ES2935058T3 - Procedimiento de gasificación en sándwich para la conversión de combustibles carbonáceos de alta eficiencia en gas de síntesis limpio con cero descarga de carbono residual - Google Patents

Abstract

La presente invención describe un gasificador y/o un proceso de gasificación que proporciona una zona de temperatura larga y uniforme en el gasificador, independientemente del tamaño de las partículas, la composición química y el contenido de humedad del combustible al intercalar zonas de reducción entre dos zonas de oxidación. El gasificador y/o el proceso de gasificación tiene un char que es más denso en energía y casi desprovisto de humedad que permite una zona de oxidación adicional (o carbonizado) con una temperatura más alta que una primera zona de oxidación que está más cerca de una evaporación y zona de volatilización. Como tal, la zona de oxidación adicional (o carbón) contribuye a aumentar la temperatura de la zona de reducción, proporcionando así un doble impacto favorable en la mejora de la composición del gas de síntesis y la conversión casi completa del alquitrán. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de gasificación en sándwich para la conversión de combustibles carbonáceos de alta eficiencia en gas de síntesis limpio con cero descarga de carbono residual

Esta invención se realizó con el apoyo gubernamental del Departamento de Energía de los Estados Unidos bajo el Acuerdo de Cooperación No. DE-FC26-05NT42465 titulado "Centro Nacional de Tecnología del Hidrógeno" y el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de Construcción del Ejército de los Estados Unidos bajo el Acuerdo de Cooperación No. W9132T-08-2-0014 titulado "Producción de hidrógeno basado en JP-8 y combustibles tácticos avanzados para las fuerzas armadas estadounidenses". El gobierno tiene ciertos derechos en la invención.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de gasificación y, en particular, a un procedimiento de gasificación que tiene al menos una zona de reducción endotérmica intercalada entre al menos dos zonas de oxidación a alta temperatura.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La producción de gas de síntesis limpio y la conversión completa de combustible son los requisitos principales para la gasificación exitosa de combustibles carbonáceos para aplicaciones comerciales, como la producción de calor, electricidad, combustibles gaseosos y líquidos y productos químicos. Estos requisitos son críticos para lograr la economía deseada del procedimiento y el impacto ambiental favorable de la conversión de combustible a escalas que van desde procedimientos distribuidos pequeños a procedimientos basados en gasificación a gran escala.

Entre los tipos de gasificadores comúnmente conocidos definidos en función de las configuraciones de lecho (lecho fijo, lecho fluidizado y lecho arrastrado) y sus variantes, se sabe que el gasificador de lecho fijo de corriente descendente produce el alquitrán más bajo en gas de síntesis caliente atribuido principalmente a la configuración del lecho en la que se permite que los productos de evaporación y desvolatilizados o pirolizados pasen a través de una zona de oxidación a alta temperatura de modo que los hidrocarburos de cadena larga se reducen a sus constituyentes de cadena corta y estos productos de combustión gaseosa y pirólisis reducida reaccionan con carbono o carbón no convertido en la zona de reducción para producir gas de síntesis limpio. La Figura 1 ilustra esquemas generales de dos variaciones de los gasificadores de corriente descendente, clásicamente conocidos como gasificadores de corriente descendente estratificados e Imbert. La figura representa las tres zonas de gasificación primaria: Zona 1 de evaporación y desvolatilización, Zona 2 de oxidación y Zona 3 de reducción. El oxidante (aire) necesario para mantener la zona de oxidación de alta temperatura (Zona 2) se inyecta de modo que la ubicación de esta zona se fija comúnmente.

Las conversiones que ocurren en la Zona 1 son principalmente endotérmicas, y los rendimientos volátiles dependen de la velocidad de calentamiento, que depende del tamaño y de la temperatura de la partícula de combustible. Las reacciones de reducción que ocurren en la Zona 3 son predominantemente endotérmicas. Estas reacciones son una función fuerte de la temperatura y determinan la velocidad de conversión de combustible, definiendo así el rendimiento de combustible, la velocidad de producción de gas de síntesis y la composición del gas de síntesis.

El calor requerido para sostener las reacciones endotérmicas en la zona de reducción se transfiere desde la zona de oxidación única. Por lo tanto, la producción de gas de síntesis limpio y el grado de conversión de carbono dependen en gran medida de la temperatura y de la transferencia de calor de la zona de oxidación a la zona de reducción. Como se muestra en la Figura 1, el perfil de temperatura en la zona de reducción disminuye bruscamente con el aumento de la distancia desde la zona de oxidación de modo que la reacción de reducción casi congela unos pocos diámetros de partículas corriente abajo de la interfaz de la zona de oxidación-reducción. Como resultado, esta zona se denomina como la zona de carbón muerta, donde la conversión adicional está completamente congelada. El carbón no convertido debe retirarse de esta zona para mantener la conversión continua de combustible. Por lo tanto, el contenido de energía del combustible se pierde en el carbón eliminado, lo que resulta en una menor eficiencia del gasificador y la desventaja adicional de la necesidad de su eliminación.

Los factores críticos de tamaño, ubicación y temperatura de la zona de oxidación restringen severamente el intervalo de combustible carbonáceo que se puede utilizar en el mismo gasificador, que se diseña típicamente para convertir combustibles con un intervalo estrecho de características fisicoquímicas, particularmente tamaño de partícula, composición química y contenido de humedad (por ejemplo, las especificaciones típicas de combustible para el gasificador de biomasa comercial incluyen madera astillada que contiene menos del 15 % de humedad y menos del 5 % de finos). Se sabe que cualquier variación en estas características del combustible tiene impactos adversos en el rendimiento del gasificador, y dichos combustibles son, por lo tanto, preprocesados (como la reducción de humedad y finos utilizando un secador) y/o están restringidos de conversión bajo los acuerdos de garantía de tecnología de gasificación aplicables.

Como tal, el estado actual del diseño del gasificador y la incapacidad de los gasificadores para mantener un perfil de temperatura requerido en las zonas del gasificador debido al doble impacto de la reducción de tamaño y temperatura de la zona de oxidación crítica, causado cuando los combustibles contienen alta humedad, altos volátiles o una gran fracción de partículas finas o combustibles que tienen baja reactividad cuando se gasifican, es una deficiencia no deseada de la tecnología actual del gasificador. Además, la gasificación de dichos combustibles da como resultado la descomposición parcial del producto de la pirólisis que causa concentraciones indeseablemente altas de alquitrán en el gas de síntesis, así como también afecta negativamente su composición y velocidad de conversión de carbón, un efecto combinado de temperatura inadecuada en la zona de reducción controlada cinéticamente.

El documento WO 2005/083041 A1 describe un reactor para el procesamiento térmico de desechos de materiales adicionales, que comprende un recipiente cerrado para gasificar, pirolizar o termolizar los materiales adicionales. Otro gasificador (1) se describe en el documento WO 02/46331 A1 que combina una sección de gasificación de lecho fijo (4, 5, 8, 11 y 13) donde el combustible grueso que ingresa a través de la entrada (2) se gasifica y una sección de gasificación de flujo arrastrado (7) donde el combustible fino que ingresa a través de uno o más quemadores encendidos tangencialmente (19) o desde una cámara cilíndrica de gasificación de combustión (18) se gasifica. Por lo tanto, sería deseable un procedimiento de gasificación y/o un gasificador que pueda proporcionar una zona de temperatura larga y uniforme en el gasificador, independientemente de las variaciones mencionadas anteriormente en la composición del combustible.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un gasificador y/o un procedimiento de gasificación como se describe en la reivindicación 1, que proporciona una zona de temperatura larga y uniforme en el gasificador, independientemente del tamaño de partícula, composición química y contenido de humedad del combustible. Como resultado, cualquier combustible carbonáceo que contenga alta humedad y/o altos volátiles se puede utilizar como una materia prima de gasificación potencial mientras se mantiene una composición de bajo alquitrán deseada del gas de síntesis. El gasificador y/o el procedimiento de gasificación también aborda una de las principales limitaciones del rendimiento máximo permitido en una configuración de lecho fijo impuesta por la restricción geométrica de penetración del oxidante en el lecho de reacción para mantener perfiles uniformes de temperatura y conversión del combustible.

El gasificador y/o procedimiento de gasificación intercala una o múltiples zonas de reducción entre dos o más zonas de oxidación, y permite el flujo de gases de producto a través de estas zonas de modo que se puede lograr un control preciso sobre la temperatura y los perfiles de conversión del combustible. Las realizaciones preferidas se presentan en las reivindicaciones dependientes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 es una comparación de gasificadores de corriente descendente de lecho fijo de la técnica anterior: 1) Imbert; y 2) estratificado en función de la ubicación de las zonas de gasificación primaria, la inyección de combustible y oxidante, la zona de extracción de gas de síntesis y los perfiles de temperatura del lecho;

La Figura 2 es una comparación de los dos gasificadores de corriente descendente de lecho fijo de la técnica anterior que se muestran en la Figura 1 y un gasificador según una realización de la presente invención;

La Figura 3 es una representación gráfica del efecto de ER (ER Equivalence Ratio - Relación de Equivalencia) en la variación de: a) AFT (Adiabatic Flame Temperature - Temperatura de Llama Adiabática); b) fracción en masa de carbono no convertido; c) fracción molar de C^o + H² ; y d) fracción molar de CO² de concentración de gas inerte lograda en condiciones de reacción de equilibrio para combustible carbonáceo-biomasa que contiene 0 %-60 % de fracción de humedad y oxidante-aire;

La Figura 4 es una representación gráfica del efecto de ER en la variación de la fracción molar de H²O lograda en equilibrio para la reacción entre el oxidante (aire) y el combustible carbonáceo (representado por biomasa) que contiene 0 %-60 % de humedad;

La Figura 5 es una representación gráfica del efecto de ER en la variación de: a) AFT; b) fracción molar de CO H²; c) fracción molar de CO² ; y d) fracción molar de N² lograda en equilibrio para la reacción entre el oxidante (aire y OEA [Oxigen-Enriched Air - Aire Enriquecido con Oxígeno] al 10 %) y el combustible carbonáceo (biomasa) que contiene 40 % de humedad y el carbón de residuo que contiene 0 % y 40 % de humedad (en peso);

La Figura 6 es una representación gráfica que representa HHV vs. ER para biomasa de combustible carbonáceo modelo que contiene humedad que varía de 0 % a 50 % en: a) condiciones de entalpía y presión constantes; y b) condiciones de temperatura y presión constantes;

La Figura 7 es una ilustración esquemática de un procedimiento de gasificación en sándwich según una realización de la presente invención que representa dos configuraciones: a) parte superior abierta; y b) parte superior cerrada definida por la presión de operación del gasificador y la metodología de inyección de combustible y oxidante con la posición de la zona de desvolatilización, la zona de reducción intercalada entre dos zonas de oxidación y la ubicación del puerto de salida del gas de síntesis que se muestra;

La Figura 8 es una ilustración esquemática de un procedimiento de gasificación en sándwich según una realización de la presente invención que implica la cogasificación de dos combustibles primarios de características fisicoquímicas diferentes;

La Figura 9 es una ilustración esquemática de un procedimiento de gasificación en sándwich monomodo y mixto que representa dos sistemas de zona de reducción y tres de oxidación para intervalos intermedios y altos de rendimiento de combustible (0,5-20 t/h);

La Figura 10 es una ilustración esquemática de un procedimiento de gasificación en sándwich monomodo y mixto que representa dos sistemas de zona de reducción y tres de oxidación para un rendimiento de combustible de bajo alcance (0,01-0,5 t/h) que consiste en una lanza de inyección de oxidante simple en la zona de inyección de combustible y extracción de residuos;

La Figura 11 es una ilustración esquemática de un procedimiento de gasificación en sándwich según una realización de la presente invención que representa múltiples zonas de inyección de combustible, zonas de inyección volátiles y zonas de inyección de residuos junto con un ejemplo de varias zonas de inyección y extracción en el caso de un gasificador en sándwich de gran rendimiento; y

La Figura 12 es una ilustración de resultados experimentales que representan perfiles de temperatura de lecho axial promediados en el tiempo obtenidos durante la gasificación autosostenida en modo de gasificación en sándwich que se ilustran para los combustibles de alta humedad: (a) biomasa leñosa (pino); (b) carbón de la cuenca del río Powder (PRB); (c) carbón Illinois #6; y (d) desechos de pavo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA PRESENTE INVENCIÓN

Nomenclatura

Como se usa en esta invención, los combustibles carbonáceos convencionales son aquellos en los que el procedimiento de combustión se conoce o se lleva a cabo para la recuperación de energía. Estos combustibles generalmente se clasifican como biomasa o carbón.

Como se usa en esta invención, los combustibles carbonáceos no convencionales son típicamente desechos industriales o automotrices que tienen una composición compleja de modo que su conversión requiere un procedimiento no típico de alimentación o inyección, extracción de residuos, control del procedimiento de desvolatilización y distribución de productos desvolatilizados para la gasificación o destrucción efectiva de compuestos orgánicos tóxicos mediante el mantenimiento de condiciones de gasificación agresivas logradas por combustible o catalizadores suplementarios. Dichos combustibles incluyen neumáticos automotrices enteros que consisten en alambres de acero y negro de carbón, material plástico estructural revestido con metal o material inerte, material de desecho contaminado que requiere condiciones agresivas de gasificación, placas de circuitos impresos, combustible de desecho, lodos residuales orgánicos pesados y efluentes industriales altamente viscosos de las industrias alimentaria y química.

Tal como se usa en esta invención, el combustible primario es la fracción más grande de los combustibles convencionales y no convencionales inyectados corriente arriba de la zona de oxidación (OX-1) en la zona definida como ED-1, ED-2, etc. (discutido en mayor detalle a continuación con referencia a las Figuras 8-11), con la ayuda de los sistemas de alimentación principales del gasificador.

Como se usa en esta invención, el combustible secundario es la fracción de combustible pequeña o menor formada dentro del procedimiento de gasificación (por ejemplo, combustible formado en el sistema de limpieza de gas de síntesis) y cogasificada con el propósito de mejorar la composición de gas de síntesis. Estos combustibles se inyectan/coinyectan con combustibles primarios y/o se inyectan por separado en la zona de evaporación y desvolatilización con o sin la ayuda de un oxidante o gas portador y con la ayuda de un sistema de inyección de combustible exclusivo.

Como se usa en esta invención, el combustible auxiliar se define como combustible que no es el combustible primario y secundario e incluye gas de síntesis y combustibles inyectables que pueden soportar una combustión estable.

Como se usa en esta invención, el oxidante se define como la sustancia que reacciona con los combustibles primarios y secundarios en al menos dos zonas de oxidación. Pueden utilizarse simultáneamente uno o más tipos de oxidantes en formas puras o mixtas. Oxidantes puros incluyen aire, oxígeno, vapor, peróxidos, perclorato de amonio, etc.

Como se usa en esta invención, el modo de reacción mixta (MR - Mixed-Reaction) es un procedimiento en el que al menos dos tipos de lecho se forman en un solo gasificador para facilitar la conversión de combustible, por ejemplo, el combustible con una gran fracción de finos y carbón friable (o material de baja resistencia a la trituración) se inyecta en una configuración de lecho empaquetado; sin embargo, después de pasar a través de las zonas ED-1 y OX-1, el material friable se somete a suficiente fuerza de trituración de modo que su tamaño de partícula se reduce o se puede romper fácilmente por trituración mecánica. Es posible inyectar dicho combustible fino en la zona de MR (como la oxidación-2 y RD-1 en la Figura 3) de modo que el material que cae quede arrastrado en la fase gaseosa y logre una conversión adicional y/o caiga en la rejilla (o placa distribuidora) y se convierta bajo el modo de operación de lecho fluidizado.

La invención tiene como objetivo convertir combustible carbonáceo o una mezcla de material carbonáceo y no carbonáceo en una mezcla combustible de gases denominada gas de síntesis. Dado que la conversión química se produce como resultado del calor, el procedimiento se conoce comúnmente como el procedimiento de conversión termoquímica. Por lo tanto, el objetivo del procedimiento es convertir (o recuperar) la energía química del material original en la energía química del gas de síntesis. El calor de procedimiento requerido se produce total o parcialmente utilizando principalmente la energía química del combustible original. La invención permite la inyección de calor de una fuente auxiliar ya sea a través de transferencia directa de calor (inyección de fluido portador de calor, por ejemplo, vapor, aire caliente, etc.) o indirectamente en las zonas de reacción. Las realizaciones principales de la invención son maximizar la eficiencia de la gasificación y la flexibilidad del procedimiento de conversión.

La Figura 2 muestra un esquema del gasificador de la invención en el que la Zona de reducción 3 se intercala entre dos zonas de oxidación de modo que la temperatura de la zona de reducción se aumenta mediante transferencia directa de calor desde la zona de oxidación secundaria de temperatura relativamente más alta alimentada por carbón. El perfil de temperatura comparativo de los gasificadores de la técnica anterior y el gasificador en sándwich de la zona de reducción simple se muestra en la Figura 1 y en la Figura 2 para comparación. Dado que el carbón es más denso en energía y casi desprovisto de humedad, la temperatura de la zona de oxidación adicional (o carbón) es relativamente más alta que la primera zona de oxidación, que está más cerca de la zona de evaporación y desvolatilización. Como resultado, la zona de carbón muerta en el gasificador de la técnica anterior contribuye a aumentar la temperatura de la zona de reducción, causando un impacto doble favorable en la mejora de la composición de gas de síntesis y la conversión casi completa del alquitrán, produciendo así gas de síntesis limpio.

La elección del medio de oxidación/gasificación en una o más de las zonas del gasificador ubicadas cerca del plano de salida del gasificador puede proporcionar un calentamiento selectivo del residuo inorgánico a altas temperaturas (1450o -1600 °C) en las que se puede producir vitrificación de cenizas. La configuración de sándwich puede utilizar favorablemente carbón (complementado por gas de síntesis como combustible si es necesario) en un procedimiento térmico autosostenible simple sin requerir electricidad de alto grado que se usa típicamente en procedimientos de calentamiento termodinámicamente desfavorables basados en plasma o arco, una característica única para lograr una alta eficiencia de conversión.

Uno de los principales problemas a los que se enfrentan los procedimientos de gasificación convencionales es la dificultad de lograr la conversión completa del carbono de los combustibles de baja reactividad. El carbón en tal procedimiento se extrae típicamente del gasificador y se dispone u oxida en un sistema de horno separado. También se proporciona una disposición similar para la conversión de carbono en el caso de un reformador de vapor de lecho fluidizado de combustible sólido (biomasa, carbón y licor negro) para la producción de gas de síntesis rico en hidrógeno. Debido a la reacción de desplazamiento de agua-gas predominante, la concentración de CO² en el gas de síntesis es alta, junto con concentraciones muy altas de alquitrán no convertido. El procedimiento de gasificación en sándwich supera las dificultades encontradas en los procedimientos de gasificación de la técnica anterior y logra gas de síntesis limpio, rico en hidrógeno y bajo en CO² mediante la utilización efectiva de carbono/carbón in situ para proporcionar temperaturas favorables para las reacciones de Boudouard. El carbón no reactivo se convierte en la zona de gasificación en modo mixto de la configuración en sándwich que implica la zona de lecho arrastrado y/o fluidizado formada por la hidrodinámica del carbón fino y medio de gasificación u oxidante.

La base de la invención se explica con la ayuda de los resultados de los cálculos de equilibrio realizados para determinar el efecto de las variaciones paramétricas en la conversión de combustible utilizando combustibles modelo tales como biomasa (madera de pino) de contenido de humedad variable (0 %-60 %), carbón de biomasa (residuo carbonoso obtenido del gasificador) y un oxidante tal como aire y aire con oxígeno enriquecido al 10 %.

Las Figuras 3-6 muestran gráficas que representan el efecto de la relación de equivalencia variable (ER, definida como la relación entre oxidante real y combustible [o/f] y la relación estequiométrica o/f) en la temperatura de la llama adiabática; fracciones en masa de carbono no convertido; fracciones molares de CO H2, CO², H²O, N2; y mayor valor de calentamiento del gas de síntesis en condiciones de reacción de equilibrio. Una ER = 0 indica una velocidad de inyección de oxidante cero, y una ER = 1 se logra a una velocidad de inyección estequiométrica. Una ER que varía entre 0 y 0,7 indica un intervalo de gasificación que representa intervalos de gasificación con ER baja, ER intermedia y ER alta como se indica en las figuras. Una ER que oscila entre 0,7 y 1,2 (como se muestra) se marca como un intervalo de combustión, con la posibilidad de extender el intervalo superior a lo más alto que sea posible la combustión sostenida del combustible. La inclusión de un intervalo de ER de gasificación y combustión tiene como objetivo facilitar una explicación de las distinciones entre los dos y sus interacciones en el modo de gasificación en sándwich, una realización primaria de la presente invención.

Las ER que varían de 0,7 a 1,0 y mayores de 1 se identifican como zonas de combustión ricas en combustible y pobres en combustible, respectivamente. La ER del intervalo de gasificación (0-0,7) se destina típicamente a la producción de gas de síntesis que contiene una fracción importante de la energía química del combustible original. La energía química se convierte completamente en calor sensible a la combustión estequiométrica (o ER = 1), o pobre en combustible. La combustión rica en combustible está destinada principalmente a lograr una combustión estable que produzca gases de producto manejables a baja temperatura en comparación con la temperatura más alta posible alcanzada cerca de las condiciones estequiométricas. Una pequeña fracción de la energía química no convertida en el gas se libera en el procedimiento de oxidación de la etapa secundaria. Como se requiere en la mayoría de las aplicaciones de combustión, la condición de pobre en combustible está dirigida a alcanzar gas de producto a baja temperatura, logrado como resultado del efecto de dilución del oxidante.

La gráfica en la Figura 3a muestra la ER vs. variación de la temperatura de la llama adiabática (AFT) en el caso de combustibles que contienen humedad que varía de 0 % a 60 % en peso de combustible. La gráfica también representa el intervalo de temperatura favorable en el que ocurren las reacciones de gasificación endotérmica responsables de la conversión de combustible a gas de síntesis. Como se puede observar, la AFT disminuye con una disminución de la ER y un aumento de la humedad de la biomasa. Se sabe que se requiere una temperatura de operación de 1.000 °C o más para accionar las reacciones de gasificación cinéticamente dependientes, particularmente las reacciones desplazamiento y de Boudouard. Las temperaturas inferiores a esta causarán un aumento en el tiempo de conversión de combustible y/o lograrán una conversión de combustible incompleta. Un procedimiento de gasificación autosostenido o autotérmico bien diseñado se opera dentro del intervalo intermedio de ER principalmente para alcanzar la temperatura requerida para la conversión completa de combustible a gas de síntesis. Es comprensible que la conversión completa de combustible a la ER más baja posible produzca gas de síntesis con la energía química más alta. Esta condición de operación también permite la producción de gas de síntesis con las concentraciones más bajas de diluyentes, principalmente N² y CO² (como se muestra en la Figura 3b). Sin embargo, es difícil lograr la operación bajo esta condición, particularmente si la AFT está por debajo de los límites de temperatura prescritos establecidos debido a la cinética de las reacciones de gasificación. Este hecho, por lo tanto, limita tanto la humedad del combustible como la ER operativa, particularmente para lograr condiciones de gasificación autosostenidas.

Las gráficas en la Figura 3c representan fracciones de masa de carbono no convertido a una ER baja. Esta fracción de carbono no convertido (o residuo de carbón en un gasificador práctico), atribuida a la baja AFT, constituye más de la mitad de la energía química no convertida en el combustible. Como resultado, la concentración de ^c O y H² , los portadores primarios de la energía química, disminuye, como se muestra en la Figura 3d, y la concentración de H²O no convertida aumenta, como se muestra en la Figura 4. Ambos factores reducen la eficiencia de la gasificación.

Los gasificadores utilizados en la práctica están diseñados principalmente para lograr la mayor conversión posible de carbono. Dado que la condición adiabática es difícil de lograr debido a las inevitables pérdidas de calor del gasificador, las temperaturas de operación son típicamente más bajas que la AFT. Como resultado, la fracción de carbón no convertida es mayor, incluso en el intervalo operativo de ER intermedia. Este residuo volátil agotado (o carbón) se elimina típicamente del gasificador. Dado que la reactividad de dicho carbón disminuye después de la exposición al nitrógeno atmosférico, el valor de dicho carbón como combustible es bajo y, por lo tanto, se convierte en un pasivo para eliminación. Esto limita aún más los regímenes de operación de la ER y el contenido de humedad operativa en el combustible. Los combustibles con una AFT inferior en una ER de intervalo intermedio (como en el caso de biomasa de alta humedad) se operan en una ER de intervalo alto, aunque a costa de energía química de gas de síntesis, reduciendo así la concentración de H2 y CO (ver Figura 3d).

La realización del procedimiento de gasificación en sándwich es superar las limitaciones indicadas anteriormente mediante la preparación de la ER operativa en múltiples zonas de intercalación y el establecimiento de las condiciones de equilibrio correspondientes mediante la creación de condiciones de alta temperatura dentro del único reactor mediante la conversión in situ del residuo de combustible o carbón normalmente retirado del gasificador convencional. La eficacia del carbón y el enfoque para la intercalación se discuten de la siguiente manera.

La Figura 5a muestra la variación de ER frente a AFT para la biomasa de combustible modelo que contiene 40 % de humedad obtenida con aire como oxidante, carbón seco con aire y aire enriquecido con oxígeno (OEA) al 10 % y carbón con 40 % de humedad y OEA al 10 %. La configuración simplificada de la zona de intercalación de reacción para este ejemplo se puede entender a partir de la Figura 7. El combustible de biomasa húmeda al 40 % inyectado desde la parte superior del reactor se gasifica en la zona superior del reactor, y el residuo no convertido se gasifica en la zona inferior. El uso de reacción de OEA al 10 % con carbón es para ilustrar la flexibilidad de utilizar una gama de oxidantes en las zonas de intercalación del gasificador con el fin de lograr diferentes temperaturas de lecho y composiciones de gas de síntesis. Como se puede observar en la Figura 5a, la AFT de la reacción carbón-aire (Curva C de la Figura 5a) en la ER intermedia es de 400 a 500 °C más alta que la del combustible con 40 % de humedad. Esto se debe a que el carbón es más reactivo (calor de formación ligeramente positivo y seco en contraste con el combustible húmedo. Por lo tanto, el carbono no convertido se puede utilizar para aumentar la temperatura del lecho del combustible de alta humedad (particularmente en la zona de reducción) logrado mediante transferencia de calor multimodo directa y eficaz en las múltiples zonas de intercalación ayudado por el paso de gases de productos calientes a través de estas zonas. La AFT podría aumentarse adicionalmente al aumentar la concentración de oxígeno en la corriente de oxidante como se muestra en la curva D de la Figura 5a. Dicha condición de operación también se puede utilizar para alcanzar la temperatura de vitrificación de cenizas en el modo de gasificación de ER alta o, si se desea, en zonas selectivas del gasificador. La adición de humedad a la gasificación del carbón reduce significativamente la AFT en la zona de gasificación de ER baja como se representa por la curva B en la Figura 5a. Sin embargo, en contraste con el combustible de alta humedad, la AFT está en el intervalo que puede soportar reacciones de gasificación y producir gas rico en hidrógeno y/o controlar la temperatura del lecho. Por lo tanto, la intercalación de las zonas de gasificación de dos materiales característicos diferentes formados a partir de la misma materia prima se puede lograr en el mismo gasificador. Esta capacidad de sinergizar el procedimiento de conversión en el modo de gasificación en sándwich es una de las realizaciones principales de la invención.

Con el fin de lograr diferentes ER y las condiciones de equilibrio correspondientes en el gasificador, la distribución del oxidante podría lograrse de manera que una cantidad de zonas de intercalación estén dispuestas en serie y/o paralelas en el reactor, como se muestra en la Figura 9. La transferencia de calor directa e indirecta que ocurre en el lecho como resultado de un gran gradiente de temperatura (por ejemplo, 1200 °C en el lado carbón y 700 °C AFT en el lado de combustible original) puede alcanzar una temperatura del lecho más alta que la AFT para el combustible inyectado de alta humedad, como se muestra en la Figura 5a. Como resultado, tanto la composición de gas como la conversión de combustible lograda son mayores, incluso cuando la reacción ocurre a una ER baja. Esta operación mejora la recuperación de energía química en el gas de síntesis y, por lo tanto, la eficiencia de la gasificación.

La capacidad de transferir calor en el lecho de reacción (como se discutió anteriormente) mediante la creación de un gran gradiente de temperatura dentro del lecho de reacción como resultado de la inserción de zonas de reacción es una de las realizaciones principales de la invención. El ejemplo de lograr una mayor energía química en virtud de la intercalación de dos zonas de gasificación, lo que provoca un aumento efectivo en la temperatura de la zona de reacción, se muestra en las Figuras 6a y 6b, que representan la variación del Valor de Calentamiento más Alto (HHV - Higher Heating Value) del gas de síntesis seco con la ER para la humedad de la biomasa que varía de 0 % a 50 %. El valor de calentamiento se calcula a partir de la composición de gas de síntesis sobre una base seca para comprender el efecto de la humedad del combustible y la ER en la energía química recuperada en el gas de síntesis. Dado que la humedad no convertida en una ER baja es significativamente mayor, como se muestra en la Figura 4, la eliminación de esta humedad del gas de síntesis muestra un HHV más alto en una ER baja. El HHV en la Figura 5a se calcula en condiciones adiabáticas, y la Figura 6b se calcula a una temperatura del lecho de 1.000 °C alcanzada en virtud de transferencia de calor en el modo en sándwich. Como se puede observar en la Figura 6, el HHV máximo del gas se obtiene cuando el régimen de operación del gasificador en el modo de sándwich está en el régimen de ER baja e intermedia.

La Figura 5b representa la concentración combinada de H2 CO vs. ER para cuatro casos diferentes de combustibleoxidante, como se discutió anteriormente. La curva A (reacción aire- biomasa de humedad del 40 %) alcanza la concentración más baja de H2 CO en un régimen de ER intermedia o alta en contraste con todos los ejemplos con carbón como combustible. El carbón-aire con humedad del 40 % y el mismo carbón con OEA al 10 %, representado por las curvas C y E, muestran una concentración combinada superior al 50 %. Esto muestra que la reacción del carbón a una ER intermedia puede mejorar la composición general de gas de síntesis, así como proporcionar condiciones operativas de alta temperatura para lograr reacciones de gasificación rápidas en el modo sándwich.

La Figura 5c muestra la concentración de ER frente a CO2 para cuatro casos diferentes de combustible-oxidante. En la zona ER intermedia, la concentración de CO² en el caso de la reacción carbón-aire y carbón-OEA al 10 % es inferior al 2 % como resultado de la reacción rápida de Boudouard y entre el 12 % y el 17 % en el caso de la reacción biomasaaire al 40 %. Ambas condiciones se han observado experimentalmente. En el modo sándwich, como resultado del efecto combinado de la mezcla de corrientes de gas, así como el logro de una temperatura de lecho más alta, la invención da como resultado la reducción de CO² en el gas de síntesis.

El procedimiento de conversión de combustible en la invención del gasificador en sándwich se produce en tres tipos de zonas primarias y cuatro tipos de zonas secundarias dispuestas en un patrón característico de modo que facilita la conversión completa en la composición deseada de gas de síntesis y residuos limpios. Las zonas primarias se designan como: (1) zona de evaporación y desvolatilización (ED); (2) zona de oxidación (OX); (3) y zona de reducción (RD), mientras que las zonas secundarias se designan como: (1) zona de inyección de combustible (IN-JF); (2) zona de inyección de oxidante (INJOX); (3) zona de extracción de gas de síntesis (SGX); y (4) zona de extracción de residuos (RX).

El papel de las zonas primarias es descomponer termoquímicamente el combustible complejo en moléculas gaseosas que transportan energía, mientras que el papel de las zonas secundarias es transportar el reactivo y el producto dentro y fuera de estas zonas. La configuración del lecho de reacción es un lecho fijo o una combinación de lecho fijo, fluidizado y arrastrado, denominado lecho o zona de MR, como se muestra en la Figura 10.

El gasificador funciona bajo presión negativa (o subatmosférica), atmosférica o positiva, dependiendo de las aplicaciones de combustible y gas de síntesis. La temperatura de operación de las zonas de reacción individuales depende del tipo de combustible, el alcance de los requisitos de residuos inertes, el tipo de oxidante y la ER operativa, y es independiente de la presión de operación. El procedimiento de inyección de combustible y oxidante depende de la presión de operación del gasificador.

La invención incluye un gasificador de configuraciones de puerto abierto y puerto cerrado como se muestra en las Figuras 7a y 7b. Además, en la Figura 7 también se muestra un esquema simplificado del procedimiento de gasificación en sándwich. Las dos zonas de oxidación distintas que se intercalan en la zona de reducción son la característica principal del procedimiento de gasificación. Estas zonas de oxidación se caracterizan en función de sus ubicaciones con respecto a la zona de reducción y entrada o inyección del combustible. La primera zona de oxidación (Zona 2a, como se muestra en la figura) se encuentra en el lado del puerto de inyección de combustible y oxidante (corriente arriba de la zona de reducción), y la segunda zona de oxidación (Zona 2b) se encuentra hacia el puerto de extracción de cenizas primario. Los gases calientes de ambas zonas de oxidación se dirigen hacia la zona de reducción donde se encuentra la salida primaria del gas de síntesis mixto. Se espera que las composiciones de gas cercanas a la interfaz de ambas zonas de oxidación sean diferentes; por lo tanto, se utiliza el término "gas de síntesis mixto". Por lo tanto, se proporciona una disposición para purgar una fracción del producto de combustión parcial de la Zona 2b de modo que se pueda lograr la composición de gas de síntesis mixto deseada.

Los dos medios de oxidación o gasificación inyectados desde dos lados de las zonas de oxidación (Zona 2a y 2b) en el procedimiento de gasificación en sándwich propuesto son diferentes y pueden ser multicomponentes o de componente individual, dependiendo del requisito de composición de gas de síntesis. Por ejemplo, el medio de gasificación puede ser aire o una mezcla de aire enriquecido con oxígeno y vapor u oxígeno puro y vapor. En el caso donde el vapor es el medio de gasificación inyectado desde el lado de la Zona 2a, la Zona de oxidación a alta temperatura 2a se reemplaza por una zona calentada indirectamente que satisface todos sus requisitos funcionales (calor para la pirólisis y para la zona de reducción), y la Zona 2b se mantiene para lograr la conversión completa del carbono.

La ceniza residual se retira corriente abajo de la zona 2b con la ayuda de un sistema de eliminación de cenizas secas o húmedas. La fracción de ceniza arrastrada se retira con la ayuda de un ciclón o sistema de filtro de partículas proporcionado en la trayectoria del gas de síntesis y se retira por separado. Dependiendo de la temperatura en la Zona 2b, la ceniza seca o fundida se extrae corriente abajo de la Zona de oxidación del carbón 2b, dependiendo de la cantidad requerida de inorgánicos y su composición presente en la materia prima que se gasifica. Esta es una de las características del procedimiento de gasificación en sándwich en el que se pueden recuperar las cenizas fundidas al tiempo que se logra el beneficio de mayor eficiencia del procedimiento de gasificación a baja temperatura

La configuración de puerto abierto se permite estrictamente en condiciones operativas de presión negativa, de modo que el combustible primario y los oxidantes o solo los oxidantes se inyectan desde puertos abiertos a la atmósfera, y la dirección de flujo del reactivo está orientada hacia el gasificador (positivo) o como un efecto de succión neto (presión negativa) creado por uno o muchos dispositivos tales como dispositivos aerodinámicos (ventilador o ventilador de succión y/o eyector) o hidrodinámicos (eyector hidráulico) y/o dispositivos como un motor de combustión interna que crea succión. Durante las condiciones normales de operación del gasificador, incluidos el arranque y la parada, la presión negativa garantiza un flujo de material adecuado en el gasificador y que los productos se eliminen de las zonas de extracción designadas. El reflujo de los gases se evita proporcionando resistencia física además de mantener suficiente presión negativa dentro del gasificador. La modalidad incluye un gasificador de puerto abierto que también permite la inyección de combustible con la ayuda de una tolva cerrada o dispositivo de almacenamiento de combustible desde el cual el combustible se suministra continua o intermitentemente al gasificador (por ejemplo, mediante tornillo cerrado, correa, elevador de cubos, alimentación por sistema de alimentación con presión neumática, etc.) mientras que el oxidante se inyecta con la ayuda de una bomba accionada mecánica o hidrodinámicamente (por ejemplo, compresor, eyectores de fluido gemelos, etc.).

La realización del gasificador incluye un gasificador de puerto cerrado en el que los reactivos (oxidantes y corrientes de combustible) se inyectan en un gasificador presurizado (mayor que la presión atmosférica). El combustible se inyecta desde una tolva de bloqueo convencional mantenida a presión equilibrada con el gasificador. Los oxidantes se inyectan a presiones superiores a la presión de operación del gasificador. Por lo tanto, el flujo de gas dentro y fuera del gasificador se mantiene mediante presión positiva. Se puede utilizar un dispositivo de succión para mantener un mayor rendimiento del gasificador a bajas presiones de operación positivas. En ambas configuraciones, la inyección de reactivo es continua para mantener la ubicación de las zonas de gasificación y la producción de gas de síntesis en estado estacionario.

Zonas primarias del gasificador

La disposición de las zonas primarias y las características de operación se describen en la siguiente sección.

La zona ED se encuentra corriente abajo de la zona de inyección de combustible. Hay al menos una zona ED en el gasificador en sándwich. Los procedimientos primarios que ocurren en esta zona son la evaporación y la desvolatilización. Dentro de esta zona, la ocurrencia de estos procedimientos es simultánea o en secuencia, dependiendo del tamaño y las características del combustible. El procedimiento general es endotérmico, y el calor requerido es suministrado por los productos de combustión de combustible y/o reactivo caliente, conducción y radiación de la zona de oxidación de alta temperatura de interfaz. Esta zona interactúa con al menos una zona de oxidación, como se muestra en las Figuras 7-11.

El caso de los procedimientos de gasificación de múltiples combustibles inyectados por separado como combustibles primarios en el gasificador desde diferentes secciones en el gasificador, pero compartiendo el perfil de calor exotérmico de las zonas de oxidación en caliente se muestra en las Figuras 8 y 11. Las múltiples zonas ED primarias se denominan ED-2, ED-3, ED-4, etc. Dichos combustibles incluyen todos los combustibles no convencionales definidos anteriormente, incluidos los neumáticos enteros para automóviles, los plásticos, los combustibles tóxicos con alto contenido inorgánico que requieren condiciones leves para la separación inorgánica, etc. Los productos desvolatilizados se transfieren a la zona desvolatilizada de combustible primario para su conversión adicional o se inyectan en varias zonas de oxidación, como se muestra en la Figura 11 (INJOX-2 e INJOX-3), con la ayuda de un oxidante o gas portador para un dispositivo propulsor aerodinámico tal como un eyector.

El residuo combustible se inyecta en la zona primaria (CX-2, Figura 11) después de la eliminación de los productos inorgánicos separables para el reciclaje de los metales tóxicos mediante un procedimiento de inmovilización o para una aplicación separada (RX-2, Figuras 8 y 11). Un ejemplo de dicha conversión son los neumáticos de automóviles enteros utilizados como combustible, en los que los cables de acero se separan del carbón o negro de carbón después de la desvolatilización y el ablandamiento del neumático, y el carbón luego se inyecta en la zona primaria para lograr la conversión completa.

El procedimiento proporciona la flexibilidad de utilizar otro combustible primario (zona ED-1) para mejorar la eficiencia de gasificación y producir gas de síntesis limpio en el caso de combustibles que carecen de residuos (por ejemplo, plásticos que contienen casi 100 % volátiles, que requieren conversión sobre un lecho de carbono catalítico). La característica permite la utilización de un lecho inerte o lecho de catalizador intercalado entre zonas de oxidación para lograr una temperatura uniforme en el lecho de reacción que consiste en sólidos inertes. Como se muestra en la Figura 7, la distribución volátil necesaria se logra mediante la inyección de diferentes fracciones de volátiles de las zonas primarias (ED-1 y/o ED-2) en las zonas de oxidación intercaladas. Este enfoque único está dirigido a convertir combustibles de alta volatilidad en el gasificador a gas de síntesis limpio, lo que es difícil de lograr en los gasificadores convencionales en los que los volátiles permanecen sin convertir como resultado del enfriamiento de las zonas de gasificación debido al exceso de volátiles.

La zona de OX es característicamente una zona de alta temperatura donde se produce la reacción oxidativa entre los combustibles primarios y secundarios y/o productos desvolatilizados de estos combustibles (volátiles y carbón) y el medio de gasificación oxidante. Hay al menos una zona de OX que interactúa con al menos una zona de ED, y hay al menos dos zonas de OX que interactúan con al menos una zona de reducción (RD) (descrita en el siguiente texto) que caracteriza la presente invención. El propósito principal de estas zonas es mantener un perfil de calor exotérmico necesario para sostener las reacciones endotérmicas en las zonas RD y ED.

La diferencia distintiva entre la OX-1 y otras zonas de oxidación tales como OX-2 y OX-3 (que se muestran en las Figuras 9-11) es que los principales procedimientos oxidativos ocurren entre los productos desvolatilizados de ED-1 (y ED-2 en caso de múltiples combustibles primarios) en la reacción homogénea en fase gaseosa, y una pequeña fracción de carbón se oxida en la reacción heterogénea en la zona de OX-1, mientras que en las zonas de OX-2 y OX-3 (u OX-4 y así sucesivamente), el carbón y los productos desorbidos gaseosos del carbón se oxidan principalmente para producir temperaturas más altas que las de la zona de OX-1. Además, debido a la capacidad de las zonas OX-2 y OX-3 para lograr temperaturas más altas, estas zonas pueden acomodar la conversión de productos desvolatilizados de ED-1 y/o ED-2, bombeados aerodinámicamente y distribuidos en estas zonas, como se muestra en la Figura 11.

En el caso del modo de operación de ER baja (ER que varía de casi cero a 0,25, con AFT baja pero alta energía química; ver Figura 3 y ER-5), la temperatura de operación de una de las zonas de OX se incrementa por medio de transferencia de calor indirecta a través de un medio de oxidación caliente y/o transferencia de calor indirecta por medio de productos de combustión caliente circulantes de combustible auxiliar, que podría ser gas de síntesis o cualquier sólido y/o líquido y/o sistema de oxidación de combustible gaseoso, como se muestra en la Figura 9. El calor no utilizado, contenido en un subproducto gaseoso de la unidad de transferencia de calor indirecta, se utiliza para precalentar el oxidante en un intercambiador de calor externo de modo que la conversión de calor sensible en energía química en el gas de síntesis se aumente mediante su inyección directa en el gasificador. Las características hidrodinámicas del procedimiento de combustión en el dispositivo de transferencia de calor indirecta aumentarán la transferencia de calor en el lecho de reacción. La geometría del calentador indirecto y la velocidad de liberación de calor y su ubicación en la cámara de combustión están diseñadas de manera que la pulsación suave (40-300 Hz) en el gas de producto caliente dentro del conducto causará la destrucción de la capa límite de una manera similar a la combustión de impulsos para lograr una transferencia de calor aumentada en el lecho de reacción. La integración térmica en una de las zonas de intercalación tiene como objetivo aumentar la temperatura a más alto que la AFT del lecho local operado a una ER baja.

La zona de reducción (RD) se intercala entre las zonas de oxidación, como se muestra en las Figuras 7-11. En esta zona, se producen reacciones de reducción entre los productos de combustión de la intercalación de las zonas oxidantes (OX-1 y OX-2) y el carbono no convertido. Las especies de reactivos y sus concentraciones, así como la temperatura ambiente y las condiciones hidrodinámicas en la interfaz de las zonas de oxidación y RD en el sándwich, dependen de los procedimientos en la zona de oxidación.

Se consideran dos ejemplos de diferentes combustibles para explicar este procedimiento de la siguiente manera. El ejemplo 1 es la conversión del carbón y la biomasa en condiciones atmosféricas con aire del medio de gasificación, con dos zonas de reducción y tres de oxidación (véase la Figura 8 como referencia). La oxidación parcial de especies desvolatilizadas en OX-1 generará especies que tienen hidrocarburos e hidrocarburos oxigenados como precursores, junto con una gran fracción de vapor de agua no convertido de la zona ED-1. Mientras que en OX-2, las especies son principalmente de combustión de carbón heterogéneo parcial que contiene una fracción insignificante de especies de hidrocarburos. La AFT de la reacción carbón-aire en OX-2 es más alta que la AFT del lado OX-1. Por lo tanto, este ejemplo muestra que la zona de reducción en la interfaz de las dos zonas de oxidación es diferente.

Ejemplo 2, la conversión de plásticos (en ED-2) con biomasa (en ED-1) como el combustible primario y aire como el medio de gasificación, así como un portador volátil de ED-2 a ED-1, logrará condiciones similares a las del Ejemplo 1. Inyección de combustible

La gasificación de múltiples corrientes de combustible se logra en el mismo gasificador. La corriente de la mayor fracción en peso de los combustibles inyectados se define como el combustible primario, y la otra corriente de combustible más pequeña se define como la corriente de combustible secundaria.

El combustible primario es alimentado forzadamente por gravedad y/o mecánica y/o aerodinámicamente (véase la definición) desde al menos un puerto situado en la parte superior del gasificador en un modo de inyección de arriba hacia abajo (véanse las Figuras 7-11). En una situación de campo sin gravedad, la alimentación de combustible es asistida por fuerzas mecánicas y/o aerodinámicas y la importancia de la orientación con respecto a la superficie de la Tierra. La orientación de la inyección de combustible en tal situación se define por la dirección positiva de la mayor fuerza resultante que mueve el material hacia las zonas de conversión en el gasificador.

El combustible secundario, o menor, se inyecta por gravedad y/o mecánicamente y/o aerodinámicamente desde el mismo puerto y/o puerto diferente utilizado para la inyección primaria de combustible. Además, el combustible secundario se puede inyectar directamente en la zona de evaporación y desvolatilización (ED) para aumentar la conversión tanto de las corrientes de combustible primarias como secundarias.

Dependiendo de la presión de operación del gasificador, la presión en la sección de alimentación se equilibra con la cámara de inyección de combustible con el fluido de gasificación para evitar una situación de flujo inverso.

El gasificador puede convertir combustible de formas complejas y/o combustible líquido y gaseoso de todas las propiedades reológicas. Con el fin de utilizar sistemas de almacenamiento y alimentación de combustible listos para usar, las unidades de combustible grandes se desglosan a un tamaño pequeño con la ayuda de equipos convencionales. El combustible dimensionado se inyecta como se describió anteriormente y se muestra en las Figuras 7-11. Los combustibles que plantean dificultades o que no son rentables para reducir su tamaño se manejan de manera diferente. Los combustibles de gran tamaño como los neumáticos enteros de automóviles se insertan en el espacio anular calentado o la cámara formada alrededor del gasificador, como se muestra en las Figuras 8 y 11, de modo que la desvolatilización de combustible se produce en esta zona. Los productos desvolatilizados se inyectan en el gasificador para su conversión adicional junto con el combustible primario y/o el carbón residual formado en la cámara anular inyectada en el gasificador.

Inyección de oxidante

La invención del gasificador consiste en al menos dos zonas de oxidación distintas separadas por al menos una zona de reducción. En el gasificador, hay al menos una zona de oxidación que interactúa con una zona de desvolatilización denominada "OX-1", como se muestra en las Figuras 7-11. El oxidante se inyecta en etapas en OX-1. La inyección de primera etapa se produce corriente arriba de la zona de desvolatilización ED-1, denominada INJOX-1A, y la inyección de segunda etapa se produce cerca de la interfaz de ED-1 y OX-1 para la zona INJOX-1B.

El oxidante se precalienta en un intercambiador de calor externo a una temperatura que oscila entre 100 y 600 °C antes de su inyección. El oxidante caliente inyectado a través de INJOX-1A ayuda a precalentar uniformemente el lecho de combustible, transportando el producto desvolatilizado producido en ^e D-1 a la zona de oxidación y logrando la premezcla parcial del combustible y el oxidante antes del OX-1. En el caso de combustible de gran tamaño inyectado como el segundo combustible primario en la zona INJF-2, el producto desvolatilizado del espacio anular o la cámara formada alrededor del gasificador se inyecta en el gasificador con la ayuda de un oxidante o un gas portador inyectado desde la zona INJOX-1C, como se muestra en las Figuras 8 y 11. El sistema de combustible-oxidante o gas portador parcialmente premezclado de la sección anular se inyecta en el gasificador ED-1. El modo de inyección y el propósito de la inyección a través de INJOX-1A e INJOX-1C son similares.

La inyección de oxidante de INJOX-1B es para estabilizar la ubicación de la zona de oxidación y lograr una distribución uniforme en la zona de reacción. El oxidante se suministra desde el extremo de la zona de alimentación de combustible primario del gasificador y se inyecta en el punto de transición deseado entre ED-1 y OX-1 con la ayuda de múltiples lanzas sumergidas (en el lecho de combustible) o insertadas a lo largo del eje del gasificador, como se muestra en las Figuras 9 y 11. Esta geometría única y la aplicación de la lanza tienen como objetivo compartimentar las zonas de evaporación y desvolatilización para evitar el puenteo de los combustibles sólidos de forma compleja y mantener un flujo de combustible suave.

La lanza está hecha de dos tubos o conos que forman un espacio anular sellado para el flujo de oxidante hacia la zona de inyección INJOX-1B y que permite el flujo de sólidos a través de la sección central hueca. El oxidante fluye dentro del espacio anular de la lanza extendida hasta las zonas de inyección del oxidante. Esta disposición tiene por objeto proporcionar un área de superficie de transferencia de calor adecuada para calentar uniformemente el lecho de combustible a fin de restringir el área de la sección transversal de flujo de combustible en el caso de un gasificador de alto rendimiento de combustible que tenga un diámetro de carcasa exterior superior a 1,2192 metros (4 pies). Con el fin de aumentar la transferencia de calor en la zona de evaporación y desvolatilización, la combustión pobre del combustible auxiliar se logra dentro del espacio anular cerrado de la lanza. La superficie de la lanza calentada logra una transferencia de calor indirecta mientras que los gases de productos calientes ricos en oxidantes proporcionan una transferencia de calor directa. Las funciones de la lanza se resumen de la siguiente manera:

- Compartimentar la zona de evaporación y desvolatilización con la superficie exterior de la lanza provista para ayudar a un flujo de combustible suave y evitar el puenteo de combustible en el caso de combustibles sólidos.

- Proporcionar superficies de impacto calientes para inyectar combustibles húmedos.

- Proporcionar superficies de transferencia de calor adecuadas para la el calentamiento indirecto de zonas de evaporación y desvolatilización.

- Inyectar uniformemente el oxidante en la zona INJOX-1B que fluye a través de la sección anular.

- Proporcionar superficies vibratorias para accionar el flujo de combustible en el gasificador.

- Proporcionar superficie y fuente de soporte de oxidante a cámaras de combustión de micropulso (MPC - Micropulse Combustors) autoaspirantes operadas con combustibles auxiliares y utilizadas como encendedor de combustible y fuente de vibración.

La inyección de oxidante en las zonas OX-2 y OX-3 (y podría ser OX-3, OX-4, OX-n) intercalada con RD-1 y RD-2, respectivamente, como se muestra en las Figuras 9-11, están ubicadas en las zonas de extracción de residuos. El oxidante se inyecta a través de una lanza (B) similar a las ubicadas en ED-1 y OX-1 (Lanza A), excepto que los oxidantes se inyectan de modo que las zonas de oxidación y reducción se forman en superficies interiores y exteriores. La geometría (área de la sección transversal) de estas lanzas es tal que el flujo de masa gaseosa en el lecho logra la mayor energía química posible (por ejemplo, alta concentración de H², CO y CH⁴) en el gas de síntesis y gas de síntesis caliente formado dentro de la zona de reducción de lanza (RD-2) para aumentar el perfil de temperatura de la zona RD-1 mediante transferencia de calor directa, formando así un perfil de alta temperatura uniforme requerido para aumentar la velocidad de las reacciones endotérmicas. Además del uso de una lanza (B) como inyector de oxidante, el tubo de alta temperatura y las rejillas (G) se utilizan para lograr una distribución uniforme del oxidante en el lecho de reacción.

Las Figuras 9-11 no muestran la inyección del oxidante desde el borde de la lanza (B), que puede formar una zona de oxidación en su plano de salida; sin embargo, dicha inyección puede producir múltiples zonas de sándwich cuyo número será equivalente al número de lanzas en la sección inferior del reactor.

Con el fin de lograr el modo de operación de MR (ver definición de MR en la nomenclatura), el oxidante se inyecta desde la rejilla o placa distribuidora de manera que se logre la hidrodinámica deseada en el lecho (lecho fluidizado o lecho arrastrado). La vista expandida de la zona de MR se muestra en la Figura 10. La ubicación de las zonas de MR puede estar en ambos lados de las lanzas (B) y/o en el espacio interior de la lanza (B), como se desea en cualquier configuración del gasificador de la invención.

Como alternativa al sistema de inyección de lanza, se utiliza un sistema de rejilla fija o rejilla móvil, como se muestra en la Figura 7. El oxidante en tal sistema se inyecta desde la parte inferior de la rejilla, y la zona de oxidación se forma cerca de la inyección de los puertos por encima de la rejilla. Dicho gasificador es un ejemplo de una única zona en sándwich en la que el sistema de lanza de la zona OX-1 descrito anteriormente sigue siendo el mismo. Por lo tanto, la invención tiene una disposición para retroadaptar los hornos de rejilla antiguos con el procedimiento de gasificación en sándwich.

Zona de extracción

El gas de síntesis, el carbón y el residuo inerte se extraen de esta zona y están representados por SGX-n, CX-n y RX-n, respectivamente, donde "n" es el número de la zona que es 1 o mayor que 1.

La zona SGX se ubica en la zona de reducción y es una de las realizaciones principales de la invención. La extracción se produce bajo la condición de flujo creada por la presión diferencial negativa creada en la dirección del flujo en condiciones de alta y baja presión. La reducción de alquitrán en las zonas de carbón activa y caliente intercaladas entre zonas de oxidación caliente es uno de los principales beneficios de la extracción de la zona de reducción. Hay uno o varios puertos de extracción de tamaño uniforme y distribuidos simétricamente ubicados en la zona de reducción intercalados por dos zonas de oxidación distintas. En el caso de un gasificador con más de una zona de reducción, el gas de síntesis se extrae de una o múltiples zonas de extracción ubicadas claramente en las zonas respectivas. La ubicación y configuración de los puertos de extracción es tal que la fracción principal del gas de síntesis invierte la dirección de flujo. Dicha rectificación de flujo está destinada a minimizar el arrastre de partículas in situ en el gasificador.

En el caso de un gasificador de bajo rendimiento, el puerto SGX se encuentra en la pared interior del gasificador donde se encuentra la zona de reducción, como se muestra en la Figura 10.

La extracción de carbón (CX) y residuos inertes (RX) en la presente invención se produce a partir de dos zonas gasificadoras distintas, de modo que el material deseado se extrae a las velocidades requeridas. Los resultados se muestran en las Figuras 9--11. La intercalación de las zonas gasificadoras y la capacidad de inyectar diferentes oxidantes y tipos de combustible en estas zonas ayuda a crear condiciones favorables para la producción de carbón (carbono y residuos inorgánicos) que se pueden utilizar en sistemas integrados de limpieza de gas de síntesis y depuradores de fluidos. El carbón se extrae de forma intermitente o continua de la zona CX, se introduce en las zonas de limpieza integradas y se controla mediante el movimiento mecánico de la rejilla y/o el movimiento accionado por fuerza aerodinámico del material. El carbón gastado del sistema de limpieza se inyecta en el gasificador como combustible secundario, ya sea por separado en OX-1 o en las zonas INJF-1 y/o INJF-2, de modo que pasa a través de la zona de evaporación y desvolatilización antes de la zona OX-1, y la conversión se produce en el modo de operación normal del gasificador en sándwich.

El residuo inerte del gasificador se extrae de la zona RX de modo que la fracción de combustible en el material (principalmente carbono) está cerca de cero. Esto se logra porque el residuo pasa a través de la zona más caliente creada por la oxidación del carbón en una disposición de contraflujo. En la operación en estado estable, las velocidades de inyección de combustible y de extracción de residuos inertes se mantienen de modo que se logra el equilibrio de masa inerte en todo el gasificador.

La realización de la investigación permite un control preciso para lograr este equilibrio, ya que el tipo de oxidante y su velocidad de inyección en el modo de contraflujo se logran fácilmente. En el caso especial en que la reactividad del carbón sea baja como resultado de la composición fisicoquímica del combustible o se reduzca como resultado del tiempo de residencia y/o la temperatura, se puede lograr una alta oxidación de ER en la zona RX de modo que se logre una conversión completa. La inyección de OEA u oxígeno puro puede alcanzar la temperatura requerida en la zona de oxidación más cercana a la zona RX. Dependiendo de la temperatura de fusión de la ceniza, el procedimiento de extracción se adopta para la extracción de líquido sólido o fundido. Los productos gaseosos calientes de una zona de ER tan alta se inyectan en las zonas de reducción para aprovechar la transferencia de calor directa necesaria para promover la cinética en estas zonas aumentando la temperatura, como se describió anteriormente.

La realización incluye la activación de carbón mediante inyección escalonada de oxidantes en las zonas que interactúan con la zona RX. La extracción de residuos inertes se sustituye por la extracción de carbón activado y se conoce como zona ACRX (no se muestra en la figura). La extracción de carbón de la zona CX se combina o se mantiene por separado.

Con referencia ahora a la Figura 12, los resultados experimentales que representan perfiles de temperatura de lecho axial promediados en el tiempo obtenidos durante la gasificación autosostenida en modo de gasificación en sándwich se ilustran para los combustibles de alta humedad: (a) biomasa leñosa (pino); (b) carbón de la cuenca del río Powder (PRB); (c) carbón Illinois #6; y (d) desechos de pavo. Además, los resultados de la operación del gasificador en un modo de operación del gasificador de corriente descendente que no es de tipo sandwich o "típico" se ilustran en las Figuras 12(b) y (c) para su comparación. Como se muestra en la comparación, se observan picos característicos de alta temperatura para la operación del gasificador que no es del tipo sándwich en contraste con los perfiles de temperatura uniformes/planos para el gasificador de gasificación de tipo sándwich que pueden proporcionar un craqueo de alquitrán eficaz y evitar la formación de escoria localizada en el lecho móvil como se observa típicamente en las operaciones del gasificador de corriente descendente convencional.

Se aprecia que la zona de oxidación Ox-2 en el modo sándwich puede lograr una conversión de carbono completa a diferencia de los gasificadores de corriente descendente típicos que requieren la eliminación del carbono no convertido de la zona de reacción congelada a baja temperatura. Como tal, la conversión casi nula de carbono y alquitrán en el gasificador tipo sándwich mostró una gasificación de alta eficiencia de todos los combustibles de prueba. Por ejemplo, los residuos de pavo tenían más del 50 % de materia inerte (43 % de humedad y 13 % de productos inorgánicos) y, sin embargo, se logró una eficiencia de gasificación autosostenida en el gasificador tipo sándwich entre el 75 % y el 80 %, que fue mucho mayor que en el modo de gasificador de corriente descendente típico. De hecho, los experimentos en el modo de gasificador típico no mantuvieron la conversión debido al alto contenido inerte en los residuos de pavo.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento de gasificación en modo mixto para convertir combustible carbonáceo o una mezcla de material carbonáceo y no carbonáceo en gas de síntesis que comprende:

proporcionar un gasificador de configuración de puerto abierto o puerto cerrado que tiene una zona de inyección de combustible (INJF), al menos dos zonas de inyección de medio de gasificación diferentes, una zona de extracción de gas de síntesis y una zona de cenizas o zona de extracción de residuos, una zona de evaporación y desvolatilización (ED, 1), una primera zona de oxidación exotérmica (OX-1,2a), una segunda zona de oxidación exotérmica (OX-2, 2b) y una zona de reducción endotérmica (RD, 3) ubicadas directamente junto a e intercaladas entre la primera (OX-1,2a) y la segunda (OX-2, 2b) zonas de oxidación exotérmica,

la zona de evaporación y desvolatilización (ED, 1) ubicada corriente abajo de la zona de inyección de combustible (INJF) que interactúa con la primera zona de oxidación exotérmica (OX-1, 2a),

la primera zona de oxidación exotérmica (OX-1, 2a) ubicada en un lado del gasificador junto a la zona de inyección de combustible (INJF) y la zona de inyección de oxidante (INJOX) y corriente arriba de la zona de reducción endotérmica (RD, 3) que interactúa con la zona de reducción endotérmica (RD, 3),

la segunda zona de oxidación exotérmica (OX-2, 2b) ubicada en un lado del gasificador junto a la zona de extracción de cenizas o residuos (RX-1) y que tiene una temperatura superior a la primera zona de oxidación exotérmica (OX-1, 2a) y que interactúa con la zona de reducción endotérmica,

la zona de extracción de gas de síntesis (SGX) situada en la zona de reducción endotérmica (RD, 3); proporcionar al menos dos medios de gasificación diferentes;

alimentar por la fuerza un combustible primario por gravedad y/o mecánica y/o aerodinámicamente desde al menos un puerto ubicado en la parte superior del gasificador en un modo de inyección de arriba hacia abajo; inyectar un combustible secundario por gravedad y/o mecánica y/o aerodinámicamente desde el mismo puerto utilizado para la inyección primaria de combustible y/o un puerto diferente en la zona de evaporación y desvolatilización (ED, 1);

desvolatilizar las múltiples corrientes de combustible en la zona de evaporación y desvolatilización (ED) para formar un carbón;

oxidar una pequeña fracción del carbón en la primera zona de oxidación (OX-1);

proporcionar una porción del carbón a la segunda zona de oxidación exotérmica (OX-2);

precalentar el medio de gasificación separado en un intercambiador de calor externo a una temperatura que varía de 100 a 600 °C e inyectar el medio de gasificación en una inyección de primera etapa corriente arriba de la zona de evaporación y desvolatilización (ED) y en una inyección de segunda etapa cerca de la interfaz de la zona de evaporación y desvolatilización (ED) y la primera zona de oxidación exotérmica (OX-1. 2a);

extraer gas de síntesis de la zona de reducción endotérmica (RD);

proporcionar uno de los al menos dos medios de gasificación separados a la segunda zona de oxidación exotérmica (OX-2, 2b) para oxidar el carbón;

retirar cenizas residuales en la parte corriente abajo de la segunda zona de oxidación exotérmica (OX-2, 2b) con la ayuda de un sistema de eliminación de cenizas secas o húmedas; retirar una fracción de cenizas arrastradas con la ayuda de un ciclón o sistema de filtro de partículas proporcionado en la trayectoria del gas de síntesis; donde los gases calientes de la primera y la segunda zona de oxidación exotérmica se dirigen hacia la zona de reducción endotérmica (RD).

2. El procedimiento de la reivindicación 1, donde la segunda zona de oxidación exotérmica (OX-2, 2b) es una zona de oxidación de carbón alimentada por la oxidación del carbón, donde la oxidación del carbón aumenta la temperatura de la segunda zona de oxidación exotérmica (OX-2, 2b) para lograr una composición de gas de equilibrio cercano.

3. El procedimiento de la reivindicación 2, donde hay una conversión de carbono completa del combustible durante el procedimiento de gasificación en modo mixto.

4. El procedimiento de la reivindicación 2, donde las cenizas fundidas o sólidas se recuperan corriente abajo de la zona de oxidación del carbón.

5. El procedimiento de la reivindicación 1, donde combustibles de gran tamaño se alimentan a un espacio o cámara anular calentada alrededor del gasificador, de modo que la desvolatilización del combustible se produce en esta zona y los productos desvolatilizados se inyectan en el gasificador para su conversión adicional junto con el combustible primario y/o el carbón residual formado en la cámara anular inyectada en el gasificador.

6. El procedimiento de la reivindicación 5, donde el combustible de gran tamaño comprende neumáticos enteros de automóvil.