MX2014001299A - Horno de arco de plasma y aplicaciones. - Google Patents
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Abstract
Un reformador de arco de plasma para crear un combustible útil, tal como metanol, usando cualquiera de metano, residuos sólidos municipales, residuos forestales o agrícolas, roca de carbón o carbonizada de la producción de esquisto bituminoso, hidrocarburos petroquímicos, (cualquier carbono que contiene carga), agua y/o aguas residuales municipales, como el material fuente. Un arco de plasma a alta temperatura despolimeriza el material fuente en átomos que tras un enfriamiento parcial crea una corriente de gas rica en CO y H2 (gas de síntesis) . Las etapas posteriores de filtro molecular y catalizador en el sistema retiran los contaminantes y producen el combustible de salida. El sistema es de circuito cerrado respecto de la producción de gas de síntesis en que recicla el gas residual no convertido e incluso los gases de escape. La gran cantidad de calor producida se captura y convierte en energía eléctrica usando un ciclo Rankin CO2 supercrítico que provoca rendimientos potencialmente altos.
Description
HORNO DE ARCO DE PLASMA Y APLICACIONES
REFERENCIAS CRUZADAS A SOLICITUDES RELACIONADAS
La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional estadounidense número de serie 61/515,048 (Photovoltaic Cell Substrate Wafer and Basalt Plasma Are Furnace) que se presentó el 4 de agosto de 2011, y se incorpora a la presente mediante esta referencia. Asimismo, esta solicitud también reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional estadounidense número de serie 61/659,124 (Plasma Are Furnace and Applications), presentada el 13 de junio de 2012, e incorporada a la presente mediante esta referencia.
ANTECEDENTES
La invención se refiere al área de hornos de arco de plasma para la creación de gases sintéticos. Asimismo, esta invención usa el proceso químico de convertir uno o más de los gases sintéticos en metanol con el uso de catalizadores. También, esta invención se refiere al área de generación de electricidad a partir de calor residual. Además, esta invención se refiere a la eliminación de residuos municipales en forma de aguas residuales y/o cualquier material que
contiene carbono que incluye pre o post material de relleno de tierra.
El uso de hornos de arco de plasma para la creación de gas de síntesis (CO y ¾) es una tecnología que se encuentra típicamente en grandes instalaciones que ocupan acres de tierra con costos de capital de varias decenas a cientos de millones de dólares. Estos costos y tamaños físicos se definen según los componentes del sistema elegidos. Estos, en cambio, se basan en los costos de energía eléctrica, método de recuperación del calor residual, proceso de limpieza de gas y valor del producto final . El horno de arco de plasma típico emplea aire como un gas de proceso que se calienta eléctricamente en un soplete de arco de plasma para elevar el material en el recipiente del horno hasta temperaturas de despolimerización de alrededor de 750-1400 grados C. El uso de aire introduce nitrógeno al ambiente de temperatura alta del horno produciendo óxidos nitrosos y metálicos en la corriente de residuos. Si hay descarga, esta poluciona el aire del ambiente local.
El problema del procesamiento de aguas residuales municipales es una tarea abrumadora para las municipalidades. Actualmente
se neutralizan biológicamente los residuos en varias etapas. Esto incluye normalmente un biorreactor donde se utilizan bacterias para consumir y convertir los nutrientes más simples así como también destruir patógenos. Los residuos se separan en varios tanques de decantación. El resultado final de una planta de procesamiento de aguas residuales es típicamente en forma de tres productos. El primero es un agua pura teóricamente casi bebible, el segundo es un lodo concentrado y el tercero es un abono nitro humus despachado para envasarlo y venderlo a viveros y jardinería.
Las mejoras al estado actual de la técnica de sistemas de horno de arco de plasma serían útiles, en particular cuando se mitigan uno o más de los problemas identificados anteriormente.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN
Se presenta un sistema reformador de arco de plasma que produce combustible de salida, tal como metanol como una opción de producto, de forma limpia y eficaz. El carbono y el agua para el metanol pueden provenir de diversas fuentes diferentes, cada una de las cuales se describirán brevemente a continuación. La primera es usar cualquier gas de
hidrocarburo, tal como gas metano, por ejemplo, como fuente de carbono y agua destilada para el oxígeno (ambos proporcionan hidrógeno) . Se desarrolló el calentamiento de metano con esta tecnología, al igual que la inyección de agua en pos de la reforma por vapor o una reacción de reforma de vapor pero esta invención agrega maneras eficaces de recuperar la gran cantidad de calor residual que se genera en el proceso. La segunda es usar residuos sólidos municipales como fuente adicional de carbono. La tercera es usar residuos municipales o aguas residuales municipales como fuente de agua. Cada una de estas requieren modificaciones en el sistema para manejar los otros materiales presentes (considerados contaminantes) .
El sistema que se discute en la presente es favorecido principalmente por el uso de metano como el gas de proceso en vez de aire. Las propiedades eléctricas del metano son muy parecidas al aire y pueden usarse en el soplete de arco de plasma. La combinación de Metano (CH4) , y agua (H20) , permite una mezcla estequiométrica altamente controlada de 2H2 + CO a producirse. Mediante el uso de metano en vez de aire, hay poco nitrógeno o nada disponible para el ambiente de horno para producir contaminantes basados en nitrógeno.
Al utilizar de tecnología de recuperación del calor residual híbrida de C02 (SC02) supercrítico (por ej . , véase la solicitud provisional estadounidense 61/636,236), se recupera un alto porcentaje del calor residual como electricidad para hacer funcionar el sistema. Esto mejora el rendimiento y disminuye el costo al reducir el gasto de energía eléctrica. Esta mejora se logra al emplear intercambiadores de calor en varios lugares del sistema, tales como, por ejemplo, en la superficie del recipiente del horno, los conductos de alta temperatura, los precipitadores de partículas y la unidad de reducción de temperatura de gas de proceso antes de la introducción de gas al filtro molecular de carbonilo y luego el siguiente antes del reactor catalizador de reforma.
Por lo tanto, se proporciona un método para convertir un combustible fuente en un combustible de salida usando un reformador, dicho método comprende los pasos de:
ingresar un combustible fuente en el reformador;
ingresar agua en el reformador;
proporcionar una o más fuentes de calor en el reformador para descomponer dicho combustible fuente y agua en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos;
convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes del agua y el combustible fuente y/o las combinaciones de estos en dicho combustible de salida usando uno o más catalizadores; y
retirar dicho combustible de salida del reformador.
También se proporciona un método para convertir un combustible de entrada con base de carbono en un combustible de salida deseado usando un reformador, dicho método comprende los pasos de:
ingresar el combustible de entrada con base de carbono en el reformador;
proporcionar una o más fuentes de calor en el reformador para descomponer dicho combustible de entrada en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos;
comprimir dichos uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos para ingresar a un subsistema catalizador;
convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes del agua y el combustible fuente y/o las combinaciones de estos en dicho combustible de salida usando uno o más catalizadores;
retirar contaminantes de dicho combustible de salida:
recircular al menos un subconjunto de dichos contaminantes retirados de dicho combustible de salida nuevamente en dicho subsistema catalizador; y
retirar dicho combustible de salida del reformador.
Además se proporciona un reformador para convertir un combustible fuente en un combustible de salida, que comprende: una entrada para recibir el combustible fuente; una entrada para recibir agua; una fuente de calor para descomponer dicho combustible fuente y agua en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos para colocar en un flujo; un intercambiador de calor para extraer calor residual de dicho flujo; un motor para convertir dicho calor residual en energía útil; un compresor para comprimir dicho flujo recibido de dicho intercambiador de calor; uno o más tanques catalizadores que incluyen al menos un catalizador para recibir el flujo comprimido de dicho compresor para convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos en dicho combustible de salida; y una interfaz de salida para retirar dicho combustible de salida.
Además se proporciona un reformador para convertir un combustible fuente en un combustible de salida, que comprende: una entrada para recibir el combustible fuente; una fuente de calor para descomponer dicho combustible fuente en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos para colocar en un flujo; un intercambiador de calor para extraer calor residual de dicho flujo; un motor para convertir dicho calor residual en energía útil; un lecho de filtración para retirar contaminantes que envenenan el catalizador de dicho flujo; uno o más tanques de catalizadores que incluyen al menos un catalizador para recibir el flujo comprimido de dicho compresor para convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos en un flujo de combustible de salida; un subsistema de remoción de contaminantes para retirar contaminantes de dicho flujo de combustible de salida para recircular al menos una parte de dichos contaminantes nuevamente a dichos tanques de catalizadores; y una interfaz de salida para retirar dicho combustible de salida.
También se proporcionan ejemplos de modalidades adicionales, algunos, aunque no todos, se describen más adelante en la presente más detalladamente.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para una comprensión completa de la naturaleza de la presente invención, debe hacerse referencia a la siguiente descripción detallada junto con las figuras adjuntas.
La Fig. 1 muestra un diagrama en bloque del sistema básico que crea metanol a partir de una mezcla de metano/agua, con las ubicaciones principales para recuperar calor residual;
La Fig. 2 muestra las modificaciones al sistema básico cuando los residuos sólidos municipales se usan como fuente de carbono adicional o las aguas residuales municipales se usan como fuente de agua;
La Fig. 3 muestra el diagrama de bloque del sistema de recuperación del calor residual de desecho de C02 supercrítico que se usa en varios lugares en sistemas mencionados anteriormente; y
La Fig. 4 es una serie de cuadros que muestra ejemplos de rendimientos de sistemas.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS EJEMPLOS DE MODALIDADES
Se proporciona un sistema reformador de arco de plasma para crear un combustible útil, tal como metanol, usando cualquiera de metano, residuos sólidos municipales, residuos de agrícolas o forestales, roca de carbón o carbonizada de la producción de esquisto bituminoso, hidrocarburos petroquímicos , (cualquier carbono que contiene carga), agua y/o aguas residuales municipales, como el material fuente. Un arco de plasma de temperatura elevada despolimeriza el material fuente en átomos que, tras enfriamiento parcial, crea una corriente de gas rica en CO y ¾ (gas de síntesis) . Las etapas posteriores de filtro molecular y catalizador en el sistema retiran los contaminantes y producen el combustible de salida. El sistema es de circuito cerrado respecto de la producción de gas de síntesis en que recicla el gas residual no convertido e incluso los gases de escape. La gran cantidad de calor producida se captura y convierte en energía eléctrica usando un ciclo Rankin C02 supercrítico que provoca rendimientos potencialmente altos .
El sistema reformador es capaz de producir metanol que, además de utilizarse como combustible portable, reduce o elimina la polución del aire atmosférico y también incluye mejoras al sistema de recuperación del calor residual. Estas mejoras reducen el tamaño y costo del sistema. También se presenta una arquitectura y proceso para la despolimerización de aguas residuales y/o residuos sólidos municipales para crear gas de síntesis y finalmente hidrocarburos catalizados mejorados un ejemplo de lo cual es metano o metanol.
Los componentes útiles para lograr estos rasgos se describen en la solicitud provisional estadounidense 61/636,236 (Improved Performance of a Transcritical or Supercritical C02 Rankin Cycle Engine) que se presentó el 20 de marzo de 2012, y se incorpora a la presente mediante esta referencia, que describe un motor útil para la recuperación de calor, y el material en la solicitud de patente estadounidense 13/074,510 (Oscillating Pistón Engine) que se presentó el 29 de marzo de 2011, también incorporada mediante esta referencia, y solicitud provisional estadounidense 61/625,940 presentada el 18 de abril de 2012, que describe un motor poligonal oscilante, también incorporado mediante esta referencia, que describe otros diseños de motores que pueden ser útiles a
efectos de la recuperación de calor tal como se proporciona en la presente.
PRIMER EJEMPLO DE CONFIGURACIÓN
La Fig. 1 muestra los elementos principales del sistema básico para crear metanol a partir de metano y agua. El elemento de trabajo principal es un soplete de plasma 3 donde el gas operante metano se introduce en la entrada 1 a alta presión y donde el agua 2 se mezcla corriente abajo. La salida 4 contiene una mezcla de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno a una temperatura muy alta (>750 grados C) . Esta combinación se enfría en un intercambiador de calor 6 donde el fluido refrigerante tal como aceite polioléster para un sistema de transporte de calor no presurizado o incluso agua a presión A circula hasta un sistema de recuperación de calor descrito más adelante. El fluido en la salida 8 es ahora una mezcla de monóxido de carbono (CO) y gas de hidrógeno (H2) (gas sintético o gas de síntesis) con una pequeña cantidad de dióxido de carbono (C02) . Este material es comprimido por el compresor 17 antes de proporcionarlo al colector 20. Los gases en la entrada del colector 18 están a aproximadamente 200-250 grados C requerido por los próximos convertidores 22. Esta temperatura se establece al controlar la velocidad de
flujo del fluido refrigerante A en el intercambiador de calor 6. A esta altura el diseñador puede elegir incluir un compresor o compresores de alto volumen, antes de los catalizadores. En esta arquitectura la temperatura de producto de gas de síntesis se reduce a la temperatura de descarga mínima del sistema de recuperación del calor residual, siendo aproximadamente de 35 C. Luego al usar el compresor mencionado, la temperatura aumenta hasta la temperatura de entrada de los catalizadores. Esto sería luego de que la temperatura baje en el intercambiador de calor, para permitir que la sección de horno funcione a presión ambiente o por debajo de esta antes de los catalizadores, que ganan rendimiento a altas presiones. Esto puede proporcionar una mejora significativa al funcionamiento del sistema como la libertad de tener la sección caliente funcionando a presiones que permitan cierres simples y económicos de vermiculita como un ejemplo son más fáciles de proporcionar al circuito de gas que procesa gas de síntesis.
El diseño incluye el colector 20 que divide el flujo y lo dirige hacia elementos del circuito de desviación en serie (la serie de catalizadores funciona en un circuito en serie, el tanque que se cambiará para mantenimiento se instala en un
colector, que permite la conmutación en paralelo o desviación, de modo de aislar ese tanque o cualquier tanque individual) para columnas de catalizador separadas 22. Cada recipiente catalizador puede retirarse individualmente del circuito de gas colector para mantenimiento (tal como intercambio de catalizadores) mientras que el resto del sistema continúa produciendo producto. La reacción en el tanque de catalizador es exotérmica y funciona solo en un intervalo de temperatura muy pequeño. Por lo tanto cada tanque tiene su propio sistema de intercambio térmico, y el fluido refrigerante (aceite mineral o polioléster como ejemplo o agua presurizada) B circula hacia un segundo sistema de recuperación de calor. Este sistema de recuperación de calor es independiente del sistema que usa fluido A debido a las bastante grandes diferencias de temperatura, lo que permite la optimización local de los sistemas de recuperación de calor. La columna de catalizador 22 se describe en más detalle más adelante.
Un colector (tal como un solo tubo que suministra gas de síntesis al compresor) 21 reúne la salida de cada una de las columnas de catalizador mediante un solo tubo de salida. Este colector de salida contiene ahora metanol gaseoso o
vaporizado, algo de gas de síntesis no convertido y gotitas de suspensión de aceite que contiene las partículas de catalizador. Esta salida se dirige 24 a un separador de ciclones 25 . El ciclón separa la mayoría de las partículas de los gases. Las partículas (gotitas de aceite y partículas de catalizador) salen del fondo 28 y regresan al colector de entrada 20 . Los gases pasan a través de 26 hacia un condensador 27 . Este condensador separa cualquier vapor de aceite restante del metanol y gas de síntesis y baja la temperatura hasta aproximadamente 70 grados C (el metanol es aun un gas) , luego de lo cual la salida 28 se condensa por el compresor 23 . El aceite condensado regresa a la suspensión de catalizador en las columnas de catalizador 22 mediante el compresor 23 al colector de entrada 20 para volver a usar/procesar.
La salida del condensador 27 es principalmente metanol (-96%) , pero contiene algo de gas de síntesis y algunos compuestos de mayor peso de carbono, hidrógeno y oxígeno. Esta mezcla se envía a través de la salida 30 a una columna de refinería de metano 32 que separa el producto de metanol final de la salida 34 de los otros gases generalmente mediante condensación a o por debajo de 67 grados
centígrados. El gas de síntesis mediante la salida 35 vuelve al sistema mediante el colector de entrada 20 para volver a usar/procesar . El diseñador tiene la opción a esta altura, en el circuito de gas, de dirigir todos los productos de gas no condensado a un sistema generador. Los productos de mayor peso se proporcionan mediante la salida 36 y regresan al sistema a través de la entrada de agua 2 para descomponerse y pasar a través del sistema nuevamente.
SEGUNDO EJEMPLO DE CONFIGURACIÓN
La Fig. 2 muestra algunos cambios deseados al sistema básico descrito anteriormente cuando se usa para la eliminación de residuos sólidos municipales o aguas residuales municipales. En este ejemplo de variación, los cambios se proporcionan principalmente en la parte frontal y anterior al colector 20 que lleva a las columnas de catalizador. Para el caso del manejo de residuos sólidos municipales, el producto base (residuos sólidos picados) se suministra a través de la entrada 5 a un horno de arco de plasma más clásico 9. Esta fuente de carbono cambia la velocidad de flujo del metano en la entrada 1 y agua en la entrada 2 de modo que se produzca de todos modos una mezcla estequiométrica en la salida del
horno 10. La escoria de los residuos municipales se recoge en el fondo del horno y se extrae mediante la salida 7.
Para el caso alternativo del manejo de aguas residuales municipales, el producto base es ahora líquido, siendo el agua su componente principal. Esto requiere una cantidad deseada diferente de metano para proporcionar desde la entrada 1 y cantidad diferente de agua desde la entrada 2 (en caso de que haya, ya que toda el agua puede estar en las aguas residuales) y una mezcla diferente de elementos en la salida de escoria 7. Pero se establecen las relaciones de gas de suministro (agua y metano) para producir una mezcla estequimétrica lo más cerca posible de la salida del horno 10. Para las aguas residuales la relación es CH4+H2O = CO+3H2, siendo el carbono de materiales orgánicos una fracción muy pequeña, pero el carbono se representaría al disminuir el CH4. Para los residuos sólidos municipales, residuos forestales o agrícolas, existe una aproximación de la carga de entrada al usar celulosa como ejemplo de producto base, que es C6Hi0O5. Esto también puede considerarse como (6C+5H20) +8CH4+9H20 =14CO+58H+140. Los átomos de oxígeno e hidrógeno tenderán luego a combinarse para formar 702 y 29H2. Debido a que la relación de entrada de gas de síntesis balanceado a
metanol (que es CH3OH) sería CO+4H o CO+2H2 tendríamos los precursores de 13 CH3OH + 6H. El hidrógeno extra sería el combustible principal para la opción de generador posterior.
La salida de vapor 10 del horno de arco 9 en la Fig. 2 será típicamente diferente de la salida de vapor 4 del soplete de plasma de la modalidad de la Fig. 1 debido al material que se encuentra en el producto base en el horno. En el caso de estos ejemplos de procesamiento de residuos, algunos de estos elementos podrían envenenar el catalizador en las columnas 22 de modo que es deseable incluir un lecho de filtración de catalizador que actúe como filtro molecular 14 a efectos de retirar de la corriente cualesquiera elementos que puedan envenenar el catalizador en 22. La temperatura que se proporciona en este nuevo lecho de filtración 14 debería ser inferior que la salida de separador 10 para acomodar los metales usados en el recipiente de contención del filtro molecular, esto se encuentra típicamente en el intervalo de 500C pero superior que la temperatura en el colector 20. Por lo tanto, se proporcionan dos intercambiadores de calor 11 y 16 agregados de la Fig. 2 que son diferentes del intercambiador de calor 6 de la Fig. 1 en que los fluidos refrigerantes C y D están a diferentes temperaturas que el
fluido refrigerante A. Ejemplos de fluidos refrigerantes aceptables incluyen aceite polioléster, que tiene la temperatura de funcionamiento más alta para aceite, el aceite mineral es bueno hasta 350C, y uno podría incluso usar metales líquidos tales como mercurio, el agua a presión también funcionaría. Asimismo, el compresor 17 ingresa ahora el flujo desde el filtro 14 salida 15, y retira la corriente comprimida hacia el intercambiador de calor 16. La entrada de gases en línea 12 es la misma que para los gases en la salida 10 solo a una temperatura menor y pueden contener venenos de los catalizadores tales como azufre, arsénico y/o corina. Los gases en la salida 15 del lecho de filtración 14 son componentes principales de gas de síntesis (C0 y H2) debido a que el lecho de filtración de catalizadores retiró todo el veneno 14.
La entrada al colector de catalizador 20 a través de la entrada 18 en la Fig. 2 se proporciona típicamente a la misma temperatura que a través de la entrada 18 en la Fig. 1. Por lo tanto, el resto del sistema funciona igual que tal como se describe anteriormente respecto de la Fig. 1.
SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE CALOR
La Fig. 3 muestra los elementos de un sistema de recuperación de calor que pueden usarse con los ejemplos de hornos. Un ejemplo de dicho sistema se describe en la solicitud provisional es adounidense 61/636,236 (Improved Performance of a Transcritical or Supercritical C02 Rankin Cycle Engine) que se presentó el 20 de marzo de 2012 y se incorpora a la presente mediante esta referencia. El sistema tiene un compresor 41 que comprime C02 supercrítico a partir de una presión por encima de la presión crítica (>74 bar) a una presión de -200 bar (o menor) . El C02 fluye a través de un dispositivo de control de presión/flujo 47 que regula la velocidad de flujo, luego a través de un intercambiador de calor opcional 48 usado para calor de baja temperatura (que podría provenir del condensador 27 en la Fig. 1, por ejemplo) . Un elemento clave del sistema de recuperación de calor es el intercambiador de calor interno 45 que mueve el calor desde un lugar con presión baja y temperatura alta al lugar con presión alta y temperatura baja. Luego el C02 supercrítico ingresa al calentador principal 46, y a este calentador se le suministra flujo de calor A o B en la Fig. 1, o flujo de calor B, C o D en la Fig. 2. Esto aumenta la temperatura del C02 supercrítico a -450 grados C para el caso
del flujo de A o C, y a -250 grados C para el caso del flujo de B o D.
Se usa un intercanibiador de calor 46 para calentar CO2. El CO2 calentado ingresa luego al extensor 42 que hace funcionar un alternador de imanes permanente 43 y convierte la energía térmica en energía eléctrica. Esta energía eléctrica se usa para complementar la energía requerida por la serie de sopletes de arco de plasma y por ende aumenta el rendimiento general de la producción de metanol . El CO2 de presión inferior completa luego el ciclo al pasar a través del intercambiador de calor interno 45 y un enfriador 44 antes de llegar nuevamente al compresor 41.
El rendimiento del sistema de recuperación de calor depende de las elecciones específicas de presión y temperatura. Para los intercambiadores de calor de temperatura inferior, el rendimiento puede ser -25% y para los intercambiadores de calor de temperatura superior, el rendimiento puede exceder 40%. El ejemplo validado usa el rendimiento del compresor y expansor de 80% y 85% respectivamente. Debido a la opción de operación de estos dos componentes en el ejemplo de sistema que usa aceite como lubricante y cierre, el rendimiento
podría ser de alrededor de 92% cada uno. La Fig. 4 muestra cuadros de ejemplos de dichos rendimientos en comparación con presiones laterales bajas del sistema.
HORNO DE ARCO DE PLASMA
En un sistema de ejemplo básico, el horno de arco de plasma está hecho principalmente de sopletes de arco de plasma en unaserie(no hay escoria) . Se puede utilizar calentamiento con soplete de arco eléctrico o calentamiento con soplete de plasma acoplado a inducción. Todos los sopletes de arco de plasma se alimentan con gas metano de alta presión (CH4) dando como resultado una llama de aproximadamente 5500 grados C compuesta por iones de carbono e hidrógeno. Corriente abajo de la sección de generador de plasma, se inyecta agua (¾0) que se descompone inmediatamente en iones de oxígeno e hidrógeno. El flujo de gas y agua se establece para dar una mezcla casi estequiométrica de ion de carbono para un ion de oxígeno y cuatro o más iones de hidrógeno a una temperatura de aproximadamente 750-1400 grados C. Gran parte de la reducción de calor proviene de la expansión de los gases, pero las paredes de la cámara también se enfrían, y el líquido enfriado se usa para conducir el sistema de
recuperación del calor residual descrito a continuación. La mezcla de gas resultante es principalmente CO y H2 con una pequeña cantidad de C02.
Para la solicitud de ejemplo se usan residuos de sólidos municipales como una fuente adicional de carbono, la arquitectura del horno es un cilindro vertical aislado revestido con ladrillos refractarios con una parte superior abierta y un extremo inferior y con una serie de sopletes alrededor de su sección inferior. Se calienta metano y agua con el soplete de plasma a medida que entran al recipiente del horno. Allí, el carbono que contiene carga se calienta a una temperatura muy alta a la que se descompone en sus átomos integrantes. La mezcla volumétrica de metano, agua y residuos sólidos municipales se establece para producir la mezcla de gases H2 y CO gas estequiométrica . Este proceso también tiene otra especie atómica presente de los residuos . Algunos de estos aparecen como escoria que se acumula en el fondo del horno. Otros permanecen gaseosos y se separan en una etapa posterior en el sistema.
En el caso de aguas residuales municipales, una desviación de la práctica convencional que implica hornos de arco de plasma
es el hecho de que no hay una necesidad real de un gran recipiente de horno. En cambio, el sistema descrito en la presente puede estar hecho de otros sistemas convencionales más pequeños, de modo que exista una serie de boquillas de soplete y no el cilindro vertical grande más convencional. La diferencia principal de otros ejemplos proporcionados anteriormente está en la proporción de materiales usados para mantener la mezcla estequiometrica de gas de síntesis y en la cantidad de productos de escoria recolectados .
En cada caso, la modalidad preferida es para que el revestimiento del horno esté hecho de acero o níquel a alta temperatura que contiene una aleación tal como aceros inoxidables o Inconel , revestido con una capa de ladrillos refractarios dentro y con tubos de enfriamiento unidos a la pared externa del recipiente del horno. Esto seguirá con un segundo caso que se mantuvo fuera de la cubierta interna con rebordes entre la cubierta interna y externa para actuar como mufla de aislamiento o retención de calor. Los tubos de enfriamiento unidos a la cubierta interna, funcionan para capturar el calor residual del horno y transportarlo mediante petróleo de flujo bombeado al sistema de recuperación de calor .
SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE CALOR
El gas de síntesis calentado se puede reciclar a través de un intercambiador de calor como parte del motor de ciclo rankin de expansión de C02 supercrítico (véase solicitud serie # 13/074,510, incorporada a la presente mediante esta referencia) , para capturar y convertir calor residual en electricidad para complementar el suministro de energía primaria. Cada paso en la reducción de calor es una ubicación potencial para el sistema de recuperación del calor residual del motor de ciclo Rankin de dióxido de carbono supercrítico. De esta forma, una gran fracción del calor residual se convierte en energía eléctrica para hacer funcionar el sistema y mejorar su eficacia. De manera alternativa, se puede modelar un motor de recuperación luego de un motor poligonal tal como se describe en la solicitud provisional estadounidense número de serie 61/625,940, incorporada a la presente mediante esta referencia.
El efecto del sistema de recuperación de calor es mejorar la eficacia del sistema global y también reducir el tamaño de la
planta de reforma con relación a una refinería convencionalo sistema de horno de arco de plasma.
CATALIZADOR DE CREACION DE METANOL
La modalidad de ejemplo preferida del catalizador fue desarrollado en otro lugar y demostrado en 2004 por Air Products and Chemicals, Inc. junto con Eastman Chemical Company donde demostraron exitosamente un proceso de producción de metanol de fase líquida. Dichos catalizadores pueden incluir óxido de cobre, óxido de zinc y/u óxido de níquel, o hasta de cobalto y/o manganeso. La corriente de gas balanceada estequiométrica se bombea normalmente bajo presión en un recipiente de reactor donde se mezcla con una suspensión de catalizador y se convierte en vapor de metanol. La suspensión de catalizador comprende normalmente óxidos de cobre y zinc suspendidos en aceite mineral .
La reacción es exotérmica y típicamente se mantendrá entre 215 y 270 grados C. En esta situación la conversión de gas de síntesis en metanol libera calor y, si no se enfría, llevaría a que la temperatura del catalizador suba hasta que termine el proceso de conversión. El calor se retira por tubos
intercambiadores de calor en el reactor y es otra fuente de calor para el sistema de recuperación del calor residual. La temperatura se controla por la velocidad del fluido refrigerante (aceite) que fluye en los reactores. El proceso de conversión produce más que 96% de metanol .
Del reactor sale una mezcla de metanol, gas de síntesis no convertido, exceso de hidrógeno, y algo de una suspensión que contiene catalizador. Este se separa posteriormente en un separador de ciclona y la suspensión se vuelve al reactor de catalizador y los gases que llevan a un procesamiento adicional .
Luego de que el gas de síntesis convertido y no convertido deja el separador de ciclona, es un gas que se encuentra a una temperatura elevada. La temperatura se reduce en un condensador pero se mantiene por encimade la temperatura de condensación del metanol. En el caso del metanol, la temperatura es alrededor de 65 grados C. De esta forma los productos reactivos más pesados se separan y devuelven al horno de arco de plasma o se dirigen a un generador de energía eléctrica.
FILTRO DE LECHOS DE PROTECCIÓN
Se proporciona una cantidad significativa de esfuerzo para retirar las sustancias tóxicas del catalizador en la corriente de gas de los residuos sólidos municipales o las aguas residuales municipales. Existen depuradores para tratar este tema por lo que se puede utilizar tecnología estándar. Estos depuradores pueden operar a temperaturas intermedias entre la salida del horno de arco de plasma y la entrada al metanol que produce catalizadores, y las temperaturas de funcionamiento por lo general se determinan con los materiales usados para hacer el recipiente de contención, típicamente a 480 2C o más se usa acero y la temperatura de entrada típica del gas de síntesis es 500 2C.
Los intercambiadores de calor se usan para reducir la temperatura del gas del horno a una temperatura aceptable del filtro molecular de lecho de protección (que es típicamente -500 grados C) . El filtro de lecho de protección es similar a un catalizador pero en vez de crear un compuesto deseado, su fin es reaccionar con, captar y retirar un contaminante que pueda luego en el sistema neutralizar el material catalizador de metanol.Un ejemplo de composición de este filtro sería el
óxido de manganeso dispersado en una matriz de carbón activada aunque hay otras alternativas. Este filtro también absorbería las cantidades traza de arsénico, azufre y/o cloro que puede haber en los productos base.
Luego del filtro de lecho de protección, se proporcionará típicamente otro intercambiador de calor para reducir el gas de síntesis a la temperatura de aceptación del compresor luego convertidor de catalizador. Esta temperatura de aceptación depende del catalizador pero para los reactores de catalizador de fase líquida más pequeños diseñador para producir metanol, la temperatura de entrada sería 235 ±15 grados C .
OTROS ELEMENTOS
Hay un separador de ciclona de partículas que se usa para retirar las partículas y algunas gotas de aceite que se llevan fuera de las columnas del catalizador de metanol. Este separador también podría tener tubos de transferencia de calor colocados en las paredes para hacerlo un intercambiador de calor también. El separador de ciclona atrapará la mayoría de las gotas de aceite pero algo de vapor de aceite pasará.
El separador de ciclona funciona con un gas con partículas introducidasen el lado inferior y extraídasen la parte superior. El gas se mueve en un vórtex tipo tornado al moverse desde el fondo hacia arriba. Las partículas más pesadas se lanzan fuera hacia la pared. La fricción por contacto con la pared reduce el impulso de la partícula y la gravedad lo lleva hacia el fondo donde se ubica una trampa de colector. La salida de gas está en la parte superior central. En un ejemplo de modalidad, los tubos soldados se proporcionan en la parte exterior y se proporciona una capa de desviación separada para retirar primero el calor en un cono de metal de la cubierta y segundo para atrapar calor en el espacio aéreo entre la pared interna y externa.
Luego de la ciclona, hay un condensador que reduce la temperatura hasta justo por encima de la temperatura del líquido de metanol (que depende de la presión exacta en el sistema en esta etapa) . Este condensador retirará todas las moléculas pesadas y el vapor de aceite restante.
La etapa final es una refinería de metanol. Esta etapa es para limpiar el metanol hasta obtener una pureza deseada por el cliente. Esta refinería devolverá cualquier gas de
síntesis que todavía esté sin convertir al ciclo de catalizador o la entrada del generador y cualquier producto no de metanol más pesado al horno para ser reciclado.
PRODUCTOS Y USOS ALTERNATIVOS
La elección del catalizador determinará el producto de hidrocarburo producido. Se puede producir según se desee metanol, etanol, metanol, o hidrocarburos poliaromáticos tales como olefinas aunque los ejemplos proporcionados en la presente se enfocan en la producción de metanol. Pero muchos de estos u otros combustibles de hidrocarburo se pueden usar para ejecutar los generadores de energía primaria del sistema. Además, el gas de síntesis producido se podría suministrar al motor del generador si se construye así. Por lo tanto, no es importante cuál es la fuente para la energía primaria para ejecutar el arco de plasma y las bombas necesarias .
El producto primario de los sistemas de ejemplo proporcionados en la presente es metanol, que es uno de los combustibles líquidos más limpios. Si se ejecutan grandes generadores en este combustible, solo se generan C02, ¾Oy
nitrógeno del aire que es neutro para el proceso como los gases de escape del generador. Si el producto deseado también es C02, este gas de escape se puede enfriar y comprimir, el vapor de agua se retira y recicla y el C02 se comprime y condensa en su estado líquido. Este líquido podría usarse en sitios de recuperación de arena de alquitrán y aceite, ya que el líquido C02 es un detergente benigno desde el punto de vista ambiental. Esta aplicación remplaza el uso de agua y vapor en dichos sitios, y por lo tanto aumenta la recuperación de aceite mientras reduce o elimina los problemas de contaminación ambiental. También es posible recuperar los productos de escape, separarlos del nitrógeno y luego reciclarlos a través del sistema Reformer.
APLICACIONES POTENCIALES
La reforma se refiere a la conversión de todos los carbonos mediante gas de hidrocarburo calentado eléctrico más despolimerización de agua y plasma a alta temperatura en gas sintético, que comprende principalmente una relación de una molécula de monóxido de carbono (CO) y 2 o más moléculas de gas hidrógeno (2H2) . La conversión catalítica es básicamente el uso de un catalizador que tomará el producto de gas de
síntesis y unirá los componentes de gas con cualquier cantidad de productos, metanol puede ser uno, metano, etano, olefinas, dimetiléter, entre otros.
La generación de energía es un subproducto que da como resultado la generación de electricidad usando la descarga de gas combustible desde el gas de síntesis sobrante y extra hidrógeno para suministrar combustible a un generador de energía eléctrica, que puede ser cualquier generador pero usa específicamente uno de los motores nombrados en la solicitud. La reforma de aguas residuales (como fuente de agua) en gas de síntesis y luego la conversión catalíticade metanol con salida de energía residual es una aplicación útil.
Los residuos sólidos municipales (MSW) solos (mediante un horno de arco de plasma usando el suministro de gas a plasma) o con la reforma de aguas residuales en gas de síntesis y luego la conversión catalítica que principalmente produce metanol y generación de energía residual es otra aplicación.
La reforma de residuos forestales o agrícolas en gas de síntesis y luego la conversión catalítica con aguas
residuales o MSW y la generación de energía residual es otra aplicación.
La reforma de carbón en gas de síntesis y luego la conversión catalítica usando aguas residuales y la generación de energía residual es otra aplicación.
El procesamiento de capa de roca de carbonato de aceite de esquisto en gas de síntesis luego la conversión catalítica es otra aplicación.
El dióxido de carbono, como una producción de líquido del ejemplo del producto basede gas anterior. CO se puede condensar mediante la compresión y separación criogénica de hidrógeno con combustión posterior para producir C02 con energía eléctrica y compresión y procesamiento criogénico en un líquido.
C02 de los procesos anteriores se puede usar como líquido en la recuperación de aceite de esquisto mediante la agitación de roca de esquisto en C02 líquido. Esto dará como resultado una velocidad de recuperación mayor con un menor costo que otros procesos. C02 se puede inyectar en pozos petrolíferos
agotados, en la producción baja o yacimientos petrolíferos con fraccionamiento a alta presión como una opción. Esto método es más productivo cuando el CO2 es líquido en el depósito, hasta este punto el yacimiento petrolífero es típicamente 20% mayor que los rendimientos de referencia.
En el barco (por ej . , en una plataforma petrolífera) las aplicaciones incluyen: reforma en gas de síntesis luego la conversión catalítica de metano en alta mar en depósitos de gas natural es una aplicación; y la reforma en gas de síntesis luego la conversión de gas natural en C02 mediante los procesos anteriores.
En la plataforma las aplicaciones incluyen: reforma en gas de síntesis y luego la conversión de gas natural en metanos-mejoramiento del petróleo en plataforma mediante la reforma en gas de síntesis luego la conversión catalítica en otros productos deseados, en tierra firme o en alta mar; en la plataforma C02la producción de inyección submarina como agente de fraccionamiento para ayudar a la recuperación de petróleo en petróleo de esquisto submarino, depósitos de alquitrán y arena o como agente de limpieza para la recuperación mejorada del yacimiento petrolífero.
La reforma con gas de síntesis no convertido e hidrógeno usado como gas de proceso de reducción en un horno de arco de plasma separado para fundir menas y/o reducción de tochos metálicos es otra aplicación. Esto permitiría el procesamiento posterior en la forma deseada de aleaciones y menas. En esta versión el reformador todavía se usa como se reivindica en el cuerpo de la descripción, sin embargo, el segundo uso es para la producción de, principalmente, gas hidrógeno para la recuperación o producción de metal como un residuo combinado en la planta de electricidad con una planta de producción de metales también.
Se puede proporcionar muchos otros ejemplos de modalidades a través de varias combinaciones de los rasgos descritos anteriormente. Aunque las modalidades descritas en la presente usan ejemplos específicos y alternativas, los expertos en la técnica entenderán que se pueden usar varias alternativas adicionales y los equivalentes se pueden sustituir por elementos y/o pasos descritos en la presente, sin separarse necesariamente del alcance deseado de la solicitud. Pueden ser necesarias modificaciones para adaptar las modalidades a una situación particular o a necesidades
particulares sin separarse del alcance deseado de la solicitud. Se desea que la solicitud no se limite a las implementaciones de ejemplo particulares y modalidades de ejemplo descritas en la presente, pero que las reivindicaciones aporten su interpretación razonable para cubrir todas las modalidades novedosas y no obvias, literales o equivalentes, descritas o no, cubiertas por estas.
Claims (26)
1. Un método para convertir un combustible fuente en un combustible de salida usando un reformador, dicho método comprende los pasos de: ingresar un combustible fuente en el reformador; ingresar agua en el reformador; proporcionar una o más fuentes de calor en el reformador para descomponer dicho combustible fuente y agua en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos; convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes del agua y el combustible fuente y/o las combinaciones de estos en dicho combustible de salida usando uno o más catalizadores; y retirar dicho combustible de salida del reformador.
2. El método de la reivindicación 1, que comprende además el paso de convertir calor residual de dicho reformador en electricidad usando un motor rankin.
3. El método de la reivindicación 2, donde el paso de convertir calor residual de dicho reformador en electricidad incluye un generador, y donde dicho motor rankin es un motor de pistones de disco oscilante adaptado para accionar dicho generador .
4. El método de la reivindicación 2, donde dicho motor rankin se acciona por dióxido de carbono.
5. El método de la reivindicación 2, donde dicho motor rankin se acciona por dióxido de carbono supercrítico .
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho combustible de salida incluye metanol .
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho combustible fuente incluye metano.
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho catalizador incluye uno o más de óxido de cobre, óxido de zinc y/o níquel.
9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha fuente de calor es una fuente de arco de plasma.
10. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho método proporciona la completa recuperación de todo el C02 y otros productos de gas de escape proporcionando así la generación de energía de emisión y reciclando dicho C02.
11. El método de la reivindicación 11, donde dicho método proporciona la creación de combustible mediante la generación de gas de síntesis.
12. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además el paso de retirar contaminantes de dicho paso de conversión usando, por ejemplo, un separador de ciclona.
13. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichas uno o más fuentes de calor aumentan las entradas de metano y agua hasta temperaturas de despolimerización de 750 grados Celsius o más.
14. Un método para convertir metano en metanol usando un reformador, dicho método comprende los pasos de: ingresar metano en el reformador; ingresar agua en el reformador; proporcionar una o más fuentes de calor en el reformador para descomponer dicho metano y dicha agua en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos; convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes del agua y el combustible fuente y/o las combinaciones de estos en dicho metanol usando uno o más catalizadores; y retirar dicho metanol del reformador.
15. Un método para convertir un combustible fuente en un combustible de salida deseado usando un reformador, dicho método comprende los pasos de: ingresar el combustible fuente en el reformador; ingresar agua en el reformador; proporcionar una o más fuentes de calor en el reformador para descomponer dicho combustible fuente y dicha agua en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos; comprimir dichos uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos para ingresar a un subsistema de catalizador ,-convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes del agua y el combustible fuente y/o las combinaciones de estos en dicho combustible de salida usando uno o más catalizadores; retirar contaminantes de dicho combustible de salida; recircular al menos un subconjunto de dichos contaminantes retirados de dicho combustible de salida nuevamente en dicho subsistema de catalizador; y retirar dicho combustible de salida del reformador.
16. El método de la reivindicación 16, donde dichos contaminantes incluyen gas de síntesis.
17. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16-17, que comprende además el paso deretirar el calor residual de dicho uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos para proporcionarlos a un dispositivo de captura de energía .
18. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16-18, donde dicho método proporciona la completa recuperación de todo el C02 y otros productos de gas de escape proporcionando así la generación de energía de emisión y reciclando dicho C02.
19. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16-19, donde dicho combustible de salida incluyemetanol .
20. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16-20, donde dicho combustible fuente incluye metano.
21. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16-21, donde dicho combustible fuente incluye aguas residuales .
22. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16-22, donde dicho combustible fuente incluye celulosa.
23. Un reformador para implementar cualquiera de los métodos de la reivindicaciones anteriores.
24. Un método para convertir un combustible fuente a base de carbono en un combustible de salida deseado usando un reformador, dicho método comprende los pasos de: ingresar el combustible de entrada con base de carbono en el reformador,-proporcionar una o más fuentes de calor en el reformador para descomponer dicho combustible fuente y dicha agua en uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos; comprimir, dichos uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos para ingresar a un subsistema catalizador; convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes del agua y el combustible fuente y/o las combinaciones de estos en dicho combustible de salida usando uno o más catalizadores; retirar contaminantes de dicho combustible de salida; recircular al menos un subcon unto de dichos contaminantes retirados de dicho combustible de salida nuevamente en dicho subsistema catalizador; y retirar dicho combustible de salida del reformador.
25. Un reformador para convertir un combustible fuente en un combustible de salida, que comprende: una entrada para recibir el combustible fuente; una entrada para recibir agua; una fuente de calor para descomponer dicho combustible fuente y dicha agua en uno o más componentes y/o combinaciones de estos para colocarlos en un flujo; un intercambiador de calor para extraer calor residual de dicho flujo; un motor para convertir dicho calor en energía útil; un compresorpara comprimir dicho flujo recibido desde dicho intercambiador de calor; uno o más tanques de catalizador que incluyen al menos un catalizador para recibir elflujo comprimido de dicho compresor para convertir al menos una partede dicho uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos en dicho combustible de salida; y una interfaz de salida para retirar dicho combustible de salida.
26. Unreformador para convertir un combustible fuente en un combustible de salida, que comprende: una entrada para recibir el combustible fuente, una fuente de calor para descomponer dicho combustible fuente en uno o más componentes constituyentes ylo combinaciones de estos para colocarlos en un flujo; un intercambiador de calor para extraer calor residual de dicho flujo; un motor para convertir dicho calor en energía útil; un lecho de filtro para retirar los contaminantes venenosos de catalizador de dicho flujo; uno o más tanques de catalizador que incluyen al menos un catalizador para recibir elflujo comprimido de dicho compresor para convertir al menos una parte de dichos uno o más componentes constituyentes y/o combinaciones de estos en un flujo de combustible de salida; un subsistema de retiro de contaminantes para retirar contaminantes de dichoflujo de combustible de salida para recircular al menos una parte de dichos contaminantes nuevamente en los tanques de catalizador; y una interfaz de salida para retirar dicho combustible de salida .
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