves de un intercambiador de calor que recibe el gas de escape del conversor catalitico. El intercambiador de calor transfiere calor de los gases que salen del catalizador hacia el aire que esta siendo suministrado a la camara, reduciendo asi la cantidad de energia requerida para calentar la camara.
El catalizador de oxidacion puede ser un filtro de particulas diesel, un conversor catalitico de doble via o puede comprender paladio y aluminio. El dispositivo puede comprender tambien un primer catalizador de oxidacion que es un filtro de particulas diesel y un segundo catalizador que es un conversor catalitico de doble via, o un primer catalizador de oxidacion que es un filtro de particulas diesel y un segundo catalizador que comprende paladio y alumina.
El dispositivo puede ademas comprender un catalizador de reduccion para catalizar la reduccion de oxidos nitrosos en el gas de combustion y, si esta presente el catalizador de reduccion, se prefiere que el dispositivo tenga, de forma secuencial, un catalizador de oxidacion para el tratamiento del gas de combustion que sale de la camara y un catalizador de reduccion para el tratamiento del gas de combustion que sale del catalizador de oxidacion. El dispositivo puede comprender tambien un filtro para impedir que la ceniza salga de la camara en el gas de combustion. Alternativamente, puede ser utilizado un contenedor ciclonico para recoger la ceniza del gas de combustion que sale de la camara, previo a que el gas de combustion entre en el catalizador.
De forma mas detallada, la invencion proporciona un procedimiento para el tratamiento de desechos de acuerdo con la reivindicacion 1 y, opcionalmente, con uno o mas catalizadores de reduccion. El procedimiento comprende opcionalmente el hacer salir de la camara, con agua, el desecho combustionado. El residuo solido del desecho tratado es, mayoritariamente, ceniza fina y es facilmente arrastrado, por ejemplo, a una cloaca u otra corriente de agua. El desecho es, de esta forma, tratado in situ. Opcionalmente, pueden usarse inyecciones de aire presurizado para ayudar a desalojar el residuo solido de la camara.
La invencion puede utilizar catalizadores de doble o triple via. Los catalizadores de doble via son, generalmente, catalizadores solo de oxidacion y convierten (oxidan) monoxido de carbono e hidrocarburos en dioxido de carbono y agua. Los catalizadores de triple via pueden convertir tambien oxidos nitrosos en nitrogeno, con lo que pueden convertir monoxido de carbono, hidrocarburos y oxidos nitrosos en dioxido de carbono, nitrogeno y vapor de agua por una combinacion de oxidacion y reduccion de acuerdo, por ejemplo, a la naturaleza del gas que esta siendo convertido, si es relativamente pobre o rico y/o su contenido en oxigeno.
Opcionalmente, puede ser anadida una solucion como la urea a los gases de combustion del procedimiento de tratamiento de desechos para disminuir los niveles de oxidos de nitrogeno en los gases de combustion. Generalmente, la solucion es suministrada por inyeccion en o cerca del catalizador. Una solucion de urea genera amoniaco que reacciona con los oxidos de nitrogeno para reducirlos a nitrogeno y oxigeno en la presencia de un catalizador de reduccion catalitica selectiva o SCR (por sus siglas en ingles).
Una opcion ulterior para reducir las emisiones de NOx es anadir compuestos quimicos oxidantes al agua del depurador; de tal forma que la fraccion de NO en las emisiones de NOx es oxidada a NO2, que puede ser mas facilmente absorbida por el depurador de agua, incrementando, por tanto, la fraccion global de NOx eliminado del gas de combustion por el depurador de agua. Tales compuestos oxidantes incluyen, entre otros, hipoclorito de socio, hipoclorito de calcio, compuestos de oxiclorina (CIOx), peroxido de hidrogeno, permanganato de potasio, sulfito de sodio y Fe-EDTA.
En una realizacion de la invencion, el catalizador de oxidacion es el llamado conversor catalitico de doble via y cataliza dos reacciones, en concreto oxidacion de monoxido de carbono a dioxido de carbono (por ejemplo, 2CO + 02 • 2CO2) y oxidacion de hidrocarburos a dioxido de carbono y agua (por ejemplo, CxH4x + 2xO2 • xCO2 + 2xH2O).
En otra realizacion de la invencion, el catalizador de oxidacion es el llamado conversor catalitico de triple via y cataliza tres reacciones, concretamente reduccion de oxidos de nitrogeno a nitrogeno y oxigeno (por ejemplo, 2NOx • xO2 + N2), oxidacion de monoxido de carbono a dioxido de carbono (por ejemplo, 2CO + 02 � 2CO2) y oxidacion de hidrocarburos a dioxido de carbono y agua (por ejemplo, CxH2x+2 + 2xO2 � xCO2 + 2xH2O).
En una ulterior realizacion de la invencion, el dispositivo comprende tanto un conversor catalitico de doble via como un conversor catalitico de triple via, pasando el gas de combustion preferiblemente primero a traves del conversor catalitico de doble via.
El catalizador de oxidacion puede ser un catalizador tipo-filtro antiparticulas diesel (conocido como catalizador DPF, por sus siglas en ingles). Estos son termicamente robustos y pueden ser usados especialmente para eliminar el alquitran del gas de combustion, en cuanto la eliminacion de alquitran es exotermica y los filtros DPF pueden tolerar las temperaturas generadas. Un catalizador asi es el suministrado por European Exhaust & Catalysts Ltd, UK, que contiene 3 sustratos de dimensiones de aproximadamente 14.2 cm x 3 cm (5.66 pulgadas x 1.2 pulgadas), una porosidad de 7970 poros por metro (220 ppi (poros por pulgada)), en el interior de un envase de acero. Los substratos estan revestidos con un revestimiento catalitico con una delantera de metal precioso de 138 g/m3 (15 g/ft3) de paladio y el catalizador tiene un temperatura de funcionamiento preferente de alrededor de 7500 C. Este catalizador puede eliminar hidrocarburos como alquitranes y monoxido de carbono del gas de combustion.
Otro catalizador de oxidacion adecuado es un catalizador de automovil de la firma European Exhaust & Catalysts Ltd (EEC) que contiene 2 sustratos de aproximadamente 11.7 cm x
7.5 cm. (4.66 pulgadas x 3 pulgadas) x 635.000 celulas por m2 (400cpsi (celulas por pulgada cuadrada)) en un envase de acero, con un catalizador propiamente dicho de 321 g/m3 (35 g/ft3) de platino. El catalizador tienen una temperatura de funcionamiento del intervalo entre 200-8000 C, mas preferiblemente de alrededor de 300-5000 C.
El catalizador de oxidacion puede ser del tipo ejemplificado por el catalizador CK-304 de Haldor-Topsoe (el HT). Estos catalizadores comprenden paladio sobre alumina, generalmente como paladio impregnado sobre alumina, como sobre esferas de 3-5 mm de diametro con una temperatura de funcionamiento preferente del intervalo de entre 500-6000C. Estos catalizadores son utiles en la eliminacion de VOCs, incluyendo metano y etano. Los alcanos ligeros como metano y etano son generalmente bien eliminados por estos catalizadores. Son menos tolerantes a las altas temperaturas, por lo que pueden ser usados solos o en combinacion con un DPF que elimina alquitranes exotermicos de tal forma que el HT puede entonces eliminar los VOCs que permanecen, especialmente metano. Estos catalizadores pueden tambien hacerse funcionar a temperaturas mas bajas, por ejemplo 350-5000C, como cuando la destruccion de metano es de menor importancia o durante una porcion del ciclo de tratamiento de desechos en la que la produccion de metano es reducida.
Generalmente, las reacciones que tienen lugar en el catalizador son exotermicas y es asi posible que un catalizador se sobrecaliente al usarlo. De acuerdo con la invencion, se incluye un sensor de temperatura en o cerca del catalizador de tal forma que un incremento en la temperatura por encima de un nivel predeterminado, o por encima de un nivel predeterminado para una determinada cantidad de tiempo provoca un incremento en la entrada de aire al catalizador para reducir la temperatura. En realizaciones particulares de la invencion, el catalizador funciona a alrededor de 6000 C y tolerara breves periodos de funcionamiento a alrededor de 7000 C, sin embargo, a la larga, las temperaturas superiores a 7000 C pueden ser daninas. Las tolerancias de temperatura y los umbrales relevantes variaran de acuerdo con: el tipo especifico de catalizador que se este usando, con la temperatura optima de funcionamiento siendo dictada por la composicion deseada de los gases de combustion que salen del catalizador. Generalmente, unas temperaturas mas elevadas de funcionamiento, por ejemplo, alrededor de 7000 C o mas, resultan en la eliminacion por el catalizador de hasta el 100% de los VOCs.
La invencion tambien comprende un sensor de oxigeno para medir el contenido de oxigeno del gas de escape del catalizador y esta informacion puede ser usada para modular la cantidad de entrada de aire en el catalizador o en la camara o en ambos. Generalmente, si el contenido de oxigeno cae por debajo de un nivel predeterminado, entonces la cantidad de entrada de aire se incrementa hasta que el nivel de oxigeno en los gases de salida alcanza un umbral aceptable. De forma similar, si la cantidad de oxigeno esta sobre un cierto nivel, entonces la cantidad de entrada de aire se reduce. Generalmente, en la presente invencion, la referencia a la entrada de oxigeno se consigue por entrada de aire.
Si hay demasiado poco oxigeno presente en los gases de combustion que entran al convertidor catalitico hay riesgo, por ejemplo, de que el H2S, con su olor caracteristico, no pueda ser suficientemente convertido en SOx y, asi, no sea aprehendido por un depurador de agua, con el resultado de que el H2S sea liberado del dispositivo.
Generalmente, en el funcionamiento de la invencion, el nivel de oxigeno del gas que sale del dispositivo se mantiene en el intervalo de 1-16%, preferiblemente en el intervalo de 3-10 %. Un nivel de oxigeno seguro es generalmente el de al menos 4 %, preferiblemente 5 a 6 %. Si el oxigeno se eleva a alrededor de 16% o superior, entonces la entrada de aire se vera generalmente reducida, bien por la reduccion de la entrada de aire a la camara o por reduccion de la entrada previa de aire al catalizador o ambos.
El sensor deoxigeno puede venir constituido por unsensor ·"Lambda",talcomoelusado en la industria automovilistica. Los sensores Lambda pueden ser intoxicados por sulfuro y, asi, se ubican generalmente mas abajo del depurador (que elimina el sulfuro de la corriente de gas de combustion). Pueden usarse sensores alternativos de oxigeno que no se intoxican por sulfuro y, en esta realizacion de la invencion, el depurador y el catalizador pueden estar en cualquier orden o puede estar ausente el depurador.
Los oxidos de nitrogeno presentes en el gas de combustion pueden ser reducidos por reaccion con CO y VOCs en cuanto estos compuestos se consumiran entre si. Sin embargo, habiendo exceso de oxigeno el CO y los VOCs tenderan a reaccionar con el oxigeno. Asi, un control estricto de los niveles de oxigeno puede permitir la eliminacion de los oxidos de nitrogeno por reaccion con el CO y los VOCs.
La funcion del catalizador de reaccion puede desempenarla un convertidor catalitico de triple via del tipo conocido para su uso en la industria automovilistica, por ejemplo, estando ampliamente disponible de varios suministradores, tales como Wuxi Honghu Muffler Co., Ltd. Y Beihai Huihuang Chemical Ceramic Co., Ltd., ambos de China, que, generalmente, tienen temperaturas de funcionamiento en el intervalo de 400-8000 C. Un ejemplo de un catalizador usado a la fecha en el procedimiento es el catalizador de triple via EC1000 de EEC, con un sustrato ceramico de 635.000 celulas/m2 (400 cpsi), 93 mm x 152 mm, con un revestimiento de alumina/circonio/cerio de PGM Paladio:Rodio de 5:1.
En una operacion tipo de la invencion, se hacen salir emisiones solidas en forma de ceniza desde la camara, por ejemplo con agua. Las emisiones gaseosas, conocidas como gas de combustion, se tratan de forma separada y salen de la camara por una salida de gases de combustion, ubicada opcionalmente en la parte superior de la camara y fluyen primero a un catalizador de filtro de particulas diesel (conocido por DPF por sus siglas en ingles). Estos filtros funcionan a alrededor de 7000 C, eliminando el alquitran por oxidacion catalistica ademas de una fraccion de CO y VOCs. Posterior a los DPFs hay un segundo lecho catalitico de oxidacion, que funciona a alrededor de 5000 C. Este lecho catalitico elimina VOC's, CO, hidrogeno y los alquitranes remanentes al convertirlos en dioxido de carbono y vapor de agua y eliminara tambien los oxidos nitrosos, convirtiendolos en nitrogeno y oxigeno. Del segundo lecho catalitico los gases remanentes pasan a un depurador de agua que funciona a alrededor de 700 C y que absorbe gases solubles en agua tales como HCl y HF asi como cualquier particula de materia solida. Los gases que salen por la parte superior del depurador de agua consisten esencialmente de aire, vapor de agua y dioxido de carbono y se consideran no toxicos.
Un dispositivo de pirolisis y combustion para llevar a cabo la invencion comprende una camara sellable, una zona de tratamiento de desechos en la camara, un puerto para la introduccion de desechos en la camara, un puerto para la salida del desecho tratado, un elemento calentador, una salida para gas de combustion y un catalizador de oxidacion a traves del cual el gas de combustion pasa despues de dejar la camara.
Como se describe infra de forma mas detallada, el dispositivo de la invencion comprende una camara unica daptada para pirolisis y combustion de desechos en la misma camara. El dispositivo de control esta dispuesto de tal forma que la entrada de oxigeno es suficiente para la combustion (gasificacion) pero insuficiente para permitir la ignicion del desecho. Como resultado, la combustion tiene lugar sin ignicion y sin llama en la camara o en cualquier otro lugar del dispositivo.
Un procedimiento para el tratamiento de desechos de acuerdo con la invencion comprende la introduccion de desechos en una camara, el calentamiento la camara a una elevada temperatura para efectuar la pirolisis del desecho, la introduccion de oxigeno en la camara para efectuar la combustion del desecho, el paso de gas de combustion por uno o masa catalizadores de oxidacion y hacer salir de la camara el residuo del desecho combustionado, opcionalmente con agua. La temperatura elevada para efectuar la pirolisis es, convenientemente, de 400 a 7000 C. El trabajar a estas temperaturas con un rapido enfriado de la camara y de su contenido una vez que el tratamiento esta terminado y el usar un tiempo de ciclo de tratamiento relativamente corto tiende a evitar la formacion de algunos de los mas nocivos contaminantes (por ejemplo, dioxinas y furano) asociados con la pirolisis normalizada o unidades de incineracion o los forman en un menor grado, mientras se asegura que puede ser tratado sustancialmente todo el desecho distinto de los componentes reciclables. En particular, puede ser reducida la generacion de NOx en comparacion con procedimientos de incineracion conocidos. Por tanto, una ventaja de la invencion es que el tratamiento catalitico de gases de combustion puede ser llevado a cabo de forma efectiva. La temperatura de pirolisis es preferiblemente de 500 a 7000 C, mas preferiblemente de 500 a 6000 C. En una realizacion especifica del procedimiento, descrita con mas detalle infra, el sistema funciona a alrededor de 5500 C.
La combustion se lleva a cabo, convenientemente, a temperaturas elevadas, generalmente 4000 C o superior, preferiblemente al menos a 4500C mas preferiblemente al menos 5000 C. En una puesta en funcionamiento tipo de un dispositivo de la invencion, la camara es calentada hasta la temperatura de pirolisis y entonces se lleva a cabo la combustion como la siguiente etapa sin calentamiento o enfriamiento separados especificos de la camara. El calor generado por combustion mantiene generalmente una temperatura elevada en el interior de los desechos y dependiendo de su contenido calorifico puede incrementar ligeramente la temperatura de tal manera que los calentadores de las camaras estan generalmente apagados durante la combustion. El calor puede ser eliminado de la camara haciendo pasar gases a traves de un radiado o intercambiador de calor y el calor recuperado puede ser usado para otros fines. La temperatura de la camara puede ser tambien controlada por el control de flujo de aire en el interior de la camara. Generalmente, la temperatura de la camara durante la combustion no se eleva por encima de 8000 C y preferiblemente no por encima de 7500 C o 7000 C.
El volumen de la camara para el dispositivo esta generalmente en el intervalo de entre
0.01 - 0.50 m3. El volumen de la camara esta preferiblemente en el intervalo de 0.02-0.30 m3, mas preferiblemente de 0.03 a 0.20 m3 o de 0.04 a 0.10 m3. Se han probado con exito hasta la fecha camaras con volumenes de alrededor de 0.06 m3 y alrededor de 0.14 m3. El procedimiento y el dispositivo tratan adecuadamente flujos de desecho de hasta 10 toneladas por dia.
En el uso de una realizacion especifica de la invencion, las emisiones gaseosas pueden pasar inicialmente al interior de un filtro de particulas diesel (el DPF) que funciona por conversion catalitica en la presencia de aire para proporcionar un entorno oxidante. El DPF funciona adecuadamente entre 500 y 9000 C, preferiblemente 600 a 8000 C, mas preferiblemente de 650 a 7500 C, y elimina el alquitran del gas de combustion. Se le lleva generalmente a su temperatura de funcionamiento al inicio del proceso por uno o mas calentadores externos. En el uso, la oxidacion es exotermica y la temperatura puede ser independendiente, y puede ser controlada por el incremento y disminucion del flujo de gases de combustion y aire a traves del DPF. Desde el DPF los gases pueden pasar a un segundo catalizador, el HT, funcionando a 300 -7000 C, preferiblemente 400-6000 C, mas preferiblemente 450-5500 C para proporcionar un entorno de oxidacion en la presencia de aire para eliminar los VOCs del gas de combustion. Puede ser inyectada agua en el lecho catalitico y uno o mas calentadores en el catalizador pueden llevarlo a la temperatura adecuada cuando los primeros gases de combustion lleguen a el. Nuevamente la reaccion en el lecho es exotermica, con lo que los calentadores pueden ser apagados una vez que la temperatura se hace independiente. La temperatura puede ser controlada por el control del aire y del flujo del gas de combustion. Del HT los gases pasan a un depurador de agua que elimina todos los gases solubles en agua y cualesquiera particulas remanentes y enfria los gases.
Las ventajas de la invencion incluyen su eficiente reduccion en niveles de hidrocarburos y CO en el gas de combustion, permitiendo asi el uso de sistema de procesamiento de desechos y del dispositivo mientras que se esta dentro de los limites de la emision segura. Una ventaja ulterior de ciertas realizaciones reside en la combinacion de catalizadores para eliminar diferentes contaminantes del gas y la combinacion de catalizadores de tal forma que catalizadores tolerantes al calor situados mas atras en el procedimiento permitan la eliminacion de VOCs dificiles de eliminar en un catalizador situado mas adelante en el procedimiento.
La invencion se ilustra con referencia a las figuras que la acompanan en las cuales:
La Figura 1 muestra un diagrama de flujo esquematico de una primera realizacion de la invencion usando un catalizador de oxidacion;
La Figura 2 muestra un diagrama de flujo esquematico de una segunda realizacion de la invencion usando un catalizador de oxidacion;
La Figura 3 muestra un diagrama de flujo esquematico de una tercera realizacion de la invencion usando un catalizador de oxidacion;
La Figura 4 muestra un diagrama de flujo esquematico de una cuarta realizacion de la invencion usando un catalizador de oxidacion y un catalizador de reduccion;
La Figura 5 muestra un diagrama de flujo esquematico de una quinta realizacion de la invencion usando un unico catalizador de oxidacion; y
La Figura 6 muestra un diagrama de flujo esquematico de una sexta realizacion de la invencion usando un unico catalizador de oxidacion en combinacion con un intercambiador de calor y control de retroalimentacion de los niveles de oxigeno y de la temperatura del catalizador.
Ejemplos
El dispositivo no especificamente descrito es como se describio previamente en la solicitud de patente internacional publicada como WO2007/104954, tambien referido aqui como el dispositivo PyroPure®.
Con referencia a la figura 1, la camara PyroPure® funciona a temperaturas de 00C hasta alrededor de 6000 C, generalmente a alrededor de 5500 C y los gases de combustion pasan a un filtro de particulas diesel, DPF. Este funciona a alrededor de 5500 C -8500 C, generalmente a alrededor de 7500 C y elimina el alquitran del gas. Se hace entrar aire en esta fase para permitir que tenga lugar la oxidacion catalitica, controlando el control de flujo de aire la temperatura del catalizador.
Lo que sale del DPF se pasa a una unidad VTT, una unidad de tratamiento termico de VOC que funciona a alrededor de 10000 C. esto destruye el H2, los compuestos organicos volatiles y los alquitranes pesados, sin embargo, puede producir algun NOx termico. Asi, produce una materia resultante de la que, subsiguientemente, hay que ocuparse, aunque el NOx permanece, en general, bajo limites aceptables, supuesto en el que no se necesita un tratamiento especial. A partir del VTT, los gases pasan a un depurador de agua que funciona a alrededor de 800 C en el que el sale bajo el nivel del agua y atraviesa una neblina de agua. Esto elimina el alquitran remanente (si queda) y los gases solubles tales como SO2 y HCl. A continuacion, atraviesa una unidad de filtracion seca, un eliminador de neblina que funciona por encima de 1200 C para evitar la condensacion, que impide el transporte de vapor de agua a las fases subsiguientes del proceso. Los gases ahora atraviesan un filtro ceramico que funciona a alrededor de 2000 C y elimina las particulas remanentes. Este filtro se omite si la materia resultante pasa a las aguas de la cloaca, pues las aguas de la cloaca tambien eliminaran las particulas, con lo que, por tanto, no se muestra en la figura 1.
El depurador de agua contiene aproximadamente 40 litros de agua y es una unidad cerrada, circulando continuamente el agua a traves suya durante el tiempo del ciclo. Al final del ciclo, al agua se le hace salir hacia la cloaca. El pH del agua en el depurador deberia estar en el intervalo de 6-7, esto es, neutral, y con la mayoria de los materiales de desecho esto se mantendra. Sin embargo, es posible que con una materia con un alto contenido en PVC el valor del pH bajara y el agua se hara demasiado acida. El valor de pH se mide durante el procedimiento y, si empieza a bajar, se anade mas agua. Tambien puede ser continuamente anadida agua fresca mientras que el agua residual es eliminada.
La siguiente fase es la llamada de auto catalizacion, refiriendose a un convertidor catalitico convencional de doble via del tipo disponible en la industria del automovil. Se hace entrar aire calentado en esta fase y el convertidor catalitico funciona generalmente a alrededor de 4000 C. Esto elimina el CO conjuntamente con algunos VOCs.
Finalmente, el gas tratado atraviesa un filtro de carbono (no mostrado en la figura 1) funcionando a menos de 1000 C, saliendo finalmente el gas a temperaturas por debajo de 500 C de acuerdo con la legislacion existente.
El material de salida contiene contaminantes a niveles que son aceptables de acuerdo con la vigente legislacion de medio ambiente. Esto permite al material de salida entrar en la atmosfera y/o la cloaca de tal forma que el equipo puede funcionar in situ.
La Figura 2 muestra una adaptacion de la realizacion de la Figura 1, con la que se suministra el VTT. Esto significa que hay menos contaminantes NOx en cuanto ninguno se genera por el VTT de la realizacion de la Figura 1.
El DPF elimina el alquitran y una fraccion de VOCs y CO por medio de la oxidacion catalitica. El depurador de agua, funcionando a alrededor de 700 C, elimina los acidos inorganicos y los metales volatiles y la filtracion seca elimina las particulas no atrapadas por el depurador de agua. El lecho catalitico final es un catalizador HT, apto en particular para eliminar VOCs tales como el metano y el etano del gas de combustion (eliminados en la realizacion de la figura 1 por el VTT) y funciona a alrededor de 6000 C y elimina VOCs, CO e hidrogeno. Esta realizacion se basa en la minimizacion de la formacion de oxido nitroso, evitando asi la necesidad de un catalizador de reduccion.
La Figura 3 muestra una adaptacion de la realizacion de la figura 2, en el que cual el depurador de agua se ubica detras del segundo lecho catalitico.
Como ocurre con la figura 1, el DPF elimina el alquitran y una parte de VOCs y CO por medio de oxidacion catalitica. El gas de combustion pasa entonces al segundo lecho catalitico, un catalizador HT, en el que se hace entrar aire, opcionalmente aire caliente, y que funciona a alrededor de 6000 C. Esto completa la oxidacion de CO y VOCs e hidronge a dioxido de carbono y agua.
Entonces pasan los gases al depurador de agua, funcionando a alrededor de 700 C, lo que elimina los acidos inorganicos, los metales volatiles y las particulas, las ultimas con tal eficacia que no se necesita una filtracion seca independiente. Despues de pasar por el depurador de agua, el aire limpio y filtrado con un contenido de oxigeno de generalmente entre el 10% y el 21% es emitido por el tubo de la cloaca.
En la figura 4 se muestra una ulterior realizacion de la invencion. Como en las otras realizaciones, el gas de combustion pasa primero a traves de un catalizador de oxidacion DPF. De aqui, los gases pasan a traves de un convertidor catalitico de triple via, que puede actuar como un catalizador de reduccon para reducir los oxidos nitrosos y, entonces, pasa al lecho catalitico de un catalizador de oxidacion HT, con entrada de aire, donde se completa la oxidacion de VOCs y CO. Finalmente, los gases pasan por el depurador de agua. Despues de pasar por el depurador de agua, el aire limpio y filtrado con un contenido de oxigeno de generalmente entre el 10% y el 21% es emitido por el tubo de la cloaca.
Una aun ulterior realizacion de la invencion es la mostrada en la figura 5. El gas de combustion que sale de la camara pasa a traves de un fitro de malla metalica (no mostrado) para eliminar la ceniza y entonces no pasa a traves de un DPF como en otras realizaciones si a traves de un lecho catalitico de un catalizador HT donde, con suministro de aire, se lleva a cabo la oxidacion de alquitran, VOCs y CO. Finalmente, los gases pasan a traves del depurador de agua. Despues de pasar por el depurador de agua, el aire limpio y filtrado con un contenido de oxigeno de generalmente entre el 10% y el 21% es emitido por el tubo de la cloaca.
Una realizacion preferida de la invencion se muestra en la figura 6. La pirolisis, la combustion (gasificacion) y el tratamiento del gas de combustion se llevan a cabo sustancialmente como en los ejemplos previos, salvo que se diga otra cosa. Los gases de escape sin procesar que salen de la camara pasan primero a traves de un contenedor ciclonico para eliminar la ceniza del gas de combustion previo al contacto del gas de combustion con un catalizador. En este dispositivo, el catalizador es un catalizador de oxidacion de paladio/alumina con un unico lecho catalitico. Saliendo del contenedor ciclonico, los gases de combustion pasan a traves del lecho catalitico y un termoconector asociado al catalizador provee de informacion de retroalimentacion de temperatura a un soplador de aire variable. El soplador de aire controla la cantidad de aire que va a ser mezclada con los gases de escape y este aire es primeramente pasado a traves de un calentador para modular su temperatura. Los gases de escape que salen del lecho catalitico pasan a traves de un intercambiador de calor en su camno al depurador de gas. El intercambiador de calor transfiere calor del escape del lecho catlistico al aire inyectado en la camara que se usa durante las fases de pirolisis y de oxidacion. Los gases de escape enfriados que salen del intercambiador de calor pasan a traves del depurador de gas para eliminacion de SO2, acidos, particulas y metales volatiles y son enfriados aun mas por el agua en el depurador. Los gases de escape limpios que salen del depurador pasan por un detector de oxigeno que monitoriza el contenido en oxigeno del gas de escape y proporciona informacion de retroalimentacion al soplador de aire variable con objeto de modular ulteriormente la cantidad de aire que se mezcla con los gases de escape introducidos en el catalizador de oxidacion.
En una puesta en funcionamiento del dispositivo, se coloca en la camara alrededor de 8
�ilogramos de desechos domesticos tipo, que se calientan a alrededor de 5500 C para pirolisis con un flujo de aire de alrededor de 16 litros por minuto introducidos desde el inicio. La fase de pirolisis dura alrededor de 40 minutos tras los cuales el flujo de aire en la camara es gradualmente elevado a alrededor de 150 litros por minuto, iniciando la fase de oxidacion. Cuando la fase de pirolisis comienza, el lecho catalitico es calentado a alrededor de 6000 C por aire caiente suministrado desde el soplador de aire variable a un indice de alrededor de 800 l/minuto durante el funcionamiento, como se requiere. El indice de flujo de aire es controlado por el termoconector manteniendo la temperatura del catalizador dentro de su temperatura de funcionamiento y el contenido de oxigeno del gas de escape final como se mide por el detector de oxigeno. El contenido de oxigeno del gas de escape final es controlado dentro del intervalo de 3-10%.
La invencion proporciona asi, un procedimiento tratamiento del desecho y un dispositivo.

Claims (22)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Un procedimiento para el tratamiento de desechos, que comprende:
    Calentamiento de desechos en una camara a una temperatura elevada para efectuar la pirolisis de los desechos; Introduccion de oxigeno en la camara para efectuar la gasificacion de los desechos pirolizados de tal forma que la pirolisis y gasificacion se llevan a cabo de forma secuencal en la misma camara; Contacto del gas de combustion de las fases de pirolisis y/o gasificacion con un catalizador de oxidacion para convertir el monoxido de carbono y los hidrocarburos del gas de combustion en dioxido de carbono y agua; Medicion del contenido de oxigeno del gas de salida del catalizador usando un sensor de oxigeno, y usando esta informacion para modular la entrada de aire al catalizador o a la camara o tanto al catalizador como a la camara de tal forma que se mantenga el nivel de oxigeno del gas que sale del dispositivo; y Monitorizacion de la temperatura del catalizador usando un sensor de temperatura en o cerca del catalizador de tal forma que un incremento en la temperatura desencadene un incremento en la entrada de aire al catalizador para reducir la temperatura.
  2. 2.
    Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la temperatura elevada para efectuar la pirolisis este en el intervalo entre 400 y 7000 C.
  3. 3.
    Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que el nivel de oxigeno del gas que sale del dispositivo se mantiene en el intervalo de 1 a 16%.
  4. 4.
    Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el nivel de oxigeno del gas que sale del dispositivo se mantiene en el intervalo de 3 a 10%.
  5. 5.
    Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el catalizador de oxidacion comprende platino, paladio o rodio.
  6. 6.
    Un procedimiento de acuerdo con cualquera de las reivindicaciones precedentes, en el que un incremento en la temperatura del catalizador por encima de alrededor de 6000 C desencadena un incremento en entrada de airee al catalizador.
  7. 7.
    Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo ulteriormente gases de combustion con un catalizador de reduccion para convertir oxidos nitrosos en nitrogeno y oxigeno.
  8. 8.
    Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 7 en el que el catalizador de reduccion comprende platino, paladio o rodio.
  9. 9.
    Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprenda contactar el gas de combustion con un depurador de agua para eliminar acidos inorganicos y metales volatiles.
  10. 10.
    Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 10, que comprenda filtrar el gas de combustion eliminar la ceniza previamente al contacto del gas de combustion con los catalizadores de oxidacion y/o reduccion.
  11. 11.
    Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprenda contactar el gas de combustion con un contenedor ciclonico para eliminar la ceniza previamente al contacto del gas de combustion con los catalizadores de oxidacion y/o reduccion.
  12. 12.
    Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprenda pasar el gas de escape del catalizador a traves de un intercambiador de calor.
  13. 13.
    Dispositivo para el tratamiento de desechos, que comprende: Una camara para recibir los desechos; Un calentador para calentar los desechos en la camara; Una abertura de salida para la salida del gas de combustion de la camara; Un catalizador de oxidacion para catalizar la oxidacion del monoxido de carbono y los hidrocarburos en el gas de combustion; y caracterizado porque comprende tambien:
    Un monitor de oxigeno para monitorizar el contenido de oxigeno del gas de salida del catalizador de oxidacion; Una abertura de entrada para combinar el aire con el gas de salida previo al contacto con el catalizador de oxidacion, en el que la entrada de aire en el gas de combustion previo al contacto con el catalizador de oxidacion es controlado por el monitor de oxigeno; Y Un sensor de temperatura para monitorizar la temperatura de funcionamiento del catalizador, en el que el sensor de temperatura este conectado a la entrada de aire de tal manera que la entrada de aire pueda ser controlada para modular la temperatura de funcionamiento del catalizador, Estando adaptado el dispositivo para ser sellado de tal manera que los desechos puedan ser calentados para efectuar la pirolisis de los desechos y comprendendo una abertura de entrada para que el aire permita la gasificacion de los desechos en la propia camara.
  14. 14.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 13, adaptado para efectuar la pirolisis de los desechos a una temperatura en el intervalo de entre 400 a 7000 C.
  15. 15.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 13 o la reivindicacion 14, adaptado de tal manera que el contacto con el catalizador de oxidacion esta controlado por el monitor de oxigeno de tal forma que el contenido de oxigeno del gas de combustion despues del contacto con el catalizador de oxidacion esta en el intervalo de 1 a 16%.
  16. 16.
    Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13-15, adaptado de tal manera que el contacto con el catalizador de oxidacion esta controlado por el monitor de oxigeno de tal forma que el contenido de oxigeno del gas de combustion despues del contacto con el catalizador de oxidacion esta en el intervalo de 3 a 10%.
  17. 17.
    Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13-16, en el que el catalizador de oxidacion comprende platino, paladio o rodio.
  18. 18.
    Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13-17, comprendiendo ulteriormente un catalizador de reduccion para catalizar la reduccion de los oxidos nitrosos en el gas de combustion.
  19. 19.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 18, en el que el catalizador de reduccion comprende rodio.
  20. 20.
    Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13-19 comprendiendo un filtro de cenizas entre la camara y el catalizador para impedir que la ceniza en el gas de combustion alcance el catalizador.
  21. 21.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 20, que comprende un contenedor ciclonico para impedir que la ceniza entre en los catalizadores de oxidacion y/o reduccion.
  22. 22.
    Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13-21 comprendiendo ulteriormente un intercambiador de calor para procesar los gases de escape que salen del catalizador y entran en la camara.
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