Método de generación de energía térmica y eléctrica a partir de residuos diversos y sistema para su puesta en práctica.

Este método comprende: la obtención a partir de aguas residuales y de residuos diversos de biogas, agua tratada y oxigeno; la alimentación de una caldera: en una primera fase, con biogas y oxigeno; y en una segunda fase, con agua tratada suministrada a muy alta presión a los inyectores de la caldera, conservando una aportación de biogás; la producción de vapor de agua sobrecalentado a una temperatura superior a 650ºC. y baja humedad en un intercambiador calentado por la caldera; el accionamiento, mediante el vapor producido, de una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico; y la condensación de parte del vapor procedente de la turbina y su recirculación hacia el intercambiador. La invención también comprende un sistema para la puesta en práctica del método.

Método de generación de energía térmica y eléctrica a partir de residuos diversos y sistema para su puesta en práctica.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un método de generación de energía térmica y eléctrica a partir de residuos diversos tales como aguas residuales, residuos ganaderos y en general residuos procedentes de ciudades, polígonos industriales y/o explotaciones agropecuarias, presentando este método unas particularidades orientadas a conseguir la producción de energía térmica y eléctrica sin generar residuos tóxicos y con unas mínimas emisiones contaminantes al medio ambiente. La invención incluye adicionalmente un sistema para la puesta en práctica de este método.

Campo de aplicación de la invención

Esta invención es aplicable en las instalaciones de generación de energía térmica y eléctrica a partir de residuos.

Antecedentes de la invención

La generación de electricidad utilizando la energía de biomasa y de otros combustibles como residuos urbanos presentan, de una parte, las limitaciones impuestas al vapor generado en la caldera debido a la naturaleza corrosiva de los gases de combustión que son tanto más corrosivos cuanto mayores son las temperaturas, y de otra parte, inconvenientes de liberación a la atmósfera de gases contaminantes.

La obtención de un rendimiento aceptable en este tipo de instalaciones requiere la producción de vapor de agua en cantidades importantes y a una temperatura elevada para el accionamiento de la turbina de vapor encargada de accionar el generador eléctrico. Para conseguir este sobrecalentamiento del vapor se recurre a la utilización del sobrecalentador de la caldera que es el componente de la caldera con temperaturas más elevadas y que también se ve sujeto a los problemas de corrosión mencionados anteriormente.

En el documento ES2010890 se describe un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de la combustión de residuos sólidos urbanos y asimilables que, para solventar la problemática expuesta anteriormente comprende una primera fase de calentamiento de agua realizada mediante una caldera de incineración de residuos sólidos, que funciona por debajo de las temperaturas a partir de las cuales aparecen en los elementos de dicha caldera problemas de corrosión indeseables, y una segunda fase de calentamiento del vapor obtenido en la primera fase, realizada mediante una caldera de recuperación de los gases de escape de una o más turbinas de gas, produciéndose en la primera fase vapor de agua saturado o ligeramente sobrecalentado a elevada presión, y en la segunda fase el sobrecalentamiento o recalentamiento del vapor obtenido en la primera fase hasta las condiciones adecuadas para su aplicación a una turbina de vapor.

Este sistema presenta, de una parte, unas limitaciones obvias por problemas de corrosión tanto en la caldera de incineración como en la caldera de recuperación debido a la incineración directa de los residuos sólidos y, de otra parte, presenta problemas de contaminación al liberar al exterior los gases de combustión.

Por tanto, el problema técnico que se plantea es un método de generación de energía térmica y eléctrica a partir de residuos diversos que minimice la emisión de contaminantes al exterior y que evite los problemas de corrosión originados por la combustión directa de los residuos, así como un sistema para la puesta en práctica de dicho método.

Descripción de la invención

El método de generación de energía térmica y eléctrica a partir de residuos diversos objeto de esta invención presenta unas particularidades constructivas orientadas a evitar la combustión directa de los residuos, utilizando dichos residuos para la obtención de unos combustibles aptos para la alimentación de la caldera y la obtención en la misma de una temperatura superior a los 1000ºC y el vertido a la atmósfera de una cantidad mínima de contaminantes.

Otro de los objetivos de la invención es la reutilización del vapor de agua producido después de ser utilizado para el accionamiento de una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico, realizándose dicha reutilización mediante su posterior condensación y retorno hacia un intercambiador de calor situado en la caldera.

Para ello y de acuerdo con la invención este método comprende los pasos o fases siguientes:

- la recepción por separado de aguas residuales y de residuos diversos con contenido orgánico;

- la depuración de las aguas residuales mediante la separación de los residuos sólidos contenidos en las mismas y el procesado de las aguas depuradas para la obtención de agua tratada;

- la obtención de hidrógeno y oxígeno a partir de una parte del agua tratada, mediante un tratamiento de electrolisis,

- la obtención de biogas mediante un proceso de biodigestión de la fracción orgánica de los residuos diversos y de los residuos sólidos separados de las aguas residuales

- la alimentación de una caldera: en una primera fase, con biogas y oxígeno obtenidos previamente de los residuos y del proceso de electrolisis, hasta alcanzar una temperatura del orden de los 600ºC. y, en una segunda fase, con agua tratada suministrada a muy alta presión a los inyectores de la caldera, conservando una mínima aportación de biogás, hasta alcanzar una temperatura del orden de 1200ºC.

- la producción de vapor de agua sobrecalentado a una temperatura superior a 650ºC. y baja humedad en un intercambiador calentado por la caldera,

- el accionamiento, mediante el vapor producido, de una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico,

- la condensación de un cierto volumen del vapor procedente de la turbina y su recirculación hacia el intercambiador para su reutilización en circuito cerrado, y la utilización del restante vapor de agua procedente de la turbina para elevar la temperatura del agua a la entrada del electrificador, e incrementar la producción de hidrógeno procesando el biogas que no ha sido necesario aportar a la caldera para su correcto funcionamiento.

Este método permite generar energía térmica y eléctrica sin generar residuos tóxicos de ningún tipo.

Para la puesta en práctica de este método se ha previsto la utilización de un sistema que comprende una depuradora para la recepción de las aguas residuales y la separación de los residuos sólidos contenidos en dichas aguas residuales.

Los residuos sólidos separados de las aguas residuales, junto con la fracción orgánica de otros residuos diversos de origen urbano y/o industrial, son tratados en un biodigestor que proporciona: residuo sólido seco utilizable en diferentes aplicaciones, y un biogas para la alimentación de la caldera.

Las aguas depuradas procedentes de la depuradora son procesadas en una planta de tratamiento para obtener agua tratada.

Parte del agua tratada es conducida a un electrificador en el que se somete a electrolisis descomponiéndola en hidrógeno y oxígeno; siendo el oxígeno utilizado para la alimentación de la caldera.

La caldera, tal como se ha mencionado anteriormente se alimenta en una primera fase con biogas procedente del biodigestor y con oxígeno procedente de la electrolisis del agua tratada, proporcionando dicha caldera una temperatura del orden de los 600ºC.

Una vez alcanzada esta temperatura y en una segunda fase se mantiene una alimentación constante de biogás y se realiza mediante un circuito de bombas de alimentación e inyección la introducción de una parte del agua tratada a alta presión hacia los inyectores de la caldera. Esta inyección del agua vaporizada determina la combustión del hidrógeno del agua inyectada cuando la caldera se encuentra a una temperatura superior a los 590ºC, pudiendo alcanzar la caldera en esta segunda fase de alimentación una temperatura del orden de 1200C.

La caldera comprende unos intercambiadores que proporcionan un elevado caudal de vapor de agua sobrecalentado a una temperatura por encima de los 650ºC. y con un nivel bajo de humedad la energía térmica del vapor se transforma en energía mecánica que es utilizada para la impulsión de una turbina, girando en un primer momento las etapas de alta y media presión y finalmente la de baja presión.

Parte del vapor utilizado para el accionamiento de la turbina es conducido a un gran condensador y una vez...

1. Método de generación de energía térmica y eléctrica a partir de residuos diversos; del tipo de los que comprenden la utilización de una caldera para la producción de vapor de agua y la alimentación de dicho vapor de agua a una turbina de vapor conectada a un generador: caracterizado porque comprende:

- la recepción por separado de aguas residuales (AR) y de residuos diversos (RD) domésticos y/o industriales;

- la depuración de las aguas residuales mediante la separación de los residuos sólidos contenidos en las mismas y el procesado de las aguas depuradas para la obtención de agua tratada;

- la obtención de hidrógeno y oxígeno a partir de una parte del agua tratada, mediante un proceso de electrólisis,

- la obtención de biogas mediante un proceso de biodigestión de la fracción orgánica de los residuos diversos y de los residuos sólidos separados de las aguas residuales,

- la alimentación de una caldera: en una primera fase, con biogas y oxígeno obtenidos previamente de los residuos y del proceso de electrólisis, hasta alcanzar una temperatura del orden de los 600ºC. y, en una segunda fase, con agua tratada suministrada a muy alta presión a los inyectores de la caldera, conservando una mínima aportación de biogás, hasta alcanzar una temperatura del orden de 1200ºC.

- la producción de vapor de agua sobrecalentado a una temperatura superior a 650ºC. y baja humedad en un intercambiador calentado por la caldera,

- el accionamiento, mediante el vapor producido, de una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico,

- la condensación de un cierto volumen del vapor procedente de la turbina y su recirculación hacia el intercambiador para su reutilización en circuito cerrado y la utilización del restante vapor de agua procedente de la turbina para elevar la temperatura del agua a la entrada del electrificador, e incrementar la producción de hidrógeno procesando el biogas que no ha sido necesario aportar a la caldera para su correcto funcionamiento.

2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende la licuación y almacenaje en depósitos criogénicos del hidrógeno obtenido en el proceso de electrolisis del agua tratada.

3. Sistema para la puesta en práctica del método de la reivindicación anterior, caracterizado porque comprende: una depuradora (1) para la recepción de aguas residuales (AR) y la separación de los residuos sólidos contenidos en las mismas, de los residuos líquidos; un biodigestor (2) para el tratamiento de los residuos sólidos separados, junto con la fracción orgánica de otros residuos diversos (RD), urbanos y/o industriales, y la obtención de un residuo sólido seco y de un biogas; una planta de tratamiento (3) para el procesado del agua depurada procedente de la depuradora y la obtención de agua tratada; un electrificador (5) donde se obtiene hidrógeno y oxígeno por electrolisis a partir de una parte del agua tratada; una caldera (4) provista de un bloque de bombas de inyección (6) para el suministro de oxígeno, juntamente con biogas, en la primera fase de alimentación de la caldera; y el suministro de agua depurada a alta presión en la segunda fase de alimentación de la caldera conservando una alimentación constante de biogás; un intercambiador (7) para la generación de vapor de agua sobrecalentado destinado al accionamiento de una turbina de vapor (8) conectada al eje de un generador de electricidad (9); y un condensador (10) para la condensación de una parte del vapor procedente de la turbina y su retorno al intercambiador (7).