Método de carbonización hidrotermal con reactor de flujo invertido e instalación.

La presente invención se refiere a un método para la carbonización hidrotermal de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador que comprende, al menos, las siguientes etapas:(a) la alimentación de dicha mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido a través de un tubo de ascenso, tubo en el que se inicia la monomerización de la biomasa dando lugar a un primer producto de reacción;(b)la polimerización de dicho primer producto de la reacción para dar lugar a un segundo producto de la reacción;(c) la acumulación y posterior evacuación de los gases y del vapor de agua por la parte superior del reactor

Método de carbonización hidrotermal con reactor de flujo invertido, e instalación.

Campo técnico

El ámbito de la presente invención es el proceso de carbonización hidrotermal, en adelante proceso HTC (Hydrothermal Carbonization).

Estado de la técnica anterior a la invención

En los últimos años, debido a la necesidad creciente de satisfacer la demanda energética de los países industrializados, numerosos estudios se han dirigido al fomento de nuevas fuentes de energía, de naturaleza renovable, con el objeto de disminuir los efectos ambientales adversos asociados al continuo desarrollo industrial.

Si bien han sido muchos los proyectos encaminados a la reducción de las emisiones de CO₂ a la atmósfera, menos han sido los estudios dirigidos a disminuir el porcentaje de CO₂ que se ha ido acumulando a lo largo de estos años en el ambiente. Entre las soluciones que han sido planteadas cabe destacar, por ejemplo, la creación de grandes extensiones de bosque artificial capaces de secuestrar y almacenar el CO₂ presente en la biosfera (José Carlos del Álamo, "Bosques y Cambio Climático: La función de los bosques como sumideros de carbono y su contribución al cumplimiento del protocolo de Kioto por parte de España", Foro de Bosques y Cambio Climático, diciembre 2007).

Sin embargo, la mayoría de estas opciones, además de costosas, presentan el inconveniente de no ser energéticamente rentables.

Por ello, las investigaciones más recientes en este campo se han dirigido, entre otras alternativas, al desarrollo de nuevas técnicas de aprovechamiento de la biomasa. Si bien una de las técnicas más estudiada ha sido su gasificación a elevadas temperaturas (Zuberbühler, U. et al., ZSW, "Gasification of Biomass. An Overview on Available Technologies", 2005, 1^st European Summer School on Renewable Motor Fuels), el equipo del Profesor Markus Antonietti del Instituto Max Planck ha presentado recientemente un nuevo método eficaz para lograr limpiar la atmósfera del CO₂ emitido en el pasado. Este método se basa en la carbonización hidrotermal de la biomasa (Elton Jacquot, J., "Back in Black: Using hydrothermal Carbonization to clean Emissions", 2007, Science & Technology). El proceso HTC consiste básicamente en someter a una solución acuosa de la biomasa, en presencia de un catalizador, a temperaturas de unos 180 a 210ºC y presiones de 10 a 19 bar obteniéndose, al cabo de unas 4 a 24 horas, un producto de estructura similar al carbón. Una vez activado, es un proceso espontáneo y exotérmico, que libera hasta un tercio de la energía almacenada en forma de carbohidratos en la biomasa, al aprovechar la alta estabilidad termodinámica del agua.

Su principal ventaja, frente a las técnicas anteriores, es su gran sencillez. Al contrario que en otros procesos de carbonización, en los cuales es necesario llevar a cabo una etapa de alto consumo energético para el secado de la biomasa (WO 2003/002690), la carbonización hidrotermal permite la utilización como materia prima de biomasa húmeda, lo cual supone un importante ahorro en los costes de operación.

Por otra parte, este proceso de carbonización húmeda de la biomasa ya ha sido anteriormente descrito en la bibliografía. En concreto, en ES 0160612 se protegía un método de tratamiento de residuos vegetales, en el cual dichos residuos eran colocados en unas retortas previamente humedecidas a las que se inyectaba vapor recalentado hasta alcanzar una temperatura de unos 180 a 220ºC y una presión de 2 a 10 atm. Esta operación se prolongaba de unas 6 a 20 horas hasta alcanzar las condiciones deseadas del producto final. El inconveniente de este proceso, frente a la presente invención, era la necesidad de operar de manera discontinua.

Años más tarde, en US 4579562, se presentaba una nueva alternativa para el proceso de enriquecimiento de carbones de bajo poder calorífico, la cual permitía el llevar a cabo la operación en continuo. En este caso, la principal diferencia de este procedimiento respecto al actual se encuentra en la etapa de reacción, la cual se lleva a cabo en un reactor de lecho móvil, en contracorriente, en lugar del presente dispositivo, en el cual el flujo es invertido. La ventaja que se obtiene con este nuevo reactor es un mejor control de la temperatura y presión del proceso.

Otras alternativas que han sido estudiadas para llevar a cabo el proceso consisten, por ejemplo, en la realización de la etapa de reacción hidrotermal en condiciones supercríticas (JP 2003/300099). Sin embargo, aunque los resultados obtenidos hasta el momento han sido buenos, los costes de este proceso siguen siendo bastante elevados, lo que dificulta su viabilidad industrial.

El objeto de la presente invención es presentar un nuevo método y dispositivo mejorado para la carbonización térmica de la biomasa. Su principal ventaja, frente a las técnicas ya conocidas en el estado de la técnica, consiste fundamentalmente en la gran sencillez de los equipos con los que se lleva a cabo dicho proceso. En concreto, la utilización de un reactor de flujo invertido permite un aporte continuo de biomasa al reactor, lo cual asegura la evacuación hacia la parte superior del dispositivo de los gases y el vapor de agua generados. De esta forma, y en combinación con un aporte continuo de agua de proceso, se garantiza la evacuación del calor producido durante la reacción y, al mismo tiempo, se consigue mantener estable la temperatura y presión del proceso.

Una ventaja adicional de la presente invención es la ausencia de partes móviles e intercambiadores térmicos en el interior del reactor, con lo que se mejora su durabilidad y fiabilidad, a la vez que se reduce el coste y tiempo de mantenimiento.

Asimismo, permite disponer de los excedentes de calor del proceso en forma de vapor saturado a una presión cercana a la del propio proceso de carbonización. Así, parte del vapor generado puede utilizarse para precalentar la mezcla acuosa de la biomasa antes de su entrada al reactor, pudiéndose aprovechar el exceso del mismo en la generación de energía eléctrica mediante el uso de turbinas de vapor o bien en la producción de calor para otros usos o procesos.

El resultado del proceso HTC es la obtención de un producto de elevada densidad energética a partir de casi cualquier tipo de biomasa. Además, dicho producto presenta la ventaja de ser fácilmente recuperable, pudiéndose separar de la fase líquida mediante filtración, centrifugación o prensado, entre otros métodos.

Si bien existen distintas posibilidades de utilización del producto, cabe destacar su uso, de manera preferente, como combustible sólido o como materia prima para la producción de combustibles líquidos de hidrocarburos.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un método para la carbonización hidrotermal de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador, caracterizado porque comprende, al menos, las siguientes etapas:

a) la alimentación de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido a través de un tubo de ascenso, tubo en el que se inicia la monomerización de la biomasa dando lugar a un primer producto de reacción;

b) la polimerización de dicho primer producto de la reacción para dar lugar a un segundo producto de la reacción;

c) la evacuación de los gases y del vapor de agua del interior del reactor.

Además de estas etapas mínimas y esenciales para que el método se lleve a cabo, éste puede comprender, al menos, la siguiente etapa adicional:

d) la maduración del segundo producto de reacción, formando una mezcla de, al menos, agua y biomasa carbonizada;

Asimismo, y de manera opcional, el método puede incluir una fase adicional de pretratamiento de la biomasa previa a su alimentación al proceso HTC, con objeto de lograr unas condiciones adecuadas para su procesamiento además de para facilitar el posterior proceso de carbonización. En concreto, una realización preferente de esta fase adicional de pretratamiento comprenderá, al menos, una etapa de triturado y una etapa de lavado de la biomasa:

i. En la primera de las etapas esta fase adicional, la biomasa será triturada hasta conseguir un tamaño máximo de partícula que permita su paso posterior por el equipo de presurización. En el caso de tratarse, por ejemplo, de biomasa procedente de explotaciones agrarias o forestales, el tamaño final de partícula será inferior...

1. Método para la carbonización hidrotermal de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador, caracterizado porque comprende, al menos, las siguientes etapas:

(a) la alimentación de dicha mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido a través de un tubo de ascenso, tubo en el que se inicia la monomerización de la biomasa dando lugar a un primer producto de reacción;

(b) la polimerización de dicho primer producto de la reacción para dar lugar a un segundo producto de la reacción;

(c) la acumulación y posterior evacuación de los gases y del vapor de agua por la parte superior del reactor.

2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende, además, una etapa adicional de maduración del segundo producto de reacción, formando una mezcla de, al menos, agua y biomasa carbonizada.

3. Método, según reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque comprende, además, una fase inicial de pretratamiento de la biomasa.

4. Método, según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho pretratamiento comprende, al menos, una etapa de triturado y una etapa de lavado de la biomasa.

5. Método, según la reivindicación 4, caracterizado porque la biomasa es triturada hasta tamaños de partícula inferiores a 30 cm.

6. Método, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende además, previa a la etapa (a), una etapa de presurización de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una presión de, al menos, 10 bar.

7. Método, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende además, previa a la etapa (a), una etapa de precalentamiento de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una temperatura de, al menos, 170ºC.

8. Método, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende además, previa a la etapa (a), una etapa de presurización de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una presión de, al menos, 10 bar, seguida de una etapa de precalentamiento de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una temperatura de, al menos, 170ºC.

9. Método, según la reivindicación 2, caracterizado porque comprende además, posterior a la maduración, una etapa de enfriamiento de la mezcla de, al menos, agua y biomasa carbonizada, hasta una temperatura inferior a 100ºC.

10. Método, según la reivindicación 9, caracterizado porque comprende además, tras la etapa de enfriamiento, una etapa de despresurización de la mezcla de, al menos, agua y biomasa carbonizada.

11. Método, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por llevarse a cabo de manera continua.

12. Método, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la carbonización se lleva a cabo a una temperatura comprendida entre 180 y 225ºC, una presión entre 10 y 25 bar y un pH de 4,5 a 6,5.

13. Método para la carbonización hidrotermal de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador, caracterizado porque comprende, al menos, las siguientes etapas:

(a) la alimentación de dicha mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido a través de un tubo de ascenso, tubo en el que se inicia la monomerización de la biomasa dando lugar a un primer producto de reacción;

(b) la polimerización de dicho primer producto de la reacción para dar lugar a un segundo producto de la reacción;

(c) la maduración del mencionado segundo producto de reacción, formando una mezcla de, al menos, agua y biomasa carbonizada;

(d) la evacuación de los gases y del vapor de agua del interior del reactor por la parte superior del mismo;

y porque se lleva a cabo durante un periodo de 2 a 12 horas a una temperatura comprendida entre 180 y 225ºC, una presión entre 10 a 25 bar y un pH de 4,5 a 6,5.

14. Instalación para llevar a cabo el método definido en la reivindicación 1, caracterizado porque comprende, al menos, los siguientes equipos principales:

(a) un equipo de presurización;

(b) un equipo de precalentamiento;

(c) un reactor vertical de flujo invertido;

(d) un equipo de enfriamiento y

(e) un equipo de despresurización.

15. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el equipo de precalentamiento consiste en un tubo presurizado de doble pared.

16. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el reactor vertical de flujo invertido contiene un tubo de ascenso en su interior.

17. Instalación, según la reivindicación 15, caracterizada porque el tubo de ascenso del reactor vertical de flujo invertido se encuentra ocupando entre el 50% y el 80% de la altura total del reactor.

18. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el reactor vertical de flujo invertido dispone en su parte superior de una zona de acumulación de vapor y/o gases.

19. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el reactor vertical de flujo invertido contiene en su interior un tubo de ascenso, así como una zona de acumulación de vapor y/o gases situada en la parte superior de dicho reactor.

20. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el reactor comprende, además, al menos uno de los siguientes dispositivos: válvula de seguridad, sonda de presión, sonda de temperatura, sonda de nivel de llenado, eliminador de aire y gases o rompedor de vacío.

21. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el reactor comprende, además, al menos una entrada de inyección de vapor.

22. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el reactor comprende, además, al menos una entrada de inyección de condensados.

23. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el reactor se encuentra térmicamente aislado del exterior mediante lana de roca y acabado exterior de chapa de aluminio.

24. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el equipo de enfriamiento consiste en un intercambiador de calor de tipo tubular.

25. Instalación, según la reivindicación 14, caracterizada porque el equipo de despresurización comprende, al menos, 2 válvulas situadas en serie.

26. Instalación, según la reivindicación 25, caracterizada porque el equipo de despresurización comprende, además, un depósito tipo flash situado entre las válvulas de despresurización.

27. Instalación para llevar a cabo el método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende, al menos, los siguientes equipos principales:

(a) un equipo de presurización;

(b) un tubo presurizado de doble pared;

(c) un reactor vertical de flujo invertido que comprende un tubo de ascenso en su interior;

(d) un intercambiador de calor de tipo tubular;

(e) dos válvulas de despresurización y

(f) un equipo flash.

28. Un reactor para llevar a cabo un procedimiento de carbonización hidrotermal como el definido en la reivindicación 1, caracterizado porque es un reactor vertical de flujo invertido que comprende en su interior un tubo de ascenso, así como una zona de acumulación de vapor y/o gases situada en la parte superior del mismo.

29. Un reactor según la reivindicación 28, caracterizado porque comprende, además, al menos uno de los siguientes dispositivos: válvula de seguridad, sonda de presión, sonda de temperatura, sonda de nivel de llenado, eliminador de aire y gases o rompedor de vacío.

30. Un reactor según la reivindicación 28, caracterizado porque comprende además, al menos una entrada de inyección de vapor.

31. Un reactor según la reivindicación 28, caracterizado porque comprende además, al menos una entrada de inyección de condensados.

32. Un reactor según la reivindicación 28, caracterizado porque se encuentra térmicamente aislado del exterior mediante lana de roca y acabado exterior de chapa de aluminio.

33. Producto obtenido según un método de carbonización hidrotermal de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador que comprende, al menos, las siguientes etapas:

(a) la alimentación de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido a través de un tubo de ascenso, tubo en el que se inicia la monomerización de la biomasa dando lugar a un primer producto de reacción;

(b) la polimerización de dicho primer producto de la reacción para dar lugar a un segundo producto de la reacción;

(c) la maduración del mencionado segundo producto de reacción, formando una mezcla de, al menos, agua y biomasa carbonizada;

34. Uso del producto definido en la reivindicación 33 como combustible sólido.

35. Uso del producto según la reivindicación 33 como materia prima para la producción de combustibles líquidos de hidrocarburos.