ES2882039T3 - Proceso energéticamente eficiente para la hidrolización de lodos - Google Patents

Abstract

Método energéticamente eficiente para la hidrólisis térmica de lodos, que comprende: dirigir los lodos a uno o más mezcladores (5) de lodos-vapor desde los uno o más mezcladores (5) de lodos-vapor, dirigir los lodos a un sistema (102) de hidrólisis térmica aguas abajo que comprende una serie de reactores 1, 2 y 3 por lotes e hidrolizar térmicamente los lodos para formar lodos térmicamente hidrolizados; proporcionar una corriente de agua de alimentación principal y dirigir la corriente de agua de alimentación a través de una unidad 15 de tratamiento de agua y, a continuación, a través de un primer intercambiador 12 de calor y, a continuación, a un desgasificador 11 y desgasificar la corriente de agua de alimentación principal; después de desgasificar la corriente de agua de alimentación principal, dividir la corriente de agua de alimentación principal en aguas de alimentación primera, segunda y tercera; alimentar la primera agua de alimentación a una caldera (10) principal y producir vapor vivo; utilizar el calor asociado con los lodos hidrolizados térmicamente y una caldera (7) de calor residual para generar vapor suplementario: i. dirigiendo los lodos hidrolizados térmicamente al interior, y a través, de una caldera (7) de calor residual; ii. alimentando la segunda agua de alimentación a través de una serie de tubos que se extienden a través de la caldera (7) de calor residual que incluye dirigir los lodos hidrolizados térmicamente a una parte superior de la caldera de calor residual y hacia abajo a través de la serie de tubos que contienen la segunda agua de alimentación, y dirigiendo los lodos hidrolizados térmicamente desde una parte inferior de la caldera de calor residual y a través del primer intercambiador 12 de calor y, a continuación, a través de un segundo intercambiador 13 de calor; iii. calentando la segunda agua de alimentación que pasa a través de los tubos en la caldera de calor residual de manera que el vapor suplementario sea vapor saturado que tiene una temperatura comprendida en el intervalo de 130°C a 150°C; dirigir el vapor suplementario producido en la caldera de calor residual a un depósito (54); dirigir el vapor vivo desde la caldera (10) principal a través de una línea (58) de vapor que tiene un eductor en la misma; inducir el vapor suplementario producido por la caldera (7) de calor residual y contenido en el depósito (54) al eductor en la línea de vapor y en el que el eductor inyecta el vapor suplementario a la línea de vapor y mezcla el vapor suplementario y el vapor vivo para formar una mezcla de vapor en la línea de vapor; en el que las una o más mezclas de lodos-vapor incluyen mezcladores dinámicos primero y segundo aguas arriba del sistema (102) de hidrólisis térmica y el método incluye dividir la mezcla de vapor en corrientes de mezcla de vapor primera y segunda y dirigir la primera corriente de mezcla de vapor al primer mezclador dinámico y mezclar la primera corriente de mezcla de vapor con los lodos en su interior y dirigir la segunda corriente de mezcla de vapor al segundo mezclador dinámico y mezclar la segunda corriente de mezcla de vapor con los lodos en su interior; dirigir la tercera agua de alimentación a través de una válvula 24 a un inyector 9 de agua dispuesto aguas abajo del eductor y dispuesto en la línea 58 de vapor principal; y detectar la temperatura de la mezcla de vapor en la línea de vapor en un punto aguas abajo del eductor e inyectar agua a través del inyector de agua en la línea de vapor para enfriar la mezcla de vapor cuando la temperatura del vapor supera un valor umbral.

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso energéticamente eficiente para la hidrolización de lodos

Campo de la invención

La presente invención se refiere a procesos para el tratamiento de lodos o residuos orgánicos y, más particularmente, a un sistema y a un procedimiento para la hidrolización térmica de lodos o residuos orgánicos.

Antecedentes de la invención

Se emplean diversos sistemas y procesos para el tratamiento de lodos y residuos orgánicos. Por ejemplo, los lodos y los residuos orgánicos se someten a veces a un proceso de hidrólisis térmica que puede ocurrir antes o después de la digestión anaeróbica. Un proceso de hidrólisis térmica causa que las paredes celulares se rompan bajo condiciones de alta temperatura y alta presión y generalmente resulta en lodos altamente solubilizados más fácilmente biodegradables. En particular, la hidrólisis térmica emplea temperaturas elevadas comprendidas en el intervalo de 130°C a 180°C y presión elevada, típicamente comprendida en el intervalo de 0,3-1,0 MPa absoluto (3-10 bar absoluto). Cuando se usan junto con la digestión anaeróbica, un proceso de hidrólisis térmica desacopla los polímeros de cadena larga e hidroliza las proteínas y, generalmente, la hidrólisis térmica transforma los lodos o los residuos orgánicos de maneras que hacen que la digestión anaeróbica sea más eficiente.

Los procesos de hidrólisis térmica consumen enormes cantidades de energía. La temperatura y la presión en los intervalos deseados para la hidrólisis de los lodos se crean típicamente mediante la inyección y el mezclado de vapor con los lodos en un reactor de hidrólisis. La inyección de vapor es un aspecto de la hidrólisis de lodos residuales que requiere una gran cantidad de energía y la recuperación de energía es una cuestión de gran interés con relación a la hidrólisis de lodos. En algunos casos, se conoce la recuperación parcial de energía interrumpiendo intermitente la inyección del vapor en los lodos entrantes en un proceso de hidrólisis por lotes o calentando agua de alimentación en una caldera para la producción de nuevo vapor. Estos procesos se caracterizan por una eficiencia menor de la deseable y por un coste muy elevado. El documento ES2538176 divulga un método energéticamente eficiente que comprende mezclar vapor vivo y vapor suplementario, y dirigir el vapor mixto a los mezcladores.

Por lo tanto, existe y continúa existiendo una necesidad de mejorar la eficiencia energética de los sistemas y los procesos de hidrólisis térmica.

Sumario de la invención

La presente invención se refiere a un proceso de hidrólisis térmica para la hidrólisis de lodos según la reivindicación 1 adjunta. Un método energéticamente eficiente para la hidrólisis térmica de lodos comprende: dirigir los lodos a uno o más mezcladores de lodos-vapor, desde los uno o más mezcladores (5) de lodos-vapor, dirigir los lodos a un sistema de hidrólisis térmica aguas abajo que comprende una serie de reactores 1,2 y 3 por lotes e hidrolizar térmicamente los lodos para formar lodos térmicamente hidrolizados, proporcionar una corriente de agua de alimentación principal y dirigir la corriente de agua de alimentación a través de un unidad 15 de tratamiento de agua y, posteriormente, a través de un primer intercambiador 12 de calor y, posteriormente, a un desgasificador 11 y desgasificar la corriente de agua de alimentación principal, después de desgasificar la corriente de agua de alimentación principal, dividir la corriente de agua de alimentación principal en aguas de alimentación primera, segunda y tercera; alimentar la primera agua de alimentación a una caldera (10) principal y producir vapor vivo; utilizando el calor asociado con los lodos térmicamente hidrolizados y una caldera (7) de calor residual para generar vapor suplementario: i. dirigiendo los lodos térmicamente hidrolizados al interior y a través de una caldera de calor residual; ii. alimentando la segunda agua de alimentación a través de una serie de tubos que se extienden a través de la caldera de calor residual, incluyendo el direccionamiento de los lodos térmicamente hidrolizados al interior de una parte superior de la caldera de calor residual y hacia abajo a través de la serie de tubos que contienen la segunda agua de alimentación, y dirigiendo los lodos térmicamente hidrolizados desde una parte inferior de la caldera de calor residual y a través del primer intercambiador 12 de calor y, posteriormente, a través de un segundo intercambiador 13 de calor; iii. calentando la segunda agua de alimentación que pasa a través de los tubos en la caldera de calor residual de manera que el vapor suplementario sea vapor saturado que tiene una temperatura comprendida en el intervalo de 130°C a 150°C; dirigir el vapor suplementario producido en la caldera de calor residual a un depósito (54); dirigiendo el vapor vivo desde la caldera principal a través de una línea (58) de vapor que tiene un eductor en la misma; inducir el vapor suplementario producido por la caldera de calor residual y contenido en el depósito al interior del eductor en la línea de vapor y en el que el eductor inyecta el vapor suplementario a la línea de vapor y mezcla el vapor suplementario y el vapor vivo para formar una mezcla de vapor en la línea de vapor; en el que las una o más mezclas de vapor y lodos incluyen mezcladores dinámicos primero y segundo aguas arriba del sistema de hidrólisis térmica y el método incluye dividir la mezcla de vapor en corrientes de mezcla de vapor primera y segunda y dirigir la primera corriente de mezcla de vapor al primer mezclador dinámico y mezclar la primera corriente de mezcla de vapor con los lodos en el mismo y dirigir la segunda corriente de mezcla de vapor al segundo mezclador dinámico y mezclar la segunda corriente de mezcla de vapor con los lodos en el mismo; dirigir la tercera agua de alimentación a través de una válvula 24 a un inyector 9 de agua dispuesto aguas abajo del eductor y dispuesto en la línea 58 de vapor principal; y detectar la temperatura de la mezcla de vapor en la línea de vapor en un punto aguas abajo del eductor e inyectar agua a través del inyector de agua a la línea de vapor para enfriar la mezcla de vapor cuando la temperatura del vapor excede un valor umbral. El

Otros objetos y ventajas de la presente invención resultarán evidentes y obvios a partir de un estudio de la siguiente descripción y de los dibujos adjuntos que son meramente ilustrativos de dicha invención.

Descripción de los dibujos

La Figura 1 es un dibujo esquemático que muestra un proceso de hidrólisis térmica ejemplar que utiliza una caldera de calor residual para generar vapor que se usa para calentar los lodos que se dirigen a un sistema de hidrólisis térmica.

La Figura 2 es similar a la Figura 1, pero muestra un método alternativo.

La Figura 3 es otra ilustración esquemática de un proceso de hidrólisis térmica ejemplar que es similar en muchos aspectos a los procesos mostrados en las Figuras 1 y 2.

La Figura 4 es un dibujo esquemático que muestra un proceso ejemplar que emplea un depósito de expansión aguas abajo de un proceso de hidrólisis térmica, que no forma parte de la invención.

La Figura 5 es similar a la Figura 4, pero muestra una alternativa que no forma parte de la presente invención.

La Figura 6 es todavía otra alternativa para un proceso de hidrólisis térmica que emplea un depósito de expansión, que no forma parte de la invención.

La Figura 7 es similar a las Figuras 4-6, pero muestra otro proceso alternativo que no forma parte de la invención.

La Figura 8 muestra otro proceso alternativo para emplear un depósito de expansión aguas abajo de un sistema de hidrólisis térmica para la recuperación de energía térmica, que no forma parte de la invención.

La Figura 9 es todavía otro proceso alternativo, que no forma parte de la invención, que es similar en muchos aspectos a los procesos mostrados en las Figuras 4-8.

La Figura 10 es una ilustración esquemática de un proceso de hidrólisis térmica que incluye un diseño eficiente para calentar los lodos entrantes, que no forma parte de la invención.

La Figura 11 representa un proceso similar al mostrado en la Figura 10, que no forma parte de la invención.

Descripción de las realizaciones ejemplares

Con referencia adicional a los dibujos, en los mismos se muestra un sistema para el tratamiento de lodos o residuos orgánicos y se indica generalmente mediante el número 100. En el presente documento se usa el término "lodo" y este abarca los residuos orgánicos. Con referencia particular a las Figuras 1-3, se observa que el sistema 100 para el tratamiento de lodos incluye una tolva 4 para recibir y retener lodos y un transportador 32 dispuesto en la parte inferior de la tolva para transportar los lodos desde la misma. Dispuesta en el lado de salida del transportador 32, hay una bomba 6 que puede comprender una bomba de cavidad progresiva. La bomba 6 es operativa para bombear los lodos a una unidad 5 de mezclado de lodos-vapor dinámica. Típicamente, el tiempo de retención de los lodos y del vapor en la unidad 5 de mezclado es menor de 5 minutos y la velocidad del rotor en la unidad de mezclado es mayor de 2.000 revoluciones por minuto. En la realización ilustrada en la Figura 2, se proporciona un par de unidades 5A y 5B de mezclado de lodos-vapor. En la realización de la Figura 2, se proporciona una bomba 6B interconectada de manera operativa entre las unidades 5A y 5B de mezclado.

Aguas abajo de la unidad de mezclado de lodos-vapor, hay un sistema de hidrólisis térmica indicada generalmente mediante el número 102. En el caso de las realizaciones ilustradas en el presente documento, el sistema 102 de hidrólisis térmica comprende tres reactores o depósitos 1,2 y 3 por lotes. Una serie de líneas 18, 20 y 22 de entrada de lodos están interconectadas de manera operativa entre los reactores 1,2 y 3 y la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor. Además, hay una serie de líneas 17, 19 y 21 de salida de lodos que se extienden desde los reactores 1, 2 y 3 y se emplean para transportar los lodos procedentes de los reactores respectivos. Además, cada reactor 1,2, o 3 de hidrólisis térmica incluye una válvula 25 de salida de vapor para descargar los gases no condensables desde los reactores.

Las líneas 17, 19 y 21 de salida de lodos conducen a una caldera 7 de calor residual. La caldera 7 de calor residual puede adoptar diversos diseños y formas. En un diseño ejemplar, la caldera 7 de calor residual incluye una serie de tubos que se extienden a través de una parte sustancial de la caldera. Tal como se observa en la Figura 1, la caldera 7 de calor residual incluye una salida de lodos que se conecta a la línea 40 que se extiende a través de, o en una relación operativa con, dos intercambiadores de calor, los intercambiadores 12 y 13 de calor. Aguas abajo del intercambiador 13 de calor, hay una bomba 14 para bombear los lodos en la línea 40, en un ejemplo, a un digestor anaeróbico (no mostrado). Además, la caldera 7 de calor residual incluye una entrada 42 de agua de alimentación y una línea 44 de salida de vapor. El sistema 100 de hidrólisis térmica puede emplearse con o sin un proceso de digestión anaeróbica. Además, incluso cuando se emplea junto con un digestor anaeróbico, el sistema 100 de hidrólisis térmica puede emplearse aguas arriba o aguas abajo del digestor anaeróbico.

El sistema y el proceso divulgados en el presente documento emplean diversos medios para enfriar los lodos en la línea 40 de salida de lodos. En una realización, se emplea una bomba 34 para dirigir las aguas residuales tratadas a través del intercambiador 13 de calor de enfriamiento con el propósito de enfriar los lodos que pasan a través del mismo. Además, hay algunos casos en los que puede ser deseable diluir los lodos que pasan en la línea 40. En este caso, un agua de dilución de clase A puede ser bombeada por la bomba 33 e inyectada en una o más ubicaciones a lo largo de la línea 40 de salida de lodos.

Además de la caldera 7 de calor residual, se proporciona también una caldera 10 principal para generar vapor que se usa para mezclar el mismo con los lodos entrantes. Por consiguiente, el agua de alimentación de la caldera, agua potable, se bombea a una unidad 15 de tratamiento de agua para tratar el agua de alimentación antes de que el agua de alimentación sea introducida en cualquiera de las calderas. Después del tratamiento en la unidad 15 de tratamiento de agua, el agua de alimentación de las calderas se dirige a través del intercambiador 12 de calor y generalmente funciona para proporcionar un enfriamiento adicional para los lodos que pasan a través de la línea 40 de salida de lodos. El agua de alimentación desde el intercambiador 12 de calor se dirige a un desgasificador 11. En el desgasificador, los gases no condensables, tales como CO² y O², se eliminan del agua de alimentación. Pueden usarse diversos tipos de desgasificadores. En la realización ilustrada en el presente documento, el vapor desde la caldera 10 principal se dirige a través de la línea 46 de vapor al desgasificador 11 donde el vapor contacta con el agua de alimentación que fluye a través del desgasificador y elimina ciertos gases. Desde el desgasificador 11, el agua de alimentación es bombeada por la bomba 31 a la caldera 10 principal, la caldera 7 de calor residual o a una línea 48 de inyección de agua. Una serie de válvulas, las válvulas 23A, 23B y 23C, controlan el flujo de agua de alimentación desde la bomba 31 a las calderas 7 y 10, así como a la línea 48 de inyección de agua. Tal como se observa en la Figura 1, la bomba 31 es operativa para bombear el agua de alimentación de la caldera a través de la válvula 23A y a través de la línea 50 a la caldera 10 principal. Además, la bomba 31 es operativa para bombear el agua de alimentación a través de la válvula 23B y a través de la línea 52 a un depósito 54 que está conectado también de manera comunicativa a la línea 44 de vapor que conduce desde la caldera 7 de calor residual. La válvula 23C controla el flujo de agua de alimentación desde la bomba 31 a través de la línea 48 de inyección de agua. En la práctica, la válvula 23C se controla o se abre y se cierra mediante un actuador.

Una línea 58 de vapor se extiende desde la caldera 10 principal para transportar el vapor producido por la caldera principal. Dispuesto en la línea 58 de vapor, hay un inyector 8 de vapor que está conectado también de manera comunicativa a una línea 60 de vapor de presión más baja (Figuras 1-3) que se extiende desde el depósito 54. Pueden emplearse diversas formas de inyectores 8 de vapor. En una realización, el inyector 8 de vapor adopta la forma de un eductor que es operativo para inducir vapor producido por la caldera 7 de calor residual desde la línea 60 de vapor a la línea 58 de vapor principal donde se mezclan el vapor producido por la caldera 10 principal y la caldera 7 de calor residual.

Aguas abajo del inyector 8 de vapor, hay un inyector 9 de agua que está dispuesto también en la línea 58 de vapor principal. El inyector 9 de agua está conectado de manera comunicativa a la línea 48 de inyección de agua. Una válvula 24 dispuesta en la línea 48 de inyección de agua controla el flujo de agua al inyector 9 de agua. En una realización, un sensor de temperatura está asociado con la línea 58 de vapor para detectar la temperatura del vapor que pasa a través de la misma. Cuando existe una necesidad de enfriar el vapor en la línea 58 de vapor, el sensor de temperatura está operativo para actuar la válvula 24 de control para reducir la temperatura del vapor en la línea 58.

Tal como se observa en la Figura 1, el vapor que fluye aguas abajo del inyector 9 de agua se dirige a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor donde se inyecta y se mezcla con los lodos antes de que los lodos sean dirigidos a los reactores 1,2 y 3 de hidrólisis térmica por lotes.

La Figura 3 muestra una realización alternativa en la que la línea 58 de vapor conduce al transportador 32 en la tolva 4. A veces, se hace referencia a esto como una inyección de vapor en el "fondo vivo" de la tolva 4. En algunas realizaciones, se contempla que el vapor usado para calentar los lodos sea inyectado al "fondo vivo" de la tolva 4. En dichos casos, es posible que no haya una unidad de mezclado de lodos-vapor aguas abajo. En otras realizaciones, una parte del vapor en enrutada desde la línea 58 de vapor a la línea 62 de vapor que está operativa para suministrar vapor a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor. En esta realización, el vapor se dirige a dos puntos y los lodos se mezclan con vapor en la ubicación del transportador, así como en la unidad o las unidades de mezclado de lodos-vapor. Véase, por ejemplo, la Figura 3.

A continuación, se describen realizaciones que no forman parte de la presente invención. Mostrado en las Figuras 4-9, el vapor auxiliar o suplementario es producido por un depósito 35 de expansión situado aguas abajo del sistema 102 de hidrólisis térmica. En particular, los lodos hidrolizados desde los reactores 1, 2 y 3 por lotes se dirigen al depósito 35 de expansión. Tal como se describirá más adelante, existe una caída de presión controlada entre el sistema 102 de hidrólisis térmica y el depósito 35 de expansión. El vapor es expulsado desde el depósito 35 de expansión por una reducción de presión que se produce al controlar o abrir la válvula 37. Tal como se muestra en las Figuras 4-9, el vapor expandido en el depósito 35 de expansión representa la energía recuperada desde el proceso de hidrólisis térmica y se usa para calentar los lotes de lodos sucesivos en los reactores 1, 2 y 3 por lotes.

En la realización de la Figura 4, el vapor desde el depósito 35 de expansión se conecta a través de la línea 64 de vapor al transportador 32 o "fondo vivo" de la tolva 4. El vapor producido por la caldera 10 de biogás se dirige a través de la línea 58 a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor aguas abajo. Por lo tanto, en este caso, el vapor se mezcla con los lodos en dos ubicaciones aguas arriba del sistema 102 de hidrólisis térmica. En la realización de la Figura 5, el vapor recogido en el depósito 35 de expansión se dirige a través de la línea 64 a las despulpadoras 16 paralelas que están situadas entre la bomba 6 y la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor. Los depósitos de precalentamiento, tales como una despulpadora, tendrán un tiempo de retención de los lodos más largo en comparación con el mezclador dinámico. El mezclado en depósitos de precalentamiento o despulpadoras es proporcionado normalmente por una bomba de recirculación. En este caso, el vapor de la línea 58 de vapor vivo principal puede dirigirse a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor o a las despulpadoras 16 paralelas o a ambas. Con referencia a la realización mostrada en la Figura 6, el vapor recogido en el depósito 35 de expansión se dirige a través de la línea 64 a una primera unidad 5A de mezclado de lodos-vapor mientras que el vapor desde la caldera 10 principal se dirige a la unidad 5B de mezclado de lodos-vapor aguas abajo. El vapor recogido en el depósito 35 de expansión de la realización de la Figura 7 se dirige a través de la línea 64 de vapor a un circuito de recirculación que incluye la bomba 31. El circuito de recirculación está conectado de manera comunicativa a la despulpadora 16 y recircula los lodos a través del circuito de recirculación. El vapor en la línea 58 de vapor vivo principal se dirige a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor aguas abajo.

El proceso representado en la Figura 8 es similar en muchos aspectos al proceso descrito anteriormente y mostrado en la Figura 2, con la excepción de que la caldera 7 de calor residual se sustituye por el depósito 35 de expansión. En el caso de la realización de la Figura 8, el vapor descargado desde el depósito 35 de expansión es inducido por un inyector de vapor o eductor 8 desde la línea 66 al interior de la línea 58 de vapor principal, donde el vapor de expansión se mezcla con el vapor producido por la caldera 10 principal. En este caso, el vapor mezclado en la línea 58 se dirige a la primera unidad 5A de mezclado de lodos-vapor. Una parte del vapor producido por la caldera 10 principal puede desviarse a través de la línea 62 a la segunda unidad 5B de mezclado de lodos-vapor aguas abajo. La realización mostrada en la Figura 9 es similar a la mostrada en la Figura 8 y descrita anteriormente, excepto que el vapor combinado en la línea 58 de vapor se dirige al "fondo vivo" de la tolva 4. Una parte del vapor producido por la caldera 10 puede desviarse a través de la línea 62 a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor.

La realización mostrada en la Figura 10 excluye tanto la caldera 7 de calor residual como el depósito 35 de expansión. En este caso, el vapor producido por la caldera 10 principal se dirige a través de la línea 58 a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor. En la realización ilustrada en la Figura 11, la caldera 7 de calor residual y el depósito 35 de expansión no están incorporados en el sistema y el proceso global. Sin embargo, los lodos hidrolizados se dirigen desde el sistema 102 de hidrólisis térmica a un intercambiador 68 de calor que está operativo para transferir calor desde la línea 40 de salida de lodos a una línea de entrada de lodos que se extiende entre la bomba 6 y la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor.

La siguiente sección describe realizaciones que se aplican a la presente invención, tal como se representa en las Figuras 1,2 y 3. Los procesos descritos anteriormente están diseñados para obtener el menor consumo de energía posible durante el transcurso de la hidrolización térmica de los lodos. Esto es posible optimizando el proceso de hidrólisis térmica y recuperando tanta energía como sea posible. Esto se consigue, al menos en parte, mediante el empleo de la caldera 7 de calor residual o del depósito 35 de expansión. En ambos casos, la energía térmica asociada con los lodos hidrolizados se usa para generar vapor auxiliar o suplementario que se combina o que se usa junto con el vapor vivo producido por la caldera 10 principal.

Los lodos procedentes de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales o industriales tienen típicamente un contenido de sólidos secos comprendido entre aproximadamente el 10% y aproximadamente el 40%. Tal como se ha descrito anteriormente, los lodos se mezclan con vapor en un punto o unos puntos aguas arriba del sistema 102 de hidrólisis térmica. Típicamente, el vapor está a una temperatura comprendida entre aproximadamente 150°C y aproximadamente 200°C. Cuando se mezcla con los lodos, la temperatura media de la mezcla de lodos-vapor es típicamente de 140°C-180°C. Tal como se ha descrito anteriormente, la mezcla de lodos-vapor puede implementarse de diversas maneras. Estas se ilustran en las Figuras 1-11. En algunos casos, los lodos y el vapor se mezclan en mezcladores de lodos-vapor idénticos. En otros casos, el vapor se inyecta a los lodos y se mezcla con los mismos a través de una válvula de inyección. En algunas realizaciones, puede usarse una despulpadora 16 u otra estructura conveniente para causar que el vapor sea absorbido y mezclado con los lodos. Con la adición de vapor y el calentamiento de los lodos, la viscosidad de los lodos disminuye y, por lo tanto, los lodos serán bombeados o transportados más fácilmente.

Los lodos se alimentan a uno de los al menos tres reactores o depósitos 1, 2 y 3, dependiendo de qué depósito esté preparado para recibir los lodos. Los lodos se retienen en los depósitos durante aproximadamente 10-20 minutos, lo que, junto con la elevada temperatura comprendida entre 140°C-180°C, garantiza la hidrólisis de los lodos. Se deduce que en el proceso de hidrólisis térmica ejemplar divulgado en el presente documento, cada depósito funcionará en tres modos: llenado, retención y vaciado. Los reactores 1, 2 y 3 funcionarán preferiblemente en paralelo, lo que hace que el proceso global sea un proceso continuo. Cada modo ocupará aproximadamente 20 minutos. La presión en cada uno de los tres reactores o depósitos está definida por la temperatura de los lodos, que a 165°C será de aproximadamente 0,7 MPa a (7 bar abs). Puede considerarse también la presión desde los gases liberados por el calentamiento de los lodos, que es principalmente dióxido de carbono. Los gases no condensables se acumularán en los reactores con el tiempo. La parte superior de cada depósito o reactor incluye un dispositivo para purgar los gases no condensables generados durante el transcurso del proceso de hidrólisis térmica. De esta manera, los gases no condensables se purgarán durante el funcionamiento del sistema 102 de hidrólisis térmica.

Después de retener los lodos durante 20 minutos en un depósito respectivo, los lodos se dirigen fuera de una línea de salida y a la caldera 7 de calor residual. Tal como se ha indicado anteriormente, la caldera 7 de calor residual incluye una serie de tubos. En el caso de una realización, el agua de alimentación dirigida a la entrada 42 de la caldera 7 de calor residual se dirige a los tubos y a través de los mismos. Por otra parte, los lodos se mueven alrededor de los tubos y a través de la caldera 7 de calor residual. El calor desde los lodos hidrolizados se transfiere a través de las paredes de los tubos al agua de alimentación y, en un ejemplo típico, esto produce vapor saturado a una temperatura comprendida en el intervalo 130°C-150°C. Los lodos hidrolizados salen de la caldera de calor residual a través de la línea 40 y pasan a través de los intercambiadores 12 y 13 de calor. En un ejemplo típico, los lodos hidrolizados que fluyen a través del intercambiador 12 de calor calentarán el agua de alimentación de la caldera a aproximadamente 95°C antes de que el agua de alimentación de la caldera alcance al desgasificador 11. Los lodos hidrolizados que fluyen a través del intercambiador 13 de calor enfriarán adicionalmente los lodos. Además, puede añadirse agua de enfriamiento o de dilución a los lodos en la línea 40 de salida de lodos para conseguir un contenido de sólidos secos comprendido en el intervalo del 8%-10% y una temperatura comprendida entre aproximadamente 35°C-55°C, que es un intervalo de temperaturas apropiado para la digestión tanto termófila como mesófila. Existen diversos medios para garantizar que los lodos fluyan a través de la caldera 7 de calor residual y los dos intercambiadores 12 y 13 de calor. Se contempla que, en algunas realizaciones, la presión en los reactores 1, 2 y 3 sea de aproximadamente 0,8 MPa a (8 bar abs), que es suficiente para forzar los lodos a través de la caldera 7 de calor residual y a través de los intercambiadores 12 y 13 de calor. En cualquier caso, la bomba 14, mostrada en los dibujos, es una bomba de cavidad progresiva que vaciará los depósitos mediante un flujo constante controlado por el transmisor 28, 29 o 30 de nivel (celdas de carga, por ejemplo) de cada depósito. Si la presión en el sistema es suficiente, entonces la bomba 14 de cavidad progresiva puede cambiarse por una válvula u otro dispositivo que mantendrá una presión apropiada. Se aprecia que, cuando un reactor se vacía, entonces la presión encima del líquido en el depósito disminuye, y a un cierto nivel en el depósito, el agua en el depósito empezará a evaporarse lentamente para garantizar un equilibrio entre el líquido en el depósito. y los gases encima de la superficie del líquido a la temperatura real. La evaporación del agua enfriará el líquido aproximadamente 1°C-2°C. A continuación, la temperatura del líquido se reducirá de aproximadamente 165°C a 163°C durante el vaciado de los depósitos.

Existe el riesgo de que los lodos se expandan o hiervan en los tubos desde los tres reactores a la caldera 7 de calor residual. Para evitar este riesgo de expansión, puede ser necesario colocar los tres reactores encima de la caldera 7 de calor residual. En este caso, la presión estática en el líquido prevendrá la expansión en el sistema de tubos siempre y cuando la caída de presión en el sistema de tubos no sea excesiva o demasiado elevada.

Tal como se ha descrito anteriormente, una caldera 10 principal, que puede ser alimentada con biogás producido por un digestor anaeróbico asociado, se usa para generar una corriente de vapor principal. El agua de alimentación a la caldera 10 se trata en la unidad 15 de tratamiento de agua y es precalentada por el intercambiador 12 de calor. Pueden emplearse varios tipos de sistemas de pretratamiento para eliminar, por ejemplo, la dureza y otras especies de incrustaciones o ensuciamiento. Por ejemplo, el agua de alimentación de la caldera puede tratarse con diversos tipos de unidades de separación de membranas o de intercambio de iones. Después de abandonar el intercambiador 12 de calor, el agua de alimentación se dirige a través del desgasificador 11 donde se eliminan los gases y desde el desgasificador al menos una parte del agua de alimentación se bombea a la caldera 10 principal a través de la línea 50. Véase la Figura 1, por ejemplo. Además de alimentar la caldera 10, el agua de alimentación se dirige al depósito 54 y, posteriormente, a través de la línea 56 a la entrada 42 de agua de alimentación de la caldera 7 de calor residual. Tal como se ha descrito anteriormente, la energía térmica asociada con los lodos hidrolizados que pasan a través de la caldera 7 de calor residual causa la producción de vapor a partir del agua de alimentación. Ambas calderas 7 y 10 producen vapor saturado. Sin embargo, la caldera 7 de calor residual produce vapor a una presión más baja que la caldera 10 de vapor principal. Por ejemplo, la caldera 7 de calor residual produce típicamente vapor a 140°C-150°C mientras que la caldera 10 principal producirá vapor saturado a 200°C-220°C. El vapor producido por la caldera 7 de calor residual es aumentado por el vapor producido por la caldera 10 de vapor principal. Es decir, mediante el empleo del sistema inyector o eductor 8, el vapor producido por la caldera 7 de calor residual se inyecta en la línea 58 de vapor, donde se mezcla con el vapor generado por la caldera 10. Si la temperatura del vapor combinado es superior a un umbral, entonces el vapor combinado puede enfriarse inyectando agua de alimentación desde la línea 48 a la línea 58 de vapor principal, tal como se muestra en la Figura 1. Tal como se ha descrito anteriormente, el vapor producido por la caldera 7 de calor residual y la caldera 10 principal se enruta a un punto o unos puntos aguas arriba del sistema 102 de hidrólisis térmica para formar una mezcla de lodos-vapor.

Con respecto a las realizaciones que emplean la caldera 7 de calor residual (realizaciones mostradas en las Figuras 1-3), durante el arranque, el suministro de vapor se deriva totalmente a partir de la caldera 10 de vapor. Este es el caso hasta que la caldera 7 de calor residual entra en funcionamiento y es capaz de generar vapor. Una vez que la caldera 7 de calor residual está en funcionamiento, asumirá continuamente una mayor parte de la carga. Una vez en pleno funcionamiento o en un estado de funcionamiento estable, la caldera de calor residual suministrará aproximadamente entre el 35% y el 40% del vapor que se requiere mezclar con los lodos entrantes y el resto será suministrado por la caldera 10 principal.

La siguiente sección describe realizaciones que no forman parte de la presente invención. En las realizaciones mostradas en las Figuras 4-9, los procesos mostrados en las mismas son similares en muchos aspectos a los procesos mostrados en las Figuras 1-3, pero en los que la caldera 7 de calor residual se reemplaza por el depósito 35 de expansión. En las realizaciones de las Figuras 4-9, los lodos hidrolizados se dirigen desde el sistema 102 de hidrólisis térmica y, particularmente, desde los reactores 1, 2 y 3 al depósito 35 de expansión. La presión en el depósito de expansión se mantiene entre aproximadamente 0,14 y 0,27 MPa (1,4 y 2,7 bar), que corresponde a un intervalo de temperaturas de 1102C-130°C. La presión en el depósito 35 de expansión se controla regulando la válvula 37 para mantener una presión generalmente constante en el depósito 35 de expansión. Hay varios enfoques para controlar el flujo continuo de lodos desde los tres reactores 1,2 y 3 al depósito 35 de expansión. En un enfoque, se proporciona un flujo continuo de lodos al depósito 35 de expansión controlado mediante una "pérdida de presión estática" con una característica 38 (un orificio fijo, por ejemplo) junto con las válvulas 17, 19 y 21. En este caso, la caída de la presión principal es mayor que la "pérdida de presión estática" y el flujo es controlado por las válvulas 17, 19 y 21. Otra manera de controlar el flujo de lodos desde los reactores 1,2 y 3 al depósito 35 de expansión es un enfoque que no emplea la "pérdida de presión estática". Este enfoque incluye abrir y cerrar repetidamente las válvulas 17, 19 y 21. Es decir, una válvula se abre durante un período corto, lo que resultará en un flujo relativamente grande al depósito 35 de expansión durante un corto período de tiempo. A continuación, la válvula se cerrará y, por supuesto, no habrá flujo al depósito 35 de expansión. Este proceso de apertura y cierre repetidos de estas válvulas se repite durante un período de tiempo seleccionado. El funcionamiento de estos dos enfoques es controlado por los sensores de carga o los transmisores 28, 29 y 30 de nivel asociados con los reactores 1,2 y 3.

El vapor de expansión descargado desde el depósito 35 de expansión se usa de una manera similar a como se usa el vapor producido por la caldera 7 de calor residual. Es decir, el vapor de expansión descargado desde el depósito 35 de expansión se combina con el vapor producido por la caldera 10 principal o, en algunos casos, se usa de manera independiente para calentar los lodos entrantes al sistema 102 de hidrólisis térmica. Por ejemplo, en la realización mostrada en la Figura 4, el vapor producido por el depósito de expansión se dirige a través de la línea 64 al "fondo vivo" de la tolva 4 donde el vapor se mezcla con los lodos entrantes. El vapor desde la caldera 10 se dirige a través de la línea 58 a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor de aguas abajo. En las realizaciones mostradas en la Figura 5, el vapor desde el depósito 35 de expansión se dirige a través de la línea 64 a las despulpadoras 16 paralelas. El vapor producido por la caldera 10 se dirige a través de la línea 58 a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor o a las despulpadoras 16 o a ambas. En el caso de la realización mostrada en la Figura 6, el vapor producido por el depósito 35 de expansión se dirige a través de la línea 64 a una primera unidad 5A de mezclado de lodos-vapor mientras el vapor producido por la caldera 10 se dirige a la unidad 5B de mezclado de lodos-vapor aguas abajo. En la realización de la Figura 7, el vapor desde el depósito de expansión se dirige a través de la línea 64 a una línea de reciclaje asociada con la despulpadora 16. Una vez más, los lodos producidos por la caldera 10 se dirigen a través de la línea 58 a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor.

La realización mostrada en la Figura 8 es similar en muchos aspectos a la realización mostrada en la Figura 2 y descrita anteriormente, excepto que la caldera 7 de calor residual se reemplaza por el depósito 35 de expansión. En cualquier caso, el vapor de expansión desde el depósito 35 de expansión es inducido a través de línea 66 por el inyector 8 de vapor y se causa que se mezcle en la línea 58 con el vapor producido por la caldera 10. El vapor combinado en la línea 58 se dirige a una primera unidad 5A de mezclado de lodos-vapor mientras una parte del vapor producido por la caldera 10 se desvía a través de la línea 62 a la segunda unidad 5B de mezclado de lodos-vapor. La realización mostrada en la Figura 9 es similar en muchos aspectos a la realización de la Figura 8, excepto que el vapor combinado en la línea 58 se dirige al "fondo vivo" de la tolva 4. En otras palabras, el vapor se inyecta a una parte de la carcasa del transportador y se mezcla con los lodos que están siendo transportados por el transportador 32. La parte desviada del vapor producido por la caldera 10 se dirige a la unidad 5 de mezclado de lodos-vapor.

Hay muchas ventajas para los sistemas y los procesos descritos anteriormente. Primero, los sistemas y los procesos proporcionan un uso eficiente de la energía. Tanto la caldera 7 de calor residual como el depósito 35 de expansión se incorporan y se usan para recuperar una cantidad sustancial de energía que si no se perdería. Una vez recuperada, la energía se convierte de manera continua en vapor y se mezcla eficientemente con los lodos entrantes. En segundo lugar, todo el sistema es fácil y económico de mantener. Por ejemplo, el mezclado del vapor con los lodos en el exterior de los reactores de hidrólisis térmica reduce sustancialmente los problemas y los costes de mantenimiento. Las presentes realizaciones deben considerarse en todos los aspectos como ilustrativas y no restrictivas, y se pretende que todos los cambios incluidos dentro del significado de la reivindicación 1 adjunta estén incluidos en las mismas.

Claims (1)

REIVINDICACIONES

1. Método energéticamente eficiente para la hidrólisis térmica de lodos, que comprende:

dirigir los lodos a uno o más mezcladores (5) de lodos-vapor desde los uno o más mezcladores (5) de lodos-vapor, dirigir los lodos a un sistema (102) de hidrólisis térmica aguas abajo que comprende una serie de reactores 1, 2 y 3 por lotes e hidrolizar térmicamente los lodos para formar lodos térmicamente hidrolizados;

proporcionar una corriente de agua de alimentación principal y dirigir la corriente de agua de alimentación a través de una unidad 15 de tratamiento de agua y, a continuación, a través de un primer intercambiador 12 de calor y, a continuación, a un desgasificador 11 y desgasificar la corriente de agua de alimentación principal;

después de desgasificar la corriente de agua de alimentación principal, dividir la corriente de agua de alimentación principal en aguas de alimentación primera, segunda y tercera;

alimentar la primera agua de alimentación a una caldera (10) principal y producir vapor vivo;

utilizar el calor asociado con los lodos hidrolizados térmicamente y una caldera (7) de calor residual para generar vapor suplementario:

i. dirigiendo los lodos hidrolizados térmicamente al interior, y a través, de una caldera (7) de calor residual;

ii. alimentando la segunda agua de alimentación a través de una serie de tubos que se extienden a través de la caldera (7) de calor residual que incluye dirigir los lodos hidrolizados térmicamente a una parte superior de la caldera de calor residual y hacia abajo a través de la serie de tubos que contienen la segunda agua de alimentación, y dirigiendo los lodos hidrolizados térmicamente desde una parte inferior de la caldera de calor residual y a través del primer intercambiador 12 de calor y, a continuación, a través de un segundo intercambiador 13 de calor;

iii. calentando la segunda agua de alimentación que pasa a través de los tubos en la caldera de calor residual de manera que el vapor suplementario sea vapor saturado que tiene una temperatura comprendida en el intervalo de 130°C a 150°C;

dirigir el vapor suplementario producido en la caldera de calor residual a un depósito (54);

dirigir el vapor vivo desde la caldera (10) principal a través de una línea (58) de vapor que tiene un eductor en la misma;

inducir el vapor suplementario producido por la caldera (7) de calor residual y contenido en el depósito (54) al eductor en la línea de vapor y en el que el eductor inyecta el vapor suplementario a la línea de vapor y mezcla el vapor suplementario y el vapor vivo para formar una mezcla de vapor en la línea de vapor;

en el que las una o más mezclas de lodos-vapor incluyen mezcladores dinámicos primero y segundo aguas arriba del sistema (102) de hidrólisis térmica y el método incluye

dividir la mezcla de vapor en corrientes de mezcla de vapor primera y segunda y

dirigir la primera corriente de mezcla de vapor al primer mezclador dinámico y mezclar la primera corriente de mezcla de vapor con los lodos en su interior y dirigir la segunda corriente de mezcla de vapor al segundo mezclador dinámico y mezclar la segunda corriente de mezcla de vapor con los lodos en su interior;

dirigir la tercera agua de alimentación a través de una válvula 24 a un inyector 9 de agua dispuesto aguas abajo del eductor y dispuesto en la línea 58 de vapor principal; y

detectar la temperatura de la mezcla de vapor en la línea de vapor en un punto aguas abajo del eductor e inyectar agua a través del inyector de agua en la línea de vapor para enfriar la mezcla de vapor cuando la temperatura del vapor supera un valor umbral.