ES2423629B1 - Sistema y método de tratamiento de residuos - Google Patents

Abstract

Sistema y método de tratamiento de residuos.#Se describe un sistema y un procedimiento de tratamiento de residuos en condiciones supercríticas que consigue una eliminación de compuestos orgánicos. Adicionalmente son eliminadas del proceso las sales inorgánicas, antes de que puedan ser introducidas en el reactor, evitando de esta manera posibles atascamientos en el mismo que pondrían en riesgo la continuidad del proceso e integridad de la instalación. Asimismo, el sistema permite el ahorro energético al recuperar parte de la energía utilizada en el proceso para producir energía eléctrica por cogeneración.

Description

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SISTEMA Y MÉTODO DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS

DESCRIPCIÓN

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OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra dentro del campo técnico del tratamiento de residuos.

10 Más específicamente, la invención se encuadra dentro del campo técnico de la eliminación de residuos orgánicos diluidos en agua mediante su oxidación en condiciones supercríticas.

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ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La oxidación en agua supercrítica (OASC) es un proceso oxidativo con un gran rendimiento en la eliminación de la contaminación orgánica de 20 residuos de diferentes procedencias que tiene lugar a temperaturas y presiones por encima del punto crítico del agua (374 ºC y 221 bar). En estas condiciones, el agua sufre un cambio drástico en sus propiedades físicas compartiendo simultáneamente comportamientos propios tanto de la fase gaseosa, como de la líquida. Una de estas propiedades es el cambio

25 de polaridad del agua que hace que los compuestos inorgánicos, mayoritariamente sales, que eran solubles en condiciones subcríticas, se tornan indisolubles; mientras que los compuestos orgánicos que eran indisolubles se vuelven solubles en el agua supercrítica.

30 La eliminación de la contaminación contenida en el residuo se produce al mezclar la materia orgánica con un oxidante. El agente oxidante puede ser aire, oxígeno, peróxido de hidrógeno o cualquier otro. El gran coeficiente de difusión que presenta el agua en la fase supercrítica facilita enormemente la mezcla del oxidante con la materia orgánica. Gracias a ello, la eficiencia en la eliminación de materia orgánica contaminante

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5 mediante oxidación en agua supercrítica puede ser superior al 99,99%.

La eliminación de sales inorgánicas es un punto importante en este tipo de instalaciones como se puede apreciar en la patente US 6054057 Supercritical Water Oxidation Apparatus and Process. En ella se presenta

10 un reactor de cámara con retirada de sales inorgánicas mediante una válvula de aguja, estas son retiradas con posterioridad a la reacción de oxidación supercrítica.

Uno de los principales inconvenientes de este tipo de instalaciones

15 es el alto consumo energético que supone la operación. Los arranques son muy costosos energéticamente pues hay que elevar la temperatura del fluido que pasa por el reactor desde las condiciones en las que se encuentra, generalmente condiciones ambientales, hasta al menos 374 ºC para poder comenzar el proceso de oxidación en agua supercrítica.

20 Una manera de aumentar la eficiencia energética y, por tanto, reducir los costes del proceso, consiste en aprovechar parte del contenido entálpico de la corriente que abandona el reactor, como muestra la patente WO/2010/003655 titulada “Method and apparatus for extracting energy

25 from biomass”.

Otro de los principales problemas que hay en la actualidad en instalaciones de oxidación supercrítica son los atascamientos debidos a la precipitación de sales inorgánicas que pueden sufrir deposiciones en los 30 conductos si, por cualquier incidencia, se produce una disminución de la velocidad de transporte del residuo en su paso por el reactor. Este

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problema conlleva obturaciones y baja eficiencia operativa ya que son necesarias continuas paradas para el mantenimiento y limpieza de la instalación.

5 Tratar de solucionar este inconveniente ha sido objeto de patentes tales como US 0283472 titulada “Supercritical Water Oxidation Apparatus and Process”. Esta patente describe un sistema de almacenamiento y retirada de las sales inorgánicas precipitadas, ubicado en el interior del propio reactor. Nótese que se trata de un reactor de oxidación en agua

10 supercrítica de los llamados de cámara puesto que en los reactores de tipo tubular esta disposición no es posible. El sistema de eliminación de sales se consigue integrando, en el reactor, una válvula de aguja que se abre periódicamente para retirar dichas sales.

15 La patente US 4822497 titulada “Method for solids separation in a wet oxidation type process” incluye un separador de sólidos en oxidación húmeda, el reactor es una caldera ya que al no estar en condiciones de alta presión, imprescindible en oxidación supercrítica, se puede hacer en un depósito de volumen considerable. A la temperatura a la que tienen lugar

20 los procesos de oxidación húmeda no hay insolubilidad de sales inorgánicas ya que el agua se encuentra, al igual que en condiciones ambientales, en el rango de presiones y temperaturas donde su comportamiento es bipolar. Por tanto se trata de un separador de sólidos suspendidos y no de sales inorgánicas como el objeto de la presente

25 invención.

El proceso presentado en la patente US 5252224 titulada “Supercritical water oxidation process of organics with inorganics” describe un sistema de oxidación supercrítica de residuos orgánicos con una cámara 30 de despresurización aguas abajo del reactor que actúa como separador de fases sólida/liquida/gaseosa, pero este sistema no elimina los riesgos de

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atascamiento por precipitación de sales inorgánicas durante todo el tramo del proceso en el que el residuo se encuentra en fase supercrítica.

En estos procesos se utilizan métodos de separación de sales

5 dentro del propio reactor de oxidación (Patente US 4822497) o en etapas posteriores a la misma, mediante filtración (Patente US 5252224), mediante el empleo de un ciclón (Patente US 4338199) pero siempre se tratan de separaciones a posteriori que no eliminan la posibilidad de atascamientos por precipitación de las sales inorgánicas en el reactor.

10 En multitud de ocasiones se han producido atascamientos en los conductos de las instalaciones de oxidación supercrítica debido a la deposición de sales inorgánicas porque no se han tratado de eliminar con anterioridad a la entrada al reactor, si no con posterioridad a la oxidación de

15 la materia orgánica, habiendo puesto en riesgo la instalación durante la reacción.

Por todo lo anterior, se hace deseable un sistema que ofrezca la posibilidad de evitar dichos atascos en instalaciones de procesos de 20 eliminación de residuos que hacen uso de oxidación en agua en fase

supercrítica.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

25 La presente invención permite la eliminación de residuos orgánicos que contengan sales inorgánicas, sin correr el riesgo de que se produzcan atascos y ensuciamientos en los conductos que conforman las plantas de tratamientos mediante oxidación supercrítica. Se presenta un sistema que retira las sales inorgánicas acoplado en la entrada del reactor de oxidación

30 supercrítica para evitar los citados problemas de atascamiento. Este equipo se denomina a partir de este momento, separador.

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El residuo llega en condiciones supercríticas al separador. Las sales inorgánicas son indisolubles en estas condiciones. Este separador supercrítico emplea los principios físicos de separación de los hidrociclones

5 convencionales pero con la salvedad de trabajar a una presión superior a 221 bar, normalmente 240 bar. Al entrar el residuo en el separador se produce una corriente que tiende a depositar las partículas más pesadas en la base del mismo, mientras que el fluido supercrítico es evacuado por una abertura superior continuando su recorrido hacia el reactor. Las

10 deposiciones que se concentran en el fondo del separador son retiradas a gran frecuencia mediante una válvula automática.

De forma adicional se incluye un sistema que aprovecha la energía térmica del efluente de la reacción para producir electricidad. Este sistema

15 transfiere, en un intercambiador de calor, el remanente energético contenido en los productos de la reacción a un circuito de agua que se vaporiza al sufrir la transferencia de calor. Este vapor se hace pasar por una turbina de para generar electricidad.

20 Un sistema de generación de vapor para producción de energía eléctrica se traduce en una instalación más respetuosa con el medio ambiente, al reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al consumo energético global de una planta de tratamiento de residuos de estas características. Además de producir energía,

25 indirectamente se produce un ahorro en consumo de recursos naturales como puede ser el agua que habría que consumir para refrigeración. Se necesita un menor volumen de agua para bajar la temperatura del efluente porque éste ya es enfriado en los intercambiadores térmicos.

30 Adicionalmente, el efluente tratado aún presurizado y ya libre de sólidos sigue conteniendo una cierta cantidad de energía, la fracción en forma de presión, Éste se hace pasar por una turbina hidráulica con el fin de aprovechar la energía mecánica generada en energía eléctrica.

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El procedimiento objeto de la invención se lleva a cabo mediante la

5 mezcla del residuo orgánico que se pretende descontaminar con agua en un tanque de preparación y homogenización. Este preparado se bombea mediante una bomba de alta presión y se calienta mediante un intercambiador de calor, haciendo pasar por el circuito secundario la corriente tratada que sale del reactor a elevada temperatura.

10 Antes de entrar el residuo al reactor, éste pasará por un separador de sales en el que las sales inorgánicas, que han precipitado debido al cambio en la polaridad del agua al entrar en fase supercrítica, son retiradas del proceso para evitar atascamientos en unos conductos que conforman la

15 instalación. Una vez retiradas las sales inorgánicas en el reactor tiene lugar la reacción de oxidación que se inicia al dosificarse en el interior del reactor agua procedente de un tanque de agua y un oxidante procedente de un tanque de oxidantes. El control de la temperatura de reacción se realizará con la adición de agua proveniente del tanque de agua.

20 El efluente resultado del tratamiento, tras ceder calor al circuito primario en el intercambiador de calor se hace pasar por un generador de vapor. El vapor generado pasará por una turbina de vapor transformando la energía interna en energía mecánica que será aprovechada para producir

25 electricidad. Una vez pasa la corriente de vapor por la turbina de vapor, ésta se condensa como resultado de su paso por la misma y una vez condesada posteriormente bombeada mediante una bomba de nuevo al generador de vapor.

30 La corriente de residuo tratado una vez que ha cedido toda su energía térmica, debe perder gran parte de su presión mediante un reductor de presión para poder confinarla en el tanque de separación. Este reductor puede tratarse de una turbina hidráulica o cualquier otro sistema que reduzca la presión. En este tanque se separan las fases líquida, sólida y gaseosa. Una parte de la fase líquida, una vez exenta de residuos

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5 sólidos, se reutiliza para diluir el residuo entrante en el tanque de preparación para ser tratado.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

10 Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha

15 representado lo siguiente:

Figura 1.-Muestra un esquema general del sistema. Figura 2.-Muestra un esquema general del sistema con un motor alternativo.

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REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe a continuación dos ejemplos del 25 modo de realización del sistema (1) objeto de esta invención.

En una primera realización preferente de la invención y tal y como se observa en la figura 1, un residuo orgánico que se pretende descontaminar se mezcla con agua en un tanque de preparación (2) y homogenización 30 con el fin de diluirlo siempre que fuese necesario por exceso de viscosidad y/o elevado poder calorífico del residuo, y facilitar así su transporte por

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unas conducciones que conforman una planta de eliminación de residuos. (El grado de dilución de un preparado resultante debe ser aquel que mejor combine viscosidad y poder calorífico específico del residuo, preferiblemente 12.000 KJ/Kg de Materia Seca). Este preparado diluido

5 resultante se bombea por encima de 221 bar, preferiblemente 240 bar mediante una bomba de alta presión (3).

Durante la iniciación del sistema (1), el preparado se calienta por encima de 374 ºC , preferiblemente a 400 ºC, mediante unas resistencias 10 eléctricas (4) alimentadas externamente.

Una vez conseguido el estado estacionario, es decir, con las condiciones supercríticas alcanzadas y sin la necesidad de apoyo energético externo, el calentamiento de una corriente de preparado a tratar

15 se realiza en un intercambiador de calor (5) haciendo pasar por el circuito secundario la corriente tratada que sale de un reactor (7) a elevada temperatura.

Antes de entrar el residuo al reactor (7), éste pasará por un

20 separador de sales (6) en el que las sales inorgánicas, que han precipitado por el cambio en la polaridad que tiene lugar en el agua al entrar en fase supercrítica. En este separador de sales son retiradas del proceso para evitar atascos en las conducciones que conforman la instalación. Una vez retiradas, en el reactor (7) tiene lugar una reacción de oxidación que se

25 inicia al dosificar en el interior del reactor (7) un compuesto oxidante, previamente presurizado, procedente de un tanque de oxidantes (9) y agua procedente de un tanque de agua (8) para controlar la temperatura de la reacción química de oxidación. El compuesto oxidante puede ser aire, oxígeno, peróxido de hidrógeno. En este ejemplo concreto se utiliza

30 oxígeno.

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La temperatura se controla dentro de unos límites de seguridad para asegurar la integridad de los materiales que conforman el reactor (7) y el resto del sistema (1). Una vez el residuo ha sido eliminado se hace pasar la corriente efluente del reactor (7) por un circuito secundario del

5 intercambiador de calor (5) para que se produzca una cesión de calor a una corriente con residuos de un circuito primario de dicho intercambiador.

Un efluente resultado del tratamiento, tras ceder calor al circuito primario, sigue teniendo energía en forma de calor y presión, por ello se 10 hace pasar por un generador de vapor (10). El vapor generado por intercambio térmico pasará por una turbina de vapor (11) transformando la energía interna en energía mecánica que será aprovechada para producir electricidad. Una vez pasa la corriente de vapor por la turbina de vapor (11), ésta se condensa como resultado de su paso por la misma y una vez

15 condesada es posteriormente bombeada mediante una bomba (12) de nuevo al generador de vapor (10).

La corriente de residuo tratado una vez que ha cedido toda su energía térmica, debe perder su presión mediante el reductor de presión 20 (13), que puede ser una turbina hidráulica, o un intercambiador isobárico.

En este ejemplo concreto se trata de una turbina hidráulica.

Las fases líquida, sólida y gaseosa se separan en un tanque de separación (14). Una parte de la fase líquida, una vez exenta de residuos 25 sólidos, se emplea para diluir el residuo en el tanque de preparación (2) y,

de esta forma, asegurar un ahorro en los recursos hídricos.

El control de la temperatura de reacción se realizará con la adición de agua proveniente del tanque de agua (8), evitando la posibilidad de 30 provocar temperaturas superiores a las del límite de rotura de los

materiales, por fatiga térmica, que conforman dicho reactor (7).

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En una realización aún más preferente del objeto de la invención (ver Figura 2) en lugar del intercambiador de calor (5), se hará uso de un motor alternativo que emplea como combustible gas natural (3). El calor

5 desprendido por los gases de escape de combustión del gas natural es aprovechado para calentar el residuo por encima de 374 ºC, preferiblemente a 400 ºC con el objeto de conferirle condiciones de fluido supercrítico. De esta manera no será necesario aprovechar el calor de la corriente efluente del reactor (7) para dicho precalentamiento por lo que el

10 sistema de generación de vapor obtiene una corriente con mayor componente entálpico al ser su temperatura superior a la que le llegaba en la realización preferente descrita más arriba. Esto implica una mayor producción de vapor en la turbina de vapor (11) al ser el salto térmico también mayor, produciéndose un vapor de más calidad para ser turbinado.

15 En términos energéticos, con esta configuración se produce algo más del triple de energía que la configuración descrita en la realización preferente anteriormente descrita.

Claims (7)

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   REIVINDICACIONES

   1. Sistema (1) de tratamiento de residuos caracterizado porque comprende: 5 − un tanque de preparación (2) destinado a diluir los residuos para facilitar su transporte a lo largo del sistema (1), y

   − una bomba de alta presión (3) conectada a

   continuación del tanque de preparación (2) destinada a bombear

   una corriente de residuo diluido para que sea calentada mediante un

   10 intercambiador de calor (5), y − un separador de sales (6) que se encuentra conectado al intercambiador de calor y encargado de eliminar sales inorgánicas del residuo diluido que se encuentra ubicado inmediatamente antes de un reactor (7) destinado a:

   15 alojar residuos diluidos y calientes procedentes del separador de sales (6) inorgánicas, y albergar una reacción oxidativa entre un agente oxidante, previamente presurizado y procedente de un tanque de oxidantes (9) conectado al reactor (7), y materia orgánica

   20 contenida en el residuo.
2. 2. Sistema (1) según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque de preparación (2) se encuentra adaptado para mantener el poder calorífico de su contenido.

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3. 3. Sistema (1) según reivindicación 1 caracterizado porque el intercambiador de calor (5) comprende un circuito primario al cual llega una corriente de residuo fría procedente de la bomba de alta presión (3) y un circuito secundario al cual llega una corriente

   30 de efluente caliente procedente del reactor (7).

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4. 4. Sistema (1) según reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende: − una turbina de vapor (11) encargada de generar electricidad a partir del vapor generado por un generador de vapor 5 (10),

   − una bomba (12) destinada. a enviar el vapor

   condensado procedente de la turbina de vapor (11) al generador de

   vapor (10), y

   − un reductor de presión (13) encargado de hacer

   10 disminuir la presión de un efluente resultado de la reacción oxidativa de eliminación de residuos orgánicos antes de hacerlo llegar a un tanque de separación (14) destinado a confinar el residuo tratado.
5. 5. Sistema (1) de tratamiento de residuos según

   15 reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende unas resistencias eléctricas (4) destinadas a calentar la corriente de residuo fría procedente de la bomba de alta presión (3) al iniciar el sistema (1).

   20 6. Sistema (1) de tratamiento de residuos según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque de separación (14) se encuentra adaptado para separar el residuo tratado en sus fases sólida, líquida y gaseosa.

   25 7. Método de tratamiento de residuos que hace uso del sistema (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque comprende los pasos siguientes:

   − hacer llegar el residuo al tanque de preparación (2), − diluir el residuo en el tanque de preparación (2), 30 − bombear el residuo diluido en forma de corriente de residuo mediante la bomba de alta presión (3) desde el tanque

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   de preparación (2) , − elevar la presión del residuo diluido hasta un presión igual o mayor a 221 bar mediante la bomba de alta presión (3), − calentar el residuo hasta una temperatura igual o por 5 encima de 374ºC,

   − hacer pasar el residuo caliente y diluido por el separador de sales (6) para retirar éstas mediante un precipitado inducido por el cambio de polaridad del agua al entrar en fase supercrítica,

   10 − hacer llegar el resultado del paso anterior al reactor (7), − dosificar al reactor (7) oxidantes desde el tanque de oxidantes (9), y − dosificar agua desde el tanque de agua (8) para tener 15 controlada la temperatura del residuo entre unos márgenes de seguridad.
6. 8. Método de tratamiento de residuos según reivindicación 7 caracterizado porque adicionalmente comprende los 20 siguientes pasos:

   − hacer llegar el efluente a un generador de vapor (10) para generar vapor a partir del calor y de la presión remanente del efluente,

   − hacer pasar el vapor generado en el paso anterior por 25 una turbina de vapor (11) para generar electricidad, y

   − bombear el vapor condensado como consecuencia del paso anterior al generador de vapor (10) mediante la bomba (12).

   30 9. Método de tratamiento de residuos según reivindicación 7 caracterizado porque adicionalmente comprende los

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   siguientes pasos: − reducir la presión del residuo tratado mediante el reductor de presión (13), − confinar el resultado del paso anterior en el tanque de 5 separación (14),

   − realizar una separación del residuo confinado en sus fases sólida, líquida y gaseosa en el en el tanque de separación (14), y

   − hacer llegar al menos una parte de la fase líquida al 10 tanque de preparación (2) para diluir el residuo presente en dicho tanque de preparación (2).
7. 10. Método de tratamiento de residuos según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9 caracterizado porque el

   15 sistema se inicia mediante un calentamiento inducido por la resistencias eléctricas (4).