Metodo y aparato para generación de energía de biomasa, modular, automatizada.

Método automatizado para convertir un material carbonoso, sólido,

en un gas combustible con bajo contenido en alquitrán dentro de una cámara (50), (200) de reactor de gasificación de corriente descendente, que comprende:

introducir el material carbonoso en la cámara (50), (200);

transformar una primera parte del material carbonoso en un material carbonizado en una zona de pirólisis a la llama;

controlar una pluralidad de temperaturas a lo largo de una longitud de la cámara inyectando gas oxidante en una pluralidad de niveles en la cámara (50), (200) de reactor de gasificación;

controlar una cantidad del gas oxidante inyectado desde al menos uno de la pluralidad de niveles;

variar una ubicación de la zona de pirólisis a la llama dentro de la cámara aumentando o disminuyendo una cantidad de gas oxidante inyectado aguas arriba o aguas abajo de la zona de pirólisis;

controlar la porosidad del material carbonizado y una segunda parte del material carbonoso en la cámara (50), (200) de reactor de gasificación aplicando al menos una fuerza a la cámara; y

convertir el material carbonizado y la segunda parte del material carbonoso en el gas combustible con bajo contenido en alquitrán dentro de la cámara (50), (200) de reactor de gasificación;

caracterizado porque: el gas oxidante se suministra a un interior de la cámara (50), (200) de reactor de gasificación a distancias variables de una pared (101) de la cámara de reactor de gasificación en un patrón que distribuye uniformemente el gas oxidante dentro de un lecho de combustible a través de una pluralidad de tubos (102) de inyección que penetran en la pared del reactor de gasificación en más de dos niveles, comprendiendo los tubos de inyección en al menos un nivel tubos (203) de inyección cortos que alternan con tubos (204) de inyección largos

Método y aparato para generación de energía de biomasa, modular, automatizada.

Sector de la técnica Las realizaciones de la invención se refieren en general al campo de la gasificación de biomasa de corriente descendente. Más específicamente, las realizaciones de la invención se refieren a gasificación de biomasa en gasificadores modulares, portátiles, distribuidos que producen un gas combustible con bajo contenido en alquitrán con pocas emisiones y corrientes de desechos no tóxicos.

Estado de la técnica La gasificación implica normalmente la oxidación o conversión de materia prima de biomasa a base de carbono en gas u otro combustible utilizable. El gas resultante puede usarse para generar electricidad, o como material de partida para producir productos químicos y combustibles líquidos. Normalmente, se tamiza materia prima tal como virutas de madera u otra biomasa para eliminar el material indeseable. La alimentación se seca y se procesa en un gasificador para producir combustible.

En el documento WO 02/46331 A1 se da a conocer un gasificador de lecho fijo con una cámara.

En el documento US 4.300.002 se da a conocer un gasificador de corriente descendente con conjunto separado de tubos de inyección para inyectar gas oxidante.

Las técnicas usadas comúnmente para la gasificación de biomasa a menudo están obstaculizadas por la incapacidad para controlar las variables de gasificación, y por tanto dan como resultado la generación de un gas combustible contaminado con altos niveles de alquitranes. En muchos sistemas de gasificador actuales tales altos niveles de alquitranes requieren el uso de sistemas de limpieza de gas que lo más a menudo incorporan lavadores a base de agua y/o grandes filtros de lecho de arena o serrín. Estos componentes pueden añadir coste, complejidad y aumentar el tamaño de la huella del sistema. Además, a menudo es necesario limpiar el efluente cargado de alquitrán o los grandes volúmenes de arena o serrín contaminados con alquitranes, o tratarlos como corriente de desechos peligrosos en muchos países en general, y en los EE.UU. en particular.

Es más, los enfoques actuales para la gasificación a menudo no proporcionan enfriamiento de gas eficaz, lo que puede conducir a gas combustible sin limpiar. El enfriamiento del gas pobre caliente es un problema de transferencia de calor difícil desde un punto de vista práctico. Las temperaturas desiguales y la expansión y la contracción térmicas resultantes de diferentes partes de un intercambiador de calor de tubo y carcasa a menudo requieren proporcionar atenuación de tensión, cuando se hace funcionar con grandes diferencias de temperatura entre los dos flujos de fluido. Las técnicas actuales también implican a menudo lavado con agua para eliminar alquitranes y materiales carbonizados residuales de los gases pobres. Desgraciadamente, estos materiales son partículas y aerosoles muy finos, que son difíciles de eliminar mediante este método.

Otro defecto de los sistemas de generación de gas combustible distribuido es la incapacidad para controlarlos a través de una red de comunicaciones para monitorizar los funcionamientos y optimizar el rendimiento mientras se aumenta la capacidad para diagnosticar e implementar reparaciones rápidas. Esta incapacidad para monitorizar y controlar la generación de gas combustible a través de una red de comunicaciones, o bien de área local o bien de área de gran amplitud, puede aumentar los costes de mano de obra del funcionamiento mientras se reducen los ingresos debido a los tiempos aumentados para recuperarse de las paradas del sistema.

Lo que se necesita son sistemas y métodos para gasificación que puedan controlar de manera precisa las variables de gasificación, proporcionar enfriamiento de gas eficaz, funcionar sin el uso de líquido de lavado y albergar control informático de un grupo interconectado de sistemas modulares de bioenergía. Las realizaciones de la presente invención proporcionan soluciones para al menos algunas de estas necesidades.

Objeto de la invención Las realizaciones de la presente invención proporcionan sistemas y métodos de gasificación muy adecuados para la automatización y el control de diversas variables de gasificación tales como enfriamiento y filtración. Además se proporcionan técnicas para controlar la ubicación de la zona de pirólisis e incluir inyección de aire con alquitrán en cámaras de gasificación. Los componentes de rejilla pueden moverse según sea necesario para llevar a cabo diversas funciones, y los gasificadores pueden hacerse vibrar para crear condiciones deseadas para la producción de gas. En algunas realizaciones, se hace pasar todo el material carbonizado a través de un intercambiador de calor, y en algunas realizaciones el material carbonizado adsorbe alquitranes. Los tubos de intercambiador de calor están configurados para el movimiento libre, se proporcionan filtros y se dan a conocer aspectos de la automatización, incluyendo la capacidad para usar Internet para el funcionamiento a distancia.

En un primer aspecto, las realizaciones de la presente invención proporcionan un método automatizado para convertir un material carbonoso, sólido, en un gas combustible con bajo contenido en alquitrán según la reivindicación 1. En algunos casos, el material carbonoso incluye una densidad aparente mayor de aproximadamente 3 libras por pie cúbico. En algunos casos, el material carbonoso incluye una biomasa leñosa, una biomasa no leñosa, un producto celulósico, un cartón, un tablero de fibras, un papel, un plástico o un producto alimenticio. El método también puede incluir controlar la cantidad de gas oxidante inyectado en la cámara de gasificación en dos o más niveles con uno o más ventiladores o sopladores de velocidad variable, con una o más válvulas o con uno o más reductores de flujo.

Todavía en otro aspecto, las realizaciones de la presente invención proporcionan un aparato de reactor de gasificación automatizado para convertir un material carbonoso, sólido, en un gas combustible según la reivindicación 8. La fuente de calor para encendido puede incluir un calentador de resistencia eléctrica o un quemador de gas, por ejemplo. En algunos casos, el aparato también incluye un medio de soplador configurado para inyectar el gas oxidante en la cámara de gasificación. El medio de soplador puede incluir un único soplador que tiene una pluralidad de válvulas de control o una pluralidad de sopladores. La pluralidad de boquillas pueden estar ubicadas en una pluralidad de tubos de inyector que sobresalen hacia dentro hacia el reactor de gasificación. El aparato también puede incluir un medio para mover la rejilla, tal como un motor, un actuador, un solenoide y similares. En algunos casos, el aparato también incluye un medio de vibración configurado para controlar la porosidad de un material carbonoso y material carbonizado combinados mediante el colapso de puentes y canales en el mismo. En algunos casos, el aparato también incluye un intercambiador de calor de tubo y carcasa configurado para controlar una temperatura de un gas cargado de alquitrán para promover la recogida de alquitrán sobre una superficie de una partícula arrastrada en una corriente de gas que fluye. Un tubo dentro del intercambiador de calor de tubo y carcasa puede estar configurado para resistir la expansión diferencial extrema producida por el enfriamiento de la corriente de gas que fluye, y puede atenuarse la tensión del tubo de manera individual a través de una junta en una placa de tubos. El aparato también puede incluir un filtro para eliminar la partícula cargada de alquitrán de la corriente de gas que fluye.

En algunos aspectos, las realizaciones de la presente invención proporcionan métodos para convertir material carbonoso, sólido, en un gas combustible con bajo contenido en alquitrán proporcionando un medio para controlar la inyección de gas oxidante en varios niveles a lo largo de la longitud axial de la cámara de reactor llena con el material carbonoso, sólido, y proporcionando un medio para controlar la inyección del gas oxidante a la cámara de reactor de forma que varíe de manera continua la razón del gas oxidante inyectado con respecto al aire oxidante ambiental recibido de cualquier otra entrada a la cámara de reactor de gasificación desde el 0% de gas oxidante inyectado hasta el 100% de aire ambiental, o desde el 100% de gas oxidante inyectado hasta el 0% de aire ambiental. Los métodos también pueden incluir controlar la inyección del gas oxidante a la cámara de reactor de forma que varíe la razón del gas oxidante inyectado a un nivel axial individual desde el 0% hasta el 100% del gas oxidante total requerido, controlar la inyección del gas oxidante en varios niveles... [Seguir leyendo]

1. Método automatizado para convertir un material carbonoso, sólido, en un gas combustible con bajo contenido en alquitrán dentro de una cámara (50) , (200) de reactor de gasificación de corriente descendente, que comprende:

introducir el material carbonoso en la cámara (50) , (200) ;

transformar una primera parte del material carbonoso en un material carbonizado en una zona de pirólisis a la llama;

controlar una pluralidad de temperaturas a lo largo de una longitud de la cámara inyectando gas oxidante en una pluralidad de niveles en la cámara (50) , (200) de reactor de gasificación;

controlar una cantidad del gas oxidante inyectado desde al menos uno de la pluralidad de niveles;

variar una ubicación de la zona de pirólisis a la llama dentro de la cámara aumentando o disminuyendo una cantidad de gas oxidante inyectado aguas arriba o aguas abajo de la zona de pirólisis;

controlar la porosidad del material carbonizado y una segunda parte del material carbonoso en la cámara (50) ,

(200) de reactor de gasificación aplicando al menos una fuerza a la cámara; y

convertir el material carbonizado y la segunda parte del material carbonoso en el gas combustible con bajo contenido en alquitrán dentro de la cámara (50) , (200) de reactor de gasificación;

caracterizado porque: el gas oxidante se suministra a un interior de la cámara (50) , (200) de reactor de gasificación a distancias variables de una pared (101) de la cámara de reactor de gasificación en un patrón que distribuye uniformemente el gas oxidante dentro de un lecho de combustible a través de una pluralidad de tubos (102) de inyección que penetran en la pared del reactor de gasificación en más de dos niveles, comprendiendo los tubos de inyección en al menos un nivel tubos (203) de inyección cortos que alternan con tubos (204) de inyección largos.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además controlar la porosidad del material carbonizado y la segunda parte del material carbonoso haciendo vibrar la cámara (50) , (200) de reactor de gasificación o moliendo el material carbonizado y la segunda parte del material carbonoso para maximizar la reducción de alquitrán con un mínimo de caída de presión para un intervalo determinado de velocidades de flujo de gas combustible.

3. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el material carbonoso comprende una densidad aparente mayor de aproximadamente 3 libras por pie cúbico.

4. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el material carbonoso comprende un elemento seleccionado del grupo que consiste en una biomasa leñosa, una biomasa no leñosa, un producto celulósico, un cartón, un tablero de fibras, un papel, un plástico y un producto alimenticio.

5. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además controlar la cantidad de gas oxidante inyectado en la cámara (50) , (200) de gasificación en dos o más niveles con uno o más ventiladores o sopladores de velocidad variable, con una o más válvulas o con uno o más reductores de flujo.

6. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de tubos de inyección comprenden una pluralidad de boquillas a través de las cuales se suministra gas oxidante, en el que las boquillas están separadas en los tubos (102) de inyección para tener una distribución relativamente uniforme de gas oxidante en cada nivel.

7. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un nivel, que comprende tubos (203) de inyección cortos y tubos (204) de inyección largos alternantes, comprende además un tubo (205) de inyección extralargo para cubrir un área central del al menos un nivel, teniendo el tubo (205) de inyección extralargo tubos (203) de inyección cortos en cada lado.

8. Aparato de reactor de gasificación automatizado para convertir un material carbonoso, sólido, en un gas combustible, que comprende:

una fuente de calor configurada para encender el material carbonoso, sólido, para formar un gas combustible;

una cámara (50) , (200) de reactor de gasificación que comprende una pared (101) del reactor de gasificación;

una pluralidad de tubos (102) de inyección que penetran en la pared (101) del reactor de gasificación, estando configurados los tubos (102) de inyección para suministrar un gas oxidante a un interior de la cámara de reactor de gasificación a distancias variables de la pared (101) del reactor de gasificación; y

una rejilla (303) móvil y un tamiz de malla ubicado en una salida aguas abajo de la cámara de reactor de gasificación, estando configurada la rejilla para triturar material carbonizado o ceniza frangible hasta un tamaño que puede pasar a través del tamiz de malla;

caracterizado porque la pluralidad de tubos (102) de inyección penetran en la pared (101) del reactor de gasificación en más de dos niveles y están configurados para suministrar gas oxidante a un interior de la cámara (50) , (200) de reactor de gasificación a distancias variables de la pared (101) del reactor de gasificación en un patrón que distribuye uniformemente el gas oxidante dentro de un lecho de combustible, comprendiendo los tubos de inyección en al menos un nivel tubos (203) de inyección cortos que alternan con tubos (204) de inyección largos.

9. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque la fuente de calor para encendido comprende un calentador de resistencia eléctrica o un quemador de gas.

10. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende además un medio de soplador configurado para inyectar el gas oxidante en la cámara de gasificación, comprendiendo el medio de soplador un único soplador que tiene una pluralidad de válvulas de control o una pluralidad de sopladores.

11. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque la pluralidad de tubos (102) de inyección comprenden una pluralidad de boquillas configuradas para suministrar gas oxidante al interior de la cámara (50) , (200) de reactor de gasificación, en el que la pluralidad de boquillas están configuradas para suministrar gas oxidante en una dirección generalmente no perpendicular a una dirección de flujo del gas combustible.

12. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende además un medio (305) para mover la rejilla (303) seleccionado del grupo que consiste en un motor, un actuador y un solenoide.

13. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende además un medio de vibración configurado para controlar la porosidad de un material carbonoso y material carbonizado combinados mediante el colapso de puentes y canales en el mismo.

14. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende además un intercambiador de calor de tubo y carcasa configurado para controlar una temperatura de un gas cargado de alquitrán para promover la recogida de alquitrán sobre una superficie de una partícula arrastrada en una corriente de gas que fluye.

15. Aparato según la reivindicación 14, caracterizado porque un tubo dentro del intercambiador de calor de tubo y carcasa está configurado para resistir la expansión diferencial extrema producida por el enfriamiento de la corriente de gas que fluye, presentando el tubo atenuación de tensión de manera individual a través de una junta en una placa de tubos.

16. Aparato según la reivindicación 14, caracterizado porque comprende además un filtro para eliminar la partícula cargada de alquitrán de la corriente de gas que fluye.

17. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque los tubos (102) de inyección y las boquillas en los tubos de inyección están separados para tener una distribución relativamente uniforme de gas oxidante en cada nivel.

18. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque el al menos un nivel, que comprende tubos (203) de inyección cortos y tubos (204) de inyección largos alternantes, comprende además un tubo (205) de inyección extralargo para cubrir un área central del al menos un nivel, teniendo el tubo (205) de inyección extralargo tubos (203) de inyección cortos en cada lado.