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WO2013030412A1 - Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis - Google Patents

Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis Download PDF

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WO2013030412A1
WO2013030412A1 PCT/ES2011/070614 ES2011070614W WO2013030412A1 WO 2013030412 A1 WO2013030412 A1 WO 2013030412A1 ES 2011070614 W ES2011070614 W ES 2011070614W WO 2013030412 A1 WO2013030412 A1 WO 2013030412A1
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WO
WIPO (PCT)
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gasification
chamber
reactor
gas
dual
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/ES2011/070614
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel GONZÁLEZ GONZÁLEZ
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Guradoor SL
Original Assignee
Guradoor SL
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Publication date
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Priority to BRPI1105768A priority patent/BRPI1105768A2/pt
Priority to US14/342,102 priority patent/US20140209447A1/en
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    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]

Definitions

  • the present invention relates to a dual gasification-pyrolysis reactor device specially designed for use in a gasification-pyrolysis process from a ground coal feed in order to obtain a synthesis gas, essentially consisting of CO , CO2 and H 2 , using solar energy obtained in a high temperature solar thermoelectric plant in the form of water vapor and oxygen.
  • the gasification and coal pyrolysis reactions occur, which the device allows to grind after its continuous feeding, to obtain a synthesis gas.
  • Water vapor from a high temperature solar thermoelectric power plant is fed to the dual gasification-pyrolysis reactor device already fed with ground coal, this being partially oxidized by O2, preferably from an electrolysis stage, and the water vapor from of the solar power plant, in a gasifier provided inside the dual reactor device.
  • the gas thus formed basically consists of H 2 , CO, with small amounts of CO2, CH 4 , H 2 S and free carbon.
  • a pyrol isis is carried out in the same dual reactor device, essentially eliminating free carbon, H 2 S and part of CO 2 .
  • devolatilization and release of carbon and hydrogen occur, between 705 and 1480 ° C of C and H 2 O (g) and between 1480 and 1815 ° C of C and O 2 .
  • the dual reactor device of the invention has suitable catalysts so that the different reactions can take place, as well as the means necessary to maintain its integrity, such as refractory linings, insulating materials, cooling jackets, etc.
  • the dual reactor device of the invention incorporates a cyclone in order to remove any solid residue from the synthesis gas obtained.
  • the dual reactor device of the invention allows the waste of the process described above to be collected, which is stored for later reuse in other processes, for example in processes where ashes are used or for recycling in the form of fertilizers.
  • the gasification of a solid is a thermochemical process that encompasses the thermal decomposition of organic matter and the action of a gas that reacts primarily with the carbonaceous residue from that thermal decomposition.
  • gasification encompasses a wide variety of processes in which many different products can be obtained. Based on the gasifying agent used, a first classification of the gasification processes can be established:
  • a gas enriched in H2 and CO is produced, which can be used as a synthesis gas for various compounds (ammonia, methanol, gasoline, etc.).
  • gasifiers are: mobile bed (also called fixed bed) in parallel streams (downdraft) or countercurrent (updraft), and bed fluidized
  • bed fluidized Other types of gasifiers used to a lesser extent are rotary furnaces, cyclonic reactors, circulating fluidized beds, trawlers, etc.
  • Oxidation or combustion It takes place when the gasifying agent is an oxidant such as oxygen or air and involves the set of oxidation reactions, both homogeneous and heterogeneous, fundamentally exothermic, through which the heat necessary to maintain the process is generated.
  • Reduction or gasification It is the solid-gas or gas phase reactions, whereby the remaining solid is converted to gas.
  • These are fundamentally endothermic reactions, some of which take place to a very limited extent, or only take place under certain conditions, as with some hydrogenation and / or reforming reactions.
  • the oxidation and reduction stages can be considered together in a single gasification stage in which all kinds of possible reactions take place between the char and the gas mixture present.
  • Temperature is an important parameter in all stages, and therefore in the final performance of the process. Specifically, the proportions between char, tar and gas in pyrolysis products depend closely on the heating rate and the final temperature reached. As a general idea it can be said that at high heating rates and high final temperature gas is mostly produced, while at final temperatures and lower heating rates mostly liquids or solids are produced. In fluidized bed gasifiers, there is usually high heating rates (up to thousands of EC / s), while in mobile bed reactors the heating rates are usually moderate (of the order of 0.2 - 0.5 EC / s).
  • the temperature influences the reaction equilibria.
  • the increase in temperature favors the increase in the content of the gas product of H 2 and CO to the detriment of CH and H 2 O.
  • the gasifying agent / residue ratio is one of the most important parameters in gasification, especially when it is self-sufficient by partial oxidation, with air or oxygen, of the treated waste. Excessively low values of this parameter may not generate enough energy to keep the process in the right conditions, resulting in a decrease in performance.
  • the gasifying agent is air
  • the optimal air / biomass weight ratio has been found to be between 0.5 and 1, 6 for fluid bed gasifiers, and around 1.5 for gasification gasifiers. moving bed
  • the increase in temperature that produces a decrease in the proportion of solid and condensable waste generated in the pyrolysis stage is combined, and on the other the decrease in gas quality.
  • the ash content tells us the amount of solids that will need to be removed from the gasifier per unit of processed mass.
  • waste with up to 24% ash has been gasified, it is not desirable to exceed a 10% content.
  • These ashes must be removed from the gasifier to prevent accumulation. In the mobile bed gasifiers this is done by extracting them from the bottom, and in the fluidized bed gas the gas velocity has to ensure the drag of the ashes.
  • An important property of ashes in this regard is their melting point. If this is exceeded, slags can be formed that obstruct the equipment.
  • the ashes being inert, do not intervene in the chemical equations of the gasification reactions, but may have a catalytic effect, accelerating the gasification reaction of the carbonaceous residue with water vapor, especially when there are oxides Metals such as K 2 O, CaO, MgO, P2O 5 , etc.
  • the particle size influences the time required for the process to take place and the appropriate reactor volume for it. In the case of fluid beds this parameter also affects the minimum fluidization rate.
  • densification and grinding can be considered, but These possibilities incur additional costs.
  • dense residues can create problems of formation of preferential pipes or hinder fluidization. In fixed beds, problems of loss of load and collapse of bed movement can be created, depending on the shape of the particles.
  • the fluidized bed can be mentioned, where the solid is suspended in the gas.
  • the solid is suspended in the gas.
  • Each particle is subjected instantaneously / consecutively / simultaneously to these processes at any point of the gasifier after its entry into it, the ashes finally being fed by the emerging gas.
  • These characteristics of high reaction speed and excellent mixing make the temperature and conversion profiles a long one throughout the reactor, allowing precise control of the operating conditions. This is also the cause of high specific capacity (kg solid / m3 of reactor) versus other types of reactors.
  • the object of the invention to provide a dual gasification-pyrolysis reactor device that combines the advantages of the various types of reactors known to produce a synthesis gas essentially free of tars and that allows to work with solid initial materials of high moisture content. , without the need for an expensive pre-drying and that this affects the performance of the final process, using carbon and proceeding with the necessary reagents for the different processes and providing the energy in the form of water vapor produced in an energy plant High temperature solar track.
  • the dual reactor device of the invention allows to maintain the optimum conditions of temperature, heating rate and residence time without the inconvenience usually associated with this type of systems, such as the deposition of slags in the interior elements. of the system, the loss of volatiles and the spraying and drying processes of the initial material.
  • EP 921 21724.6 describes an installation for the production of synthesis gas from a carbonaceous material comprising a system for the high concentration of solar energy in an elongated high temperature focal zone, a solar gasifying reactor with reg upper and lower ions and having at least one transparent portion capable of transmitting highly concentrated solar radiation; means for allowing the projection of said elongated high temperature focal zone within the reactor; nozzle means in the upper region of the reactor; means for injecting a dispersion of a particular carbonaceous material into the reactor through said nozzle means; and evacuation means for the extraction of the synthesis gas product from the upper region of the reactor.
  • the gasification and pyrolysis reactions of wet milled coal produced in the dual reactor device are started by feeding the water vapor device from a high-temperature solar thermal power plant, this water vapor being fed through the appropriate nozzles to the dual gasification / pyrol isis reactor.
  • the reactor device feeds on coal wet grinding, for this it has a top feed nozzle (1) in two branches (1 a) and (1 b) inside which the sieving of the coal grinding is carried out even at an appropriate particle size of 90 mesh and 490 mesh respectively in each of the branches (1 a, 1 b), preferably by means of a jaw and ball mill with a 90 mesh screen in one of the branches and by a ball mill with a 490 mesh screen in the other.
  • the matte resin with the size of the sieve is selected by a sifted coal mixer / distributor element (2) located downstream of the feeding and grinding nozzles (1), the sifted carbon falling to the mixer / distributor element (2) both because part of the water vapor fed has forced a downward circulation of the carbonaceous powder as the weight of the powder itself, this gas circulation favoring the flow of the carbonaceous particles and minimizing their deposition on the walls of the mixer / distributor element (2).
  • the above mentioned mills as well as the mixer are fed with the energy necessary for their operation, energy preferably obtained from a high temperature solar plant.
  • This flow of carbonaceous particles being maintained by the downstream water vapor from the element (2) at a temperature of 220-250 ° C, and additionally providing water vapor from the solar power plant, the initial material screened and humid, it passes to the chamber (3), essentially of gasification, where this initial material is partially oxidized by an additional oxygen feed, preferably from an electrolysis device associated with the solar power plant.
  • This chamber (3) maintains a temperature of approximately 1,800 ° C-1,900 ° C in its interior thanks to the high temperature of the water vapor fed from the solar power plant.
  • the chamber (3) is provided with a refractory lining inside, in order to maintain the internal temperature, as well as, on the outside, an insulating lining to minimize heat losses by radiation to the exterior of the walls.
  • the chamber refractory material (3) is based on an alumina, silica and calcareous fiber cement material, preferably of the type Superboard®, maintaining insulation with dimensional stability up to 3,500 ° C.
  • the chamber (3) is divided into two sub-chambers (3a, 3b) by a gas diffusion membrane that allows to keep the H 2 and carbon-based gases (CO2, CO) separated as a mixture of synthesis gas
  • a cyclone (4) retains the solid particles present in the synthesis gas and, operating at a temperature of 600 ° C, maintained by the gas itself inside, drags the solids towards an essentially pyrolytic chamber (5).
  • the small amounts of CH 4 , H 2 S and free carbon that may remain as residues in the synthesis gas are subjected to a pyrolysis in the chamber (5) of the same dual reactor, essentially eliminating free carbon, H 2 S and part of CO2.
  • the dual reactor device of the invention allows the recirculation of the residual intermediate gases obtained from one chamber to the other, so that the flow rate or entrained flow allows the continuous feeding of coal and easily extracting the slags from all the chambers, decreasing the losses of synthesis gas by the slag outlet.
  • the described dual reactor device allows a low residence time, in the range of approximately 1 to 7 seconds, the flow rate drags the carbon particles through the reactor, operating at a gas temperature of 1 000- 1900 ° C, which makes it possible to extract the ashes as a slag and to avoid the formation of alkalis and by minimizing methane formation, since their production implies an unwanted release of energy.
  • the dimensions of the dual reactor device of the invention will be related and adapted to the particle size, the reactivity of the fuel, the reaction temperatures and the velocity of the gas phase, characteristics that define the time necessary for gasification reactions to occur. Therefore, the residence time in the reactor is a parameter to be ensured by the design described.
  • the temperatures indicated for carrying out the processes inside the described dual reactor device are derived from a high temperature solar plant, and also the various necessary reagents, steam from water, oxygen, hydrogen, etc. they are derived from a process for obtaining by-products of the mentioned solar plant, with special preference of the procedure described in the Spanish patent application 201031280.
  • the heat that leaves the reactor corresponds to an energy portion of the
  • the walls of the device can optionally have a heat flow regulating coil provided that the flow and the pressure inside the coil are adequate to the design conditions and materials used, the pressure inside the coil It is sufficient to keep the water in a liquid state in all areas of the dual device, the temperature of each material is in the service temperature range of the device and the total final wall thickness is the minimum.
  • the inclusion of a coil in the reactor wall is not relevant for the purpose of decreasing wall thicknesses, but may be useful for the overall energy efficiency of the gasification unit.

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Abstract

El dispositivo descrito incluye: un alimentador de carbón molido húmedo desde una tobera de al imentación superior (1) en dos ramas (1a) y (1b), disponiendo éstas de molinos adecuados; un elemento mezclador/distribuidor de carbón tamizado (2) aguas abajo de la toberas (1); una cámara (3) aguas abajo del elemento (2) de gasificación donde el material tamizado se oxida mediante una alimentación de oxígeno a aproximadamente 1.800°C-1.900°C, dividida la cámara (3) en dos subcámaras por una membrana de difusión de gases; un ciclón (4) aguas abajo de la cámara (3), que retiene las partículas sólidas presentes en el gas de síntesis; una cámara esencialmente pirolítica (5) donde los sólidos arrastrados del ciclón (4) se pirolizan, realimentándose los gases residuales a la cámara (3); una rejilla de dientes de sierra (6) que recoge los residuos sólidos, almacenándose éstos en forma de escorias en un elemento de almacenamiento (7).

Description

DISPOSITIVO REACTOR DUAL DE GASIFICACIÓN-PIRÓLISIS
La presente invención se refiere a un dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis especialmente d iseñado para su util ización en un procedimiento de gasificación-pirólisis a partir de una alimentación de carbón molido con el fin de obtener un gas de síntesis, esencialmente consistente en CO, CO2 y H2, empleando la energía solar obtenida en una planta termoeléctrica solar de alta temperatura en forma de vapor de agua y oxígeno.
Básicamente, en el dispositivo reactor dual de la invención se producen las reacciones de gasificación y pirólisis de carbón, que el dispositivo permite moler tras su alimentación en continuo, para obtener un gas de síntesis. El vapor de ag ua procedente de una central termoeléctrica solar de alta temperatura se alimenta al dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis ya alimentado con carbón molido, oxidándose éste parcialmente mediante O2, preferentemente procedente de una etapa de electrólisis, y el vapor de agua procedente de la central solar, en un gasificador provisto en el interior del dispositivo reactor dual. El gas así formado consiste básicamente en H2, CO, con pequeñas cantidades de CO2, CH4, H2S y carbón libre. Para eliminarlas y acondicionar el gas de síntesis, se lleva a cabo una piról isis en el m ismo dispositivo reactor dual, eliminándose esencialmente el carbón libre, el H2S y parte del CO2. Brevemente, entre 38 y 705°C se produce la desvolatilización y el desprendimiento de carbono e hidrógeno, entre 705 y 1480°C de C y H2O(g) y entre 1480 y 1815°C de C y O2.
CH4 + CO + C02 + 02→CO + C02 + H2
El dispositivo reactor dual de la invención dispone de los catalizadores adecuados para que puedan tener lugar las diferentes reacciones, así como de los medios necesarios para mantener su integridad, tales como revestimientos refractarios, materiales aislantes, camisas de refrigeración, etc. Por otro lado, el dispositivo reactor dual de la invención incorpora un ciclón con el fin de eliminar cualquier residuo sólido del gas de síntesis obtenido. Igualmente, el dispositivo reactor dual de la invención permite recoger los residuos del proceso anteriormente descrito, que se almacenan para su posterior reutilización en otros procesos, por ejemplo en procesos donde se emplean cenizas o para su reciclaje en forma de fertilizantes.
La gasificación de un sólido es un proceso termoquímico que engloba la descomposición térmica de la materia orgán ica y la acción de un gas que reacciona principalmente con el residuo carbonoso procedente de esa descomposición térmica.
El término genérico gasificación engloba una gran variedad de procesos en los que pueden obtenerse muy diversos productos. Basándose en el agente gasificante empleado puede establecerse una primera clasificación de los procesos de gasificación:
• Con aire: La reacción de combustión parcial con el aire da lugar a una reacción exotérmica que da lugar a un gas de bajo poder calorífico, aprovechable con fines de carácter energético.
• Con oxígeno: Se produce un gas de poder calorífico medio, pero de mayor calidad al no estar diluido con N2. Además de aplicaciones de carácter energético puede util izarse como gas de s íntesis para la obtención de metanol.
• Con vapor de agua y/o oxígeno (o aire): Se produce un gas enriquecido en H2 y CO que se puede utilizar como gas de síntesis para diversos compuestos (amoníaco, metanol, gasolinas, etc).
• Con hidrógeno: Se produce un gas de alto contenido energético que, por tener altos porcentajes de metano, puede utilizarse como sustituto del gas natural.
Otra clasificación interesante de los procesos de gasificación utiliza como criterio el movimiento relativo de los agentes gasificante y sólido gasificado en el interior del gasificador. En base a este criterio los principales tipos de gasificadores son : de lecho móvil (también denominado de lecho fijo) en corrientes paralelas (downdraft) o en contracorriente (updraft), y de lecho fluidizado. Otros tipos de gasificadores util izados en menor medida son los hornos rotatorios, reactores ciclónicos, lechos fluidizados circulantes, de arrastre, etc.
En el proceso de gasificación tienen lugar u na g ran variedad de reacciones cuyo orden de importancia relativa dependen de las condiciones de operación y del agente gasificante utilizado, pero que pueden agruparse en tres bloques o etapas en los que conceptualmente puede dividirse un proceso de gasificación:
• Pirólisis o descomposición térmica, en la que mediante calor, el sólido original se descompone en una mezcla sólido, l íquido, gas. Al sólido originado en esta etapa se le suele denominar char y, a los líquidos, debido a la presencia mayoritaria de alquitranes y vapores condensables, tar.
• Oxidación o combustión. Tiene lugar cuando el agente gasificante es un oxidante como oxígeno o aire e implica el conjunto de reacciones de oxidación, tanto homogéneas como heterogéneas, fundamentalmente exotérmicas, mediante las que se genera el calor necesario para que el proceso se mantenga.
• Reducción o gasificación. La constituyen las reacciones sólido-gas o en fase gas, mediante las que el sólido remanente se convierte en gas. Se trata de reacciones fundamentalmente endotérmicas, algunas de las cuales tienen lugar en muy poca extensión , o solo tienen lugar en determinadas condiciones, como ocurre con algunas reacciones de hidrogenación y/o reformado. Las etapas de oxidación y reducción pueden considerarse conjuntamente en una sola etapa de gasificación en la que tienen lugar todo tipo de reacciones posibles entre el char y la mezcla gaseosa presente.
Existen una serie de factores que influyen en el proceso de gasificación, pudiendo distinguirse entre los que se refieren al modo de operación y al sólido gasificado, y los que son inherentes al diseño del gasificador y de los equipos auxiliares.
La temperatura es un parámetro importante en todas las etapas, y por tanto en el rendimiento final del proceso. En concreto, las proporciones entre char, tar y gas en los productos de pirólisis dependen estrechamente de la velocidad de calentamiento y de la temperatura final alcanzada. Como idea general puede decirse que a altas velocidades de calentamiento y alta temperatura final se produce mayoritariamente gas, mientras que a temperaturas finales y velocidades de calentamiento menores se producen mayoritariamente líquidos o sólidos. En los gasificadores de lecho fluidizado se tiene normalmente velocidades de calentamiento altas (hasta miles de EC/s), mientras que en los reactores de lecho móvil las velocidades de calentamiento suelen ser moderadas (del orden de 0,2 - 0,5 EC/s).
En la etapa de gasificación propiamente dicha, dada la reversibilidad de la mayoría de las reacciones, la temperatura influye en los equilibrios de reacción. En general para distintos combustibles puede decirse que el aumento de temperatura favorece el aumento del contenido en el gas producto de H2 y CO en detrimento del CH y del H2O.
En general el aumento de la presión desfavorece las reacciones de gasificación, aumentando las proporciones de hidrocarburos y alquitranes. Los gasificadores de lecho móvil suelen trabajar a presión atmosférica y los de lecho fluidizado suelen trabajar a presión, alcanzándose hasta los 30 bar en algunos casos.
La relación agente gasificante/residuo es uno de los parámetros más importantes en la gasificación, especialmente cuando ésta se autoabastece energéticamente mediante la oxidación parcial, con aire u oxígeno del residuo tratado. Valores excesivamente bajos de este parámetro pueden no generar la cantidad suficiente de energía para mantener el proceso en las condiciones adecuadas, produciéndose una disminución del rendimiento. Por otro lado, cuando el agente gasificante es aire, existe además un efecto de dilución por parte del N2. Por ello hay un valor óptimo de la relación gasificante/residuo para cada proceso, que depende básicamente de la composición del residuo gasificado. Así, por ejemplo, cuando se trata de biomasa forestal la relación óptima en peso de aire/biomasa se ha comprobado que está entre 0,5 y 1 ,6 para los gasificadores de lecho fluido, y alrededor de 1 ,5 para los gasificadores de lecho móvil.
Así se conjuga, por un lado el aumento de temperatura que produce una disminución de la proporción de residuo sólido y condensables generados en la etapa de pirólisis, y por otro la disminución de la calidad del gas. Por otro lado, el contenido en cenizas nos dice la cantidad de sólidos que será necesario retirar del gasificador por unidad de masa procesada. Aunque se han gasificado residuos con hasta un 24% de cenizas, no es deseable sobrepasar un contenido del 10%. Estas cenizas se han de retirar del gasificador para evitar su acumulación. En los gasificadores de lecho móvil esto se hace extrayéndolas por la parte inferior, y en los de lecho flu id izado la velocidad del gas ha de garantizar el arrastre de las cenizas. Una propiedad importante de las cenizas a este respecto es su punto de fusión . Si éste se sobrepasa se pueden formar escorias que obstruyan los equipos. Así mismo, las cen izas, al ser inertes, no intervienen en los equ ilibrios qu ímicos de las reacciones de gasificación, pero pueden tener un efecto catalítico, acelerando la reacción de gasificación del resid uo carbonoso con vapor de agua, especialmente cuando existen óxidos metálicos como K2O, CaO, MgO, P2O5, etc.
Igualmente es necesario tener en cuenta que en el proceso se van a calentar las partículas, que se produce una difusión de reactivos hacia la partícula y de productos desde ésta hacia el medio gaseoso que la rodea y que se producen reacciones sólido-gas en la superficie sólida. Por esto, el tamaño de partícula influye en el tiempo necesario para que el proceso tenga lugar y en el volumen de reactor adecuado para ello. En el caso de los lechos fluidos este parámetro incide además sobre la velocidad mínima de fluidización. Para variar el tamaño de partícula se pueden considerar la densificación y la molienda, pero estas posibilidades incurren en unos costes adicionales. Por otro lado residuos poco densos pueden crear probl emas de formació n d e canalizaciones preferenciales o dificultar la fluidización. En los lechos fijos pueden crearse problemas de pérdida de carga y el colapso del movim iento del lecho, dependiendo de la forma de las partículas.
Las reacciones involucradas en la gasificación de carbón son las siguientes:
C + ½ O2→CO AHr = -9,25 MJ/Kg
C + CO2→2CO AHr = 14,37 MJ/Kg
C + H2O→CO + H2 AHr = 10,94 MJ/Kg
CH4 + ½ O2→CO + 2H2 AHr = -35,7 MJ/kmol
H2 + ½ O2→H2O ΔΗΓ = -242 MJ/kmol
CO + ½ O2→CO2 ΔΗΓ = -283 MJ/kmol
CH4 + H2O→CO + 3H2 ΔΗΓ = 206 MJ/kmol
CO + H2O→CO2 + H2 ΔΗΓ = -41 ,1 MJ/kmol
Entre los principales tipos de gasificadores se pueden señalar aquel de lecho fluidizado, donde el sólido se mantiene en suspensión en el gas. En este caso no existen zonas más o menos diferenciadas en las que se lleven a cabo los distintos procesos de secado, pirólisis, etc. Cada partícula es sometida de forma instantánea/consecutiva/simultánea a estos procesos en cualquier punto del gasificador tras su entrada en él, siendo finalmente las cenizas elutriadas por el gas emergente. Estas características de elevada velocidad de reacción y excelente mezcla hacen que los perfiles de temperatura y conversión sean un iformes a lo largo del reactor, perm itiendo un control preciso de las condiciones de operación. Esta es también la causa de la alta capacidad específica (Kg de sólido/m3 de reactor) frente a otros tipos de reactores.
Incluso aunque se empleen otros tipos de gasificadores, la tendencia actual es a juntar las zonas de pirólisis y oxidación en una sola, de forma que los productos de pirólisis se producen y se queman simultáneamente, en tanto que en una zona inferior se produce la reducción de forma análoga al downdraft tradicional.
Así, es el objeto de la invención proporcionar un dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis que aúne las ventajas de los diversos tipos de reactores conocidos produciendo un gas de síntesis esencialmente libre de alquitranes y que permita trabajar con materiales iniciales sólidos de alto contenido en humedad, sin que exista la necesidad de un caro secado previo y que ello afecte al rendimiento del proceso final, empleando para ello carbón y procediendo los reactivos necesarios para los distintos procesos y aportándose la energía en forma de vapor de agua producido en una planta de energ ía solar de alta temperatura. Para ello, el d ispositivo reactor dual de la invención permite mantener las condiciones óptimas de temperatura, velocidad de calentamiento y tiempo de residencia sin que se produzcan los inconvenientes habitualmente asociados a este tipo de sistemas, como son la deposición de escorias en los elementos interiores del sistema, la pérd ida de volátiles y los procesos pulverización y secado del material inicial.
Del documento EP 98949009.9 se conoce u n proced im iento y un dispositivo para producir gas combustible, gas de síntesis y gas de reducción a partir de combustibles renovables y fósiles, otras biomasas, basura o fangos por combustión en un quemador con ad ición de oxígeno gaseoso y/o gases conteniendo oxígeno en proporciones subestequiométricas por encima de la temperatura de fusión de las fracciones inorgánicas, para obtener un medio de gasificación que contiene CO2 y H2O, donde se ponen en rotación combustible y/o gas a l a entrad a en la cámara de combustión y se proyectan los componentes minerales líquidos producidos en la combustión contra la pared del quemador dispuesta en posición sustancialmente vertical y se separan del medio de gasificación entonces producido; se conduce el medio de gasificación a un reactor de gasificación a través de una abertura central del fondo de la cámara de combustión y este medio forma all í un chorro de inmersión; se evacúan los componentes líquidos separados a través de la abertura central del fondo de la cámara de combustión y se hace que dichos componentes sean arrastrados por el chorro de inmersión del medio de gasificación en forma de gotitas de escoria, evacuados paralelamente al gas y acelerados contra el fondo del reactor, acumulados allí y retirados de éste; se alimenta en el gasificador polvo combustible conteniendo carbono al medio de gasificación, reduciéndose durante el desarrollo de la reacción de gasificación d ióxido de carbono a monóxido de carbono y vapor de agua a hidrógeno; se desvía el chorro de gas de inmersión por encima del fondo del reactor y se evacúa el gas de gasificación producido en la parte superior del reactor y, con subsiguiente desempolvado y depuración química, se le transforma en gas combustible, gas de síntesis o gas de reducción.
En el documento EP 921 21724.6 se describe una instalación para la producción de gas de síntesis a partir de un material carbonoso que comprende un sistema para la alta concentración de energ ía solar en una zona focal alargada de alta temperatura, un reactor gasificador solar con reg iones superiores e inferiores y que tiene al menos una porción transparente capaz de transmitir una radiación solar altamente concentrada; medios para permitir la proyección de dicha zona focal alargada de alta temperatura dentro del reactor; medios de tobera en la región superior del reactor; medios para la inyección de una dispersión de un material carbonoso particular en el reactor a través de dichos medios de tobera; y medios de evacuación para la extracción del producto de gas de síntesis de la región superior del reactor.
El objeto de la invención se expl ica a continuación en detal le en referencia a la figura 1 adjunta, que representa una forma de realización del presente dispositivo reactor dual.
En general, las reacciones de gasificación y pirólisis de carbón molido húmedo producidas en el dispositivo reactor dual se inician con la alimentación al dispositivo de vapor de agua procedente de una central termoeléctrica solar de alta temperatura, alimentándose este vapor de agua mediante las toberas adecuadas al reactor dual de gasificación/piról isis . Previamente a la alimentación de vapor de agua, el dispositivo reactor se alimenta de carbón molido húmedo, para ello dispone de una tobera de alimentación superior (1 ) en dos ramas (1 a) y (1 b) en cuyo interior se lleva a cabo el tamizado de la molienda de carbón a u n tamaño de partícula adecuado de 90 mesh y 490 mesh respectivamente en cada una de las ramificaciones (1 a, 1 b), preferentemente mediante un molino de mandíbula y bolas con tamiz de 90 mesh en una de las ramas y mediante un molino de bolas con tamiz de 490 mesh en la otra. El mate ri a l res u l ta n te d e l ta m izad o s e r e c o g e e n u n e l e m e n t o mezclador/distribuidor de carbón tamizado (2) situado aguas abajo de las toberas de alimentación y molienda (1 ), cayendo el carbón tamizado al elemento mezclador/distribuidor (2) tanto debido a que parte del vapor de agua alimentado ha forzado una circulación descendente del polvo carbonoso como al peso del polvo en sí, favoreciendo esta circulación de gas el flujo de las partículas carbonosas y min im izando su deposición en las paredes del elemento mezclador/distribuidor (2). Los molinos anteriormente mencionados así como el mezclador se alimentan con la energía necesaria para su operación, energía preferentemente obtenida de una planta solar de alta temperatura.
Manteniéndose este flujo de partículas carbonosas por el vapor de agua en sentido descendente procedente del elemento (2) a aproximadamente una temperatura de 220-250°C, y aportando ad icional mente vapor de ag ua procedente de la central solar, el material inicial tamizado y húmedo pasa a la cámara (3), esencialmente de gasificación, donde este material inicial se oxida parcialmente mediante una alimentación adicional de oxígeno, preferentemente procedente de un dispositivo de electrólisis asociado a la central solar. Esta cámara (3) mantiene en su interior una temperatura de aproximadamente 1 .800°C-1 .900°C gracias a la alta temperatura del vapor de agua alimentado d esd e l a central solar. La cámara (3) está provista de un revestimiento refractario en su interior, con el fin mantener la mantener la temperatura interna, así como, en un exterior, de un revestimiento aislante para minimizar las pérdidas caloríficas por radiación al exterior de las paredes. En una realización preferente de la invención, el material refractario de la cámara (3) se basa en un material de fibrocemento de alúmina, sílice y calcáreo, preferentemente del tipo Superboard®, manteniendo un aislamiento con estabilidad dimensional hasta 3.500°C.
La cámara (3) está d ivid ida en dos subcámaras (3a, 3b) por una membrana de difusión de gases que permite mantener separados los gases H2 y los basados en carbono (CO2, CO) obtenidos como una mezcla de gas de síntesis
CH4 + CO + C02 + 02→CO + C02 + H2 de forma que el hidrógeno se recircula desde el reactor hacia el exterior para ser empleado en otros procesamientos químicos o directamente como combustible. Aguas abajo de la citada cámara (3), un ciclón (4) retiene las partículas sólidas presentes en el gas de síntesis y, operando a una temperatura de 600°C, mantenida por el propio de gas en su interior, arrastra los sólidos hacia una cámara esencialmente pirolítica (5). Las pequeñas cantidades de CH4, H2S y carbón libre que pueden quedar como residuos en el gas de síntesis se someten a una pirólisis en l a cá m a ra (5) del mismo reactor dual, eliminándose esencialmente el carbón libre, el H2S y parte del CO2. Brevemente, entre 38 y 705°C se produce la desvolatilización y el desprendim iento de carbono e hidrógeno, entre 705 y 1480°C de C y H2O(g) y entre 1480 y 1815°C de C y O2. Los gases residuales se realimentan a la cámara (3) Posteriormente, los residuos sólidos de los procesos simultáneos de gasificación y pirólisis atraviesan una rejilla de dientes de sierra (6) y son recogidos en forma de escorias y cenizas en un elemento de almacenamiento (7) para su posterior reutilización, por ejemplo en procesos de obtención de concretos donde se em plean cen izas o para su reciclaje en forma de fertilizantes.
En el interior de la cámara (3) se disponen los catalizadores adecuados para que puedan tener lugar las diferentes reacciones, así como los medios necesarios para mantener su integridad, tales como revestimientos refractarios, materiales aislantes, camisas de refrigeración, etc. Esto es igualmente aplicable a la cámara (5).
El dispositivo reactor dual de la invención permite la recirculación de los gases intermedios residuales obtenidos desde una cámara a la otra, de forma que el régimen de flujo o flujo arrastrado permite la alimentación en continuo de carbón y extraer fácilmente las escorias de todas las cámaras, disminuyendo las pérdidas de gas de síntesis por la salida de la escoria.
Así, el dispositivo reactor dual descrito permite un tiempo de residencia bajo, en el rango de aproximadamente 1 a 7 segundos, el régimen de flujo arrastra las partícu las de carbón a través del reactor, operando a u na temperatura del gas de 1 .000-1900°C, lo que permite extraer las cenizas como escoria fu nd ida y evitar la formación de alqu itranes e h idrocarbu ros y min im izando la formación de metano, ya que su producción impl ica una liberación no deseada de energía. Como es conocido por el experto en la materia, las dimensiones del dispositivo reactor dual de la invención estarán relacionadas y adaptadas al tamaño de partícula, la reactividad del combustible, las temperaturas de reacción y la velocidad de la fase gas, características que definen el tiempo necesario para que las reacciones de gasificación ocurran. Por tanto, el tiempo de residencia en el reactor es un parámetro a asegurar mediante el diseño descrito.
Un ejemplo de realización correspondiente al diseño descrito permite obtener las siguientes características funcionales:
T= aprox. 1870°C
Eficiencia= 69%.
CO: 60-64% v/v
H2: 26-27% v/v
CH4: 0-0,1 % v/v
CO2: 6-7% v/v Reacción global:
C + 0,38 H2O + 0,36 O2→0,38 H2 + 0,90 CO + 0,10 CO2 + 0.00 CH4
En una forma de realización preferente de la presente invención, las temperaturas ind icadas para llevar a cabo los procesos en el interior del d ispositivo reactor dual descrito se derivan de u na planta solar de alta temperatura, e igualmente los diversos reactivos necesarios, vapor de agua, oxígeno, hidrógeno, etc. se derivan de un procedimiento de obtención de subproductos de la planta solar mencionada, con especial preferencia del procedimiento descrito en la solicitud de patente española 201031280. El calor que sale del reactor corresponde a una porción energética del
Poder Calorífico del combustible empleado, en este caso 4895 Kcal/Kg, que no es arrastrado por los gases y escoria en forma de energía química o calor sensible, ni es util izado en las reacciones. Así, una primera cota para la estimación del calor que debe salir a través de las paredes del reactor por unidad de tiempo es la máxima potencia generada con todo el poder calorífico del combustible empleado. Por el lo, las paredes del d ispositivo pueden opcionalmente presentar un serpentín de regulación de flujo de calor siempre que el flujo y la presión en el interior del serpentín sean adecuados a las condiciones de diseño y materiales empleados, la presión en el interior del serpentín sea suficiente para mantener en estado líquido el agua en todos las áreas del dispositivo dual, la temperatura de cada material esté en el rango de temperatura de servicio del mismo y el espesor final total de la pared sea el mínimo. La inclusión de un serpentín en la pared del reactor no es relevante para efectos de disminuir grosores de pared, pero puede ser de utilidad en aras de la eficiencia energética global de la unidad de gasificación.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón caracterizado porque incluye los siguientes elementos:
un alimentador de carbón molido húmedo desde una tobera de alimentación superior (1 ) en dos ramas (1 a) y (1 b), disponiéndose en el interior de una de las ramas un molino de mandíbula y bolas y, en el interior de la otra, un mol ino de bolas, para la molienda del material carbonoso inicial;
un elemento mezclador/distribuidor de carbón tamizado (2) situado aguas abajo de las toberas de alimentación y molienda (1 ), cayendo el carbón tamizado al elemento mezclador/distribuidor (2) tanto debido a una alimentación de vapor de agua como gas de arrastre como al peso del polvo en sí, favoreciendo esta circulación de gas el flujo de las partículas carbonosas y minimizando su deposición en las paredes del elemento mezclador/distribuidor (2);
una cámara (3) aguas abajo del elemento (2) esencialmente de gasificación donde el material tamizado húmedo se oxida parcialmente mediante una alimentación adicional de oxígeno, a una temperatura de aproximadamente 1 .800°C-1 .900°C, estando la cámara (3) provista de un revestimiento refractario en su interior, con el fin mantener la mantener la temperatura interna, así como, en su exterior, de un revestimiento aislante para minimizar las pérdidas caloríficas por radiación al exterior de las paredes; y estando dividida la cámara (3) en dos subcámaras (3a, 3b) por una membrana de difusión de gases que permite mantener separados los gases H2 y los basados en carbono (CO2, CO) obtenidos como una mezcla de gas de síntesis
un ciclón (4) aguas abajo de la cámara (3), que retiene las partículas sólidas presentes en el gas de síntesis y operando a una temperatura de 600°C mantenida por el propio de gas en su interior;
una cámara esencialmente pirolítica (5) en la cual los sólidos arrastrados del ciclón (4) se pirolizan eliminándose esencialmente el carbón libre, el H2S y parte del CO2, siendo los gases residuales realimentados a la cámara (3);
una rejilla de dientes de sierra (6) que recoge los residuos sólidos de los procesos simultáneos de gasificación y pirólisis, almacenándose éstos en forma de escorias y cenizas en un elemento de almacenamiento
(7) para su posterior reutilización.
2. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1 , caracterizado porque en cada una de las ramificaciones (1 a, 1 b) de la tobera de alimentación (1 ) se encuentran tamices de 90 mesh (1 a) y 490 mesh (1 b) respectivamente para el tamizado del carbón.
3. Dispositivo reactor dual de gasificación-piról isis de carbón según la reivindicación 1 , caracterizado porque perm ite la recirculación del hidrógeno presente en la cámara (3) desde el reactor hacia el exterior para ser empleado en otros procesamientos químicos o directamente como combustible.
4. Dispositivo reactor dual de gasificación-piról isis de carbón según la reivindicación 1 , caracterizado porque la temperatura de operación del elemento (2) se sitúa en el rango de 220-250°C, la correspondiente de la cámara (3) se mantiene a 1 .800°C-1 .900°C y la correspondiente al ciclón (4) es de 600°C.
5. Dispositivo reactor dual de gasificación-piról isis de carbón según la reivind icación 1 , caracterizado porque el material refractario de las cámaras (3) y (5) se basa en un material de fibrocemento de alúmina, sílice y calcáreo, preferentemente del tipo Superboard®, manteniendo un aislamiento con estabilidad dimensional hasta 3.500°C.
6. Dispositivo reactor dual de gasificación-piról isis de carbón según la reivindicación 1 , caracterizado porque incluye además un serpentín regulador de flujo de calor en todas sus paredes. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1 , caracterizado porque permite la recirculación de los gases intermedios residuales obtenidos desde una cámara a la otra, de forma que el régimen de flujo o flujo arrastrado permite la alimentación en continuo de carbón y extraer fácilmente las escorias de todas las cámaras.
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