ES2974047T3 - Recuperación de nutrientes y energía desde lodo de alcantarillado y abono animal - Google Patents

Abstract

Según un aspecto ejemplar de la presente invención, se proporciona un método para recuperar nutrientes y energía a partir de lodos de depuradora y estiércol animal de manera eficiente combinando operaciones unitarias de secado, gasificación térmica y recuperación de amoníaco y fósforo. se obtiene del amoníaco y el fósforo recuperados. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Recuperación de nutrientes y energía desde lodo de alcantarillado y abono animal

Campo técnico

La presente invención se refiere al procesamiento de lodo de alcantarillado y de abono animal de una manera segura para la recuperación simultánea de nutrientes y energía de los mismos.

Antecedentes

El lodo de alcantarillado y el abono animal son materiales difíciles de procesar de modo que se minimicen los impactos medioambientales. Además, ambos materiales contienen altas concentraciones de nutrientes, especialmente fósforo y nitrógeno, que son los contaminantes más dañinos del sistema de aguas, y que causan una grave eutrofización de lagos y mares.

Típicamente, el lodo de alcantarillado se procesa de varias maneras diferentes. Una de las tecnologías más comunes en los países desarrollados es la digestión anaeróbica que produce metano a partir de lodo. Sin embargo, el residuo de digestión sigue siendo un lodo que contiene nitrógeno y fósforo en su mayor parte, así como,grosso modo,la mitad de material orgánico en comparación con el lodo original. Este residuo puede también procesarse con esta invención. Hoy en día, la mayor parte de los residuos de digestión se utiliza como fertilizante acuoso, pero esto no se acepta en todas partes. El residuo de digestión acuosa contiene mucha agua, lo que conlleva fácilmente la contaminación del sistema de aguas con material con alto contenido de nutrientes. Otro problema son los metales pesados del lodo de alcantarillado, que provocan la contaminación del suelo. Además, en la digestión anaeróbica (AD), no se destruyen los residuos de medicamentos ni los microbios peligrosos, que son causa de enfermedades graves, considerándose también éstos de alto riesgo. Otra forma de procesar el lodo de alcantarillado es el compostaje. Sin embargo, el resultado del compostaje tiene los mismos problemas que el residuo de AD, excepto el alto contenido de agua.

Por ejemplo, el documento WO 2014/094162 describe la recuperación de nutrientes de lodo de alcantarillado o abono, y se tratan en una o más unidades de separación sólido-líquido, en un dispositivo de extracción por arrastre (o “stripping”) de amoníaco y en una unidad de depuración de gases. Se extrae por arrastre amoníaco de la porción líquida y se convierte en una solución de sal de amonio. Tal solución puede usarse como producto fertilizante o puede concentrarse para producir salmueras. Sin embargo, la extracción por arrastre directa es eficaz sólo para la retirada de amoníaco, y no, por ejemplo, de nitrógeno orgánico.

El documento US 2014/0033776 se refiere a la recuperación orgánica y de nutrientes de residuos de digestores anaeróbicos, y describe la separación de sólidos y líquidos en el lodo y su secado. Los sólidos se pueden secar para producir escamas y pellets. El amoníaco del líquido se recupera y se utiliza para producir una solución ácida concentrada de sal de amonio.

Por otro lado, el documento CN 105670656 divulga un horno de gasificación por pirólisis en lecho fluidizado circulante que comprende, por ejemplo, una tolva de almacenamiento de lodo, un cuerpo de horno, una torre de enfriamiento y cierre de ceniza, un distribuidor de material, una parrilla de horno, un área de gasificación y un área de combustión. El sistema comprende (A) deshidratación de lodo, conteniendo el lodo un contenido de humedad del 60%, (B) secado de lodo, trituración, teniendo el lodo un contenido de humedad del 35%, trituración de lodo seco en polvo con un tamaño de partícula de 0-15 milímetros; (C) transferencia de lodo en polvo triturado a una pirólisis en lecho fluidizado circulante y realización de procesos de gasificación térmica.

El documento Soerensen et al. (2015) divulga un estudio que consiste en el proceso de secado y en la gasificación térmica de lodo activado residual seguidos de la extracción de fósforo a partir de la ceniza.

Últimamente se ha prestado más atención al tratamiento térmico de lodo de alcantarillado. La forma más habitual es incinerar el lodo con el fin de evaporar el agua, eliminar residuos de medicamentos y otros contaminantes orgánicos nocivos y reducir el volumen. Sin embargo, en la incineración, el amoníaco no sólo no se pierde sino que forma óxidos nitrosos, que tienen que controlarse con equipos de retirada de NOx. Además, el fósforo se oxida prácticamente por completo, resultando muy difícil utilizarlo como fertilizante. La incineración se considera más una manera de destruir el lodo de alcantarillado que de recuperar nutrientes o energía. En la práctica, esto significa que la función de incineración se basa casi por completo en la tarifa de entrada, no en los ingresos provenientes de los productos. La incineración no respalda el objetivo de desarrollar la sociedad hacia una economía circular. Se ha desarrollado la recuperación de amoníaco a partir de lodo de alcantarillado (o de residuos de AD) y ya está disponible comercialmente, pero esto no resuelve todo el problema, sólo una pequeña parte del mismo. También se ha desarrollado la gasificación de lodo de alcantarillado seco y la tecnología está disponible comercialmente. Sin embargo, no se desarrolla la recuperación completa de nutrientes (incluyendo la recuperación de fósforo y amoníaco) y la gasificación sólo se utiliza para la conversión de materia orgánica en combustible gaseoso. Se ha desarrollado el uso de ceniza rica en fósforo como fertilizante, pero no la recuperación de amonio del gas de producto de la gasificación. Los documentos WO 2006/031757 A1, EP 1572 841 A1, US 2016/168492 A1 y US 6 548197 B1 divulgan métodos para recuperar nutrientes y calor de lodo de alcantarillado o de abono animal.

Por lo tanto, existe la necesidad de nuevos conceptos y tecnologías de proceso para el procesamiento de lodo de alcantarillado y de abono animal, con el fin de recuperar los nutrientes y la energía y, de este modo, utilizar la fracción orgánica de una manera eficiente y segura.

Sumario de la invención

La invención se define por las características de la reivindicación independiente. Algunas realizaciones específicas se definen en las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un método para recuperar nutrientes y energía a partir de lodo de alcantarillado y de abono animal.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, el método combina la deshidratación de lodo de alcantarillado y/o de abono animal, la gasificación térmica de la fracción deshidratada y la recuperación de amoníaco, fósforo, calor y gas limpio de las fracciones gasificadas.

De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se produce un fertilizante a partir del amoníaco y del fósforo recuperados con una relación N/P deseada y ajustable.

Estos y otros aspectos, junto con las ventajas de los mismos sobre las soluciones conocidas, se consiguen mediante la presente invención, como se describe y reivindica de aquí en adelante.

El método de la presente invención se caracteriza principalmente por lo que se establece en la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

Por medio de la invención se obtienen ventajas considerables. Por ejemplo, un beneficio de esta invención es la utilización prácticamente completa de lodo de alcantarillado o de abono animal en un concepto de proceso que incluye la recuperación casi completa de nitrógeno (en forma de amoníaco), la recuperación de fósforo, la recuperación de energía a partir de materia orgánica, y, finalmente, la producción de fertilizante personalizado a partir de amoníaco y fósforo. Además, el concepto está parcialmente distribuido, de modo que el secado, la gasificación térmica y la recuperación de fósforo y amoníaco se hacen preferiblemente en unidades locales más pequeñas distribuidas cerca de la producción de lodo de alcantarillado o de abono animal, y la producción final de fertilizante se hace en una planta centralizada. Esto permite evitar el transporte de grandes volúmenes de materia orgánica mojada que contiene materias primas. Preferiblemente, sólo se transportan amoníaco y fósforo concentrados, obteniendo, de este modo, un impacto positivo significativo en la logística y el coste de transporte. A continuación, la presente tecnología se describirá más detalladamente con referencia a determinadas realizaciones.

Realizaciones

La presente tecnología proporciona la utilización de lodo de alcantarillado y/o de abono animal en un concepto de proceso que incluye la recuperación casi completa de nitrógeno (como, por ejemplo, amoníaco), la recuperación de fósforo y la recuperación de energía a partir de tal materia de insumo orgánico, y la producción de un fertilizante personalizado a partir de la recuperación de amoníaco y fósforo.

La figura 1 es un diagrama de proceso que describe el método de la presente invención.

La figura 2 es una figura esquemática que muestra un posible equipo de prueba de gasificación en lecho fluidizado a escala de banco.

La figura 3 es un diagrama que muestra la conversión de carbono y la proporción de aire en pruebas de gasificación a escala de banco utilizando lodo seco como insumo.

La figura 4 es un diagrama que muestra la conversión de carbono y la proporción de aire en una prueba de gasificación a escala de banco usando una mezcla de lodo seco y madera como insumo.

La figura 5 es una figura esquemática que muestra un posible equipo de prueba de gasificación en lecho fluidizado circulante (CFB).

La presente invención se basa en el acoplamiento de funciones unitarias que comprenden: 1) deshidratación de lodo de alcantarillado y/o de abono animal, 2) gasificación térmica del insumo de lodo/abono deshidratado y 3) recuperación de nitrógeno, fósforo y gas limpio de las fracciones gasificadas.

De este modo, una realización de la presente invención es un método para recuperar nutrientes y energía de un insumo de lodo de alcantarillado y/o de abono animal, en la que el método incluye los pasos de:

- deshidratación de lodo de alcantarillado y/o abono,

- gasificación térmica de lodo de alcantarillado y/o de abono animal deshidratado para producir fracciones gaseosas y sólidas que contienen fósforo y nitrógeno en forma de amoníaco,

- enfriamiento del gas y recuperación de calor, y

- limpieza del gas mediante filtración y depuración para recuperar fósforo, nitrógeno en forma de amoníaco y gas combustible limpio para su posterior utilización.

De este modo, un aspecto importante de la presente invención es recuperar fósforo, nitrógeno en forma de amoníaco y energía mediante un concepto de proceso combinado.

En una realización de la presente invención, la deshidratación del lodo de alcantarillado y/o del abono animal se realiza con un contenido de agua inferior al 25% en peso, como, por ejemplo, mediante un secador de cinta con aire caliente.

En la presente invención, el agua evaporada del paso de deshidratación se condensa y se somete a extracción por arrastre para recuperar nitrógeno en forma de amoníaco. De este modo, el equipo de deshidratación, que permite la recuperación de amoníaco en este paso, mejora el rendimiento total de la recuperación de nitrógeno. En otras palabras, el nitrógeno contenido en el lodo de alcantarillado y en el abono animal forma amoníaco, que luego se recupera.

En una realización de la presente invención, la gasificación térmica se realiza mediante un proceso de gasificación en lecho fluidizado, tal como gasificación en lecho fluidizado burbujeante (BFB) o gasificación en lecho fluidizado circulante (CFB).

En la presente invención, la gasificación térmica se realiza a una temperatura de 600-900 °C, más preferiblemente a 700-850 °C, después de lo cual el gas producido se enfría hasta una temperatura de 300-500 °C, más preferiblemente de 350-450 °C, después de lo cual el gas enfriado se filtra y se depura para recuperar fósforo y nitrógeno. El enfriamiento del gas conduce a la recuperación de calor, que puede utilizarse adicionalmente y reciclarse, de vuelta al proceso, en el paso de deshidratación, o puede usarse para otros fines.

En el presente contexto, tales pasos de gasificación térmica y de filtración de gas proporcionan fracciones de ceniza que contienen fósforo, que se utiliza como tal o se recupera de la ceniza por medio de hidrometalurgia o de extracción, o por otros medios. En una realización de la presente invención, la fracción de ceniza que contiene fósforo se transporta como tal a una unidad de producción de fertilizante.

En una realización más especificada de la presente invención, el fósforo se recupera de la ceniza de fondo generada en el paso de gasificación térmica y de la ceniza volante generada en el paso de filtración de gas.

Además, el gas combustible producido se limpia mediante depuración, preferiblemente con un líquido que contiene ácido fórmico, proporcionando gas combustible limpio y un líquido de depuración, del que se extrae por arrastre el amoníaco. Además de la recuperación de amoníaco, estos pasos permiten una limpieza eficiente del gas combustible, por lo que el gas combustible puede usarse como combustible, no como deshecho. Esto conlleva un beneficio económico importante.

Además, el presente método comprende recoger otros productos sólidos además del fósforo de la gasificación térmica para su posterior procesamiento y utilización o para su desecho como residuo inerte seguro.

En una realización preferida de la presente invención, el método es capaz de recuperar al menos el 90%, preferiblemente al menos el 95%, y, lo más adecuadamente, al menos el 98% del amoníaco contenido en el gas de gasificación producido y separable en los pasos de deshidratación y de gasificación térmica. Por ello, la presente invención permite en la práctica la utilización casi completa de lodo y abono con una recuperación casi completa de amoníaco para su uso posterior, por ejemplo, en la industria de fertilizantes.

Otro parámetro que verifica que el presente método tuvo éxito es la conversión de carbono. De acuerdo con la invención, la conversión total de carbono (que contiene gas y alquitranes) en el presente método es de al menos el 80%, más preferiblemente de al menos el 90%.

La presente invención proporciona también una ventaja logística sobre las soluciones conocidas, ya que sólo es necesario transportar el amoníaco y el fósforo recuperados (contenidos, por ejemplo, en la ceniza) para su uso posterior.

En una realización de la presente invención, el amoníaco y el fósforo recuperados se transportan a una unidad centralizada de producción de fertilizantes, en la que se puede producir un fertilizante personalizado que tenga una relación N/P deseada. Las soluciones típicas proporcionan fertilizantes con, por ejemplo, un contenido de fósforo demasiado alto en comparación con el nitrógeno. En el presente documento, la relación N/P se puede ajustar dependiendo de los requisitos de uso final del fertilizante.

La referencia a lo largo de esta especificación a una realización o a la realización significa que una característica, estructura o característica particular descrita en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la presente invención. De este modo, las apariciones de las frases "en una realización" o "en la realización" en diversos lugares a lo largo de esta especificación no necesariamente se refieren todas a la misma realización. Cuando se hace referencia a un valor numérico usando un término tal como, por ejemplo, aproximadamente, o substancialmente, también se divulga el valor numérico exacto.

Como se usa en el presente documento, una pluralidad de artículos, elementos estructurales, elementos de composición y/o materiales pueden presentarse en una lista común por conveniencia. Sin embargo, estas listas han de interpretarse como si cada miembro de la lista estuviera identificado individualmente como un miembro separado y único. Si bien los ejemplos anteriores son ilustrativos de los principios de la presente invención en una o más aplicaciones particulares, será evidente para el experto en la técnica que se pueden realizar numerosas modificaciones en la forma, el uso y los detalles de implantación sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. En consecuencia, no se pretende que la invención esté limitada, excepto por las reivindicaciones establecidas más adelante.

Los verbos "comprender" e "incluir" se utilizan en este documento como limitaciones abiertas que no excluyen ni requieren la existencia de características que no hayan sido tampoco enumeradas. Las características enumeradas en las reivindicaciones dependientes se pueden combinar libremente entre sí a menos que se indique explícitamente lo contrario. Además, se entenderá que el uso de "un" o "una", es decir, de una forma singular, a lo largo de este documento, no excluye una pluralidad.

Aplicabilidad industrial

La presente invención es aplicable en la recuperación de nutrientes y energía a partir de lodo de alcantarillado y de abono animal. La presente invención proporciona, de este modo, una forma eficaz de utilizar amoníaco y fósforo contenidos en lodo de alcantarillado y abono animal, y de evitar la contaminación del medio ambiente con tales materiales. Además, la presente invención proporciona la producción de fertilizantes personalizados a partir del amoníaco y del fósforo recuperados con una relación N/P deseada y ajustable.

Ejemplos

Ejemplo 1. Deshidratación del lodo de alcantarillado y del abono animal.

El lodo secado mecánicamente tiene que secarse adicionalmente con el fin de reducir el contenido de agua adecuado para la gasificación. Este secado se puede realizar, por ejemplo, mediante un secador de cinta desarrollado para el secado de lodo. También se pueden utilizar otro tipo de secadores térmicos. Si se utiliza el secador de cinta, durante el secado se evaporará también algo de amoníaco simultáneamente a la evaporación dell agua. Este amoníaco se puede recuperar condensando los componentes evaporados y recuperando el amoníaco del agua mediante extracción por arrastre.

Ejemplo 2. Gasificación en lecho fluidizado burbujeante a escala de banco

Los experimentos de gasificación se realizaron con la instalación de pruebas a escala de banco ilustrada en 2. La instalación de pruebas consistía en un gasificador de lecho fluidizado burbujeante atmosférico y un filtro cerámico. El diámetro de lecho del reactor era de 63 mm y el diámetro del francobordo de 104 mm. Se utilizaron calentadores eléctricos para calentar el reactor, el francobordo y el filtro antes de hacer las pruebas y para compensar las pérdidas de calor durante las pruebas. El insumo se alimentó desde una tolva de fondo vivo al lecho fluidizado mediante dos alimentadores de tornillo. El punto de alimentación estaba situado cerca del distribuidor de aire. Se alimentó aire primario precalentado al reactor desde la parte inferior a través de un distribuidor de placas multiorificio. Se introdujo una pequeña cantidad de nitrógeno de purga a través del tornillo de alimentación y a través de la tubería de retirada de material de lecho ubicado en el centro del distribuidor de aire. Las partículas finas elutriadas fueron recogidas del reactor por el filtro cerámico.

Antes de cada prueba se limpió el gasificador de posibles depósitos anteriores. Luego se precalentó el banco de pruebas, incluyendo el lecho, en una atmósfera de nitrógeno hasta la temperatura de proceso objetivo antes de comenzar la alimentación de combustible. Las mediciones se iniciaron después de que se alcanzara la temperatura de funcionamiento, y el proceso llegó a un estado de funcionamiento estable.

Insumos

Se utilizaron dos insumos en las pruebas de gasificación a escala de banco. Se llevaron a cabo 4 pruebas utilizando una mezcla de lodo digerido y secado térmicamente (50% en peso) y virutas de madera (50% en peso). En 9 pruebas se utilizó lodo digerido y secado térmicamente sin ningún combustible adicional.

El lodo digerido y secado térmicamente se entregó a VTT en forma granulada. El tamaño de partícula era demasiado grande para las pruebas de gasificación a escala de banco, por lo que el lodo seco se trituró antes de las pruebas. Se analizó la composición de cada lote de lodo secado térmicamente recibido en VTT. Los principales componentes de los diferentes lotes de lodo se presentan en la tabla 1. El lodo secado térmicamente era de calidad relativamente uniforme y homogénea, pero su humedad varió en cierto grado. La diferencia en el contenido de humedad puede deberse a la variación de la humedad atmosférica (el lodo seco absorbe la humedad), además de a la variación del proceso. Las características más significativas del lodo seco fueron el alto contenido de ceniza, aproximadamente del 50%, y el bajo contenido de carbono, por debajo del 30%, lo que provocó el bajo contenido de energía del insumo.

Tabla 1. Com osición de lodo secado térmicamente en diferentes lotes.

Los contenidos de nitrógeno y azufre del lodo secados térmicamente eran notablemente altos en comparación con los otros combustibles. Esto puede conducir fácilmente a altas concentraciones de amoníaco y sulfuro de hidrógeno en el gas de producto de la gasificación. Las concentraciones de los elementos problemáticos se diluyen si se mezclan lodo de alcantarillado con madera, véase tabla 1 (mezcla de lodo seco y virutas de madera). En comparación con el lodo como tal, la mezcla se parecía más a los biocombustibles típicos.

Se analizaron varios elementos del lote 1 y los resultados se presentan en la tabla 2. Un contenido de hierro notablemente alto en el lodo (19,4% en peso) resulta del uso de sal de hierro como coagulante químico en el proceso de precipitación del tratamiento de aguas residuales. Los compuestos de hierro suelen tener una alta tendencia a la aglomeración y la sinterización. El contenido de aluminio también fue relativamente alto (1,9% en peso), lo que indica el contenido de aluminio en el coagulante químico. El contenido de fósforo era alto porque en el tratamiento de aguas residuales tanto el fósforo como el nitrógeno se precipitan desde las aguas residuales de la forma más completa posible. El contenido de metales pesados del lodo seco no difirió significativamente del del lodo de alcantarillado finlandés promedio (tabla 2).

El contenido aproximado de cloro del lodo fue bajo, solo 0,03% en peso (d.b.) analizado mediante fluorescencia de rayos X (XRF).

La reactividad a la gasificación y la tendencia a la sinterización del lodo de alcantarillado seco se estudiaron mediante una termobalanza atmosférica. A pesar del alto contenido en hierro no se observó ninguna sinterización. La mayor parte de la materia volátil del lodo se vaporiza entre temperaturas de 250 °C y 500 °C.

Tabla 2. Oli oelementos en lodo de alcantarillado seco lote 1.

1 Plasma acoplado inductivamente - detector de emisiones atómicas (ICP-AES)

2 Horno de grafito para espectroscopia de absorción atómica (GFAAS)

3 Espectroscopia de absorción atómica de llama (FAAS)

4 Espectroscopia de absorción atómica de vapor frío (CVAAS)

5 Base de datos del Instituto Finnish Environment Institute (Vahti) 1997

Pruebas de gasificación

Debido al gran contenido de finos (aproximadamente 50%) y a la baja densidad aparente del lodo seco y triturado, la velocidad de alimentación (volumen) requerida del lodo fue significativamente mayor en comparación con los biocombustibles típicos.

Se realizaron con éxito un total de 13 pruebas con el gasificador a escala de banco. Las condiciones de prueba se presentan en la tabla 3. Se usó aire como agente de gasificación. En la mayoría de las pruebas se añadió vapor al aire primario. En las pruebas se variaron los siguientes parámetros de función:

- Temperatura de gasificación

- Velocidad de fluidización

- Material de lecho

- Vapor en aire fluidizante

- Insumo

T l . Prin i l r m r ifi i n n l r l n .

* lodo seco (50%) y virutas de madera (50%)

Durante las pruebas se monitorizaron CO, H<2>, CH<4>, CO<2>y O<2>mediante analizadores en línea. Además, en varias pruebas las mediciones en fase gaseosa se incluyeron algunos o todos de los siguientes elementos: alquitranes, amoníaco (NH<3>) y cianuro de hidrógeno (HCN), sulfuro de hidrógeno (H<2>S) y sulfuro de carbonilo (COS), hidrocarburos (C<1>-C<5>). El fósforo se midió únicamente en la prueba 2 mediante GC-AED.

Resultados

Las pruebas a escala de banco tuvieron un éxito excelente. Los principales resultados se presentan a continuación. La reactividad del lodo parecía ser muy alta. La conversión de carbono fue de aproximadamente el 90% en la mayoría de las pruebas. La conversión de carbono y la proporción de aire en las pruebas se presentan en la figura 3 (lodo seco) y en la figura 4 (lodo seco/madera).

El contenido de amoníaco del gas de producto era alto, especialmente cuando se utilizaba únicamente lodo seco como insumo. Esto era de esperar, ya que el contenido de nitrógeno del lodo seco era del 2-3%. Cuando se utilizó la mezcla de lodo seco y madera como insumo, las concentraciones de amoníaco medidas fueron menores debido al efecto de dilución de la madera. El contenido medio de nitrógeno de la mezcla de lodo seco y madera fue del 1,6%. El contenido de azufre del lodo seco varió entre 0,6 y 1,0%. El contenido de azufre de la mezcla de lodo seco y madera fue del 0,45%.

También se analizaron compuestos de fósforo en fase gaseosa, pero no se detectaron compuestos. El límite de detección del GC-AED fue de 90 ng/dm3.

Ejemplo 3. Gasificación en lecho fluidizado circulante a escala de unidad de desarrollo de procesos (PDU)

Las pruebas a escala de banco indicaron que la gasificación en lecho fluidizado es una opción muy potencial para la utilización energética del lodo de alcantarillado. Además, las pruebas a escala de banco demostraron que el lodo de alcantarillado seco puede gasificarse como tal. Las exitosas pruebas a escala de banco permitieron gasificar el lodo seco como tal también a escala de PDU. Las pruebas a escala de PDU se realizaron con gasificador de lecho fluidizado circulante (CFB). Las condiciones de funcionamiento en las pruebas a escala de PDU se definieron en base a los resultados de las pruebas a escala de banco.

Instalaciones de prueba

Las pruebas se realizaron con la unidad de desarrollo de procesos de gasificación (PDU) de lecho fluidizado circulante (CFB) a presión atmosférica en procesos de VTT. En la figura 5 se muestra una figura esquemática del equipo de pruebas. Las dimensiones clave y los datos técnicos del equipo de pruebas se presentan en la tabla 4. El equipo de pruebas está equipado con tolvas de insumo del tipo de fondo vivo adecuadas para combustibles de baja densidad de masa y con alimentador de tipo tolva de inmovilización para carbón o pellets. El punto de alimentación de combustible está ubicado aproximadamente a 2 m por encima del distribuidor de aire, mientras que el material de reciclaje procedente del ciclón se introduce cerca del distribuidor.

El aire de gasificación se precalienta eléctricamente y se puede dividir en aire de fluidización primario, así como en aire secundario y terciario. Se puede añadir vapor al aire de fluidización. En estas pruebas sólo se utilizaron aire primario y vapor.

El tubo del reactor del gasificador, el ciclón de reciclaje y la línea de reciclaje se calientan eléctricamente con el fin de minimizar las pérdidas de calor, las cuales, de otro modo, serían muy elevadas debido al pequeño tamaño del equipo de pruebas. El uso de calentadores eléctricos junto con velocidades de circulación bastante altas permite mantener una distribución de temperatura relativamente uniforme en todo el reactor. Se intenta ajustar la temperatura de los calentadores eléctricos de modo que la gasificación sea lo más cercana posible al funcionamiento adiabático.

El gas de producto se limpia en el ciclón de reciclaje seguido de un enfriador de gas y un filtro de bolsa. El enfriamiento de gas tiene un papel importante en la limpieza de gas. Cada una de las zonas está equipada con sistemas de soplado de vapor independientes para retirar el polvo y otras impurezas/depósitos sueltos.

Todas las pruebas se realizaron con filtro de bolsa de alta temperatura. El filtro de bolsa consta de bolsas de filtro avanzadas de un metro de largo capaces de funcionar a un máximo de 500 °C. La unidad de filtro de bolsa está diseñada para una velocidad de filtración baja, porque la caída de presión máxima de las bolsas de filtro está limitada a aproximadamente 20 mbar. El filtro puede funcionar en un amplio intervalo de temperaturas, y, por lo tanto, la capacidad del filtro se define en base al flujo máximo de gas.

La sección de limpieza de gas está también equipada con un puerto de alimentación de absorbente. El puerto de inyección está ubicado justo antes del filtro de bolsa. La inyección de absorbente se aplica en el proceso de retirada de cloro. En estas pruebas no se utilizó la inyección de absorbente.

El equipo de pruebas está equipado con una recogida automática de datos de temperaturas y de presiones medidas en diferentes ubicaciones. Además, se miden y graban continuamente los caudales de los agentes gasificantes (aire, vapor, nitrógeno de purga).

Los principales componentes de gas, CO, H<2>, CH<4>, CO<2>, se controlaron mediante analizadores en línea. Además, se analizó el contenido de los componentes de hidrocarburos, incluyendo C<2>Hx-CsHy, mediante cromatografía de gases de proceso.

Insumos

Se utilizaron dos insumos de lodo diferentes en las pruebas de gasificación de CFB a escala de PDU:

- lodo de alcantarillado digerido y secado térmicamente (CFB 1 de semana de prueba), que también se utilizó como insumo en las pruebas a escala de banco.

- lodo de alcantarillado compostado que contiene aditivo de madera (CFB 2 de semana de prueba).

La composición de los materiales de lodo se presenta en la tabla 5.

1Promedio de varios ejemplos

2ind = indeterminado

El lodo digerido y secado térmicamente se utilizó sin ningún insumo adicional en el gasificador a escala de PDU durante el turno CFB 1 de prueba. Después del proceso de digestión, el lodo se había granulado y secado térmicamente en un secador de cinta. El lodo seco se entregó a VTT en forma granulada.

El lodo secado térmicamente fue relativamente homogéneo, excepto el contenido de humedad, que varió en cierto grado. El contenido de humedad del lodo seco utilizado en las pruebas a escala de banco había estado por debajo del 10%, pero el contenido de humedad del lodo utilizado en las pruebas CFB a escala de PDU fue mayor, de 12,7 -18,9%. El contenido de ceniza del lodo fue alto, casi el 50%, y el contenido de carbono, respectivamente, bajo, de aproximadamente el 25%. El contenido energético del insumo era pobre. El contenido de nitrógeno del insumo era alto, casi el 3%, lo que generaba riesgo de altas concentraciones de amoníaco y cianuro de hidrógeno en el gas de producto. Además, el contenido de azufre del lodo fue relativamente alto, lo que puede dar como resultado una alta concentración de sulfuro de hidrógeno en el gas de producto.

El lodo de alcantarillado compostado que contiene aditivo de madera fue utilizado como insumo en el turno CFB 2 de prueba. El lodo fue compostado en una planta de compostaje de túnel industrial utilizando virutas de madera como aditivo. El lodo se mezcló con virutas de madera antes de introducirse en el túnel de compostaje. Después del proceso de compostaje de túnel, la mezcla de lodo y madera compostada se entregó a VTT.

Pruebas de gasificación

Los objetivos eran recopilar datos sobre la composición de gas de producto y las impurezas gaseosas, así como estimar la viabilidad técnica del proceso cuando se utiliza únicamente lodo como insumo. Los principales parámetros de funcionamiento, que variaron entre las pruebas, fueron la temperatura de gasificación y la velocidad de alimentación y la proporción del material de lecho. El material de lecho consistió en arena y piedra caliza P3. Las condiciones de funcionamiento en las pruebas de gasificación se presentan en la tabla 6.

Como insumo se utilizó lodo de alcantarillado digerido y secado térmicamente en la semana 1 de prueba, y lodo de alcantarillado compostado que contenía aditivo de madera en la semana 2 de prueba. Durante las semanas de prueba, el reactor se mantuvo caliente durante la noche. El material de lecho usado el día anterior se utilizó como lecho de inicio al día siguiente para acelerar la fase de inicio. Debido al alto contenido de ceniza de los insumos, se supuso que los caudales másicos de ceniza de fondo y de polvo de filtro eran significativamente mayores que cuando se utilizan biocombustibles típicos. Por este motivo, la velocidad de alimentación de la arena de lecho se mantuvo lo más baja posible. Sin embargo, las pruebas se iniciaron con una velocidad de alimentación de arena moderada con el fin de evitar riesgo de sinterización de lecho. La ceniza del insumo se acumuló en el lecho y reemplazó una parte de la arena. La velocidad de alimentación del material de lecho se redujo durante las semanas de prueba en las que no se había detectado sinterización en el lecho.

T l . Pr ifi i n FB r liz r n l m n FB 1 FB 2 r .

1 Duración del período del punto de ajuste en estado estacionario

2 P3 = Parfil 3 de piedra caliza

3 Temperatura promedio en la parte inferior/superior del elevador

Resultados

El objetivo de estas pruebas era obtener datos básicos sobre las características relacionadas con la gasificación en lecho fluidizado de lodo de alcantarillado. Esto incluía datos sobre el comportamiento de gasificación del insumo, la calidad del gas de producto, la conversión de carbono y la concentración de impurezas gaseosas. Los principales parámetros operativos, que se variaron durante las semanas de prueba, fueron la temperatura de gasificación y el uso del material de lecho.

Las condiciones de funcionamiento y los principales resultados de las mediciones del proceso en el turno CFB 1 de prueba se presentan en la tabla 7.

Los resultados de la semana 1 de pruebas se correspondieron relativamente bien con los resultados obtenidos en las pruebas a escala de banco. Los flujos de masa de sólidos emitidos (ceniza de fondo y polvo de filtro) fueron significativamente mayores que cuando se utilizan biocombustibles típicos. Esto se debió al alto contenido de ceniza del lodo seco (casi el 50%). El caudal de masa de la ceniza de fondo fue de aproximadamente 1,5 g/s, y el del polvo de filtro de aproximadamente 7 g/s. Ni durante el turno de prueba ni después de él se detectó ninguna sinterización o formación de depósitos de carácter notable.

El insumo era muy reactivo. La conversión de carbono en alquitranes y gas de producto (incluyendo la piedra caliza C en la entrada de carbono) en la semana 02/23 de prueba fue alta.

En la prueba 1a, la temperatura de gasificación fue de 850 °C y el material de lecho fue una mezcla de arena y piedra caliza (relación 1:1). La conversión de carbono en la prueba 1A fue del 93,1%. La alimentación de arena se detuvo antes de la prueba 1B, porque durante la prueba 1A no se había observado ningún signo de sinterización de lecho. En la prueba 1B, la temperatura de gasificación fue de 810 °C y la ceniza del insumo se acumuló en el lecho y reemplazó a la arena como material de lecho. El cambio de temperatura no afectó notablemente a la calidad del gas de producto. El contenido de alquitrán del gas de producto no aumentó, muy probablemente debido al aumento de la alimentación de piedra caliza al gasificador. Toda la piedra caliza (CaCO3) no se calcinó (descompuso), en el gasificador, en óxido de calcio (CaO) en la prueba 1B, debido a la abundante alimentación de piedra caliza y la baja temperatura de gasificación. Algo de piedra caliza sin reaccionar se acumuló en el lecho (ceniza de fondo) reduciendo la conversión de carbono de la prueba 1B (88,3%).

T l 7. R l l m i i n l r n l r r liz r n l i n l r

1 P3= Parfil 3 de piedra caliza, S= arena de sílice

2 Incluyendo piedra caliza C en el aporte de carbono

Las condiciones de funcionamiento y los principales resultados de las mediciones del proceso en el turno CFB 2 de prueba se presentan en la tabla 8.

El insumo en la semana 2 de pruebas fue lodo de alcantarillado compostado que contenía aditivo de madera. No se utilizó insumo adicional.

La conversión de carbono en alquitranes y gas de producto (incluyendo la piedra caliza C en la entrada de carbono) fue aproximadamente del 90% en cada prueba. No se observaron signos de bloqueo durante la semana de prueba. El equipo de pruebas fue inspeccionado después de la semana de pruebas y no se encontró ningún depósito notable.

La prueba 2A se realizó a una temperatura de gasificación de 880 °C. La proporción de alimentación de arena y piedra caliza fue de 1:1. En la prueba 2B, la temperatura de gasificación se redujo a 850 °C, la velocidad de alimentación de arena disminuyó, y la velocidad de alimentación de piedra caliza aumentó (relación arena y piedra caliza 1:2). La calidad del gas de producto no cambió notablemente. El contenido de alquitrán del gas de producto aumentó ligeramente. En la prueba 2C, la temperatura de gasificación fue la misma que en la prueba 2A (880 °C), pero la velocidad de alimentación de arena fue menor, y la velocidad de alimentación de piedra caliza mayor. La proporción de alimentación de arena y piedra caliza fue, de este modo, de 1:3. El contenido de humedad del insumo utilizado en la prueba 2C fue mayor que en la prueba 2A.

Dos razones condujeron a una proporción de aire mayor en la prueba 2C que en la prueba 2A. El contenido de humedad de la mezcla de lodo/madera fue mayor en la prueba 2C. Además, la mayor velocidad de alimentación de piedra caliza consumió más energía debido a la calcinación de la piedra caliza.

La mayor proporción de aire provocó un menor poder calorífico del gas de producto en la prueba 2C que en la 2A. El contenido de alquitrán en el gas de producto fue claramente menor en la prueba 2C que en la prueba 2A debido a la mayor proporción de aire y a la mayor velocidad de alimentación de piedra caliza.

T l . R l l m i i n r n l r r liz r n l i n l r

1 P3 = Parfil 3 de piedra caliza, S = arena de sílice

2 Incluyendo piedra caliza C en la entrada de carbono

Lista de citas

Literatura patente

1. WO 2014/094162

2. US 2014/0033776

3. CN 105670656

Literatura no patente

1. Soerensen, B. L. et al.,Environmental and resource implications of phosphorus recovery from waste activated sludge,Waste Management 45 (2015), págs. 391-399.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Un método para recuperar nutrientes y energía desde un insumo de lodo de alcantarillado y/o de abono animal, caracterizado porque el método incluye los pasos de:

- deshidratación del lodo de alcantarillado y/o abono animal,

- condensación y extracción por arrastre del agua evaporada procedente del paso de deshidratación para recuperar nitrógeno en forma de amoníaco,

- gasificación térmica del lodo de alcantarillado y/o de abono animal deshidratado a una temperatura de 600 a 900 °C para producir fracciones gaseosas y sólidas que contengan fósforo y nitrógeno en forma de amoníaco,

- enfriamiento del gas y recuperación de calor, y

- limpieza del gas por filtración para recuperar fósforo, y por depuración para proporcionar un líquido depurador, del que se extrae por arrastre nitrógeno en forma de amoníaco, y gas combustible limpio para su posterior utilización, en el que la conversión total de carbono desde el insumo a alquitranes y gas de producto es al menos del 80%.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por deshidratar el lodo de alcantarillado y/o el abono animal hasta un contenido de agua por debajo del 25% en peso, preferiblemente con aire caliente.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la gasificación térmica se realiza a una temperatura de 700-850 °C, después de lo cual el gas producido se enfría a una temperatura de 300-500 °C, más preferiblemente de 350-450 °C, después de lo cual el gas enfriado se filtra y se depura para la recuperación de fósforo, nitrógeno y gas combustible limpio.

4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la filtración de gas proporciona una fracción de ceniza que contiene el fósforo, que se utiliza como tal o se recupera de la ceniza por medio de hidrometalurgia o extracción.

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el fósforo se recupera desde la ceniza de fondo generada en el paso de gasificación térmica y desde la ceniza volante generada en el paso de filtración de gas.

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas producido se limpia por medio de depuración con un líquido que comprende ácido fórmico, proporcionando gas combustible limpio y un líquido de depuración, del cual se extrae por arrastre nitrógeno en forma de amoníaco.

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por recoger los otros productos sólidos además del fósforo de la gasificación térmica para su posterior procesamiento y utilización o para su desecho como residuo inerte seguro.

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por recuperar al menos el 90%, preferiblemente al menos el 95%, y, lo más adecuadamente, al menos el 98% del nitrógeno en forma de amoníaco contenido en el gas de gasificación producido.

9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la conversión total de carbono es al menos del 90%.

10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la gasificación térmica se realiza mediante gasificación en lecho fluidizado, tal como gasificación en lecho fluidizado burbujeante (BFB) o gasificación en lecho fluidizado circulante (CFB).

11. Un método para producir un fertilizante que comprende al menos nitrógeno y fósforo, caracterizado porque el nitrógeno y el fósforo recuperados, del método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, se transportan a una unidad de producción de fertilizante, en el que el fertilizante se produce mezclando entre sí al menos el nitrógeno y el fósforo recuperados en la proporción deseada de nitrógeno/fósforo.