ES2558318T3 - Aparato y método de carbonización termoquímica y gasificación de biomasa húmeda - Google Patents

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Abstract

Aparato de carbonización y gasificación termoquímica de biomasa húmeda, especialmente con contenido de agua y/o seca, para la producción de un portador de energía y/o materia prima mediante un reactor de carbonización (1) calentable, teniendo un orificio de entrada (13) con posibilidad de cierre, en el que la biomasa se transforma en portador de energía y/o materia prima sólido, a granel y/o gaseoso y se descarga por un orificio de salida (14) con posibilidad de cierre a un tanque de enfriamiento (9) para almacenamiento intermedio del portador de energía y/o materia prima, conectado con el reactor de carbonización (1), siendo este tanque de enfriamiento, conectado a un reactor de gasificación (16) en el que de la biomasa se separan gas y residuos, como cenizas, caracterizado porque a) al reactor de carbonización (1) que está eficientemente conectado con un elemento de calefacción (4), específicamente, envuelto en una carcasa térmica, existe la posibilidad de suministrar energía térmica exterior (60) a través de una tubería adicional (31) que conecta el reactor de gasificación (16) y el reactor de carbonización (1) tiene la posibilidad de suministrar energía térmica adicional al menos del reactor de gasificación, b) existe la posibilidad de suministrar energía de enfriamiento del tanque de enfriamiento (9) al reactor de gasificación a través de una tubería (54) que conecta el reactor de gasificación (16) y el tanque de enfriamiento (9), c) existe la posibilidad de suministrar humedad, especialmente agua, al tanque de enfriamiento (9) a través de otra tubería (51) para asegurar el aproximadamente constante curso del proceso, d) del reactor de carbonización (1) y/o del tanque de enfriamiento (9) existe la posibilidad de suministrar el gas de reacción al tanque de gas (21) a través de tubería (28, 30) que conecta el reactor de carbonización (1) y el tanque de gas (21), en cuyo caso existe la posibilidad de suministrar el gas de reacción de nuevo al reactor de gasificación (16) a través de tubería (78) que conecta el reactor de gasificación (16) y el tanque de gas (21).

Description

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Descripcion
Aparato y metodo de carbonizacion termoqulmica y gasificacion de biomasa humeda
La invencion se refiere a un aparato para la carbonizacion termoqulmica y gasificacion de biomasa humeda, en particular con agua y/o seca, para la produccion de un portador de energla y/o materia prima mediante un reactor de carbonizacion calentable, teniendo un orificio de entrada con posibilidad de cierre, en el que la biomasa se transforma en portador de energla y/o materia prima solida, a granel y/o gaseosa y se descarga por un orificio de salida con posibilidad de cierre a un tanque de enfriamiento para almacenamiento intermedio del portador de energla y/o materia prima, estando este tanque de enfriamiento conectado a un reactor de carbonizacion, el cual esta comunicado con un reactor de gasificacion en el que de la biomasa se separan gas y residuos, como cenizas.
Estado de la tecnica
La gasificacion de biomasa es ampliamente conocida. Se entiende por esta un proceso en el que la biomasa se transforma en un producto gaseoso o en gas combustible con la ayuda de medios de gasificacion u oxidacion (principalmente aire, oxlgeno, dioxido de carbono o vapor de agua) via combustion parcial.
Mediante la gasificacion, la biomasa existente como combustible solido, puede ser transformada en un combustible gaseoso secundario que puede ser utilizado eficazmente en diferentes variantes de aplicacion, como por ejemplo la generacion de energla electrica o como combustible (gas combustible) y propelente o como gas de slntesis para slntesis qulmica. Metodos analogos existen tambien para otros combustibles solidos, especialmente para la gasificacion de carbon (gasificacion de carbon).
La gasificacion de la biomasa comienza luego de su secado a temperaturas de alrededor de 150°C en el que primeramente se separan vapor de agua y oxlgeno. A temperaturas mas altas se separan los componentes solidos de la biomasa. Este gas se enciende si se suministra aire secundario debido a que el punto de ignicion es entre 230 y 280°C.
En la gasificacion tecnica de biomasa se trata de una combustion parcial con la ayuda de un medio de gasificacion u oxidacion (principalmente aire, oxlgeno, dioxido de carbono o vapor de agua) sin ignicion a temperaturas de 700 a 900°C, en cuyo caso esta se oxida hasta monoxido de carbono (CO) y no hasta dioxido de carbono (CO2) como durante la combustion. Otros componentes del gas obtenido son hidrogeno (H2), dioxido de carbono (C02), metano (CH4), vapor de agua (H2O), as! como tambien, dependiendo de la biomasa utilizada, una serie de trazas de gases e impurezas. Queda un residuo solido (cenizas y coque), ademas partes del producto gaseoso pueden condensar al bajar la temperatura (alquitran y agua).
Ademas el producto gaseoso combustible puede oxidarse en un proceso posterior mediante combustion (gas combustible) o por slntesis qulmica (gas de slntesis) desprendiendo energla (proceso exotermico). Si la gasificacion se realiza con aire, el producto gaseoso diluido con nitrogeno se designa frecuentemente como gas pobre (gas de poder calorlfico bajo, LCV)
La carbonizacion hidrotermica (algo como: „carbonizacion en agua a temperatura alta“) es un metodo qulmico para la produccion facil y eficaz de carbon marron, gas de slntesis, grados primarios llquidos de petroleo y humus de biomasa, desprendiendo energla. Este es un proceso que tan solo en unas cuantas horas imita tecnicamente el proceso de formacion de carbon marron (formacion de carbon) que en la naturaleza requiere unos 50 000 hasta 50 millones de anos.
El proceso operativo conocido hasta ahora es como sigue. En un recipiente bajo presion, en presencia de agua y volumen constante, la biomasa, principalmente material vegetal (descrito en la ecuacion de reaccion que sigue con el proposito de simplificar como azucar con la formula C6H12O6) se calienta hasta 180°C. Simultaneamente, la presion puede ser aumentada a 2 MPa. Durante la reaccion se forman iones oxonio que reducen el valor de pH a 5 y por debajo. Esta etapa puede ser acelerada anadiendo una pequena cantidad de acido cltrico. Ademas se ha de tener en cuenta que cuando el valor del pH es bajo, mayor cantidad de carbono pasa a la fase de agua. La reaccion es exotermica, o sea, se desprende energla. Despues de 12 horas el carbono en la substancia de la reaccion queda completamente transformado, 90 hasta 99% del carbono es un lodo llquido de bolitas porosas de carbon marron (C6H2O) con dimension de los poros entre 8 y 20 nm como fase solida , el resto de 1 a 10% de carbono quedan diluidos en la fase acuosa o transformados en dioxido de carbono. La ecuacion de reaccion para la formacion de carbon marron es:
C6H12O6 ^ C6H2O + 5 H2O AH = - 1,105 kJ/mol
La reaccion puede ser interrumpida en diferentes etapas en condiciones de deshidratacion incompleta, obteniendo diferentes productos intermedios. Tras ser interrumpido el proceso, despues de pocos minutos se obtienen productos intermedios llquidos, substancias lipofllicas, que son muy diflciles de trabajar debido a su alta reactividad. A continuacion estas substancia polimerizan formando estructuras que asemejan turba que despues de 8 horas aparecen como productos intermedios.
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En teorla la reaccion podrla ser catalizada con partlcuias metalicas determinadas, sin embargo estas podrlan facilmente agregarse a los productos perdiendo su funcion.
Mediante la reaccion exotermica de la carbonizacion hidrotermica se libera alrededor de 3/8 de la capacidad calorlfica de la biomasa referida a la substancia seca (en alto contenido de lignina, resina y/o aceite todavla % como mlnimo). En caso de una mejor conduccion del proceso, por medio de este calor residual, de la biomasa humeda podrla producirse biocarbon seco y, eventualmente, una parte de la energla transformada se podrla utilizar para generar energla.
Lo mas importante es tener a disposicion un metodo simple de transformacion de CO2 atmosferico para que, utilizando la biomasa disponible, este se convierta en una forma estable y segura de conservacion, un sumidero de carbono. Con el metodo de carbonizacion hidrotermica, as! como con otros metodos de carbonizacion de biomasas, en cualquier lugar del mundo se puede almacenar una gran cantidad de carbono de manera descentralizada y por un perlodo de tiempo largo. sustancialmente mas seguro que la captura y almacenamiento de dioxido de carbono llquido o como gas, discutidos actualmente. Si el carbon tiene una estabilidad qulmica suficiente, este podrla ser utilizado tambien para mejorar suelos.
El humus artificialmente obtenido podrla utilizarse para la nueva creacion de zonas verdes en suelos erosionados. Al intensificar de esta forma el desarrollo vegetal se podrla atraer dioxido de carbono atmosferico adicional de modo que el efecto final serla una eficacia del carbono mayor de 1, respectivamente, balance de CO2 negativo. El lodo formado de carbon podrla ser utilizado para incineracion, respectivamente, para la explotacion de nuevos tipos de celulas de combustible con un rendimiento de 60% que actualmente son objeto de estudio en la Universidad de Harvard. Para la produccion de combustibles tradicionales la mezcla de carbono y agua primero ha de calentarse mucho para que se forme el as! llamado gas de slntesis, que es una mezcla gaseosa de monoxido de carbono e hidrogeno:
C6H2O + 5 H2O ^ 6 CO + 6 H2
Como alternativa, los productos intermedios llquidos obtenidos como resultado de la transformacion incompleta de la biomasa, podrlan ser utilizados para la produccion de combustibles, as! como de materiales artificiales.
Ademas, el lodo de carbon obtenido podrla ser comprimido en briquetas y comercializado como “carbon natural” ecologico por ser estas neutrales al dioxido de carbono y que, comparadas con la biomasa inicial se secarlan con menor consumo de energla mediante separacion/firltracion/compresion y que, por su alto contenido de energla por volumen/masa conllevan menores gastos de transporte y areas de almacenamiento.
El mayor problema en la produccion de gas de slntesis proveniente de biomasa es la formacion de alquitran que en mayor grado podrla resolverse con el manejo hidrotermico del proceso. Por supuesto, en este caso es diflcil de comprender por que se habrla de seguir un camino indirecto a traves de biocarbon. Se supone que la pasta de biomasa habra de poder descomponerse en CO2 y H2 en condiciones supercrlticas de 400°C y presion de 221,2 bar como mlnimo (la temperatura crltica del agua es 374 °C), lo cual por supuesto requiere un alto consumo de energla. En este conjunto de problemas quedan sin clarificar la conduccion apropiada del proceso, as! como los problemas de la coleccion, transportacion y almacenamiento de la biomasa obtenida. Estos procesos consumen tambien energla que deberla de ser menor que la desprendida mediante la carbonizacion hidrotermica.
En fin, todo proceso de incineracion de biomasa es precedido por un proceso de gasificacion, debido a que esta en si no es combustible, sino basicamente solo los gases desprendidos de la biomasa.
Para la carbonizacion de biomasa correspondiente al desarrolo de la tecnica, como la carbonizacion hidrotermica HTC en medio acuoso o de vapor, al reactor se suministra adicionalmente agua o vapor de agua desde afuera. Esto significa un gasto sustancial adicional para la construccion y la explotacion de la instalacion de carbonizacion. Para proveer el agua o el vapor, as! como para calentar el agua se necesita energla termica. El uso o la descarga del agua de proceso despues de terminada la carbonizacion es una tarea adicional cuya solucion esta vinculada con un gasto tecnico y financiero sustancial.
En los metodos conocidos se desprenden gases y vapores. Estos con frecuencia representan un problema adicional que debe solucionarse tomando medidas tecnicas y con gastos adicionales sustanciales.
El documento 10 2008 047 201 A1 indica (vease figura 1) un metodo y aparato de carbonizacion y gasificacion de biomasa en el que al reactor de carbonizacion (2), envuelto en una carcasa de calentamiento y provisto de orificio de entrada con posibilidad de cierre, se le suministra energla termica del reactor de carbonizacion, del reactor de gasificacion (8) y el motor (30) y a traves de un orificio de salida el reactor de carbonizacion esta conectado a un tanque de almacenamiento provisional (6) conectado al reactor de gasificacion (16), en el que de la biomasa se separa gas (a traves de (9)) y residuos (a traves de (37)), siendo el reactor de carbonizacion (2) conectado a un tanque de gas (54). Una tal instalacion requiere de muchos gastos, es costosa y trabaja, comparado con el metodo de acuerdo con la invencion, con un rendimiento sustancialmente mas bajo.
En los metodos conocidos se desprenden gases y vapores. Estos con frecuencia representan un problema adicional que debe solucionarse tomando medidas tecnicas y con gastos adicionales sustanciales.
La invencion fundamenta su meta en que de la biomasa se extraiga casi toda la cantidad de carbono y gases, y que estos se produzcan de un modo simple y economicamente ventajoso.
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Conforme la invencion, la tarea queda solucionada debido a que
a) al reactor de carbonizacion que esta eficientemente conectado con un elemento termico, especlficamente, envuelto en una carcasa termica, existe la posibilidad de suministrar energla termica exterior a traves de una tuberla adicional que conecta el reactor de gasificacion y el de carbonizacion con la posibilidad de suministrar energla termica adicional al menos del reactor de gasificacion,
b) existe la posibilidad de suministrar energla de enfriamiento del tanque de enfriamiento al reactor de gasificacion a traves de tuberla que conecta el reactor de gasificacion y el tanque de enfriamiento,
c) existe la posibilidad de suministrar humedad, especialmente agua, al tanque de enfriamiento a traves de otra tuberla para asegurar el aproximadamente constante curso del proceso,
d) del reactor de carbonizacion y/o del tanque de enfriamiento existe la posibilidad de suministrar el gas del reactor al tanque de gas a traves de tuberla que conecta el reactor de carbonizacion y el tanque de gas, en cuyo caso existe la posibilidad de suministrar el gas de la reaccion de nuevo al reactor de gasificacion a traves de tuberla que conecta el reactor de gasificacion y el tanque de gas.
Asl, de un modo simple y economicamente ventajoso, economizando energla y con una instalacion facil de construir, se extrae carbono de biomasa, especlficamente, se extrae carbon para calefaccion y accionamiento de unidades y aparte de esto se extraen mas gases que pueden ser usados por diferentes equipos como motores a gas, turbinas a gas o instalaciones de calefaccion.
El metodo conforme con la invencion utiliza preferentemente biomasa humeda que se obtiene principalmente como material de desecho en las poblaciones y en muchas ocasiones para su disposicion implica muchos gastos. En este metodo, sin embargo, se puede utilizar tambien otra biomasa que no precisa ser dispuesta como material de desecho.
Para realizar el metodo se utilizan como mlnimo dos reactores. Por un lado este es el reactor de carbonizacion, y por otro, el reactor de gasificacion.
Contrario a esto, en el metodo aqul descrito, el consumo de energla necesaria para la evaporacion se provee usando el calor que se desprende durante el enfriamiento del gas de reaccion.
El gas de reactor, producido siguiendo el metodo conforme la invencion es casi totalmente libre de alquitran, o, de componentes que producen alquitran, debido a que el proceso de carbonizacion de la biomasa esta colocado antes del proceso de gasificacion. Esto se logra especialmente por el hecho de que en el transcurso del proceso las partes volatiles no combustibles de la biomasa pueden ser reducidas de los 80% actuales a alrededor de 30%. Favor comparar tablas 1 y 2. En la tabla 1 se detallan los valores de una instalacion del nivel tecnico actual, y en la tabla 2 se detallan los valores de la instalacion conforme la invencion.
El gas de reactor se purifica de partlculas solidas, por ejemplo, polvo fino, despues de su salida del reactor de gasificacion mediante separador de polvo y luego puede utilizarse para la generacion de energla electrica y calor.
Con una parte insignificante de agua anadida o vapor calorlfico no se obtiene o casi no se obtiene agua de proceso. Debido a esto no es preciso un gasto adicional para el tratamiento de aguas residuales o para la disposicion del agua residual, ya que el agua suministrada se evapora en la instalacion.
La instalacion se puede aplicar en escala tecnica pequena utilizando unidad compuesta por motor a gas y generador conduciendo la energla util para proveer electricidad y calefaccion a poblaciones locales y, a la par, para disponer desechos apropiados de ciertas poblaciones.
A traves del metodo conforme la invencion el problema de la contaminacion de gases y la formacion de alquitran se soluciona tambien por el hecho de que en el reactor de gasificacion, mediante incineracion, se realiza la eliminacion casi completa de los productos gaseosos y de vapor crlticos del reactor.
Esto conlleva a evitar la formacion de CO2, con lo que con relacion a esto se liberarla solo una pequena parte de la posible energla.
[0033] Una Ventaja de la carbonizacion hidrotermica es el hecho de que el uso de biomasa vegetal no se restringe solo a plantas de contenido bajo de humedad y que la energla obtenida sin separacion de dioxido de carbono no se reduce debido a medidas necesarias para secar y, en caso de necesidad, se puede utilizar directamente para secar el producto final. Asl, material de origen vegetal que hasta ahora era casi imposible de utilizar, como recortes de jardines y parques, puede servir para generar energla, ahorrando asl simultaneamente dioxido de carbono que, junto con el metano que perjudica el clima, se obtendrla durante la transformacion bacteriana de la biomasa. Toda la instalacion trabaja en modo de ahorro de energla debido a que la cantidad total de la energla termica que se libera a lo largo del proceso se devuelve en el mismo.
Ventajosamente, la humedad contenida en la biomasa y aceptada en el reactor de carbonizacion se evapora obteniendo gas de reaccion a presion entre 5 y 30 bar, con presion recomendada entre 15 y 25 bar, especialmente en presion de alrededor de 20 bar y temperaturas entre 200° y 1200°C, con recomendacion entre 400 ° y 800 °C, pudiendo suministrar este gas al reactor de gasificacion indirecta o directamente mediante tuberla.
Es tambien ventajoso que el reactor de gasificacion tiene la capacidad de operar en temperaturas entre 1200° y 1800°C, con recomendacion entre 1000° y 1400°C y que durante el proceso operativo se puede transmitir energla termica mediante una tuberla que conecta el reactor de gasificacion y el reactor de carbonizacion.
Conforme otro cumplimiento de la invencion existe una posibilidad adicional de conexion mediante tuberla de separador ciclonico y/o unidad depuradora de gas al reactor de gasificacion, en cuyo caso entre el separador ciclonico y/o la unidad depuradora de gas se podrla instalar un intercambiador de calor que podrla bajar la
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temperatura del gas hasta la temperatura de operacion del intercambiador de calor entre 40°C y 80°C, o entre 50°C y 60°C con lo que la energia obtenida alli resultante puede ser suministrada a un calentamiento y/o al proceso de trabajo de la instalacion y la energia termica liberada por el intercambiador de calor se podria suministrar via tuberia a un consumidor, como por ejemplo una instalacion de calefaccion.
Otra ventaja es que, con la ayuda de una unidad termica, las sustancias nocivas o las sustancias obstaculizantes liberadas en el reactor de carbonizacion y/o en el tanque de enfriamiento podrian ser liquidadas total o al menos parcialmente, o separadas.
Otra ventaja tambien es que el reactor de gasificacion esta conectado via tuberia a una unidad de procesamiento para tratamiento y/o procesamiento adicional del carbon obtenido en el reactor de gasificacion.
Otra ventaja tambien es que el tanque de enfriamiento y/o el reactor de gasificacion esta conectado via tuberia a la unidad de procesamiento para tratamiento o procesamiento adicional del carbon obtenido en el tanque y/o en el reactor de gasificacion.
De importancia especial para esta invencion es el hecho de que en el reactor de gasificacion se puede obtener vapor saturado que, mediante tuberia de vapor saturado esta conectado a un consumidor o a instalacion de calefaccion y/o a motor de pistones a vapor.
Otra ventaja es que el reactor de gasificacion esta conectado via al menos una tuberia a un consumidor o al menos a un compresor de gas y/o motor de gas.
Otra ventaja adicional es que el reactor de gasificacion y/o el tanque de enfriamiento se puede enfriar mediante unidad de enfriamiento o, respectivamente, estar envuelto en una carcasa de enfriamiento, y que la unidad de enfriamiento es alimentada con agua de enfriamiento en cuyo caso al menos el agua de enfriamiento de la carcasa de enfriamiento del tanque de enfriamiento se suministra por tuberia al reactor de gasificacion.
Otra ventaja adicional es que en una o mas tuberias estan previstas valvulas de cierre que pueden ser conectadas o desconectadas manualmente o mediante un mecanismo de accionamiento, pudiendo estos mecanismos de accionamiento ser regulados por una unidad de computo dependiendo del proceso operativo.
Otra ventaja adicional es que el metodo se caracteriza con los siguientes pasos:
a) La biomasa se transforma en un portador de energia y/o materia prima solido, a granel o gaseoso en reactor de carbonizacion con la ayuda de energia termica externa y energia termica adicional que es suministrada al reactor de carbonizacion por parte de la instalacion.
b) El gas obtenido en el reactor de carbonizacion es recibido en un tanque de gas de reaccion.
c) El gas de reaccion obtenido o el que se halla en el reactor de carbonizacion y en el tanque de enfriamiento se suministra indirecta o directamente al reactor de gasificacion.
d) Al menos una parte de la energia liberada con el metodo de carbonizacion y gasificacion termoquimica de biomasa humeda que especificamente contiene agua y/o seca es devuelta al proceso tecnologico y especificamente en el reactor de carbonizacion.
e) El carbon obtenido en el reactor de gasificacion se suministra a la unidad de procesamiento.
f) La energia de enfriamiento suministrada al tanque de enfriamiento para llevar a cabo el enfriamiento se suministra simultaneamente o a continuacion a la carcasa de enfriamiento del reactor de gasificacion.
g) La energia liberada de proceso en el reactor de gasificacion o el vapor saturado se suministra a uno o mas consumidores, como instalacion de calefaccion y/o motor de pistones al vapor.
Otras ventajas y detalles de la invencion se aclaran en las reivindicaciones y en la descripcion y estan reflejados en las figuras.
Las figuras representan:
Fig. 1 representa como transcurre el proceso conforme metodo designado para aparato de carbonizacion y gasificacion termoquimica de biomasa humeda, y especialmente que contiene agua y/o seca para la produccion de un portador de energia y/o materia prima mediante un reactor de carbonizacion calentable provisto de orificio de entrada con posibilidad de cierre en el que la biomasa se transforma en un portador de energia y/o materia prima solido, a granel o gaseoso.
Fig. 2 representa una vista parcial de aparato de carbonizacion y gasificacion termoquimica de biomasa humeda, y especialmente que contiene agua y/o seca para la produccion de un portador de energia y/o materia prima Fig. 3 representa una vista completa de instalacion de aparato de carbonizacion y gasificacion termoquimica de biomasa humeda, y especialmente que contiene agua y/o seca para la produccion de un portador de energia y/o materia prima.
Fig. 4 representa una vista parcial del reactor de gasificacion con cabeza, parte media y pie.
La fig. 1 representa un reactor de carbonizacion 1 para carbonizacion y gasificacion termoquimica de biomasa humeda, y especialmente que contiene agua y/o seca para la produccion de un portador de energia y/o materia prima. El reactor de carbonizacion es alimentado con biomasa via tanque receptor 2, provisto de una valvula de admision u obturador plano 13 y un obturador plano o valvula de escape 15. En el reactor de carbonizacion 1 se preve un mecanismo agitador 5 a traves del cual la biomasa que representa una mezcla de biomasa humeda, que contiene agua, y/o seca, se agita. El contenido puede ser de desechos, restos de comida, residuos biologicos, desechos de madera. El mecanismo agitador 5 puede ser accionado manualmente o con la ayuda de motor 3.
Al arranque de la instalacion total, primero, al reactor de gasificacion 16 se suministran madera, o carbon de lena, y luego se pone en marcha la instalacion. El gas de reaccion obtenido en el reactor de gasificacion 16 se suministra via
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tuberla 32 a un elemento de calefaccion 4 que envuelve el reactor de carbonizacion 1. As! se da inicio a la carbonizacion. El gas recibido en el elemento de calefaccion 4 se enfrla constantemente por introduccion de la biomasa. A traves de este proceso operativo se ahorra energla. La perdida de energla que ocurre se compensa con el suministro de energla externa.
El reactor de carbonizacion 1 esta efectivamente conectado con un elemento de calefaccion, especlficamente, esta envuelto en una carcasa de calentamiento 4. Al reactor de carbonizacion 1 se suministra al menos energla termica externa 60 y de modo ventajoso ahorrando energla suministra otra energla termica de al menos toda la instalacion y, especialmente, del reactor de gasificacion 16, haciendo que de esta forma la instalacion pueda ser utilizada muy economicamente.
La biomasa se puede introducir en el reactor de carbonizacion 1 de forma continua o interrumpida. En la parte superior del reactor de carbonizacion 1 se preve una valvula de alivio de sobrepresion 7 para regular la presion en el reactor de carbonizacion 1. Cuando la biomasa se introduce en el reactor de carbonizacion 1 de manera interrumpida, el reactor de carbonizacion 1 se llena de biomasa frla o con biomasa calentada tambien, y mediante el elemento de calefaccion se calienta de modo que el agua contenida en la biomasa se evapore. El vapor se introduce en un tanque de reaccion 21 para que la energla que tambien se suministra al reactor de gasificacion 16 pueda ser utilizada en su totalidad. Al seguir suministrando calor por encima de aproximadamente 180°C se da lugar a la reaccion qulmica y de la biomasa se obtienen principalmente carbon y productos gaseosos de reaccion.
El gas de reaccion que sale del reactor de carbonizacion 1 tiene una temperatura de al menos 300 - 400°C. Este, al menos parcialmente, via tuberla 28 se introduce al tanque de gas de reaccion 21 y de ahl al reactor de gasificacion 16. En la tuberla 28 hay una valvula de retorno 80, con ello no puede escapar sobrepresion del tanque de gas de reaccion 21 al reactor de carbonizacion 1.
En el tanque de gas de reaccion 21 el gas se enfrla mediante unidad refrigerante 49, conectada al tanque de enfriamiento 9 via tuberlas 51 y 30 a una temperatura de alrededor de 80°C. La presion en el tanque de enfriamiento 9 y en el tanque de gas de reaccion 21 es unos 2 a 5 bar. El agua refrigerante se introduce desde el tanque de gas de reaccion en la carcasa de enfriamiento 52 del reactor de gasificacion 16 via tuberla 78. As! se produce mas vapor saturado. El tanque de gas de reaccion 21 se puede vaciar completamente via la tuberla 78 al reactor de gasificacion 16.
En el recipiente 16 han sido previstos puntos de medicion diferentes 81 con cuya ayuda la temperatura en el recipiente 16 puede ser ajustada.
El tanque de gas 21 tiene una funcion de ajuste y sirve para aceptar los gases de reaccion del reactor de carbonizacion 1 y el tanque de enfriamiento 9. El gas de reaccion del tanque de gas de reaccion 21 es incinerado en el reactor de gasificacion 16 con el carbon. Al incinerar el gas de reaccion y el carbon en el reactor de gasificacion 16 se obtiene gas de slntesis que luego se transmite a uno o varios usuarios, por ejemplo motor de gas.
Una vez alcanzada la temperatura de reaccion necesaria, en la biomasa comienza la reaccion qulmica y junto con el biocarbon se forma tambien gas, principalmente C02 y vapor de agua. Esta mezcla de vapor-gas es denominada gas de escape de reaccion. La presion total en el reactor se obtiene como suma de la presion de ebullicion del vapor de agua y la presion parcial de la parte de gas inerte en el reactor de carbonizacion 1. La reaccion se acompana por desprendimiento de calor, o sea, en el reactor transcurre una reaccion exotermica. Para limitar la presion, el reactor de carbonizacion 1 tiene de una valvula de ajuste 7 que regula o maneja la presion. Tras terminar la reaccion el reactor de carbonizacion 1 se descarga de la presion abriendo completamente la valvula 7 hasta el punto de que permita ser abierto de manera segura para sacar el biocarbon.
En un modo de explotacion continua la biomasa se suministra al reactor de carbonizacion 1 en pequenas cantidades y en intervalos cortos desde arriba mediante compuerta de presion, designada a continuacion como tanque de enfriamiento 9. La presion y la temperatura en el interior del reactor de carbonizacion 1 son constantemente altas, alrededor de 16 bar y 200°C. La biomasa introducida es calentada en el reactor de carbonizacion 1 y el agua que esta contiene se evapora, al menos parcialmente o totalmente, dependiendo de la duracion del proceso. La biomasa que reacciona pasa por el reactor de arriba hacia abajo y as! se agita constantemente. Tras el proceso de reaccion, del tanque de enfriamiento 9, designado tambien como compuerta a presion, se descarga el carbon. Para limitar la presion en el tanque, del reactor C, mediante valvula de regulacion 7, se libera continuamente gas de escape de reaccion. El tanque de enfriamiento 9 puede ser tambien ejecutado como compuerta a presion.
PUNTO APARTE Para que durante el proceso de produccion de biocarbon se suministre la humedad suficiente en el tanque de enfriamiento 9 a este se suministra agua fresca a traves de aparato de enfriamiento 49 y tuberla 51. Ademas el tanque de enfriamiento 9 puede estar provisto de mecanismo agitador para asegurar una mejor saturacion del biocarbon con humedad.
La instalacion puede trabajar tambien en ciclo, o en presion alterna, en cuyo caso en el reactor de carbonizacion 1 se establece una presion de alrededor de 20 bar y una temperatura de 200°C. El biocarbon que se halla en el segundo recipiente, que podrla ser un tanque de enfriamiento 9, se enfrla. Para tal fin el tanque de enfriamiento 9 tiene una carcasa de enfriamiento 51. La presion en el tanque de enfriamiento 9 se regula tambien dependiendo del curso del proceso, a traves de la valvula de ajuste 12. Dependiendo de la ejecucion del proceso, la biomasa humeda recibida en el reactor de carbonizacion 1 puede evaporarse entre 5 y 30 bar, preferiblemente bajo presion de 15 y 25 bar, bajo
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presiones de alrededor de 20 bar y temperatura entre 200° y 1200°C, con recomendacion entre 400° y 800 °C, pudiendo formarse gas de reaccion que se suministra al reactor de gasificacion 16 indirecta o directamente mediante tuberla 30.
El reactor de gasificacion 16 conforme fig. 1, o conforme fig. 4 (imagen parcial) opera a presion atmosferica. Este esta dividido en cabeza de gasificacion 61, parte media de gasificacion 62 y pie de gasificacion 63. El biocarbon recibido en el tanque de enfriamiento 9 se introduce en la cabeza 61 a traves de un orificio de relleno 64. All! este se calienta hasta una temperatura de alrededor de 900°C suministrando calor de la parte media 62, donde comienza la gasificacion ulterior del carbon, o el biocarbon.
Con esta temperatura el biocarbon llega a la parte media 62 del reactor de gasificacion 16. Ahl es donde se realiza la gasificacion a temperaturas superiores a 900°C. El gas de reaccion separado del biocarbon durante este proceso alcanza temperaturas de hasta 1800°C. A traves de un proceso dirigido del proceso de reaccion, con la ayuda de aparato de computo por manejo manual, la temperatura de las sustancias solidas remanentes en el reactor de gasificacion 16 se limita de modo a que las cenizas no se derritan.
Como se ve en la fig. 4 el reactor de gasificacion 16 esta compuesto por una carcasa exterior 66 en la que se ubica el cuerpo 67 del reactor en una parte que asemeja embudo, cuya parte superior es de mayor seccion transversal que la parte media. El pie 63 del reactor de gasificacion se extiende hacla su parte de salida. La salida esta compuesta por multiples orificios de salida 68 en el pie 63 del reactor de gasificacion para descargar el gas de reaccion y las cenizas.
El gas de reactor pasa a traves de los orificios de salida 68 de la pared interna 69 perforada, en parte cillndrica o conicamente extendida del pie 63 del reactor de gasificacion a una brecha claro en forma de anillo 70 formado entre la pared externa 71 y la pared interna 69 del pie 63 del reactor de gasificacion.
El reactor de gasificacion 16 esta conectado mas adelante -indirecta o directamente- con unidad depuradora como separador ciclonico 18 y/o lavador por burbujeo 20. De ahl el gas se conduce a un compresor de gas 44 y/o motor de gas 48.
El reactor de gasificacion 16 esta conectado tambien mediante la tuberla 30 con el deposito de gas de reaccion 21 (fig. 1). Ademas el reactor de gasificacion 16 tiene orificios de servicio 82 que en caso de necesidad se pueden abrir. En la parte superior de la carcasa del cuerpo 66 del reactor de gasificacion 16 hay uno o mas orificios de salida 72 distribuidos a lo largo de la periferia, a traves de los cuales el gas de reactor sale del reactor de gasificacion 16. A estos se conectan tuberlas 73 que terminan en uno o mas separadores de polvo que estan ejecutados, por ejemplo, como separadores ciclonicos 18 y de los cuales del gas de reactor se suministra para su utilizacion ulterior, o hacia consumidores como motor de gas 48 o compresor de gas 44. Las cenizas se descargan por el lado inferior del pie 63 del reactor de gasificacion a traves de un orificio de escape 65 y de ahl, por medio de unidad transportadora se llevan a un contenedor de desechos.
En la parte inferior del perlmetro externo de la parte media 62 del reactor de gasificacion se proveen una o mas boquillas de gas 74, respectivamente, unidades fundentes 74 conectadas termicamente de modo que del reactor de carbonizacion 1 y, de ser necesario, de la unidad de enfriamiento, en la zona de gasificacion del reactor de gasificacion 16 se puede soplar gas de escape de reaccion 75. De este modo, las substancias residuales que han quedado, como compuestos de azufre y cloruro, se incineran con ayuda de las temperaturas altas.
El reactor de gasificacion 16 (fig. 1 y fig. 4) y/o el tanque de enfriamiento 9 se enfrlan mediante unidad de enfriamiento 49 y estan envueltos de carcasa de enfriamiento 51 y, respectivamente, 52. La unidad de enfriamiento 49 es alimentada de agua refrigerante con lo que al reactor de gasificacion 16 se puede suministrar al menos agua refrigerante de la carcasa de enfriamiento 51 del tanque de enfriamiento 9 via tuberla 54.
El calor recibido del medio refrigerante se puede utilizar para evaporar el agua refrigerante y tambien para recalentar el vapor de alta presion obtenido 76.
El reactor de gasificacion 16 puede trabajar ininterrumpidamente. La biomasa se suministra en intervalos cortos o continuamente. El gas de reaccion y las cenizas salen del reactor de gasificacion 16 constantemente como un flujo volumetrico o flujo masico.
Los reactores 1 y 16 descritos operan casi simultaneamente. Al ubicar el tanque de enfriamiento 9 y el reactor de gasificacion 16 conforme fig. 4 como una unidad operativa se obtiene una estructura que ahorra lugar. Como se ha senalado anteriormente, el suministro de la biomasa se realiza por encima del aparato, que consiste de reactor de carbonizacion 1, tanque de enfriamiento 9, reactor de gasificacion 16. Por la compuerta a presion en la tolva 2 la biomasa se recibe y suministra al reactor de gasificacion 16. Esta pasa a traves del mismo de arriba hacia abajo y despues de la carbonizacion realizada cae en el tanque de enfriamiento 9. Durante la operacion continua del tanque de enfriamiento 9 que recibe biocarbon del reactor de carbonizacion 1, este trabaja interrumpidamente a temperaturas entre 200° y 1200°C, preferiblemente entre 400° y 800°C. Aqul tambien se forma gas de reaccion que de modo indirecto o directo se suministra al reactor de gasificacion 16 a traves de la tuberla 30.
Otra posibilidad de construir el aparato total, compuesto de reactor de carbonizacion 1, tanque de enfriamiento 9 y reactor de gasificacion 16 se ilustra en la fig. 4. Esta posibilidad se ofrece si, debido a falta de lugar, no es posible hacer un montaje vertical. El biocarbon que sale del tanque de enfriamiento 9 es transportado mediante unidades transportadoras mecanicas, como correa transportadora o tornillo sin fin 77 a la tolva de relleno del reactor de gasificacion 16 colocado en vecindad, suministrandolo constantemente a este.
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En la fig. 3 se detalla como transcurre el proceso en toda la instalacion.
El reactor de gasificacion 16 esta conectado a traves de tuberla 34 a una unidad de procesamiento ulterior 36 para tratamiento y/o procesamiento seguido del carbon obtenido en el reactor de gasificacion (16).
PUNTO APARTEEl vapor saturado, formado en el reactor de gasificacion 16, se conecta a traves de ducto que conduce vapor saturado 38 a un consumidor de vapor o a una instalacion de calefaccion y/o a motor de pistones a vapor 42. El gas de reaccion obtenido en toda la instalacion o en el primer reactor de carbonizacion 1 primero se suministra indirecta o directamente a un separador ciclonico 18 y/o limpiador por burbujeo 20 y luego a un deshidratador 56 o indirecta o directamente a un compresor 44 o consumidor 48.
Una o mas tuberlas 26 - 34, 38, 50, 53, 54 pueden estar provistas de valvulas de mando que podrlan ser desconectadas o conectadas manualmente o a traves de mecanismos de accionamiento, en cuyo caso los mecanismos de accionamiento se manejan por una unidad computadora en dependencia del proceso operativo.
Valores del analisis del estado dela tecnica del HTC
(Carbonizacion hidrotermica) carbon de lena_________
Tabla 1
Analisis Carbon de lena secado al aire libre HTC Carbon de lena seco HTC
Humedad 8,8 0,0
Analisis total %
Cenizas 6,9 7,6
componentes volatiles
58,5 64,1
Carbono fijo 25,8 28,3
Azufre
Azufre total 0,58 0,6
Nivel calorlfico Kcal/kg
Nivel calorlfico bajo Kcal/kg 4668 5169
Nivel calorlfico alto Kcal/kg 4969 5446
C 53,86 59,00
Analisis de elementos
H 5,92 5,4
N
5,36 5,9
O 34,86 29,7
Valores del analisis de la instalacion y el aparato conforme la invencion
Tabla 2
Analisis Carbon de lena original Carbon de lena secado al aire Carbon de lena seco
Analisis total %
Humedad 34,9 % 21,6 % 0,0 %
Cenizas
1,9 % 2,3 % 2,9 %
componentes volatiles
24,2 % 29,2 % 37,2 %
Carbono fijo
39,0 46,9 59,9
Azufre
Azufre total 0,2 0,2 0,2
Nivel calorlfico Kcal/kg
Nivel calorlfico bajo Kcal/kg 4382 5392 7030
Nivel calorlfico alto Kcal/kg
4730 5699 7269
Analisis de elementos
C 63,2 83,64
H
5,56 4
N
0,22 0,29
O
30,82 14,89

Claims (12)

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    15
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    Reivindicaciones
    1. Aparato de carbonizacion y gasificacion termoqulmica de biomasa humeda, especialmente con contenido de agua y/o seca, para la produccion de un portador de energla y/o materia prima mediante un reactor de carbonizacion (1) calentable, teniendo un orificio de entrada (13) con posibilidad de cierre, en el que la biomasa se transforma en portador de energla y/o materia prima solido, a granel y/o gaseoso y se descarga por un orificio de salida (14) con posibilidad de cierre a un tanque de enfriamiento (9) para almacenamiento intermedio del portador de energla y/o materia prima, conectado con el reactor de carbonizacion (1), siendo este tanque de enfriamiento, conectado a un reactor de gasificacion (16) en el que de la biomasa se separan gas y residuos, como cenizas, caracterizado porque
    a) al reactor de carbonizacion (1) que esta eficientemente conectado con un elemento de calefaccion (4), especlficamente, envuelto en una carcasa termica, existe la posibilidad de suministrar energla termica exterior (60) a traves de una tuberla adicional (31) que conecta el reactor de gasificacion (16) y el reactor de carbonizacion (1) tiene la posibilidad de suministrar energla termica adicional al menos del reactor de gasificacion,
    b) existe la posibilidad de suministrar energla de enfriamiento del tanque de enfriamiento (9) al reactor de gasificacion a traves de una tuberla (54) que conecta el reactor de gasificacion (16) y el tanque de enfriamiento (9),
    c) existe la posibilidad de suministrar humedad, especialmente agua, al tanque de enfriamiento (9) a traves de otra tuberla (51) para asegurar el aproximadamente constante curso del proceso,
    d) del reactor de carbonizacion (1) y/o del tanque de enfriamiento (9) existe la posibilidad de suministrar el gas de reaccion al tanque de gas (21) a traves de tuberla (28, 30) que conecta el reactor de carbonizacion (1) y el tanque de gas (21), en cuyo caso existe la posibilidad de suministrar el gas de reaccion de nuevo al reactor de gasificacion (16) a traves de tuberla (78) que conecta el reactor de gasificacion (16) y el tanque de gas (21).
  2. 2. Aparato conforme reivindicacion 1, caracterizado porque la biomasa humeda recibida en el reactor de carbonizacion (1) se evapora bajo presion entre 5 y 30 bar, con presion recomendada entre 15 y 25 bar, especialmente a presion de alrededor de 20 bar y a temperaturas entre 200° y 1200°C, con recomendacion entre 400° y 800°C, formandose un gas de reaccion, pudiendo suministrar este gas al reactor de gasificacion (16) indirecta o directamente mediante tuberla (30).
  3. 3. Aparato conforme reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el reactor de gasificacion (16) tiene la capacidad de operar en temperaturas entre 1200° y 1800°C, con recomendacion entre 1000° y 1400°C y que durante el proceso operativo se puede transmitir energla termica mediante una tuberla (31) que conecta el reactor de gasificacion (16) y el reactor de carbonizacion (1).
  4. 4. Aparato conforme una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al reactor de gasificacion (16) via tuberla (22) esta conectado un separador ciclonico (18) y/o lavador de gases (20), en cuyo caso entre el separador ciclonico (18) y/o el lavador de gases (20) se puede instalar un intercambiador de calor que puede bajar la temperatura del gas hasta la temperatura de operacion del intercambiador de calor entre 40°C y 80°C, o entre 50°C y 60°C con lo que la energla separada se puede suministrar a una instalacion de calefaccion y/o revertir de nuevo al proceso operativo de la instalacion, y que la energla termica liberada por el intercambiador de calor (40) se puede suministrar via tuberla (41) a un consumidor, como por ejemplo una instalacion de calefaccion.
  5. 5. Aparato conforme una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las sustancias nocivas o las sustancias obstaculizantes liberadas en el reactor de carbonizacion (1) y/o en el tanque de enfriamiento (9) pueden ser destruidas total o al menos parcialmente con ayuda de una instalacion termica, o separadas como desecho.
  6. 6. Aparato conforme reivindicacion 1, caracterizado porque el reactor de gasificacion (16) esta conectado via tuberla (34) a una unidad de procesamiento (36) para tratamiento y/o procesamiento ulterior del carbon obtenido en el reactor de gasificacion.
  7. 7. Aparato conforme una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tanque de enfriamiento (9) y/o el reactor de gasificacion (16) esta conectado via tuberla (34) a la unidad de procesamiento (36) para tratamiento o procesamiento ulterior del carbon obtenido en el tanque (9) y/o en el reactor de gasificacion (16).
  8. 8. Aparato conforme una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el reactor de gasificacion (16) se puede obtener vapor saturado que, mediante tuberla de vapor saturado (42) esta unido a un consumidor o a instalacion de calefaccion y/o a motor de pistones a vapor.
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  9. 9. Aparato conforme una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el reactor de gasificacion (16) esta conectado v^a al menos una tuberia (53) a un consumidor o al menos a un compresor de gas y/o motor de gas (48).
  10. 10. Aparato conforme una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el reactor de gasificacion (16) y/o el tanque de enfriamiento (9) se pueden enfriar mediante unidad de enfriamiento (49) o, respectivamente, estar envuelto en una carcasa de enfriamiento (51, 52), y que la unidad de enfriamiento (49) es alimentada con agua refrigerante en cuyo caso al menos el agua refrigerante de la carcasa de enfriamiento (51) del tanque de enfriamiento (9) se suministra tambien por tuberia (54) al reactor de gasificacion (16).
  11. 11. Aparato conforme alguna de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en una o mas tuberias (26 - 34, 38, 40, 50, 53, 54) estan previstas valvulas de cierre que pueden ser conectadas o desconectadas manualmente o mediante un mecanismo de accionamiento, pudiendo estos mecanismos de accionamiento ser manejados por una unidad de computo dependiendo del proceso operativo.
  12. 12. Metodo de carbonizacion y gasificacion termoquimica de biomasa humeda, especialmente con contenido de agua y/o seca, para la produccion de un portador de energia y/o materia prima de biomasa humeda y/o seca, haciendo uso del aparato conforme a una de las reivindicaciones anteriores 1-11 caracterizado por los siguiente pasos:
    a) La biomasa se transforma en un portador de energia y/o materia prima solido, a granel o gaseoso en reactor de carbonizacion (1) con la ayuda de energia termica externa (60) y energia termica adicional suministrada al reactor de carbonizacion (1) por parte de la instalacion.
    b) El gas obtenido en el reactor de carbonizacion (1) es recibido en un tanque de gas de reaccion (21).
    c) El gas de reaccion obtenido o el que se halla en el reactor de carbonizacion y en el tanque de enfriamiento se suministra indirecta o directamente al reactor de gasificacion (16).
    d) Al menos una parte de la energia obtenida con el metodo de carbonizacion y gasificacion termoquimica de biomasa humeda que especificamente contiene agua y/o esta seca es devuelta al proceso tecnologico y especificamente al reactor de carbonizacion (1).
    e) El carbon obtenido en el reactor de gasificacion (16) se suministra a la unidad de procesamiento (36).
    f) La energia suministrada al tanque de enfriamiento (9) se suministra simultaneamente o luego a la carcasa de enfriamiento (52) del reactor de gasificacion (16).
    g) La energia liberada generada en el reactor de gasificacion (16) o el vapor saturado se suministra a uno o mas consumidores, como instalacion de calefaccion y/o motor de pistones al vapor.
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