Sistema para gasificar biomasa combustible y procedimiento de gasificación de biomasa combustible.

Comprende un reactor (1) de lecho móvil en corrientes paralelas o "down draft", estando provisto dicho reactor (1) de una parrilla (2) de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación, y se caracteriza por el hecho de que dicha parrilla (2) está montada desplazable verticalmente en el interior de una cámara (3) del reactor (1) destinada a la reducción de los productos procedentes de la zona de oxidación del mismo reactor (1), comprendiendo dicho sistema medios de control para accionar dicha parrilla (2) en función de la velocidad y temperatura de salida del gas, permitiendo dicha parrilla (2) desplazable y dichos medios de control la ampliación o reducción de la capacidad de dicha cámara (3) para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad de salida del gas.

Sistema para gasificar biomasa combustible y procedimiento de gasificación de biomasa combustible

La presente invención se refiere a un sistema y proceso de gasificación de biomasa combustible que emplean un reactor de lecho móvil en corrientes paralelas o “downdraft”.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La gasificación es un proceso termoquímico por el que la biomasa, o materia orgánica, se transforma en un gas combustible mediante una oxidación parcial a alta temperatura.

Cuando el combustible de biomasa entra a un reactor para su gasificación, primero se calienta y se seca. Una vez la temperatura es superior a 400ºC tiene lugar la pirolisis dando lugar a un residuo carbonoso o char formado por carbono principalmente y gases condensables y no condensables. Cuando la temperatura del char supera los 700ºC tienen lugar las reacciones de gasificación en las que el char reacciona con oxígeno, vapor de agua, dióxido de carbono e hidrógeno, y los gases reaccionan entre sí para producir la mezcla final de gas.

Para que tengan lugar las reacciones de gasificación es necesario introducir un agente gasificante, generalmente aire o oxígeno, que es el responsable de generar el calor necesario para el proceso global de gasificación. La introducción del agente gasificante se lleva a cabo en la zona de oxidación del reactor que es la zona que está provista de toberas de inyección de aire u oxígeno.

Bajo las toberas de inyección de aire u oxígeno, se halla la zona de reducción del reactor en la que finalizan las reacciones de gasificación con la formación de un gas que tiene como constituyentes principales monóxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua e hidrocarburos o alquitranes (tars) .

Las principales aplicaciones de la gasificación se basan en la producción de calor para usos industriales y en la producción de energía eléctrica. Para la producción de calor es necesario, además del reactor, un quemador del gas producido. En cambio, para la producción de energía eléctrica es necesario, además del reactor, un grupo electrógeno en el que el gas producido se utiliza como combustible.

Cuando se desea aprovechar el gas producido para la producción de energía eléctrica, resulta imprescindible llevar a cabo una limpieza exhaustiva del gas a la salida del reactor para reducir en lo máximo posible el contenido de partículas sólidas y sobretodo de alquitranes. Para ello el gas es filtrado, normalmente mediante ciclones, y después enfriado mediante intercambiadores hasta llegar a temperaturas de condensación que permiten una limpieza por arrastre de partículas.

El proceso de gasificación se puede llevar a cabo en un reactor de lecho móvil en corrientes paralelas

o “downdraft”. La principal característica de este tipo de reactor es que todos los productos procedentes de la zona de pirolisis son forzados a pasar por la zona de oxidación. De esta forma, una gran proporción de hidrocarburos y alquitranes (tars) pasan a hidrocarburos ligeros y a gases de peso molecular bajo como son el monóxido de carbono y el metano, por lo que el gas obtenido en este tipo de reactor es muy interesante para su uso en motores de combustión interna.

Sin embargo, la reducción del contenido de partículas y alquitranes del gas producido en la gasificación sigue siendo uno de los objetivos principales de todos los sistemas de gasificación de biomasa conocidos, incluidos los sistemas que emplean reactores como los citados de tipo “downdraft”.

Es conocido que los reactores de lecho móvil en corrientes paralelas o “downdraft” están provistos de una parrilla de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas o residuos procedentes del proceso de gasificación. También es conocido que para evitar altos contenidos de alquitrán en el gas final es necesario agitar el carbón o char que se encuentra encima de la parrilla haciendo girar la parrilla, ya que de este modo se deshacen solapamientos del carbón con cenizas que incrementan la velocidad del gas, dificultando el craqueo de hidrocarburos y con ello la eliminación del alquitrán generado durante el proceso.

Sin embargo, la agitación del char o carbón que se encuentra sobre la parrilla presenta el inconveniente de que favorece la caída de carbón o char a través de los orificios de la parrilla, lo que supone una pérdida nada despreciable de rendimiento del sistema de gasificación.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la presente invención es resolver los inconvenientes mencionados, desarrollando un sistema y proceso de gasificación de biomasa combustible que presenta la ventaja de que asegura la eliminación de alquitranes del gas final obtenido sin que se produzcan pérdidas del rendimiento de gasificación.

De acuerdo con este objetivo, según un primer aspecto la presente invención proporciona un sistema de gasificación de biomasa combustible que comprende un reactor de lecho móvil en corrientes paralelas o “downdraft” provisto de una parrilla de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación. El sistema se caracteriza por el hecho de que dicha parrilla está montada desplazable verticalmente en el interior de una cámara de reducción del reactor dispuesta bajo la zona de oxidación del mismo reactor, comprendiendo dicho sistema medios de procesamiento y control para accionar dicha parrilla en función de la velocidad o temperatura de salida del gas, permitiendo dicha parrilla desplazable y dichos medios de control la ampliación o reducción de la capacidad de dicha cámara para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad de salida del gas.

En el sistema de la presente invención, cuando se detecta un incremento de la velocidad del gas ocasionado por problemas de solapamiento del carbón con cenizas, la parrilla puede desplazarse verticalmente hacia arriba reduciendo la capacidad de la cámara de reducción lo que permite deshacer los solapamientos sin agitación del carbón o char. De este modo, la velocidad del gas de salida se mantiene sustancialmente constante asegurando el craqueo de hidrocarburos volátiles y la eliminación del alquitrán.

El sistema reivindicado presenta la ventaja, a diferencia de los sistemas del estado de la técnica, de que al desplazarse la parrilla del reactor verticalmente, el carbón o char no resulta agitado, por lo que la pérdida de carbón a través de los orificios de la parrilla es mínima. Gracias a ello, los problemas de eliminación de alquitrán ocasionados por los solapamientos de cenizas pueden solucionarse sin que se traduzcan en una pérdida de rendimiento del proceso.

Otra ventaja del sistema de la presente invención radica en el hecho de que permite mantener sustancialmente constante la reactividad del combustible lo que redunda también en la eliminación del contenido de alquitranes del gas de salida, ya que una baja reactividad favorece la formación de hidrocarburos volátiles en la zona de reducción del reactor.

Así, en el sistema de la presente invención, cuando se detecta un incremento de la velocidad del gas ocasionado por una falta de reactividad del combustible (causada por ejemplo, por la heterogeneidad en el tipo o tamaño de biomasa) , la parrilla puede desplazarse verticalmente hacia abajo o hacia arriba reduciendo o aumentando la capacidad de la cámara de reducción para favorecer una mayor reactividad de dicho combustible. Una vez alcanzada la reactividad deseada, la parrilla puede desplazarse hacia abajo ampliando la capacidad de la cámara para mantener constante la temperatura y la velocidad de salida del gas.

Según una realización preferida, dicha cámara de reducción presenta una configuración sustancialmente cilíndrica y la zona de oxidación del reactor incluye una cámara de oxidación de configuración troncocónica, siendo el diámetro del cuello de dicha cámara de oxidación inferior al diámetro de la cámara de reducción que aloja la parrilla.

Al ser el diámetro de la cámara de reducción superior al diámetro del cuello de la cámara de oxidación, la velocidad del gas en la cámara de reducción disminuye de forma acusada favoreciendo de forma muy significativa el craqueo de hidrocarburos volátiles y, con ello, la eliminación de alquitrán.

Preferiblemente,...

1. Sistema para gasificar biomasa combustible que comprende un reactor (1) de lecho móvil en

corrientes paralelas o “down draft”, estando provisto dicho reactor (1) de una parrilla (2) de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación, caracterizado por el hecho de que dicha parrilla (2) está montada desplazable verticalmente en el interior de una cámara (3) del reactor (1) destinada a la reducción de los productos procedentes de la zona de oxidación del mismo reactor (1) , comprendiendo dicho sistema medios de procesamiento y control para accionar dicha parrilla (2) en función de la velocidad y temperatura de salida del gas, permitiendo dicha parrilla (2) desplazable y dichos medios de control la ampliación o reducción de la capacidad de dicha cámara (3) para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad de salida del gas.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicha cámara (3) de reducción presenta una configuración sustancialmente cilíndrica y la zona de oxidación del reactor (1) incluye una cámara (4) de oxidación de configuración troncocónica, siendo el diámetro del cuello (4a) de dicha cámara (4) de oxidación inferior al diámetro de la cámara (3) de reducción que aloja la parrilla (2) .

3. Sistema según la reivindicación 2, en el que el cuello (4a) de dicha cámara (4) troncocónica de oxidación está dispuesto de modo que penetra en el interior de la cámara (3) cilíndrica de reducción del reactor (3) que aloja la parrilla (2) .

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, en el que el diámetro del extremo superior de la cámara (4) troncocónica de oxidación es sustancialmente el doble del diámetro del cuello (4a) de la misma cámara (4) , formando los lados de dicha cámara (4) troncocónica un ángulo a con la vertical comprendido entre 20º y 40º.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que dicho reactor (1) incluye una zona de pirolisis provista de una cámara (6) de configuración troncocónica.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha cámara (3) de reducción está dispuesta en el interior de una cámara (7) de recogida de cenizas, estando provista dicha cámara (7) de cenizas de un conducto de salida de gas situado en una posición superior a la parrilla (2) para facilitar la caída de partículas.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una segunda parrilla (8) montada rotatoria con respecto a la primera parrilla (2) , siendo susceptible dicha segunda parrilla (8) de desplazarse también verticalmente junto a dicha primera parrilla (2) en el interior de dicha cámara (3) de reducción.

8. Sistema según la reivindicación 7, en el que dicho reactor (1) incluye un conducto (9) vertical unido solidario a dicha segunda parrilla (8) , comprendiendo el extremo superior de dicho conducto (9) una pluralidad de conductos (10) laterales provistos de orificios (11) para introducir un agente gasificante en la cámara (3) de reducción.

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, en el que el diámetro de los orificios (12) de dicha segunda parrilla (8) rotatoria es superior al diámetro de los orificios de la primera parrilla (2) .

10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que la configuración de las parrillas (2, 8) es sustancialmente cónica o troncocónica.

11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un par de cilindros fluido dinámicos asociados a dichos medios de control para accionar dicha primera parrilla (2) , permitiendo la carrera de dichos cilindros el descenso de la parrilla (2) hasta una posición exterior a la cámara (3) de reducción para llevar a cabo la limpieza total de dicha cámara (3) .

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo (16) para filtrar el gas procedente del reactor (1) , incluyendo dicho dispositivo (16) ;

- un primer conducto (17) dispuesto sustancialmente vertical que comprende en su interior una pluralidad de filtros (18) de mangas provistos de un material textil filtrante resistente a altas temperaturas, siendo conducido el gas en el interior de dicho conducto (17) desde una entrada (19) inferior hasta una salida (20) superior,

- un segundo conducto (21) en el que se aloja de manera coaxial dicho primer conducto (17) , estando provisto dicho segundo conducto (21) de una entrada (23) superior de gas, definiendo ambos conductos (17, 21) un espacio (22) a través del que circula el gas desde dicha entrada (23) superior hasta la entrada (19) inferior de dicho primer conducto (17) , y

- un tercer conducto (24) exterior de refrigeración en el que se aloja de manera coaxial dicho segundo conducto (21) , definiendo ambos conductos (21, 24) un espacio (25) a través del que circula aire del exterior desde una entrada (26) inferior hasta una salida (27) superior del dispositivo (16) , llevándose a cabo mediante dicho aire un intercambio térmico con el gas antes de que este sea filtrado por dichos filtros (18) de mangas.

13. Sistema según la reivindicación 12, en el que dicho reactor (1) comprende una cámara (28) de admisión de aire procedente de dicho tercer conducto (24) de refrigeración del dispositivo (16) de filtrado del gas, estando situada dicha cámara (28) alrededor de la zona de oxidación del reactor (1) e incluyendo dicha cámara (28) un conducto para suministrar dicho aire a un número impar de toberas (5) de entrada de aire de dicha zona de oxidación.

14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo (17, 18) de intercambio térmico para enfriar y limpiar el gas procedente del reactor (1) , incluyendo dicho dispositivo;

- por lo menos un primer conducto (29, 37) dispuesto sustancialmente vertical por el que circula en su interior aire o agua para enfriar el gas,

- un segundo conducto (30, 38) en el que se aloja de manera coaxial dicho primer conducto (29, 37) , estando provisto dicho segundo conducto (30, 38) de una entrada (31, 39) y salida (32, 40) de gas, definiendo ambos conductos (29, 27, 30, 38) un espacio (33, 41) a través del que circula el gas desde dicha entrada (31, 39) hasta dicha salida (32, 40) para ser enfriado, siendo recogidos por gravedad los líquidos de condensación en la base (34, 42) de dicho segundo conducto (30, 38) , y

- un cierre hidráulico (35, 43) conectado a la base (34, 42) de dicho segundo conducto (30, 38) para permitir la purga en continuo de dichos líquidos de condensación.

15. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 14, que comprende un dispositivo (45) para eliminar alquitrán provisto de un ventilador (46) centrífugo de álabes para aspirar el gas, permitiendo dicho ventilador

(46) la separación de partículas de alquitrán al impactar dicho gas con los álabes de dicho ventilador (46) .

16. Sistema según la reivindicación 15, en el que dicho dispositivo (45) comprende unas cubetas (47) dispuestas en cascada en el interior de un conducto (48) que conduce el gas desde una entrada (49) superior a la que está acoplada dicho ventilador (46) hasta una salida (50) inferior que recoge el gas limpio.

17. Proceso de gasificación de biomasa combustible mediante un reactor (1) de lecho móvil en corrientes paralelas o “down draft”, estando provisto dicho reactor (1) de una parrilla (2) de sostén de la biomasa a través de la que caen las cenizas procedentes del proceso de gasificación, caracterizado por el hecho de incluye la etapa de ampliar o reducir la capacidad de una cámara (3) de reducción de gases del reactor (1) para mantener sustancialmente constante la temperatura y velocidad del gas de salida del reactor (1) , llevándose a cabo dicha etapa mediante el desplazamiento vertical de dicha parrilla (2) en el interior de dicha cámara (3) en función de la velocidad y temperatura del gas.

18. Proceso según la reivindicación 17, que incluye la etapa de girar alternativamente una segunda parrilla (8) sobre dicha primera parrilla (2) , llevándose a cabo dicho movimiento rotatorio antes o después de desplazar verticalmente dichas dos parrillas (2, 8) .

19. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 18, que incluye las etapas de;

a) enfriar el gas de salida del reactor (1) hasta una temperatura comprendida entre 300ºC y 550ºC,

b) filtrar en un filtro (18) de mangas el gas enfriado en la etapa a) para separar partículas sólidas,

c) limpiar el gas filtrado de la etapa b) enfriando dicho gas hasta una temperatura comprendida entre 80ºC y 100ºC en un primer dispositivo (17) intercambiador térmico provisto de medios (35, 36) para recoger los líquidos de condensación de dicho gas,

d) limpiar el gas de la etapa c) enfriando dicho gas hasta una temperatura comprendida entre 30ºC y 40ºC en un segundo dispositivo (18) intercambiador térmico también provisto de medios (43, 44) para recoger los líquidos de condensación,

e) limpiar el gas de la etapa d) haciendo impactar a alta velocidad dicho gas en los álabes de la turbina de aspiración de un ventilador (46) centrífugo para separar el alquitrán y, adicionalmente, haciendo impactar el gas en unas cubetas (47) dispuestas en cascada en el interior de un conducto (48) .