ES2210533T3 - Aparato de gasificacion con forma esferoidal achatada. - Google Patents
Aparato de gasificacion con forma esferoidal achatada.Info
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Abstract
SE PRESENTAN UN APARATO Y UN METODO PARA LA GASIFICACION DE UN MATERIAL DE ALIMENTACION. EL APARATO INCLUYE UNA CAMARA DE GASIFICACION EN FORMA DE ESFEROIDE ACHATADO (12) QUE COMPRENDE UNOS ORIFICIOS DE ADMISION (12) DE UN MATERIAL DE ALIMENTACION Y UN OXIDANTE GASEOSO. UN ORIFICIO DE EVACUACION DE LOS GASES DE LA COMBUSTION (16) PERMITE LA EXTRACCION DE LOS GASES DE LA COMBUSTION Y UNA REGION DE RECEPCION DE CENIZAS RECIBE Y EXTRAE LAS CENIZAS PRODUCIDAS EN LA CAMARA DE GASIFICACION. UNA PLURALIDAD DE TUBOS VENTURI DE RECIRCULACION (35) HACEN RECIRCULAR A LOS GASES DE LA COMBUSTION Y A LA MATERIA EN PARTICULAS HACIENDOLOS ENTRAR EN Y SALIR DE UNA ZONA DE GASIFICACION (32). CADA TUBO VENTURI COMPRENDE UN PLENO (40) CON UN ORIFICIO DE ADMISION DEL OXIDANTE GASEOSO (18) Y UNA PLURALIDAD DE ORIFICIOS CAPACES DE GENERAR UNA CORRIENTE DE AIRE DE ALTA VELOCIDAD HACIA EL LECHO DEL MATERIAL DE ALIMENTACION DE LA ZONA DE GASIFICACION. HAY UNA PLURALIDAD DE CAÑONES DE AIRE (50) ACOPLADOS A UNA O MASVALVULAS DE IMPULSION PARA SUMINISTRAR UNA CORRIENTE DE AIRE PULSADA A LA ZONA DE GASIFICACION. EL ORIFICIO DE ADMISION DEL OXIDANTE (18, 20, 22) PRESENTE EN LA REGION DE RECEPCION DE CENIZAS PERMITE CONTROLAR EL CONTENIDO DE CARBONO EN CENIZAS.
Description
Aparato de gasificación con forma esferoidal
achatada.
La presente invención se refiera a un aparato de
gasificación para gasificar material de materias primas, que
incluye materiales de desecho municipales, industriales, de
construcción y agrícolas, y materiales que no son desechos, tales
como madera y carbón. La presente invención reduce el volumen de
eliminación de materiales sólidos de desecho y produce un
combustible gaseoso que puede ser recuperado para usarse en
diversas aplicaciones. En particular, la presente invención se
refiere a mejoras para la gasificación autotermo controlada de
materiales de desecho, en las cuales el desecho está sujeto a una
recirculación dentro de la unidad de combustión. Debido al proceso
de la presente invención, el material de materia prima se reduce en
volumen en al menos un 90%, pero se limita a este tanto por ciento
de reducción, y se produce un combustible gaseoso limpio sin crear
ningún efecto adverso en el entorno por su uso. El proceso de
gasificación actualmente preferido se realiza en un único reactor
de gasificación con forma esferoidal oblata, aunque se pueden usar
modificaciones de esta forma.
La eliminación de materiales de desecho ha sido y
continúa siendo un problema principal en nuestra sociedad. La
cantidad de desecho sólido incluso aumenta, y la tierra necesaria
para vertederos controlados convencionales está desapareciendo
rápidamente. Los vertederos controlados en sí mismos presentan
problemas. Los desperdicios depositados en los vertederos
controlados a menudo tardan 30 años en descomponerse. Durante este
período se generan otros problemas ecológicos. La lixiviación de los
contaminantes de los desperdicios en la tabla de agua se ha
convertido en una preocupación significativa, y los problemas de
olores y de contaminación atmosférica son numerosos. De preocupación
adicional es el hecho de que la eliminación de residuos sólidos en
un vertedero controlado, a menudo ha ocasionado peligros inesperados
a largo plazo, debidos a la contaminación del terreno ocasionada por
la naturaleza del desecho así como a asentamientos desigual del
lugar del vertedero controlado mucho después de que el vertedero
controlado haya sido convertido para otros usos.
La alternativa empleada más ampliamente para la
eliminación de desechos de vertedero controlado es la incineración
al aire libre o en plantas de incineración de aire forzado.
Convencionalmente, en el transcurso de la incineración, la quema de
desperdicios se lleva a cabo en una cámara de combustión en la cual
se introduce aire con la finalidad de combustión. Como parte de la
incineración, los materiales orgánicos procedentes del material de
desecho deben ser convertidos en materiales que se quemarán
uniformemente en la cámara de combustión. Los materiales sólidos de
desecho varían tan ampliamente en composición y en su contenido de
humedad que la reacción de combustión no puede ser controlada y
mantenida adecuadamente. La combustión incompleta del desecho es
común, con la emisión resultante a la atmósfera de grandes
cantidades de humo de contaminación. Aun cuando es deseable
incinerar o quemar desechos sólidos para reducir su volumen, ni el
quemado al aire libre ni la incineración con aire forzado es
medioambientalmente aceptable debido a los problemas de
contaminación del aire inherentes con los procesos.
Se han propuesto diversos sistemas para la
pirólisis y la gasificación de materiales de desecho. Aunque las
técnicas de pirólisis ofrecen un cierto número de ventajas teóricas,
los sistemas de pirólisis para manejar el desecho corriente sólo
acaban de comenzar para conseguir algún uso comercial
significativo. Esta evolución de tecnología de pirólisis está
comenzando a conseguir un estatus aceptable en la técnica de
eliminación de desecho sólido municipal ("MSW"). Los viejos
procedimientos de gasificación incluyen, al menos en parte, ciertos
problemas de transferencia de calor debidos a la gran variación en
la composición y en el contenido de humedad del desecho.
Debido a la variación en la composición y al
contenido de humedad del desecho municipal, es difícil controlar la
temperatura para una pirólisis adecuada del desecho sin evitar
aumentos localizados de temperatura que se ocasionan en la
formación de escoria. Por ejemplo, para conseguir un estado
relativamente estacionario de operación al gasificar MSW corriente,
se usaron temperaturas en los antiguos sistemas que se aproximaban
a las temperaturas a las cuales se producía la formación de escoria
de material inorgánico. Los componentes inorgánicos del MSW, se
funden a continuación para formar una capa de escoria que se
adhiere tenazmente sobre todas las superficies expuestas al
desecho.
Se han propuesto sistemas para la conversión de
materiales de desecho sólido por gasificación a alta temperatura en
combustibles gaseosos denominados gas de productor. Dichos sistemas
usualmente comprenden una cámara orientada verticalmente que tiene,
secuencialmente, zonas de descenso, secado, destilado, oxidación y
de reducción de la reacción. De nuevo, debido a las grandes
variaciones en la composición de desecho municipal, así como al
contenido en humedad del desecho, los sistemas de gasificación no
han tenido sensibilidad para adecuar los controles adecuados
necesarios para estas diversas materias primas. Los sistemas
anteriores han estado plagados de problemas de operación, así como
serios problemas de contaminación derivados de la incapacidad de
retirar los compuestos no deseables y los elementos de la corriente
gaseosa y su última emisión a la atmósfera procedente del uso del
gas de combustible.
La mayoría de los sistemas de gasificación
conocidos evitan los combustibles de materias primas que tienen un
contenido muy alto de azufre, tal como el caucho. Las pruebas
experimentales muestran que gasificando una corriente gaseosa de
caucho del 90 por ciento con un exceso en 10% de O_{2} de
corriente efluente de O_{2} crea condiciones que producen 1100
p.p.m. de SO_{2}. Cortando el exceso de O_{2} al 3,9% se reduce
el SO_{2} en una cantidad en proporción. La presencia del exceso
de O_{2} puede ser atribuida a orificios de soplado en el lecho
del combustible.
Consideraciones medioambientales obligan a la
retirada de SO_{2} en el gas de descarga de efluente de cualquier
proceso de combustión de una escala comercial. Esta es una
preocupación principal de cualquier proceso de combustión y tiene
una preocupación económica principal en el diseño del equipo. A
mayor incidencia del SO_{2} aguas abajo del gasificador, mayor y
más caro será el equipo necesario para eliminarlos. De este modo,
para reducir costes, se evitan los combustibles con un alto
contenido en azufre.
El contenido en carbono de la fracción de ceniza
también es una consideración importante del diseño y de la operación
de un sistema de gasificación. Allí donde una vez era habitual de un
20% a un 50% de carbono en la ceniza, ahora es deseable un 3% a un
5% de carbono en la ceniza. Cualquier forma de pirólisis indirecta
deja grandes porcentajes de carbono en la ceniza, principalmente
debido al insuficiente contenido de oxígeno molecular para hacer las
conversiones desde el carbono hasta un gas estable fijo. Así, la
pirólisis es indeseable salvo que existe un uso económicamente
viable para el carbón. Sin un uso económicamente viable del carbón
el alto contenido en carbono en la ceniza representa una pérdida de
eficacia del sistema. Sería un avance en la técnica ser capaz de
controlar el contenido de carbono en la técnica.
Para evitar el excesivo contenido de carbono en
la ceniza, se debe admitir un contenido suficiente de oxígeno en la
cámara de reacción en forma de aire, oxígeno puro gaseoso, o en
forma de sólido rico en oxígeno. Para ser eficaz, los oxidantes
gaseosos deben tener contacto íntimo con la fracción de carbono del
combustible un tiempo suficiente para permitir que la reacción tenga
lugar.
Si el lecho de combustible tiene la dimensión
óptima y la longitud del recorrido a través de del reactor es
suficiente para que el oxidante reaccione completamente, aún existen
los problemas de bolsas de aire, o de canales de baja resistencia, a
través del lecho salvo que el oxidante sea administrado a presiones
diferenciales pequeñas (baja velocidad) de parte a parte del lecho
de combustible. Estas bajas velocidades hacen muy difícil mantener
la reacción a temperaturas óptimas, y reducen la capacidad de
tratamiento de combustible y la salida de gas para un tamaño de
reactor dado. Aunque los resultados satisfactorios se obtienen
inicialmente, la situación rápidamente se deteriora a lo largo del
tiempo debido a que el oxidante puede pasar directamente a través
del lecho de combustible al interior de la corriente gaseosa de
salida sin reaccionar con el combustible.
A partir de lo anterior, se apreciará que un
lecho fijo no es una buena opción para la reducción de
contracorriente de desecho municipal debido a la incidencia de
exceso de oxígeno, el cual fomenta la formación de SO_{2}. Esto
se ve directamente afectado por la dificultad de obtener un tamaño
de partícula de combustible uniforme. Se ha realizado un enfoque
para agitar una parte del lecho con una paleta o serie de paletas y
o brazos. Esto únicamente agita una parte del lecho de combustible
en un instante dado y aún descasa sobre un lecho de combustible
permeable. Si durante la reacción, el combustible se convierte en
una ceniza muy fina que fomenta una contrapresión en exceso para el
flujo de oxidante, entonces, este lecho removido se comporta como un
lecho de combustible susceptible a la formación de sopladuras.
Una variación del lecho removido es el uso de una
mesa o tobera giratoria por debajo del lecho. Sin embargo, una
tobera giratoria proporciona una agitación mínima del lecho de
combustible en las zonas más altas y permite que el combustible y
las partículas de ceniza arrastradas más finas se acumulen e
interfieran con la permeabilidad general del lecho. A medida que la
permeabilidad cae, la contrapresión sobre el suministro de oxidante
crece hasta que fuerza su camino a través del lecho. De este modo,
el lecho de combustible comienza a presentar canales de menor
resistencia a través del lecho con una salida característica de
SO_{2} alta.
Los procedimientos de agitación descritos en lo
que antecede no permite una variación en el tamaño o consistencia
del combustible que pueda obtenerse económicamente con materiales
sólidos de desecho. Para gasificar una fuente variada de materia
prima de combustible, como desechos municipales, industriales, de la
construcción y agrícolas, el aparato debe ser capaz de ajustarse a
las condiciones de operación a lo largo de un amplio intervalo de
control que son exigidos de sistemas diseñados para usar una materia
prima homogénea. La permeabilidad del lecho de combustible muestra
ser la preocupación principal y se ve afectada negativamente por
cambios en la fracción de combustible que va a través de la etapa
líquida cuando se encuentra las temperaturas dentro del
gasificador.
Partiendo del antecedente anterior, alguien se
esperaría que las condiciones de "fluidización" fueran capaces
de proporcionar contacto íntimo controlable con una estructura de
combustible variada como esta para proporcionar contacto íntimo
controlable con una estructura de combustible variada como esta.
Desafortunadamente, las condiciones convencionales de fluidización
proporcionan exceso de oxigeno, lo que no es tolerable debido a la
producción de SO_{2}.
Otro problema significativo con los dispositivos
de gasificación convencionales, es la incapacidad para tener en
cuenta la amplia variación en la composición del material de materia
prima, así como la variación en el contenido de humedad de dicho
desecho. Materia prima de alto contenido en agua puede reducir
significativamente la temperatura de operación del gasificador. Otro
contribuidor a esta "acción de extinción" son materiales en
grandes porcentajes en la corriente de alimentación que tiene la
oportunidad de ir a través de una fase líquida. Amplia variación en
la temperatura de operación hace que sea difícil controlar la
combustión del material de materia prima y afecta a la capacidad de
tratamiento de material y a la salida subsiguiente.
A continuación se dan algunas razones por las que
el aparato convencional para la gasificación de combustible sólido
(madera y carbón) no gasificará consistentemente desechos
municipales:
(a) la baja permeabilidad del lecho de
combustible o variaciones en la permeabilidad.
(b) alta tendencia a formar canales a través de
la estructura de lecho de combustible.
(c) finos de combustible tanto en el combustible
en bruto o creado en el transcurso del proceso que contribuyen a
partículas arrastradas en la corriente efluente y
permeabilidad.
(d) alto porcentaje de materiales en fase líquida
y la variabilidad en el porcentaje de estos materiales.
(e) alto contenido inicial de humedad del
combustible.
(f) baja velocidad terminal del gas para impedir
que particuladas y grandes aglomeraciones condensables sean
arrastradas.
Los gasificadores convencionales no se refieren
adecuadamente a estos parámetros, los cuales deben ser tratados en
función de un cambio continuo.
El documento FR361127 ofrece un aparato de
gasificación, pero también le falta un control suficiente del gas de
oxidación para gasificar eficazmente el material de alimentación
ante un amplio abanico de condiciones encontradas en la práctica, y
arriesga algo de material que no está adecuadamente presentado al
gas de oxidación.
El documento WO 8102/581 proporciona un aparato
de gasificación en el cual el suministro de gas de reacción está
sujeto a pulsaciones. Sin embargo, no se proporciona recirculación
de gases, al aparato le faltan otras características significativas
de la estructura de reivindicaciones y, por consiguiente, se
enfrenta con problemas al asegurar el control y la gasificación
eficaz. En consecuencia, sería un avance significativo en la técnica
proporcionar un aparato mejorado para la gasificación de materiales
de combustible de materia prima. Dichos aparatos para gasificación
de materiales de materia prima se describen y reivindican en la
presente memoria.
La presente invención proporciona un
procedimiento y un aparato medioambientalmente aceptable para la
gasificación de materiales de materia prima tales como desechos
municipales, industriales, de la construcción y agrícolas. La
presente invención puede ser fácilmente adaptada para gasificar
combustibles convencionales de gasificación sólida, tales como
carbón y madera. Una realización preferida de la presente invención
proporciona un procedimiento y un aparato para gasificar material de
desecho sólido que elimina la emisión de humo y de otros
contaminantes a la atmósfera.
La materia orgánica en la materia prima se
convierte en un gas pobre y ceniza relativamente limpios. La ceniza
tiene un volumen típicamente inferior a aproximadamente un 10% del
volumen del material de partida de desecho. El material de ceniza
sólida resultante es estéril y medioambientalmente inocuo. El gas
pobre y el material de ceniza sólida pueden ser usados para diversos
propósitos comerciales. Por ejemplo, la ceniza puede ser usada como
acondicionador de suelos, para la retirada de hielo en autopistas,
como un aditivo del hormigón, como un aditivo del asfaltado; y el
gas pobre puede ser usado como un combustible que se quema de forma
limpia. Alternativamente, el gas puede simplemente ser quemado y
las cenizas pueden ser escondidas de forma convencional en un
vertedero controlado.
Un aparato actualmente preferido para la
gasificación de materia prima de acuerdo con la presente invención
incluye una única cámara de gasificación con forma un esferoidal
achatado. Un esferoidal achatado actualmente preferido es el
esferoidal geodésico (GOS). El material de combustible de materia
prima se introduce en la cámara de gasificación usando un
alimentador. Es importante que el diseño del alimentador
seleccionado sea capaz de introducir el material de materia prima en
una cámara de gasificación presurizada. El diseño del alimentador
puede variar en función del material de materia prima a ser
gasificado. Por ejemplo, los neumáticos usados pueden ser
alimentados con éxito en la reacción con un alimentador a
compresión. Este tipo de alimentador permitirá que control preciso
de alimentación de materia prima y permite que los neumáticos sean
introducidos en la cámara de gasificación presurizada. Otras
válvulas convencionales de alimentación, que incluyen válvulas
cónicas de alimentación, son útiles para introducir material de
materia prima seco o parcialmente seco dentro de la cámara de
gasificación presurizada. Ejemplos de válvulas cónicas de
alimentación se describen en la patente de los Estados Unidos n.º
5.484.465 concedida en el 16 de enero de 1996.
Situado de forma centrada alrededor del perímetro
interior de la cámara de gasificación hay uno o más tubos Venturi de
recirculación. El número preciso de tubos Venturi de recirculación
puede variar en función del tamaño de la cámara de gasificación y
del tipo de material de desecho que se está gasificando. Cada tubo
Venturi incluye una entrada de gas de recirculación, un canal de
recirculación, una cámara impelente, una salida de gas Venturi
dirigida hacia la zona de gasificación. La cámara impelente contiene
una entrada del oxidante gaseoso a través de cada tubo Venturi y
añade fuerza motriz para la recirculación de gas.
El oxidante gaseoso es preferiblemente aire, pero
puede incluir oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, u otros
oxidantes gaseosos. Otros gases reactivos también pueden ser
introducidos en la cámara impelente y mezclados con el flujo de gas
de recirculación para ocasionar las reacciones químicas deseadas
dentro de la cámara de gasificación. Aproximadamente el 50% del
oxidante gaseoso se introduce preferiblemente en la cámara de
gasificación a través de la entrada de gas de la cámara
impelente/Venturi. Esta cantidad se puede variar en función de la
composición del material de materia prima y de los productos de
gasificación deseados. El oxidante gaseoso introducido en la cámara
de gasificación a través de los tubos Venturi afecta al flujo de la
recirculación gaseosa resultante y al número de veces que el
material de materia prima de volatilización pasa a través de la zona
de gasificación.
La cámara de gasificación incluye preferiblemente
entradas de oxidante gaseoso en otras dos ubicaciones distintas
dentro de la cámara de gasificación. Uno o más cañones de aire se
encuentran por debajo de las salidas de gas Venturi, y una
pluralidad de entradas de oxidante gaseoso están situadas por debajo
de la zona de gasificación en la región de recogida de ceniza. Los
cañones de aire pueden estar situados opcionalmente en la región de
recogida de ceniza.
Los cañones de aire están dirigidos hacia la zona
de gasificación para proporcionar flujo de aire pulsado al interior
de la zona de gasificación, lo cual agita y fluidiza el lecho de
material de desecho. La agitación se controla mediante la
frecuencia y la presión de operación de válvulas de impulsos
acopladas a los cañones de aire. El uso de cañones de aire y de
válvulas de pulsos de aire permite la eliminación de todas las
partes móviles mecánicas del interior. Los pulsos de ondas
sinusoidales de los cañones de aire aseguran la completa agitación
de todo el material sin reaccionar que no se ha completamente
gasificado y controla el balance de oxidante necesario para la
gasificación.
Las entradas de oxidante gaseoso situadas dentro
de la región de recogida de ceniza se usan para controlar el
contenido de carbono de la ceniza resultante. Grandes cantidades de
oxidante fomentarán una combustión completa de materiales de desecho
carbonáceos. Se puede obtener contenido en carbono de la ceniza por
debajo del 5% en peso. Alternativamente, poco o ningún oxidante
dentro de la región de recogida de ceniza ocasionara la combustión
incompleta del material de materia prima lo cual puede ocasionar la
preparación de ceniza de alto contenido en carbono, tal como el
negro de humo de gas natural.
Los reactantes químicos pueden ser introducidos
dentro de la cámara de gasificación para que reaccionen con el
material de materia prima o con sus subproductos. La operación de
recirculación de la cámara de gasificación permite un tiempo de
residencia prolongada y un tiempo de reacción de los reactantes
químicos. Un ejemplo de un reactante químico típico dentro del
alcance de la presente invención es un compuesto químico para una
depuración en seco para controlar los indeseables óxidos de azufre
(SO_{x}) u otros compuestos indeseables. Con la invención se
pueden usar diversos compuestos de depuración química conocidos y
novedosos, que incluyen, entre otros, calcio, carbonato cálcico,
cal y pizarra bituminosa. Los reactantes químicos se añaden
preferiblemente a la cámara de gasificación a través de la entrada
de alimentación de materia prima, aunque se puede proporcionar una
entrada separada para dichos compuestos.
La figura 1 es una vista en perspectiva de un
aparato de gasificación de desecho esferoidal achatado geodésico
dentro del alcance de la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1
que muestra el interior del aparato de gasificación de residuo.
La figura 3 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 3-3 de la figura 1
mostrando el interior del aparato de gasificación de desecho.
La figura 4 es una vista ampliada de la sección
transversal de la cámara impelente dentro del tubo Venturi de
recirculación mostrado en la figura 2.
La figura 5 es una vista en sección transversal
de un conjunto rotatorio de válvula de impulso.
La figura 6 es otra vista en sección transversal
de la válvula de impulso mostrando un medio para fijar la válvula a
una tubería de gas convencional.
La presente invención se dirige a un aparato y a
un procedimiento para la gasificación de varios materiales de
materia prima. La invención se describirá con más detalle haciendo
referencia a las realizaciones actualmente preferidas de la misma
ilustradas en las figuras.
Haciendo referencia a la figura 1, un sistema de
gasificación actualmente preferido se indica por 10. El sistema de
gasificación 10 de acuerdo con la presente invención ilustrado en la
figura 1 incluye una cámara 12 de gasificación con forma esferoidal
achatado geodésico. La cámara 12 de gasificación incluye una
entrada 14 para el material de materia prima. Como se muestra en la
figura 1-3, la entrada de material de materia prima
se encuentra situada preferiblemente en una región superior de la
cámara 12 de gasificación. Una salida 16 de gas de combustión
permite la retirada de gases de combustión desde la cámara 12 de
gasificación. Los gases de combustión contienen típicamente una
mezcla de compuestos de hidrocarbonos condensables y de gases de
combustible que pueden ser recubiertos para su combustible o valor
de material en bruto. Una pluralidad de entradas del oxidante
gaseoso 18, 20 y 22, permiten la introducción de oxidante gaseoso
en diversas regiones internas dentro de la cámara 12 de
gasificación. Las entradas 18, 20 y 22 del oxidante gaseoso están
preferiblemente acopladas a válvulas (no mostradas) para controlar
la presión y el caudal del oxidante gaseoso que fluye a través de
las entradas. Una salida 24 de ceniza permite la retirada del
producto de ceniza del material de materia prima gasificado. La
salida 24 de ceniza puede incluir puertas (no mostradas) de ceniza
conocida o novedosa o dispositivos similares para retirar la ceniza
mientras mantienen la presión dentro de la cámara 12 de
gasificación. Una entrada 26 de combustible gaseoso permite que el
combustible suplementario sea introducido en la cámara de
gasificación durante la puesta en marcha del proceso de
gasificación para calentar la cámara de gasificación hasta una
temperatura de operación deseada. El combustible suplementario
también puede ser introducido en la cámara de gasificación como
necesario para controlar además el proceso de gasificación.
Las figuras 2 y 3 ilustran la configuración
interna de la cámara 12 de gasificación. Un canal 28 de material de
materia prima construido de un material de pantalla o de criba,
lleva material de materia prima desde la entrada 14 de material de
materia prima hasta una zona 30 de volatilización. Como se ilustra,
la zona 30 de volatilización tiene una forma genéricamente
divergente hacia abajo que se abre en una zona 32 de gasificación.
El material de materia prima que entra en la zona de volatilización
se volatiliza parcialmente. Partículas volátiles y ligeras son
arrastradas hacia arriba, como se explica con más detalle en lo que
sigue, mientras la materia prima más pesada, no volatilizado,
desciende al interior de la zona 32 de gasificación. La zona de
volatilización representa la parte superior de una columna de
volatilización que se extiende a través del eje central de la
cámara 12 de gasificación. Como se ilustra, la zona 32 de
gasificación se estrecha gradualmente para formar una región 34 de
recolección de ceniza para recoger ceniza generada por la
gasificación de material de materia prima.
La cámara de gasificación incluye uno o más tubos
Venturi 35 de recirculación. Cada tubo Venturi incluye una entrada
36 de gas de recirculación situado por encima de la zona 30 de
volatilización, un canal 38 de recirculación, una cámara impelente
40, y una salida 42 de gas Venturi dirigida hacia la zona 32 de
gasificación. Como mejor se ve en la figura 4, la cámara impelente
define una cámara 44 anular. La entrada 18 de oxidante gaseoso y la
entrada 26 de combustible gaseoso se introduce en la cámara 44
anular. La cámara impelente 40 tiene un anillo 46 interior que
diverge a través del tubo Venturi 35. El anillo 46 de la cámara
impelente contiene una pluralidad de orificios 48. Los orificios 48
permiten que los oxidantes gaseosos u otros gases reactivos pasen
desde la cámara impelente al interior del tubo 35 Venturi. Los
orificios 48 están dirigidos, preferiblemente, hacia abajo. Esto
hace que el oxidante gaseoso procedente de la entrada 18 del
oxidante gaseoso, y opcionalmente combustible procedente de la
entrada 26 de combustible gaseoso, sean dirigidos hacia abajo a
través del tubo 35 Venturi hacia la salida 42 del tuvo Venturi.
Como se muestra en la figura 4, el canal 38 de
recirculación se estrecha de tal forma que la abertura de la sección
transversal es aproximadamente igual al tamaño del anillo 46
interior. El área de la sección transversal Venturi 35 aumenta
gradualmente entre la cámara impelente 40 y la salida 42 de gas
Venturi.
El Venturi 35 se construye preferiblemente de un
material refractario capaz de soportar altas temperaturas. Un
material refractario se prefiere actualmente sobre el acero
convencional para construir el Venturi 35 debido a que puede
soportar la alta temperatura aguas abajo inmediatamente de la cámara
impelente 40. Por supuesto, se puede usar el acero u otros
materiales de construcción, pero generalmente no son tan duraderos
como los materiales refractarios. El espesor de pared del Venturi
35 es preferiblemente más grueso cera de la cámara impelente 40
para ayudar a soportar adicionalmente las altas temperaturas. La
parte del canal 38 de recirculación más cercano a la cámara
impelente 40 también se construye preferiblemente de material
refractario, mientras que el resto del canal 38 de recirculación se
construye preferiblemente de acero. La cámara impelente 40 se
construye preferiblemente de acero de tal forma que puede ser
mecanizada para contener los orificios 48 y la cámara 44
anular.
Las entradas 20 de oxidante gaseoso están
preferiblemente acopladas a válvulas 50 de impulso de aire para
proporcionar impulsos de oxidante gaseoso a diversas frecuencias y
presiones. En la memoria se hace referencia a las entradas 20 de
oxidante acopladas a válvulas 50 de impulsos como a cañones de aire
debido a su capacidad para introducir quemaduras periódicas de
oxidante en la cámara 12 de gasificación y, más específicamente, al
interior de la zona 32 de gasificación. Los cañones de aire
proporcionan preferiblemente impulsos de aire sinusoidales que van
en frecuencia desde 20 Hz hasta 3 kHz, y a una presión suficiente
para agitar el lecho de materia prima. La presión de operación puede
variar en función del tamaño de la cámara 12 de gasificación y
estando clasificado el material. Las presiones pueden ir desde 6,9
kPa hasta 6,9 MPa (1 a 1000 psi), con presiones de operación
típicas que van de 6,9 kPa hasta más de 621 kPa (1 psi hasta más de
90 psi).
Tal y como se usa en la memoria, el termino
"aire" asociado con el cañón de aire impulso de aire, y válvula
de impulso de aire se pretende que incluya otras formas de
oxidantes gaseosos además del aire de la atmósfera. También se
contempla que otros gases reactivos puedan ser introducidos dentro
de la cámara de gasificación para reaccionar con los gases de
combustión. Ejemplos de dichos gases reactivos incluyen, entre
otros, dióxido de carbono, metano, propano, vapor supercalentado,
etc.
Las figuras 5 y 6 ilustran vistas en sección
transversal de una válvula 50 de impulso dentro del alcance de la
presente invención. Como se muestra en las figuras 5 y 6, un rotor
54 está alojado en una carcasa 56. El rotor 54 rota alrededor de un
eje 58 axial fijado a un motor (no mostrado). A través del centro
del rotor 54 hay un taladro 60 modificado con forma de diamante. Un
par de ranuras 62 se encuentran situadas en lados opuestos de la
carcasa 56, de tal forma que cuando el taladro 60 y las ranuras 62
están alineadas, se forma un paso gaseoso a través de la válvula 50
de impulso. Una brida y un tubo 64 de descarga de aire está acoplado
a la carcasa 56 para permitir que la válvula 50 de impulso sea
fijada a la entrada 20 del oxidante gaseoso.
A medida que el rotor 54 rota dentro de la
carcasa 56, la interacción entre las formas geométricas del taladro
60 con forma de diamante modificado y las ranuras 62, en
combinación con el gas a alta presión dentro del la entrada 20 del
oxidante gaseoso, crea el impuso de presión gaseosa sinusoidal,
descrito en lo que antecede.
Las entradas 22 del oxidante gaseoso las cuales
dirigen oxidante gaseoso dentro de la región 34 de recolección de
ceniza, se usan para controlar el contenido de carbono de la ceniza
resultante. Cantidades mayores de oxidante fomentan una combustión
más completa de los materiales de materia primas carbonáceos. Se
puede conseguir contenido de carbono de la ceniza por debajo del 5%
en peso con exceso de oxidante. Poco o ningún oxidante dentro de la
región de recogida de ceniza ocasiona la combustión incompleta del
material de materia prima, lo cual puede ocasionar la preparación de
negro de humo de gas natural.
La presente invención se dirige a un aparato y a
un procedimiento con un amplio abanico de aplicaciones para la
gasificación de materiales de materia prima, incluyendo materiales
de desecho. El material de materia prima usado en la memoria
incluye, entre otros, desechos sólidos municipales (incluyendo
neumáticos), desechos industriales, de construcción y agrícolas e
incluso material que no sea de desecho como carbón y madera. El
aparato de gasificación actualmente preferido es una única cámara de
gasificación conformada como un esferoidal achatado geodésico, pero
no limitado a esta forma de diseño, con un lecho de material de
materia prima fijo siendo cónico en sección transversal y
contracorriente en configuración lo cual crea condiciones crecientes
de oxidación a medida que el material de materia prima desciende
hasta la región de recogida de ceniza. La altura de la cámara de
gasificación se puede variar hasta incrementar o decrementar la
longitud del camino reactivo a través del aparato gasificador y
variar la zona de volatilización.
Lo que sigue es una explicación de un
procedimiento de material de materia prima de gasificación en una
cámara de gasificación esferoidal achatada, descrita en la memoria.
En esta discusión, se usa como material de materia prima neumáticos,
pero debe ser destacado que el siguiente estudio puede aplicarse a
otros tipos de material de materia prima que incluyen materiales de
desecho y de no desecho.
Los neumáticos usados se alimentan
preferiblemente en la cámara de gasificación mediante un alimentador
del tipo por extrusión, usando suficiente presión para extruir el
caucho desde los neumáticos en la entrada 14 del material de
materia prima. El sistema de extrusión de alta presión sirve un
segundo propósito de proporcionar un cierre estanco a la atmósfera
dentro de la entrada 14. Es importante que el diseño del
alimentador seleccionado sea capaz de introducir material de
materia prima en una cámara de gasificación presurizada. Se pueden
usar diversos diseños de alimentador en función del material de
materia prima a ser gasificada. Por ejemplo, válvulas de
alimentación cónicas, tales como las descritas en la patente de los
Estados Unidos n.º 5.484.465 son útiles para introducir material de
desecho secado dentro de la cámara de gasificación presurizada.
Cuando el material de materia prima alimentado
entra en la zona 30 de volatilización, el material de materia prima
se hace parcialmente volatilizado por el calor procedente de la
zona 32 de gasificación. Los sólidos, líquidos y material
vaporizados se separan. Los vapores y las partículas ligeras son
arrastradas hacia arriba hacia las entradas 36 de Venturi de
recirculación, y los sólidos y los líquidos más pesados continúan a
caer hacia abajo hacia la zona 32 de gasificación y forman por
ultimo un lecho material de materia prima dentro de la zona 32 de
gasificación y la región 34 de recogida de ceniza.
La cámara 12 de gasificación usa uno o más tubos
35 Venturi de recirculación para arrastrar el material justo por
encima de la zona 32 de gasificación, la cual es la zona oxidada más
alta y la parte más caliente de la cámara 12 de gasificación. A
medida que los sólidos y los líquidos se desplazan hacia abajo al
interior de la zona 32 de gasificación, material sólido y líquido
adicional se vaporiza y es arrastrado por el flujo circulatorio de
los tubos 35 Venturi, lo cual reintroduce los vapores y las
partículas ligeras al interior de la zona 32 de gasificación. Los
materiales líquidos y vaporizados son reducidos gradualmente a
combustible gaseoso estable no condensable.
Como se dijo en lo que antecede, las entradas 18,
20 y 22 de oxidante gaseoso, permiten el control de la combustión y
reacciones de volatilización y el flujo de recirculación dentro de
la cámara de gasificación de tal forma que resulta un producto
gaseoso estable. El producto gaseoso se retira de al cámara 12 de
gasificación vía la salida 16 del gas de combustión. Para sacar del
la salida 16 del gas, el producto gaseoso debe introducirse en la
región 68 de cota de seguridad lo que hace que partículas
entrenadas se asienten en el interior de la zona 32 de
gasificación. Esto contribuye al bajo contenido en partículas del
producto gaseoso.
El uso de válvulas 50 de impulso y de cañones de
aire asociados con las entradas 20 de oxidante crea la agitación
para una permeabilidad consistente dentro del lecho de material de
materia prima. Las partículas en el material de volatilización
tienen la oportunidad, debido al flujo de recirculación de los
tubos 35 Venturi, de ser filtrados por el lecho del material de
materia prima, ocasionando un tiempo de residencia mayor en la zona
de temperatura más elevada en la cámara 12 de gasificación. De este
modo, las partículas arrastradas son retiradas de forma continua
por el material de materia prima ocasionando un producto gaseoso
con bajas partículas. Cuando se usan reactivos químicos, tales como
compuestos químicos de depuración, este flujo de recirculación
aumenta el tiempo de residencia para el contacto con los gases
calientes de combustión, permitiendo de este modo la retirada de
compuestos SO_{x} u ocasionando una reacción química deseada. El
uso de componentes químicos de depuración dentro de la cámara de
gasificación elimina la necesidad de depurado químico aguas abajo
del gasificador.
Las válvula 50 de pulsos de aire pueden ser
operadas de forma síncrona o asíncrona para proporcionar una forma
de onda sinusoidal la cual agita el lecho del material de materia
prima. Como se dijo en lo que antecede, la frecuencia de impulsos
puede ir desde 20 Hz hasta 3 kHz, en función de la velocidad de las
válvulas. Se puede variar la amplitud de impulsos cambiando la
presión del gas. Presiones típicas de operación van desde 6,9 kPa
hasta unos miles de kPa (1 psi hasta varios cientos de psi). La
variación de la entrada del oxidante y los caudales del flujo de
recirculación proporciona control del proceso de gasificación y
permite el uso de una variedad de diferentes materiales de materia
prima.
La cámara 12 de gasificación puede ser operada
por debajo de las temperaturas, que crean la mayor parte de la
escoria de materiales orgánicos. Las temperaturas de operación
típicas dentro de la zona de gasificación están en el intervalo de
aproximadamente 180ºC hasta 1180ºC (350ºF hasta 2150ºF). Los
condensables en la corriente de gas salen como material vaporizado,
donde una reducción del calor latente permitiría la extracción de
estos materiales. La temperatura a la cual opera el gasificador
determina la presencia de condensables en la corriente de salida y
la producción de combustible gaseoso no condensable.
Un oxidante gaseoso se introduce preferiblemente
en la región de recogida de ceniza vía las entradas 27 para
controlar que el contenido en carbono de la ceniza esté por debajo
del 5% en peso, o si se desea, las entradas 22 del oxidante pueden
ser cortadas para producir ceniza de alto contenido en carbono tal
como negro de humo de gas natural.
Claims (15)
1. Aparato de gasificación que comprende:
una entrada (14) de material de materia prima
para introducir material de materia prima al interior del aparato de
gasificación;
una zona (32) de gasificación situada dentro del
aparato de gasificación para gasificar material de materia prima
dentro de la mencionada zona (32) de gasificación;
una pluralidad de cañones (20) de aire dirigidos
hacia la zona (32) de gasificación;
una región (34) de recogida de ceniza para
recoger la ceniza generada por la gasificación de material de
materia prima;
al menos un tubo (38) de recirculación que tiene
una entrada (36) de gas de recirculación y una salida (42) de gas
dirigida hacia la zona (32) de gasificación;
una salida de gas de combustión para retirar
gases de combustión del aparato de gasificación;
caracterizado porque el tubo (38) de
recirculación es un tubo Venturi que tiene una cámara impelente
(40), la cámara impelente (40) contiene una entrada (18) de
oxidante gaseoso y una pluralidad de orificios (48) los cuales
dirigen oxidante gaseoso hacia la salida (42) de gas Venturi; y
la pluralidad de cañones (20) de aire
proporcionan flujo de aire pulsado hacia la zona (32) de
gasificación lo cual agita el material de materia prima dentro de
la zona (32) de gasificación.
2. Aparato de gasificación según la
reivindicación 1, que comprende: una cámara (12) de gasificación en
la cual
la entrada (14) del material de materia prima se
encuentra situado en una región superior de la cámara (12) de
gasificación;
una zona de volatilización (30) está provista por
debajo de la entrada (14) del material de materia prima teniendo
una forma que diverge hacia abajo;
la zona (32) de gasificación está situada por
debajo de la zona (30) de volatilización dentro de la cámara (12) de
gasificación; y
la región (34) de recogida de ceniza se encuentra
situada dentro de la cámara (12) de gasificación y tiene una forma
que converge hacia abajo.
3. Aparato de gasificación según las
reivindicaciones 1 ó 2, en el cual la cámara impelente (40) contiene
una entrada (26) gaseosa de combustible.
4. Aparato de gasificación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual las entradas (18) del
oxidante gaseoso están acopladas a válvulas para controlar la
entrada del oxidante.
5. Aparato de gasificación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual los cañones (20) de
aire están acoplados a al menos una válvula de impulso de aire para
proporcionar impulsos de aire sinusoidales que van en frecuencia
desde 20 Hz hasta 3 kHz.
6. Aparato de gasificación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, el cual incluye una pluralidad de
entradas (22) de oxidante gaseoso dirigidas hacia la región (34) de
recogida de ceniza.
7. Aparato de gasificación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, el cual incluye una entrada de
reactante químico para introducir un reactante químico hasta la zona
(32) de gasificación para que reaccione con el material de materia
prima o con sus subproductos.
8. Aparato de gasificación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, el cual incluye una región (68) de
cota de seguridad en la comunicación gaseosa entre la zona (32) de
gasificación y la salida (16) del gas de combustión, en el cual la
velocidad de gas dentro de la región (68) de cota de seguridad es
suficientemente baja como para hacer que las partículas arrastradas
se sedimenten en la zona (32) de gasificación.
9. Aparato de gasificación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual la cámara (12) de
gasificación tiene una forma esferoidal achatada.
10. Aparato de gasificación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, el cual incluye una pluralidad de
tubos (38) Venturi de recirculación.
11. Un procedimiento de operación de aparato de
gasificación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a
10, que comprende las etapas de:
(a) alimentar material de materia prima al
interior de la cámara (12) de gasificación la cual comprende:
la zona (32) de gasificación situada en una
región central dentro de la cámara (12) de gasificación;
la región (34) de recogida de ceniza que tiene
una forma convergente hacia abajo; y
el al menos un tubo (38) de recirculación que
tiene la entrada (36) de gas de recirculación, un canal (30) de
recirculación y la salida (42) del gas dirigida hacia la zona (32)
de gasificación; en la cual el tubo (38) de recirculación es el
tubo Venturi que tiene la cámara impelente (40), la cámara
impelente (40) contiene la entrada (18) de oxidante gaseoso y la
pluralidad de orificios (48) que dirigen el oxidante gaseoso hacia
la salida (42) de gas Venturi;
(b) introducir un oxidante gaseoso en la cámara
impelente (40) de cada tubo (38) Venturi de recirculación para crear
un flujo gaseoso de recirculación hacia arriba desde la zona (32) de
gasificación, y hacia abajo a través del tubo Venturi hacia la zona
(32) de gasificación);
(c) proporcionar un flujo de aire pulsado al
interior de la zona (32) de gasificación desde la pluralidad de
cañones (20) de aire dirigidos hacia la zona (32) de gasificación,
en la cual el flujo de aire pulsado agita y mezcla el material de
materia prima;
(d) controlar la velocidad de alimentación del
material de materia prima y de las entradas de oxidante gaseoso a
fin de mantener una temperatura dentro de la zona de gasificación en
el intervalo de 180ºC a 1180ºC.
(f) gasificar el material de materia prima;
(g) retirar los gases de combustión de la cámara
(12) de gasificación;
(h) recoger las cenizas generadas por la
gasificación en la materia prima en las regiones (34) de recogida de
ceniza.
12. Un procedimiento según la reivindicación 11,
el cual incluye al menos una etapa seleccionada de entre:
(a) inflamar el material de materia prima dentro
de la cámara (12) de gasificación, preferiblemente mientras se
introduce un combustible gaseoso en la cámara (40) impelente,
(b) introducir un reactante químico en la zona
(32) de gasificación para que reaccione con el material de materia
prima o con sus subproductos, y
(c) introducir un oxidante gaseoso en la región
(34) de recogida de ceniza para reducir el contenido de carbono en
la ceniza.
13. Un procedimiento según las reivindicaciones
11 ó 12, en el cual el flujo de aire pulsado está provisto a una
frecuencia sinusoidal que va de 20 Hz a 3 kHz para controlar la
agitación del material de materia prima dentro de la zona (32) de
gasificación.
14. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 13, en el cual el flujo de aire pulsado está
provisto a una presión que va de 6,9 kPa hasta 6,9 MPa (1 psi a
1.000 psi).
15. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 14, en el cual el reactante químico es un
compuesto de depuración químico para ayudar a eliminar los
compuestos SO_{x}.
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