DISPOSITIVO REACTOR DUAL DE GASIFICACIÓN-PIRÓLISIS.

Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis.

El dispositivo descrito incluye:

un alimentador de carbón molido húmedo desde una tobera de alimentación superior (1) en dos ramas (1a) y (1b), disponiendo éstas de molinos adecuados; un elemento mezclador/distribuidor de carbón tamizado (2) aguas abajo de la toberas (1); una cámara (3) aguas abajo del elemento (2) de gasificación donde el material tamizado se oxida mediante una alimentación de oxígeno a aproximadamente 1.800ºC-1.900ºC, dividida la cámara (3) en dos subcámaras por una membrana de difusión de gases; un ciclón (4) aguas abajo de la cámara (3), que retiene las partículas sólidas presentes en el gas de síntesis; una cámara esencialmente pirolítica (5) donde los sólidos arrastrados del ciclón (4) se pirolizan, realimentándose los gases residuales a la cámara (3); una rejilla de dientes de sierra (6) que recoge los residuos sólidos, almacenándose éstos en forma de escorias en un elemento de almacenamiento (7).

Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis.

La presente invención se refiere a un dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis especialmente diseñado para su utilización en un procedimiento de gasificación-pirólisis a partir de una alimentación de carbón molido con el fin de obtener un gas de síntesis, esencialmente consistente en CO, CO2 y H2, empleando la energía solar obtenida en una planta termoeléctrica solar de alta temperatura en forma de vapor de agua y oxígeno.

Básicamente, en el dispositivo reactor dual de la invención se producen las reacciones de gasificación y pirólisis de carbón, que el dispositivo permite moler tras su alimentación en continuo, para obtener un gas de síntesis. El vapor de agua procedente de una central termoeléctrica solar de alta temperatura se alimenta al dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis ya alimentado con carbón molido, oxidándose éste parcialmente mediante O2, preferentemente procedente de una etapa de electrolisis, y el vapor de agua procedente de la central solar, en un gasificador provisto en el interior del dispositivo reactor dual. El gas así formado consiste básicamente en H2, CO, con pequeñas cantidades de CO2, CH4, H2S y carbón libre. Para eliminarlas y acondicionar el gas de síntesis, se lleva a cabo una pirólisis en el mismo dispositivo reactor dual, eliminándose esencialmente el carbón libre, el H2S y parte del CO2. Brevemente, entre 38 y 705ºC se produce la desvolatilización y el desprendimiento de carbono e hidrógeno, entre 705 y 1480ºC de C y H2O (g) y entre 1480 y 1815ºC de C y O2.

CH4 + CO + CO2 + O2 CO + CO2 + H2

El dispositivo reactor dual de la invención dispone de los catalizadores adecuados para que puedan tener lugar las diferentes reacciones, así como de los medios necesarios para mantener su integridad, tales como revestimientos refractarios, materiales aislantes, camisas de refrigeración, etc. Por otro lado, el dispositivo reactor dual de la invención incorpora un ciclón con el fin de eliminar cualquier residuo sólido del gas de síntesis obtenido.

Igualmente, el dispositivo reactor dual de la invención permite recoger los residuos del proceso anteriormente descrito, que se almacenan para su posterior reutilización en otros procesos, por ejemplo en procesos donde se emplean cenizas o para su reciclaje en forma de fertilizantes.

La gasificación de un sólido es un proceso termoquímico que engloba la descomposición térmica de la materia orgánica y la acción de un gas que reacciona principalmente con el residuo carbonoso procedente de esa descomposición térmica.

El término genérico gasificación engloba una gran variedad de procesos en los que pueden obtenerse muy diversos productos. Basándose en el agente gasificante empleado puede establecerse una primera clasificación de los procesos de gasificación:

• Con aire: La reacción de combustión parcial con el aire da lugar a una reacción exotérmica que da lugar a un gas de bajo poder calorífico, aprovechable con fines de carácter energético.

• Con oxígeno: Se produce un gas de poder calorífico medio, pero de mayor calidad al no estar diluido con N2. Además de aplicaciones de carácter energético puede utilizarse como gas de síntesis para la obtención de metanol.

• Con vapor de agua y/o oxígeno (o aire) : Se produce un gas enriquecido en H2 y CO que se puede utilizar como gas de síntesis para diversos compuestos (amoníaco, metanol, gasolinas, etc) .

• Con hidrógeno: Se produce un gas de alto contenido energético que, por tener altos porcentajes de metano, puede utilizarse como sustituto del gas natural.

Otra clasificación interesante de los procesos de gasificación utiliza como criterio el movimiento relativo de los agentes gasificante y sólido gasificado en el interior del gasificador. En base a este criterio los principales tipos de gasificadores son: de lecho móvil (también denominado de lecho fijo) en corrientes paralelas (downdraft) o en contracorriente (updraft) , y de lecho fluidizado. Otros tipos de gasificadores utilizados en menor medida son los hornos rotatorios, reactores ciclónicos, lechos fluidizados circulantes, de arrastre, etc.

En el proceso de gasificación tienen lugar una gran variedad de reacciones cuyo orden de importancia relativa dependen de las condiciones de operación y del agente gasificante utilizado, pero que pueden agruparse en tres bloques o etapas en los que conceptualmente puede dividirse un proceso de gasificación:

• Pirólisis o descomposición térmica, en la que mediante calor, el sólido original se descompone en una mezcla sólido, líquido, gas. Al sólido originado en esta etapa se le suele denominar char y, a los líquidos, debido a la presencia mayoritaria de alquitranes y vapores condensables, tar.

• Oxidación o combustión. Tiene lugar cuando el agente gasificante es un oxidante como oxígeno o aire e implica el conjunto de reacciones de oxidación, tanto homogéneas como heterogéneas, fundamentalmente exotérmicas, mediante las que se genera el calor necesario para que el proceso se mantenga.

• Reducción o gasificación. La constituyen las reacciones sólido-gas o en fase gas, mediante las que el sólido remanente se convierte en gas. Se trata de reacciones fundamentalmente endotérmicas, algunas de las cuales tienen lugar en muy poca extensión, o solo tienen lugar en determinadas condiciones, como ocurre con algunas reacciones de hidrogenación y/o reformado.

Las etapas de oxidación y reducción pueden considerarse conjuntamente en una sola etapa de gasificación en la que tienen lugar todo tipo de reacciones posibles entre el char y la mezcla gaseosa presente.

Existen una serie de factores que influyen en el proceso de gasificación, pudiendo distinguirse entre los que se refieren al modo de operación y al sólido gasificado, y los que son inherentes al diseño del gasificador y de los equipos auxiliares.

La temperatura es un parámetro importante en todas las etapas, y por tanto en el rendimiento final del proceso. En concreto, las proporciones entre char, tar y gas en los productos de pirólisis dependen estrechamente de la velocidad de calentamiento y de la temperatura final alcanzada. Como idea general puede decirse que a altas velocidades de calentamiento y alta temperatura final se produce mayoritariamente gas, mientras que a temperaturas finales y velocidades de calentamiento menores se producen mayoritariamente líquidos o sólidos. En los gasificadores de lecho fluidizado se tiene normalmente velocidades de calentamiento altas (hasta miles de EC/s) , mientras que en los reactores de lecho móvil las velocidades de calentamiento suelen ser moderadas (del orden de 0, 2 - 0, 5 EC/s) .

En la etapa de gasificación propiamente dicha, dada la reversibilidad de la mayoría de las reacciones, la temperatura influye en los equilibrios de reacción. En general para distintos combustibles puede decirse que el aumento de temperatura favorece el aumento del contenido en el gas producto de H2 y CO en detrimento del CH4 y del H2O.

En general el aumento de la presión desfavorece las reacciones de gasificación, aumentando las proporciones de hidrocarburos y alquitranes. Los gasificadores de lecho móvil suelen trabajar a presión atmosférica y los de lecho fluidizado suelen trabajar a presión, alcanzándose hasta los 30 bar en algunos casos.

La relación agente gasificante/residuo es uno de los parámetros más importantes en la gasificación, especialmente cuando ésta se autoabastece energéticamente mediante la oxidación parcial, con aire u oxígeno del residuo tratado. Valores excesivamente bajos de este parámetro pueden no generar la cantidad suficiente de energía para mantener el proceso en las condiciones adecuadas, produciéndose una disminución del rendimiento. Por otro lado, cuando el agente gasificante es aire, existe además un efecto de dilución por parte del N2. Por ello hay un valor óptimo de la relación gasificante/residuo para cada proceso, que depende básicamente de la composición del residuo gasificado. Así, por ejemplo, cuando se trata de biomasa forestal la relación óptima en peso de aire/biomasa se ha comprobado que está entre 0, 5 y 1, 6 para los gasificadores de lecho fluido, y alrededor de 1, 5 para los gasificadores de lecho móvil.

Así se conjuga, por un lado el aumento de temperatura que produce una disminución de la proporción de residuo sólido y condensables generados en la etapa de pirólisis, y por otro la disminución de la calidad del gas.

Por otro lado, el contenido en cenizas nos dice la cantidad de sólidos que será necesario retirar del gasificador por unidad...

1. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón caracterizado porque incluye los siguientes elementos:

un alimentador de carbón molido húmedo desde una tobera de alimentación superior (1) en dos ramas (1a) y (1b) , disponiéndose en el interior de una de las ramas un molino de mandíbula y bolas y, en el

interior de la otra, un molino de bolas, para la molienda del material carbonoso inicial;

un elemento mezclador/distribuidor de carbón tamizado (2) situado aguas abajo de las toberas de alimentación y molienda (1) , cayendo el carbón tamizado al elemento mezclador/distribuidor (2) tanto debido a una alimentación de vapor de agua como gas de arrastre como al peso del polvo en sí, favoreciendo esta circulación de gas el flujo de las partículas carbonosas y minimizando su deposición en las paredes del elemento mezclador/distribuidor (2) ;

una cámara (3) aguas abajo del elemento (2) esencialmente de gasificación donde el material tamizado húmedo se oxida parcialmente mediante una alimentación adicional de oxígeno, a una temperatura de aproximadamente 1.800ºC-1.900ºC, estando la cámara (3) provista de un revestimiento refractario en su interior, con el fin mantener la mantener la temperatura interna, así como, en su exterior, de un revestimiento aislante para minimizar las pérdidas caloríficas por radiación al exterior de las paredes; y estando dividida la cámara (3) en dos subcámaras (3a, 3b) por una membrana de difusión de gases que permite mantener separados los gases H2 y los basados en carbono (CO2, CO) obtenidos como una mezcla de gas de síntesis un ciclón (4) aguas abajo de la cámara (3) , que retiene las partículas sólidas presentes en el gas de síntesis y operando a una temperatura de 600ºC mantenida por el propio de gas en su interior;

una cámara esencialmente pirolítica (5) en la cual los sólidos arrastrados del ciclón (4) se pirolizan eliminándose esencialmente el carbón libre, el H2S y parte del CO2, siendo los gases residuales realimentados a la cámara (3) ;

una rejilla de dientes de sierra (6) que recoge los residuos sólidos de los procesos simultáneos de gasificación y pirólisis, almacenándose éstos en forma de escorias y cenizas en un elemento de almacenamiento (7) para su posterior reutilización.

2. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1, caracterizado porque en cada una de las ramificaciones (1a, 1b) de la tobera de alimentación (1) se encuentran tamices de 90 mesh (1a) y 490 mesh (1b) respectivamente para el tamizado del carbón.

3. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1, caracterizado porque permite la recirculación del hidrógeno presente en la cámara (3) desde el reactor hacia el exterior para ser empleado en otros procesamientos químicos o directamente como combustible.

4. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura de operación del elemento (2) se sitúa en el rango d.

22. 250ºC, la correspondiente de la cámara (3) se mantiene a 1.800ºC-1.900ºC y la correspondiente al ciclón (4) es de 600ºC.

5. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1, caracterizado porque el material refractario de las cámaras (3) y (5) se basa en un material de fibrocemento de alúmina, sílice y calcáreo, preferentemente del tipo Superboard®, manteniendo un aislamiento con estabilidad dimensional hasta 3.500ºC.

6. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1, caracterizado porque incluye además un serpentín regulador de flujo de calor en todas sus paredes.

7. Dispositivo reactor dual de gasificación-pirólisis de carbón según la reivindicación 1, caracterizado porque permite la recirculación de los gases intermedios residuales obtenidos desde una cámara a la otra, de forma que el régimen de flujo o flujo arrastrado permite la alimentación en continuo de carbón y extraer fácilmente las escorias de todas las cámaras.