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ES2642917T3 - Gasificación de materiales orgánicos combustibles - Google Patents

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ES2642917T3
ES2642917T3 ES09742270.3T ES09742270T ES2642917T3 ES 2642917 T3 ES2642917 T3 ES 2642917T3 ES 09742270 T ES09742270 T ES 09742270T ES 2642917 T3 ES2642917 T3 ES 2642917T3
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water vapor
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English (en)
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David Galley
Pierre Jeanvoine
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Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
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Abstract

Procedimiento de fabricación de gas combustible que tenga un poder calorífico inferior de al menos 1 MJ/Nm3, que comprende la reacción de un gas oxidante que comprende vapor de agua u oxígeno o CO2 con una materia orgánica en contacto con un baño de silicato fundido contenido en una cuba y que comprende un aporte calorífico al silicato fundido, funcionando dicho procedimiento de forma ininterrumpida, evacuándose el silicato de la cuba regularmente e introduciéndose materias vitrificables regularmente para alimentar el baño de silicato, produciéndose una renovación continua del baño de silicato que permite evacuar de forma ininterrumpida el hierro, cuya concentración se mantiene de este modo por debajo de su límite de precipitación en el baño.

Description

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DESCRIPCION
Gasificacion de materiales organicos combustibles
La invencion se refiere a un procedimiento para transformar un material solido combustible o Ifquido combustible en un gas combustible.
El objetivo de la invencion es producir un gas combustible directamente a partir de materias solidas o Kquidas combustibles como biomasa y/o desechos como los neumaticos usados, los plasticos, residuos de la trituracion de automoviles, lodos, materias combustibles de sustitucion (llamadas «MCS») e, incluso, residuos domesticos, etc., o indirectamente a partir de estas mismas materias previamente transformadas en aceite despues de una primera operacion de pirolisis.
De acuerdo con la invencion, se propone una tecnologfa que pretende sustituir el empleo de energfas fosiles en los procedimientos industriales, reducir las emisiones de CO2 a la atmosfera y reducir el coste de la energfa. En efecto, con el objetivo de reducir la concentracion de gases de efecto invernadero en la atmosfera, se anima a los fabricantes mediante una polttica fiscal apropiada a no utilizar energfas fosiles (petroleo, gas natural), ya que conlleva siempre un aumento de las emisiones de carbono y CO2 a la superficie de la tierra, sino combustibles renovables como la biomasa que, durante su crecimiento, absorben el CO2 de la atmosfera para despues expulsarlo durante su combustion. No obstante, en los procedimientos industriales no siempre se puede utilizar directamente la biomasa, especialmente debido a la composicion de esta biomasa, que generalmente lleva cenizas.
Ya se ha propuesto generar un gas combustible a partir de biomasa mediante su pirolisis a mas de 500 °C, e incluso mas de 1000 °C, en lechos fijos o fluidizados que comprenden rodillos o bolas ceramicas recorridas por vapor de agua y/o aire u oxfgeno puro. No obstante, las cenizas originadas por la biomasa se acumulan en el lecho, lo que no hara sino bloquear este ultimo. Por lo tanto, un gasificador de este tipo debe pararse y limpiarse regularmente.
El artfculo de MACCORMAC «Gasification of coal in an experimental Rummel double-shaft slag-bath gasifier», IGE Journal, vol. 5, 1 de mayo de 1965, pp 385-399, muestra la gasificacion del carbon en una escoria. Se ha sometido a prueba una combustion sumergida en la escoria, pero se ha abandonado debido a los problemas generados por la abundante formacion de espuma, asf como por la precipitacion de hierro. El carbon, asf como la mayor parte de las materias organicas del tipo biomasa, contienen, de hecho, hierro. Incluso sin combustion sumergida, se forma espuma y el hierro precipita, lo que obliga a la parada del funcionamiento. El hierro metalico es diffcil de evacuar porque necesita temperaturas muy altas, del orden de 1500 °C.
Se ha encontrado ahora un procedimiento que funciona de forma ininterrumpida que permite gasificar la materia organica en una masa fundida, evitando al mismo tiempo la precipitacion del hierro. De acuerdo con la invencion, como masa fundida se utiliza un silicato y dicho silicato se renueva de forma ininterrumpida evacuandolo y reemplazandolo regularmente durante el funcionamiento. Esta renovacion continua del bano de silicato permite evacuar de forma ininterrumpida el hierro, cuya concentracion se mantiene asf por debajo de su lfmite de precipitacion. Debido a su gran contenido en sflice, el silicato hace poca o ninguna espuma y, ademas, solubiliza bien el hierro. La escasa tendencia del silicato a formar espuma hace posible incluso proporcionar un aporte calonfico al silicato fundido mediante combustion sumergida.
De acuerdo con la invencion, la gasificacion de materia organica que produce un gas combustible comprende la reaccion de vapor de agua u oxfgeno o de CO2 con una materia organica en contacto con un silicato fundido, proporcionando calor al silicato fundido. La expresion «o» en la frase anterior abarca, por supuesto, la expresion «y/o». La expresion «en contacto» abarca el hecho de que la materia organica puede estar encima del bano de silicato, flotando, o estar en el interior del bano de silicato, o a la vez dentro y encima del bano de silicato.
Preferentemente, el gas oxidante reacciona con la materia organica que contiene al menos un 30 % en volumen de agua. Puede contener incluso un 100 % de agua. El gas oxidante puede ser tambien oxfgeno, que puede ser proporcionado por el aire. De este modo, el gas de reaccion con la materia organica puede ser aire o aire enriquecido en oxfgeno. El aire puede ser humedo. Puede tratarse de aire cargado de vapor de agua. De este modo, el aire puede proporcionar a la vez oxfgeno, agua y CO2.
El procedimiento de acuerdo con la invencion presenta las ventajas siguientes:
- el gas producido tiene un alto PCI (poder calonfico inferior, llamado «lower heating value» o «LHV» en ingles), particularmente de 5 a 25 MJ/Nm3,
- las cenizas que pueden contener oxidos indeseables y metales pesados son inertes (estan neutralizadas) en una masa vftrea, que puede evacuarse de forma ininterrumpida durante la gasificacion y que puede granularse para su vertido (de clase 3, es decir, clasificada como desecho inerte y no peligroso) o utilizacion en granulados de ingeniena civil, por ejemplo como carga de materiales del tipo betun asfaltico o asfalto para las carreteras, el firme u otros materiales de construccion,
- el procedimiento es compacto y de inversion limitada, y puede funcionar de forma automatizada y continua.
De este modo, el procedimiento de acuerdo con la invencion es al mismo tiempo un procedimiento de produccion de gas combustible (del tipo «gas de smtesis» o «sintegas», que comprende CO e hidrogeno) y un procedimiento de produccion de materiales de construccion. El hecho de que el silicato sea lfquido facilita el funcionamiento de todo el procedimiento, puesto que las cenizas de la materia organica son arrastradas por escurrido del silicato fuera de la 5 cuba. La renovacion del silicato en el bano es tal que mantiene un elevado contenido de sflice, en general de al menos un 40 % en peso de sflice.
El procedimiento de acuerdo con la invencion se basa en el principio de la gasificacion en un medio de silicato fundido a alta temperatura por un gas relativamente oxidante con respecto al carbono. En el marco de la presente solicitud, al gas que reacciona con la materia organica se le puede llamar «gas oxidante». El gas no es totalmente 10 oxidante con respecto al carbono porque no se trata de generar demasiado CO2, sino que, por el contrario, se trata de producir la maxima cantidad posible de gas reductor, tal como CO y H2. Esta reaccion de gasificacion es, de hecho, endotermica y, por este motivo, se proporciona al sistema un aporte energetico (o calonfico) directamente en el interior del bano de silicato.
De este modo, la invencion se refiere en primer lugar a un procedimiento de fabricacion de gas combustible que 15 tenga un poder calonfico inferior de al menos 1 MJ/Nm3, que comprende la reaccion de un gas oxidante que comprende vapor de agua u oxfgeno o CO2 con una materia organica en contacto con un bano de silicato fundido contenido en una cuba y que comprende un aporte calonfico al silicato fundido, funcionando dicho procedimiento de forma ininterrumpida, evacuandose el silicato de la cuba regularmente e introduciendose materias vitrificables regularmente para alimentar el bano de silicato, produciendose una renovacion continua del bano de silicato que 20 permite evacuar de forma ininterrumpida el hierro, cuya concentracion se mantiene de este modo por debajo de su ifmite de precipitacion en el bano.
La temperatura del silicato se ajusta entre 800 °C y 1700 °C en funcion de su composicion qmmica. Comprende sflice y al menos un oxido del grupo siguiente: CaO, Fe2O3, Na2O, K2O. El oxido anadido a la sflice tiene la funcion de reducir la viscosidad del silicato para alcanzar una fluidez suficiente favorable para la agitacion y, por lo tanto, 25 para las reacciones deseadas. La viscosidad pretendida vana, en general, de 10 a 1000 poises y, preferentemente, de 20 a 500 poises a la temperatura de funcionamiento.
El conjunto de silicatos en el sentido de la invencion abarca particularmente escorias, vidrio y silicatos mas o menos hidrosolubles como los silicatos de metales alcalinos (tales como Na, K) y/o alcalinoterreos (tales como Ca, Mg), eventualmente en forma de silicatos mixtos (varios silicatos alcalinos y/o alacalinoterreos).
30 El silicato comprende, en general, de un 40 a un 80 % en peso de SiO2. Comprende asimismo al menos otro oxido para fluidificar el bano, pudiendo seleccionarse, en general, dicho oxido en el grupo siguiente: CaO, Fe2O3, Na2O, K2O.
De este modo, el silicato puede comprender especialmente: de un 0 a un 20 % en peso de CaO,
35 de un 0 a un 20 % en peso de Fe2O3,
de un 0 a un 20 % en peso de un oxido de metal alcalino como Na2O o K2O (lo que abarca Na2O y/o K2O),
no siendo, en general, nula la suma de la masa de CaO + Fe2O3 + oxido de metal alcalino y variando
preferentemente de un 5 a un 60 % en peso.
Asimismo, puede comprender especialmente MgO, AI2O3, TiO2, MnO2, P2O5, SO2, Cl.
40 Una composicion de silicato particularmente adaptada contiene: de un 60 a un 80 % en peso de SiO2 de un 10 a un 20 % en peso de CaO de un 5 a un 15 % en peso de Fe2O3
de un 2 a un 10 % en peso de un oxido de metal alcalino como Na2O o K2O (lo que abarca Na2O y/o K2O).
45 El oxido anadido a la sflice tiene la funcion de reducir la viscosidad del silicato para alcanzar una fluidez suficiente favorable para la agitacion y, por lo tanto, para las reacciones deseadas. La viscosidad pretendida vana, en general, de 10 a 1000 poises y, preferentemente, de 20 a 500 poises a la temperatura de funcionamiento, es decir, entre 800 °C y 1700 °C.
El silicato fundido puede estar contenido espedficamente en una cuba provista de un revestimiento refractario con 50 un sistema de rebosadero con sifon (o garganta) para evacuar el silicato fundido sobrante.
El silicato se mantiene fundido gracias al aporte calonfico que puede ser de tipo electrico (en general, electrodos hundidos en el silicato como los electrodos de molibdeno, grafito, hierro siguiendo las practicas conocidas en la industria del vidrio) o que puede provenir de la inyeccion de un comburente que quema parcialmente el carbono resultante de la gasificacion de las materias combustibles introducidas en el silicato, eventualmente con un aporte de 5 otro gas combustible. Este gas combustible anadido puede ser el propio gas combustible (sintegas) producido por el dispositivo de acuerdo con la invencion, despues de su eventual refrigeracion, purificacion, filtracion y compresion, o un gas no producido por la instalacion tal como hidrogeno o un gas natural fosil o una mezcla de sintegas con uno u otro o ambos de los gases precedentes, o incluso un combustible lfquido. La purificacion sirve esencialmente para eliminar el agua y la filtracion sirve esencialmente para extraer el polvo y los alquitranes. El aporte calonfico al 10 silicato fundido, como esta reaccion exotermica de combustion, es, en general, el unico aporte de energfa. Por lo tanto, se puede combinar un calentamiento electrico y un calentamiento por combustion. En el marco de la invencion, el aporte calonfico se realiza en el interior mismo del silicato por un medio sumergido, especialmente del tipo electrodo sumergido o combustion sumergida. En el caso de una combustion, se inyecta un comburente en el silicato, que en general es oxfgeno y que puede ser aportado por el aire. De este modo, se puede utilizar como 15 comburente oxfgeno puro, aire o aire enriquecido en oxfgeno. Se utiliza preferentemente un comburente que comprende mas de un 80 % en volumen de oxfgeno, incluso oxfgeno puro, ya que esto implica un volumen reducido de gas (por ejemplo, si se compara con el aire), lo que reduce la tendencia a la formacion de espuma. La combustion sumergida es un medio preferente de aporte calonfico porque contribuye al mezclado de las materias en el bano de silicato fundido. Este mezclado promueve una mayor homogeneidad del bano, lo que favorece la 20 ausencia de precipitaciones como la del hierro. Ademas, se prefiere que su llama sea oxidante porque eso promueve la oxidacion de las partfculas metalicas en suspension, lo que evita aun mas las precipitaciones como la del hierro. El exceso de oxfgeno en esta combustion sumergida desempena un doble papel: 1) impedir la precipitacion de metal y 2) el excedente de oxfgeno puede intervenir en la reaccion de gasificacion. Los gases inyectados en el silicato para esta combustion sumergida hacen que las partfculas que eventualmente se hubieran 25 formado vuelvan a subir. La utilizacion de un comburente con una tasa elevada de oxfgeno o de oxfgeno puro para esta combustion sumergida es, por lo tanto, una excelente solucion intermedia que permite el mezclado del bano y la casi ausencia de hierro metalico sin provocar demasiada espuma.
Las materias combustibles solidas o lfquidas que se tienen que gasificar se introducen preferentemente en el interior del silicato fundido (bajo el nivel de la superficie lfquida del silicato) por medio de una cargadora adaptada (sistema 30 de tornillo sin fin o de embolo, bomba en el caso de un lfquido...). De este modo, tambien pueden introducirse por encima de la superficie de silicato fundido.
Segun el gas elegido para reaccionar con la materia organica, la gasificacion se produce mediante al menos una de
las reacciones siguientes:

• H2O + C ^ CO + H2 (1)

35 • 2 H2O + C ^ CO2 + 2 H2 (2)

• C + CO2 ^ 2 CO (3)

• C+ 1/2 O2 ^ CO (4)
siendo estas reacciones endotermicas.
En caso necesario, si el aporte calonfico al silicato se realiza por combustion sumergida, la reaccion de combustion 40 del oxfgeno con el carbono de la materia organica y/o el sintegas tiene lugar segun:
• C + O2 ^ CO2 (5)
• (CO + H2) + O2 ^ CO2 + H2O (6) siendo estas reacciones exotermicas.
El agua y el CO2 pueden, por lo tanto, especialmente resultar de la combustion sumergida del sintegas o de una 45 mezcla de sintegas con CH4 y/o H2 y/o cualquier otro gas combustible con la ventaja de inyectarlos a continuacion en las proporciones adecuadas sobre la masa que debe gasificarse a temperatura elevada. Tambien puede introducirse agua suplementaria en forma de vapor o de humedad de las materias organicas introducidas.
La produccion de CO o H2 a partir de la materia organica es endotermica y, por este motivo, se introduce un aporte calonfico. El aporte calonfico se limita, en general, al mmimo necesario para compensar las perdidas termicas del 50 aparato y de la reaccion endotermica de gasificacion, asf como, si fuese necesario, para calentar los gases entrantes (H2O, aire, O2, CO2).
En caso de que el aporte calonfico se realice por combustion sumergida, esta se puede separar del lugar en el que se van a inyectar los gases oxidantes necesarios para la gasificacion, todo con el objetivo de aumentar el poder calonfico del gas combustible producido. En este caso, conviene garantizar un aporte de calor permanente hacia la
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zona de reaccion con el gas oxidante, proveniente de la zona de combustion sumergida. Esto puede hacerse mediante la puesta en circulacion del silicato lfquido con respecto a puntos fijos de inyeccion de las materias de combustion, del gas oxidante y del comburente. Esta puesta en circulacion puede hacerse, por ejemplo, mediante conveccion natural resultante de una diferencia de temperatura y/o de profundidad de la cuba, o mediante agitacion (especialmente rotacion) del silicato, especialmente por medio de un agitador por ejemplo metalico, especialmente de acero resistente, especialmente de velocidad variable, especialmente del tipo magneto-hidrodinamico (o «MHD») o mediante movimiento (por ejemplo, rotacion) de la propia cuba, o por cualquier otro medio. En este caso, hay dos salidas de fluidos gaseosos: 1) el gas combustible que se dirige a su utilizacion; 2) los humos de combustion del carbono residual (no transformado en gas combustible) y/o de la combustion sumergida que desembocan en otro circuito, como, por ejemplo, el de los humos principales de horno industrial de utilizacion. La separacion de estos dos gases (gas combustible producido por una parte y gas de combustion por otra) se garantiza gracias a dos chimeneas separadas, estando una colocada proxima e incluso justo encima del conducto de introduccion del gas oxidante (agua u O2 o CO2) y estando colocada la otra proxima e incluso justo encima del conducto de introduccion del comburente. Por lo tanto, la invencion se refiere asimismo al procedimiento de acuerdo con el cual la combustion sumergida por una parte y la reaccion entre el gas oxidante y la materia organica por otra parte se realizan en zonas suficientemente separadas para que los humos de la combustion y el gas combustible puedan recuperarse en chimeneas diferentes.
De forma destacable, el gas oxidante puede generarse al menos parcialmente, e incluso totalmente, en el interior del bano de silicato fundido a partir de la combustion sumergida que le aporta calonas. En efecto, la combustion sumergida entre un combustible y un comburente genera agua y CO2 que van a ascender en forma de burbujas por el bano de silicato para reaccionar a continuacion con las materias organicas que se encuentran sobre todo en la parte alta del bano, flotando mas o menos. El combustible puede ser una parte del propio gas combustible generado de acuerdo con la invencion y que se reinyecta en el bano. Se puede anadir otro combustible a este propio gas combustible, pero no es necesariamente indispensable.
El gas combustible producido de acuerdo con la invencion contiene hidrogeno (H2) y monoxido de carbono (CO). Tambien contiene, en general, metano (CH4). La suma de los porcentajes molares de hidrogeno y de monoxido de carbono es de al menos un 10 % e incluso en general de al menos un 30 % e incluso de al menos un 35 %. Estos porcentajes de gas reductor (H2 y CO) se alcanzan en cuanto el gas oxidante encuentra suficiente materia organica en su progresion.
Este gas combustible tiene, en general, un poder calonfico inferior de al menos 1 MJ/Nm3 e incluso en general de al menos 5 MJ/Nm3 y puede incluso alcanzar al menos 10 MJ/Nm3. Es, en general, inferior a 30 MJ/Nm3.
El rendimiento es la energfa util (energfa del gas producido y utilizado en el exterior) dividida entre todas las energfas entrantes (materia combustible y energfa proveniente eventualmente del exterior). Este rendimiento vana, en general, de un 10 a un 80 %.
El procedimiento de acuerdo con la invencion puede funcionar especialmente de manera continua: el gas producido sale caliente (de 500 °C a 1300 °C) por arriba del aparato y puede dirigirse hacia el procedimiento industrial que lo utilizara: horno de vidrio, generador de electricidad, planta metalurgica, etc. Dado que el gas combustible producido esta caliente, sena conveniente que, para aprovechar al maximo su calor, el dispositivo de acuerdo con la invencion se acercara a la instalacion que lo utilizara para limitar las perdidas termicas. Esto tambien tiene la ventaja de limitar o evitar las condensaciones de alquitranes en el conducto que lleva el gas combustible hasta la instalacion de utilizacion. Este gas combustible tambien se puede refrigerar, por ejemplo, convirtiendo su energfa, por ejemplo, en vapor de agua por medio de una caldera y, si fuera necesario, filtrar (eliminacion del polvo), purificar (eliminacion del agua), comprimir y almacenar antes de enviarlo a la instalacion de utilizacion. En este caso, la utilizacion puede estar mas alejada. En un procedimiento que funciona de forma ininterrumpida, el silicato esta contenido en una cuba, siendo el silicato evacuado regularmente de la cuba, y las materias vitrificables se introducen regularmente para alimentar el bano de silicato.
Determinadas materias organicas solidas, especialmente del tipo biomasa, pueden transformarse en un lfquido viscoso (o aceite) mediante pirolisis a aproximadamente 500 °C bajo presion (como el petroleo se constituye naturalmente a partir de materias organicas). Por lo tanto, antes de la gasificacion en el dispositivo de acuerdo con la invencion, estas materias organicas se pueden transformar en aceite. Esto proporciona la ventaja de reducir considerablemente el volumen de materia que se introduce en el gasificador de acuerdo con la invencion. Ademas, esta materia condensada en forma de aceite se vuelve transportable en la medida en que los costes de transporte resulten razonables, lo que no ocurre realmente con la biomasa de partida, que es demasiado voluminosa habida cuenta de la energfa que proporciona.
La gasificacion de acuerdo con la invencion puede realizarse bajo presion, lo que permite suministrar el gas combustible bajo presion. Esto puede ser deseable, especialmente para alcanzar impulsos suficientes de gas combustible en los quemadores de la utilizacion final. La gasificacion bajo presion es mas facil de realizar a partir de un aceite, ya que la carga del aceite puede efectuarse por medio de una bomba.
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El gas combustible generado por el dispositivo de acuerdo con la invencion puede utilizarse para alimentar, como combustible, un quemador de horno industrial, como un horno de vidrio. Este gas se quema entonces por el aire secundario (siendo inyectado el aire primario en el silicato), que puede haber sufrido una regeneracion termica en un regenerador siguiendo el principio bien conocido por el experto en la industria del vidrio (alternancia humos/aire en los regeneradores).
Si fuera necesario, el gas combustible generado de acuerdo con la invencion puede calentarse antes de quemarse en su utilizacion final (se habla de doble regeneracion si se recalientan tanto el comburente como el combustible). No obstante, esto no tiene necesariamente interes si el gas producido tiene alto poder calonfico y si ya esta suficientemente caliente. Por lo tanto, es una ventaja del procedimiento de acuerdo con la invencion cuando el gas combustible se utiliza directamente despues de su smtesis porque este gas se genera caliente, lo que es ventajoso en ciertas aplicaciones como, especialmente, la combustion en un quemador de un horno de vidrio.
El gas combustible puede salir eventualmente a una temperatura relativamente moderada (< 500 °C), especialmente si es refrigerado por las capas de materia organica o de carbon introducidas recientemente que atraviesa en el dispositivo. Como es un gas con un PCI relativamente debil (si se compara con el gas natural), se prefiere recalentarlo antes de quemarlo en el horno de utilizacion (por ejemplo, horno de vidrio) para obtener la temperatura adiabatica de llama suficiente, especialmente para la fusion del vidrio. Para ello, se puede prever un sistema de doble regeneracion: en una primera alternancia, los humos calientes emitidos por la combustion en el horno de utilizacion (especialmente un horno de vidrio) calientan dos camaras de refrigeracion, una para el aire de combustion (como en los hornos de gas modernos) y la otra para el gas combustible. En la alternancia siguiente, se invierten los circuitos gaseosos y es entonces cuando el aire y el gas se calientan en estas camaras: los dos se queman en el momento de su entrada en el horno de utilizacion, produciendo los humos calientes y cediendo su calor a la carga. Las dos camaras, de aire y de gas combustible, deben, por supuesto, ser hermeticas entre sf, so pena de combustion prematura e incluso de explosion.
Para evitar tener que calentar el gas combustible antes de su utilizacion en el horno de utilizacion, se recomienda aumentar la temperatura de salida del gas que sale del dispositivo de fabricacion del gas combustible (llamado « gasogeno ») y su PCI, a fin de garantizar una temperatura adiabatica de llama suficiente. Este resultado se puede obtener mediante la utilizacion de un gasogeno con una temperatura de gasificacion muy alta (> 1000 °C) y/o que funcione con separacion de las inyecciones de comburente y de gas oxidante (segun el principio de dos chimeneas de la figura 2). En este caso, en efecto, se produce una descomposicion total de los alquitranes y condensables, y una maximizacion de la relacion CO/CO2 y de la tasa de H2 en el gas combustible producido. El gas esta suficientemente caliente (>500°C) y su PCI es suficientemente elevado (> 20 kJ/kg) para alimentar directamente el horno de utilizacion, especialmente un horno de vidrio, sin tener que pasar por una regeneracion. Se quema entonces a su entrada en el horno con el aire de combustion que podra haber experimentado la regeneracion clasica. Esta solucion presenta la ventaja de no tener que recalentar el gas en un regenerador ceramico, que siempre es diffcil de cerrar hermeticamente: de este modo se minimizan los riesgos de combustion prematura o de explosion.
El vapor de agua y/o aire/O2 caliente necesario en el gasificador se puede producir mediante una caldera o un intercambiador que utilice la energfa residual de los humos. El vapor de agua necesario en el procedimiento de acuerdo con la invencion como gas oxidante puede producirse por medio de una caldera. Esta caldera puede instalarse en el circuito de los humos principales de un horno de utilizacion (como un horno de vidrio u otro procedimiento industrial) del gas combustible producido de acuerdo con la invencion o en el circuito de refrigeracion del gas combustible producido. El calor de estos humos o de estos gases sirve para evaporar el agua. En particular, en el caso en que haya dos chimeneas de recogida de gases (de combustion por una parte y de combustible por otra parte), la caldera puede instalarse en el circuito de los humos de combustion que se escapan del dispositivo de acuerdo con la invencion. Preferentemente, el vapor de agua esta a una temperatura de entre 100 °C y 800 °C bajo una presion de entre 1 bary 100 bar.
Asimismo, se describe un dispositivo industrial que comprende un horno de utilizacion del gas combustible producido quemandolo y en el que el calor de los humos de combustion sirve para evaporar el agua, la cual sirve, como gas oxidante, para producir gas combustible de acuerdo con el principio de gasificacion de la invencion, reintroduciendose el gas combustible producido en el horno de utilizacion para quemarlo en el. Este horno de utilizacion puede ser cualquier sistema basado en la combustion de un gas combustible, como un horno de vidrio (fusion del vidrio, horno de vidrio flotado de transformacion en vidrio plano, etc.). Especialmente, el horno puede ser del tipo regenerador o recuperador, es decir, que una parte del calor de los humos podra haberse recuperado ya por un regenerador o recuperador antes de enviarlo a la caldera para evaporar el agua. Se dice que los humos vuelven a salir de dichos regeneradores o recuperadores aun a temperaturas altas, en general inferiores a 600 °C pero en general superiores a 300°C y, por este motivo, el dispositivo es extremadamente ventajoso, ya que estas calonas, habitualmente expulsadas a la atmosfera con los humos, resultan en este caso muy utiles para evaporar el agua en el marco de un sistema de produccion energetica. Asimismo, se describe un dispositivo industrial que comprende:
- una unidad de produccion que comprende un quemador de carburante gaseoso que genera gases de combustion,
- una caldera que produce vapor de agua (por supuesto, esto abarca el hecho de que puede tener varias calderas),
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- una unidad de produccion de gas combustible que comprende la reaccion de un gas oxidante que comprende vapor de agua con una materia organica,
siendo llevados los gases de combustion hasta la caldera para evaporar el agua y producir vapor de agua, siendo llevado el vapor de agua producido por la caldera hasta la unidad de produccion de gas combustible para reaccionar con la materia organica, siendo llevado el gas combustible hasta la unidad de produccion para quemarse en ella como carburante gaseoso. En este marco, la unidad de produccion de gas combustible puede funcionar de acuerdo con el procedimiento de la invencion, es decir, con un bano de silicato, pero tambien puede tratarse de una unidad que funcione segun los principios conocidos en lecho fijo o fluidizado.
Por lo tanto, la invencion se refiere asimismo al procedimiento de fabricacion industrial continuo que utiliza el dispositivo industrial que se acaba de describir. Este procedimiento comprende
- una produccion ininterrumpida en una unidad de produccion industrial que comprende un quemador de carburante gaseoso que genera gases de combustion,
- una produccion ininterrumpida de vapor de agua en una caldera,
- una produccion ininterrumpida de gas combustible en una unidad de produccion de gas combustible que comprende la reaccion de un gas oxidante que comprende vapor de agua con una materia organica,
siendo llevados los gases de combustion hasta la caldera para evaporar el agua y producir vapor de agua, siendo llevado el vapor de agua producido por la caldera hasta la unidad de produccion de gas combustible para reaccionar con la materia organica, siendo llevado el gas combustible hasta la unidad de produccion industrial para quemarse en ella como carburante gaseoso,
funcionando la produccion de gas combustible de acuerdo con el procedimiento de una de las reivindicaciones 1 a 14.
Las materias organicas que pueden introducirse en el silicato puede ser materias solidas o lfquidas combustibles como biomasa y/o desechos como los neumaticos usados, los plasticos, residuos de la trituracion de automoviles, lodos, materias combustibles de sustitucion (llamadas «MCS») e, incluso, residuos domesticos. Las materias organicas pueden ser de naturaleza biologica o proceder de la industria agroalimentaria. Puede tratarse de harinas animales. Puede tratarse de biomasa, especialmente del tipo: paja, tallos de Miscanthus, etc. Puede tratarse tambien de carbon, lignito, esquisto bituminoso, turba, etc. Estas materias pueden ser tambien residuos de madera, de papel de la industria papelera. Tambien pueden estar constituidas por polfmeros organicos, por ejemplo polietileno, polipropileno, poliestireno, residuos de neumaticos o de la trituracion de componentes de automovil. Las materias organicas pueden estar mtimamente mezcladas con materias inorganicas que enriquezcan de forma util la composicion. Por ejemplo, puede ser arena contaminada por una marea negra, de forma que la arena enriquece el silicato con sflice mientras que el hidrocarburo contaminante es una fuente de gas combustible. Tambien se pueden gasificar arenas naturales que contienen hidrocarburos como los esquistos bituminosos. Puede tratarse tambien de compuestos de vidrio/plastico. Se pueden citar, por ejemplo, los acristalamientos laminados que asocian al menos un vidrio con al menos una lamina de polfmero termoplastico o no, del tipo butiral de polivinilo (PVB), etilenvinilacetato (EVA), poliuretano (PU) o tereftalato de polietileno (PET). Se pueden citar tambien los materiales compuestos a base de polfmero reforzado con fibra de vidrio (o fibra de carbono u otro tipo de fibra de refuerzo) utilizados, por ejemplo, en la industria del automovil o en los barcos. Se pueden mencionar tambien los compuestos vidrio/metal (acristalamientos provistos de elementos de conexion, de revestimientos metalicos). Por lo tanto, el dispositivo puede servir para el aprovechamiento de residuos organicos.
El silicato se carga progresivamente con cenizas minerales originadas a partir de la materia combustible introducida. Se puede evacuar de forma ininterrumpida, especialmente por medio de un rebosadero con sifon (para evitar la salida de gas combustible) conectado a la cuba principal. Se puede garantizar la constancia de la viscosidad del silicato a una temperatura dada analizando su composicion qmmica e introduciendo oxidos correctores (CaO, Fe2O3., etc.) con las materias combustibles. La naturaleza y la cantidad de oxido corrector dependen, por supuesto, de la naturaleza de las materias introducidas.
El dispositivo puede integrarse en una instalacion industrial (como un horno de vidrio) que sera capaz entonces de prescindir total o parcialmente de combustible fosil. Para la utilizacion del gas producido en los quemadores, solo se puede equipar un numero limitado de quemadores con este gas de gasificacion, manteniendo los otros quemadores con fueloil o gas natural. Por lo tanto, se pueden reducir proporcionalmente las emisiones de CO2 gravables y se puede, por lo tanto, bajar el precio de la energfa.
El dispositivo es barato, utiliza materiales poco onerosos y su tamano es compacto en comparacion con los dispositivos de la tecnica anterior que utilizan lechos fijos o fluidizados.
Las materias organicas introducidas estan, en general, fnas en comparacion con la temperatura del bano de silicato. Si los gases formados por el procedimiento de acuerdo con la invencion pasan proximos a o en la zona de carga de estas materias, por una parte estos gases recalientan las materias organicas, pero por otra parte los gases se enfnan, lo que puede tener el inconveniente de generar alquitranes y, ademas, esta temperatura disminuida es
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eventualmente menos favorable en el marco de la utilizacion final. Por este motivo, se puede obligar de forma ventajosa a que el gas combustible producido pase por una zona mas caliente de la superficie del silicato, situada preferentemente corriente abajo con respecto al sentido del escurrido o de la evacuacion del silicato. Esta zona mas caliente esta producida especialmente por un aporte calonfico que puede ser de origen electrico. Tambien puede producirse por combustion sumergida de una parte del gas combustible producido con O2 o aire. Este funcionamiento es del tipo « marcha invertida» porque los gases de gasificacion (gas combustible generado) van en el sentido de fno hacia calor (como en los gasificadores con lecho fluidizado a favor de la corriente). En el presente documento, los gases se forman en la primera camara (por lo tanto, pueden estar bastante fnos, ya que la materia organica introducida esta fna) pero en seguida son obligados a pasar a la zona baja entre la boveda y el silicato, lo que los recalienta, con la ventaja de descomponer los alquitranes y proseguir con la gasificacion. Por lo tanto, el gas combustible se puede recalentar haciendolo pasar bajo una boveda rebajada antes de su evacuacion por la chimenea.
La figura 1 representa el dispositivo en el modo de realizacion de acuerdo con el cual el gas combustible fabricado no se separa del gas de combustion. Una cuba 1 contiene un bano fundido de silicato 2 a 1200 °C con una viscosidad inferior a 1000 poises, en el cual la biomasa MCS se introduce sobre la superficie del bano mediante un tornillo sin fin 3. Bajo el nivel de la superficie del bano se introduce asimismo vapor de agua a 400 °C por un conducto 4 y aire a 500 °C por un conducto 5. Se recoge mediante una chimenea unica 6 el gas combustible formado mezclado con el gas de combustion. Se introduce de forma continua una mezcla de materias vitrificables mediante el mismo tornillo sin fin para conservar la composicion del silicato casi constante. La temperatura del bano de silicato se mantiene mediante electrodos. El silicato se evacua de forma ininterrumpida en funcion de la evolucion de su composicion a traves de la garganta 7.
La figura 2 representa el dispositivo en el modo de realizacion de acuerdo con el cual el gas combustible fabricado se separa del gas de combustion. Una cuba 21 contiene un bano fundido de silicato 22 a 1300°C con una viscosidad inferior a 1000 poises, en el cual la biomasa MCS se introduce bajo la superficie del bano mediante un tornillo sin fin 23. El vapor de agua se introduce en una primera zona de la cuba mediante un conducto 24, mientras que el aire se introduce en una segunda zona de la cuba bastante alejada de la primera zona mediante un conducto 25. El bano 22 se agita mediante un agitador rotatorio 28 para que el calor de la combustion creado en la segunda zona se aporte a la segunda zona. Una primera chimenea 26 situada encima de la primera zona recoge el gas combustible producido y una segunda chimenea 27 situada encima de la segunda zona recoge los gases de combustion. Estos gases de combustion pueden dirigirse hacia una caldera o un circuito de recogida de humos de un horno de utilizacion para recuperar en el las calonas. Se introduce de forma continua una mezcla de materias vitrificables mediante el mismo tornillo sin fin para conservar la composicion del silicato casi constante. El silicato se evacua de forma ininterrumpida en funcion de la evolucion de su composicion a traves de la garganta 29.
La figura 3 representa el dispositivo en el modo de realizacion con «marcha invertida» de acuerdo con el cual el gas combustible fabricado no se separa de los gases de combustion y se le obliga a pasar a una zona baja entre la boveda y el silicato para recalentarlo. Una cuba 31 contiene un bano fundido de silicato 32 a 1300 °C con una viscosidad de 50 poises, en el cual la biomasa MCS se introduce encima de la superficie del bano mediante un tornillo sin fin 33. Se recoge mediante una chimenea unica 36 el gas combustible formado mezclado con el gas de combustion. Se introduce tambien de forma continua una mezcla de materias vitrificables (que aportan sflice, CaO, Fe2O3) mediante el mismo tornillo sin fin 33 para conservar la composicion del silicato casi constante. El silicato se evacua de forma ininterrumpida en funcion de la evolucion de su composicion a traves de la garganta 37. El bano de silicato tambien se recalienta mediante quemadores sumergidos 38 alimentados con O2 (comburente) y gases combustibles producidos enfriados, eventualmente enriquecidos por otros gases combustibles, que calientan mucho mas la zona que recibe la masa que se va a gasificar y la zona central del bano (situada bajo la boveda rebajada). El gas combustible formado es obligado a debe atravesar esta zona mas caliente del bano lfquido mediante su paso bajo una parte rebajada 39 de la boveda. De forma destacable, la combustion sumergida de 02/gas combustible es la fuente «in situ» de gas oxidante que comprende agua y CO2 que va a reaccionar con la materia organica que se encuentra mas arriba o sobre el bano de silicato fundido. No se excluye anadir gas oxidante del exterior, pero no es indispensable. Por ultimo, el gas combustible evacuado por la chimenea 36 contiene menos de un 30 % de CO2.
La figura 4 representa un dispositivo industrial que funciona en bucle en lo que se refiere a la utilizacion del calor de los humos. El dispositivo comprende un horno de utilizacion 41 de gas que lo quema y produce humos que se escapan por 42. Estos humos pasan a una caldera 43 para evaporar el agua que se envfa a traves de 44 al bano de silicato 45 que funciona de acuerdo con el principio de la invencion, dirigiendo el gas combustible producido a traves de 46 hasta el horno 41 para quemarlo. El horno 41 es alimentado con gas proveniente del bano de silicato, pero tambien de otra fuente 47. Los humos, despues de haber servido para evaporar el agua, son evacuados por 48 en la chimenea principal del horno.
Ejemplo 1
En el dispositivo de la figura 1 se han introducido 9 toneladas/dfa de residuos de madera y 1000 Nm3/h de aire cargado con un 83 % en volumen de vapor de agua para garantizar la gasificacion. El aporte electrocalonfico en el interior del bano de silicato era de 500 kW. La madera introducida genera alrededor de un 3 % en peso de cenizas y se evacuan 300 kg/dfa de silicato cargado de cenizas. La composicion (% mol) del gas de biomasa era:
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H2 : 22,3 %
CH4 : 4,4 %
CO : 20,9 %
CO2 : 18,6%
N2 : lo complementa para alcanzar el 100 %.
Se ve especialmente que se ha generado mas H2 que CO.
El gas producido tema un poder calonfico inferior de 9 MJ/Nm3.
Si se considera que la madera tiene una ene^a de 12 MJ/kg, se estima que se ha recuperado un 80 % de esta energfa por gasificacion de acuerdo con la invencion.
EJEMPLO 2
Se procede como para el ejemplo 1, salvo porque el aire introducido no contema agua. La composicion (% mol) del gas de biomasa era:
H2 : 10,6 %
CH4 : 3,2%
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CO : 30 %
CO2 : 6%
N2 : lo complementa para alcanzar el 100 %.
Se ve que se ha generado mas CO que H2.
El gas producido tema un poder calonfico inferior de 7 MJ/Nm3. El aporte electrocalonfico en el interior del bano de 20 silicato era de 300 kW.
Si se considera que la madera tiene una energfa de 12 MJ/kg, se estima que se ha recuperado un 80 % de esta energfa por gasificacion sin vapor de agua.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de fabricacion de gas combustible que tenga un poder calonfico inferior de al menos 1 MJ/Nm3, que comprende la reaccion de un gas oxidante que comprende vapor de agua u oxfgeno o CO2 con una materia organica en contacto con un bano de silicato fundido contenido en una cuba y que comprende un aporte calonfico al silicato fundido, funcionando dicho procedimiento de forma ininterrumpida, evacuandose el silicato de la cuba regularmente e introduciendose materias vitrificables regularmente para alimentar el bano de silicato, produciendose una renovacion continua del bano de silicato que permite evacuar de forma ininterrumpida el hierro, cuya concentracion se mantiene de este modo por debajo de su lfmite de precipitacion en el bano.
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que el silicato comprende de un 40 a un 80 % en peso de SO2.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que la suma de la masa de CaO, Fe2O3 y oxido de metal alcalino contenidos en el silicato vana de un 5 a un 60 % en peso.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el aporte calonfico es del tipo combustion sumergida.
  5. 5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que el comburente de la combustion sumergida comprende mas de un 80 % en volumen de oxfgeno puro.
  6. 6. Procedimiento de acuerdo con la reaccion anterior, caracterizado por que la llama de la combustion sumergida es oxidante.
  7. 7. Procedimiento de acuerdo con una de las dos reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas oxidante es generado por la combustion sumergida.
  8. 8. Procedimiento de acuerdo con una de las tres reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la combustion sumergida por una parte y la reaccion entre el gas oxidante y la materia organica por otra parte se realizan en zonas suficientemente separadas para que los humos de la combustion y el gas combustible puedan recuperarse en chimeneas diferentes.
  9. 9. Procedimiento de acuerdo con una de las cuatro reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el carburante de la combustion sumergida comprende gas combustible generado por el propio procedimiento, estando mezclado eventualmente este gas con otros gases combustibles.
  10. 10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas oxidante encuentra suficiente materia organica para que la suma de los porcentajes molares de hidrogeno y monoxido de carbono en el gas combustible sea de al menos un 10 %.
  11. 11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas oxidante comprende al menos un 30 % en volumen de vapor de agua.
  12. 12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el silicato esta a una temperatura de entre 800 °C y 1700 °C.
  13. 13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el aporte calonfico es electrico.
  14. 14. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas combustible se recalienta al pasar bajo una boveda rebajada antes de su evacuacion por una chimenea.
  15. 15. Procedimiento de fabricacion industrial conocido que comprende
    - una produccion ininterrumpida en una unidad de produccion industrial que comprende un quemador de carburante gaseoso que genera gases de combustion,
    - una produccion ininterrumpida de vapor de agua en una caldera,
    - una produccion ininterrumpida de gas combustible en una unidad de produccion de gas combustible que comprende la reaccion de un gas oxidante que comprende vapor de agua con una materia organica,
    - siendo llevados los gases de combustion hasta la caldera para evaporar el agua y producir vapor de agua, siendo llevado el vapor de agua producido por la caldera hasta la unidad de produccion de gas combustible para reaccionar con la materia organica, siendo llevado el gas combustible hasta la unidad de produccion industrial para quemarse en ella como carburante gaseoso.
    funcionando la produccion de gas combustible de acuerdo con el procedimiento de una de las reivindicaciones 1 a 14.
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