Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo,

de materia orgánica.Si una materia orgánica (Mo) debe someterse a digestión anaerobia mejora su biodegradabilidad sometiéndola previamente a hidrólisis térmica que aumenta en más del 50% la cantidad de biogás producido y reduce a la mitad la masa de residuo final. El invento presentado consigue este resultado en cinco etapas: I) Concentración, II) Recuperación energética, III) Hidrólisis, IV) Digestión anaerobia y V) Generación de energía eléctrica. Así el contenido energético de las corrientes calientes (Hd) y (Fr) se recupera y rentabiliza al máximo utilizando cambiadores de calor (14 y 15) e inyectando los vapores (Vo) y (Va) producidos, directamente y donde conviene. Ello permite que el biogás (Bg) obtenido pueda dedicarse en su totalidad a la generación de energía eléctrica (Ee) y que el sistema que se propone sea, globalmente, autosuficiente

Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica.

Objeto de la invención

La degradación anaerobia y consiguiente producción de biogás a partir de materia orgánica particulada esta limitada por la etapa de hidrólisis. La patente de invención objeto de la presente memoria se refiere a un nuevo proceso de tratamiento en el que, para incrementar la biodegradabilidad anaerobia, la materia orgánica particulada se somete a un proceso de hidrólisis térmica en un reactor diseñado al efecto. Dicho reactor opera en continuo, frente a tecnologías comerciales que operan por cargas. Además, para conseguir que el proceso sea energéticamente autosuficiente se propone un sistema de integración energética con el que se aprovechan tanto las corrientes calientes de salida del reactor de hidrólisis térmica como los gases de escape y agua caliente originados durante la etapa de generación de energía eléctrica.

La invención puede considerarse integrada en el sector de la técnica que se preocupa del estudio y optimizan de los procesos de aprovechamiento de residuos orgánicos transformándolos en otros utilizables para la producción de energías verdes.

Antecedentes de la invención

En muchos procesos industriales y en particular en el campo del tratamiento de aguas residuales y residuos sólidos se generan corrientes ricas en materia orgánica. Uno de los procedimientos mas comúnmente utilizados para valorizar estos residuos es someterlos a un proceso de digestión anaerobia o cristianización Este proceso biológico, desarrollado en ausencia de oxigeno, transforma la materia orgánica en biogás, rico en metano, que puede utilizarse para la generación de energía térmica y eléctrica.

De acuerdo con el esquema del proceso de digestión anaerobia aceptado universalmente, en el caso de materia orgánica particulada la etapa que controla el proceso es la hidrólisis o licue facción previa, que transforma esa materia particulada en compuestos solubles, accesibles para el metabolismo bacteriano.

Existen diferentes tecnologías capaces de mejorar la etapa de hidrólisis. Una de ellas es la hidrólisis térmica. El fundamento del proceso es someter la materia particulada a una presión y temperatura suficientemente elevadas y así conseguir la solubilización de los sólidos.

Revisando los antecedentes puede indicarse que diferentes sistemas comerciales realizan procesos de hidrólisis térmica por cargas. El proceso Cambi opera por cargas y con inyección directa de vapor de calefacción buscando como objetivo mejorar la biodegradabilidad anaerobia de los sólidos, aumentando la producción de biogás. La patente francesa FR 2820735 depositada por Vivendi Water Systems en 2001 patrocina el uso de dos reactores que operan por cargas y en paralelo. La operación por cargas obliga a trabajar por lotes, empleando sistemas con secuencias de operación más complejos y utilizando reactores de mayor volumen.

Atendiendo a la operación en continuo, el proceso Portheous aplicado a lodo previamente digerido anaeróbicamente, utiliza reactores con inyección directa de vapor, buscando mejorar las características de deshidratabilidad del fango. Algunas patentes han propuesto sistemas que operan en continuo. En la U.S. Pat. No. 5593591 de 1997 se reivindica un sistema en el que un lodo bombeado a presión es calentado en la propia conducción, antes de ser descomprimido mediante una boquilla y entrar en una cámara de flash. El objetivo del tratamiento es producir un lodo hidrolizado con buenas características de flujo (free flowing solids). En la U.S. Pat. No. 5785852 de 1998 se reivindica un proceso y equipo para el tratamiento de lodos biológicos para mejorar la digestión anaerobia secundaria. El proceso multi-etapa combina etapas de calentamiento, descompresión explosiva y aplicación de fuerzas de cizalla. Un "hydroheater" es el sistema de mezcla del vapor y el lodo que se sugiere como mas eficaz. El lodo caliente y a presión se lleva a una cámara de flash que opera a la presión atmosférica. El lodo parcialmente disgregado se lleva a una nueva etapa donde es sometido a fuerzas de cizalla (shear forces) para completar el proceso de rotura celular. En la U.S. Pat. No. 2004/0168990 se reivindica un método y dispositivo para la hidrólisis en continuo. El lodo se precalienta hasta unos 100ºC en un cambiador de calor y posteriormente es mezclado, en un dispositivo no determinado, con vapor de 1 a 4 bar y conducido a un tanque de precalentamiento. Una bomba impulsa este liquido caliente, que en un dispositivo externo al reactor de hidrólisis recibe una inyección de vapor y penetra en el reactor de hidrólisis. La mezcla lodo/vapor se descomprime hasta 1-4 bar, a través de una boquilla (nozzle) que provoca una caída de presión instantánea. El lodo, hidrolizado y caliente, se bombea desde la cámara de despresurización hasta el cambiador inicial. El dispositivo consta de tres bombas, dos dispositivos externos de mezcla de vapor y lodo. Los únicos sistemas de recuperación de energía se plasman en: I) el cambiador que precalienta la corriente de lodo fresco utilizando como fluido caliente el lodo hidrolizado que sale de la cámara de descompresión, II) condensación del vapor que sale de la cámara de descompresión en el dispositivo previo a la llamada cámara de precalentamiento.

Las características fundamentales del invento que se propone y que le hacen diferente y superior a las invenciones presentadas hasta el momento al permitir minimizar algunas de sus limitaciones prácticas, son:

I) El sistema permite la operación en continuo, diferenciándose claramente de los procesos comerciales de Cambi y Vivendi.

II) No precisa etapas mecánicas posteriores a la etapa de hidrólisis térmica, como en la U.S. Pat. No. 5785852.

III) No utiliza dispositivos externos para la mezcla del vapor como la U.S. Pat. No. 2004/0168990.

IV) ; No precisa bombas que operen en condiciones de temperatura elevada como la U.S. Pat. No. 2004/0168990.

V) Se consigue una mezcla adecuada y se minimizan los gradientes de temperatura mediante inyección directa de vapor.

VI) La integración energética propuesta permite que el exceso de biogás producido durante la hidrólisis se recupere en forma de energía eléctrica verde.

De acuerdo con los antecedentes expuestos la invención se centra en el tipo y la forma de operar el reactor de hidrólisis, así como en el aprovechamiento total de las energías remanentes en las corrientes calientes originadas, con cuya integración se consigue la autosuficiencia energética del proceso global.

Breve descripción de los dibujos

Para ayudar a la mejor comprensión del invento que se describe se utilizarán los dibujos que se acompañan a los que se hará referencia mediante los números y letras indicados en los mismos.

La Figura (1) representa el esquema de bloques del proceso de hidrólisis y del sistema de integración energética; la Figura (2) representa un esquema del proceso de hidrólisis que se propone.

Descripción de la invención

Aunque pueden existir ligeras variantes en función del tipo de materia orgánica que se pretenda hidrolizar, el esquema general del proceso es el representado, en el diagrama de bloques de la Figura (1), por las etapas I, II, III, IV y V.

Etapa I

Concentración de la materia orgánica (Mo)

Para que la materia orgánica particulada a tratar pueda alcanzar las condiciones de operación del reactor de hidrólisis y que su calentamiento pueda realizarse mediante el aprovechamiento de corrientes calientes, se deshidrata hasta alcanzar un nivel adecuado de concentración; el procedimiento preferido para conseguirlo es el de centrifugación, aunque también pueden utilizarse sistemas de espesamiento por flotación, sedimentación o filtración en sus distintas variantes; el porcentaje de sólidos existentes en el lodo orgánico (L) obtenido a la salida de la etapa I de concentración puede variar entre 1 y 30% de sólidos totales.

Etapa II

Recuperación de la energía térmica remanente en las corrientes calientes de salida procedentes de la cámara de despresurización (Etapa III) y del sistema de generación de energía eléctrica (Etapa V)

En el cambiador de calor (14)se aprovecha la elevada temperatura de los lodos hidrolizados (Hd) que abandonan la cámara de despresurización...

1. Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica caracterizado por la utilización de un reactor químico (9) asociado a una cámara de despresurización (12); el reactor tiene cuerpo cilíndrico, tapa plana y fondo troncocónico; la cámara de despresurización tiene cuerpo cilíndrico tapa toriesférica, fondo cónico y una placa circular perforada (13) normal a su eje, que la divide interiormente en dos zonas; reactor y cámara se encuentran comunicados entre sí mediante una tubería (S) que penetra a través de las tapas respectivas llegando por un extremo, coaxialmente con el reactor (9), hasta la parte inferior de su fondo troncocónico y por el otro extremo hasta el fondo troncocónico de la cámara (12) de despresurización; en esta tubería se intercala una válvula (10) maniobrable automáticamente por temporización o por comando de los sensores de nivel existentes en el reactor (9); a través de la tapa del reactor (9) entra hasta su fondo troncocónico una tubería (U) para inyección de vapor (Va), procedente de un generador CHP externo (Etapa V) cuyas características no se reivindican, que está provista con una válvula (11) maniobrable automáticamente por temporización o por comando de los sensores de presión y temperatura con los que está provisto el reactor (9).

2. Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica según la reivindicación 1ª caracterizado por la utilización de un depósito de almacenamiento (6) que comunica con el reactor (9) mediante una tubería (T) que penetra en éste a través de su tapa; en esta tubería se intercalan sucesivamente una válvula (7) a la salida del depósito de almacenamiento (6) y una bomba (8) apta para impulsar lodos en régimen continuo y caudal variable regulado automáticamente por comando de los sensores de nivel, presión y temperatura existentes en el reactor.

3. Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica según las reivindicaciones anteriores caracterizado por utilizar un conjunto comercial combinado de generación de electricidad y vapor CHP ("combined heat and power" apto para quemar el biogás (Bg) (Etapa V), procedente de una digestión anaerobia (Etapa IV).

4. Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo, de materia orgánica según las reivindicaciones anteriores caracterizado por utilizar en la Etapa II la energía calorífica de las corrientes calientes (Hd y Fr), procedente de las Etapas III y V, recuperada mediante dispositivos cambiadores de calor (14 y 15), y por utilizar en las Etapas II y III la energía calorífica de los vapores (Vo y Va), procedentes de las Etapas III y V, mediante la inyección directa de los mismos. Siempre respectivamente.