Sistema combinado de gasificación y vitrificación.

Un sistema de procesado de gasificación/vitrificación que comprende:

una unidad de vitrificación (4), comprendiendo la unidad de vitrificación un dispositivo (6) de generación deplasma y un sistema (8) de calentamiento de joule, siendo la unidad de vitrificación apropiada para convertircarbono elemental y productos de combustión incompleta en un gas rico en hidrógeno, y para convertir escoriaen vidrio,

caracterizándose la el sistema de procesado de gasificación/vitrificación por comprender además:

una unidad de gasificación (1) apropiada para convertir materiales orgánicos en una composición quecomprende una mezcla de un gas rico en hidrógeno, materiales orgánicos parcialmente oxidados, materialesorgánicos parcialmente gasificados y escoria, estando dispuesta la unidad de gasificación para permitir laalimentación directa de dicha composición en dicha unidad de vitrificación (4), donde dicha unidad devitrificación (1) es una unidad de gasificación en corriente descendente, que comprende medios mecánicos(3) para transportar dichos materiales orgánicos hacia abajo de la longitud axial de dicha unidad degasificación.

Sistema combinado de gasificación y vitrificación

Campo técnico La presente invención se refiere generalmente a un método y un aparato para procesar materias primas que contienen materiales orgánicos. Más específicamente, la presente invención se refiere a un sistema integrado de vitrificación y gasificación de oxidación parcial, que proporciona un método mejorado y un aparato para recuperar valor energético a partir de dichas materias primas al tiempo que da lugar a las partes inorgánicas de forma segura y apta para uso.

Antecedentes de la invención A mediados de 1800, la biomasa, principalmente biomasa de madera, proporcionaba más de un 90 % de las necesidades energéticas y de combustible en Estados Unidos. Posteriormente, el uso de la energía de biomasa comenzó a disminuir a medida que los combustibles fósiles se convirtieron en recursos energéticos preferidos. Actualmente, los mercados energéticos mundiales están basados en combustibles fósiles, carbón, aceite crudo de petróleo y gas natural como fuentes de energía. Debido a que se requieren varios millones de años para formar los combustibles fósiles en la tierra, sus reservas son finitas y se encuentran sometidas a agotamiento a medida que se consumen. La única fuente de carbono conocida diferente que contiene energía de origen natural que se puede usar de manera suficiente como sustitutivo de los combustibles fósiles es la biomasa. La biomasa se define en la presente memoria como materiales orgánicos no fósiles que tienen un contenido energético químico intrínseco. Incluye toda la vegetación y árboles acuáticos y terrestres, o biomasa virgen, así como también toda la biomasa residual tal como residuos sólidos municipales (MSW) , biosólidos municipales (depuración de aguas residuales) y residuos animales (estiércol) , residuos de agricultura y silvicultura, y determinados tipos de residuos industriales. Se entiende que los residuos actuales consisten en una mezcla de materiales procedente de los combustibles fósiles y materiales orgánicos no fósiles.

A diferencia de los combustibles fósiles, la biomasa es renovable en el sentido de que únicamente se requiere un corto período de tiempo para sustituir la que se usa como recurso energético. Algunos analistas actualmente piensan que el fin de la Era de los Combustibles Fósiles está a la vista debido a que se espera que el agotamiento de las reservas comience antes de mediados del siglo XXI, probablemente en primer lugar con el gas natural. Se espera que esta eventualidad y el impacto negativo del uso de combustibles fósiles sobre el medio ambiente sean las fuerzas que accionen la estimulación de la transformación de biomasa en uno de los recursos energéticos dominantes.

En circunstancias comunes, la biomasa virgen se recoge para alimentación animal, alimentación humana, fibras y materiales de construcción o se deja en áreas de desarrollo donde tiene lugar la descomposición de forma natural. La biomasa en descomposición o los productos residuales procedentes de la recolección y procesado de biomasa, tanto si se eliminan como si se dejan sobre el terreno, se pueden recuperar parcialmente en teoría después de un largo período de tiempo en forma de combustibles fósiles. Alternativamente, la biomasa virgen, y cualquier biomasa residual que proviene del procesado o consumo de biomasa virgen, se puede transformar en energía, combustibles o sustancias químicas. Las tecnologías para dicha conversión incluyen una variedad de procesos térmicos y

termoquímicos, gasificación, licuefacción y conversión microbiana de biomasa en combustibles gaseosos y líquidos por medio de métodos de fermentación. Muchos de estos procesos son apropiados para la conversión directa de biomasa o la conversión de intermedios. Los combustibles sintéticos producidos por medio de estos métodos son idénticos a los que se obtienen a partir de materias primas fósiles, o si no son idénticos, al menos son apropiados como sustitutivos de combustibles fósiles.

Un ejemplo de tecnología de conversión de biomasa son técnicas en las cuales se gasifica la biomasa por medio de oxidación parcial para dar lugar a un gas combustible de bajo valor calorífico, o gas de síntesis, que posteriormente se puede usar como materia prima en procesos de síntesis química, o como fuente de energía, por ejemplo, para el accionamiento de un motor de combustión interna, una turbina de gas o una pila de combustible con el fin de 55 generar energía eléctrica. Dichos esquemas están basados en la exposición de las materias primas orgánicas a calor y una cantidad limitada de oxígeno en gasificadores configurados de forma especial para llevar a cabo la oxidación de los materiales orgánicos, produciendo de este modo un gas efluente que consiste principalmente en hidrógeno y monóxido de carbono. Actualmente, cientos de compañías en todo el mundo ofrecen dichos sistemas para la producción de dicho gas combustible. Es importante notar que dichos métodos son eficaces a la hora de convertir virtualmente todas las materias primas orgánicas, incluyendo biomasa, materiales orgánicos basados en fósiles, y sus derivados, incluyendo residuos procedentes de la producción y uso de biomasa y materiales orgánicos basados en fósiles, en energía eléctrica.

Además de la producción de gas de síntesis a través de la oxidación parcial en gasificadores, el gas de síntesis 65 también se ha producido usando sistemas que convierten agua y materiales orgánicos en gas de síntesis en una reacción de reformado de vapor. Ejemplos de dichos sistemas incluyen los descritos en Production of Technological

Gas for Synthesis of Ammonia and Methanol from Hydrocarbon Gases, Chemistr y , A. G. Leibsysh, Moscú, 1971. Este artículo describe la conversión de metano por medio de vapor sin catalizador a una variedad de temperaturas diferentes y diferentes proporciones de H2O:CH4. Este artículo, cuyos contenidos completos se incorporan por referencia en la presente memoria, muestra la producción de gas de síntesis tanto en experimentos de planta piloto 5 como en resultados de laboratorio obtenidos en un reactor de cuarzo. La tendencia general hacia la conversión completa de las materias primas orgánicas en gas de síntesis con un tiempo de residencia creciente y temperatura se muestra tanto en la presentación gráfica como en tablas de los datos experimentales observados. Se presentó el trabajo experimental relacionado en Estados Unidos en "Synthesis Gas Production from Organic Wastes by Pyrolisis/Steam Preforming" Energy from Biomass and Wastes: Actualización de 1978, por Dr. Michael J. Antal., Jr., cuyos contenidos completos se incorporan por referencia. En este trabajo, se logra la gasificación de vapor de biomasa como proceso de dos etapas. A temperatura relativamente baja (300º a 500 ºC) se piroliza la biomasa, produciendo un materia volátil y alquitranes. A temperaturas bastante más elevadas (-600 ºC) posteriormente se hace reaccionar la materia volátil con vapor para producir un gas de síntesis rico en hidrocarburos. El Handbook of Thermodynamic Temperature Process Data, de A. L. Suris, 1985, cuyos contenidos completos se incorporan por

referencia en la presente memoria, muestra los productos teóricos de la descomposición sin combustión de metano con agua (CH4 + H2O) por medio de temperaturas crecientes. A 1000 ºC, la destrucción de metano es mayor de un 99 %, y a 1400 ºC la destrucción de metano es mayor de un 99, 99 %.

Al tiempo que estos y otros sistemas de gasificación han mostrado una amplia variedad de beneficios, todavía están presentes varios inconvenientes en su operación. Por ejemplo, estos tipos de sistemas normalmente no se adaptan bien al procesado de materias primas heterogéneas, que se definen en la presente memoria como materias primas que contienen mezclas de materiales orgánicos e inorgánicos. En muchos casos, los constituyentes orgánicos de las materias primas pueden afectar negativamente al procesado de la parte orgánica, dando como resultado menos que la conversión completa, o tasas de procesado reducidas. De igual forma, se pueden dejar los constituyentes 25 inorgánicos en forma de escoria altamente concentrada, lo que les convierte en altamente solubles en el medio ambiente, en particular en aguas subterráneas, y por tanto en potencialmente peligrosos para el medio ambiente y/o se requiere un tratamiento costoso para estabilizar estos constituyentes antes de la eliminación final. Incluso cuando se opera con materias primas homogéneas, normalmente los sistemas de gasificación presentan inconvenientes. Por ejemplo, un compromiso común en la operación de un sistema de gasificación existe entre el hecho de disponer de un producto de gas limpio y la minimización... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de procesado de gasificación/vitrificación que comprende:

una unidad de vitrificación (4) , comprendiendo la unidad de vitrificación un dispositivo (6) de generación de plasma y un sistema (8) de calentamiento de joule, siendo la unidad de vitrificación apropiada para convertir carbono elemental y productos de combustión incompleta en un gas rico en hidrógeno, y para convertir escoria en vidrio, caracterizándose la el sistema de procesado de gasificación/vitrificación por comprender además:

una unidad de gasificación (1) apropiada para convertir materiales orgánicos en una composición que comprende una mezcla de un gas rico en hidrógeno, materiales orgánicos parcialmente oxidados, materiales orgánicos parcialmente gasificados y escoria, estando dispuesta la unidad de gasificación para permitir la alimentación directa de dicha composición en dicha unidad de vitrificación (4) , donde dicha unidad de vitrificación (1) es una unidad de gasificación en corriente descendente, que comprende medios mecánicos (3) para transportar dichos materiales orgánicos hacia abajo de la longitud axial de dicha unidad de gasificación.

2. El sistema de procesado de gasificación/vitrificación de la reivindicación 1, que además comprende una cámara (9) de residencia térmica, estando dispuesta dicha cámara de residencia térmica para recibir un efluente procedente de dicha unidad (4) de vitrificación, y siendo apropiada para mantener dicho efluente durante un tiempo y a una temperatura para completar la conversión de dichos materiales orgánicos parcialmente oxidados y materiales orgánicos parcialmente gasificados para dar lugar a un gas rico en hidrógeno.

3. El sistema de procesado de gasificación/vitrificación de la reivindicación 1 o 2, donde dicha unidad de vitrificación (4) comprende además un estímulo de plasma, preferentemente donde el estímulo de plasma se genera a partir de una fuente de plasma seleccionada entre una antorcha de plasma y un electrodo de plasma.

4. El sistema de procesado de gasificación/vitrificación de la reivindicación 3, donde dicha antorcha de plasma es 30 una antorcha de vapor.

5. El sistema de procesado de gasificación/vitrificación de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde dicha unidad de gasificación (1) además comprende un puerto (2) apropiado para inyectar un oxidante, comprendiendo de manera adicional el sistema de procesado de gasificación/vitrificación un dispositivo (10) de control de retroalimentación, siendo apropiado dicho dispositivo de control de retroalimentación para controlar y vigilar el flujo, la temperatura y la calidad de las materias primas, oxidantes y efluente gaseoso por medio del uso de sensores equipados en dicha unidad de gasificación (1) , dicha unidad de vitrificación (4) y, si estuviera presente, en dicha cámara (9) de residencia térmica.

6. Un método para procesar materiales orgánicos para producir un gas rico en hidrógeno y un vidrio sólido, comprendiendo el método:

-proporcionar una unidad de gasificación (1) y una unidad de vitrificación (4) , comprendiendo dicha unidad de vitrificación un dispositivo (6) de generación de plasma y un sistema (8) de calentamiento de joule,

-introducir dicho materiales orgánicos en el interior de dicha unidad de gasificación (1) , -en dicha unidad de gasificación (1) , oxidar parcialmente dichos materiales orgánicos para convertirlos en una composición que comprende una mezcla de gas rico en hidrógeno, materiales orgánicos parcialmente oxidados, materiales orgánicos parcialmente gasificados y escoria, constituyendo dicha composición un efluente de dicha unidad de gasificación (1) ,

-alimentar dicho efluente en dicha unidad de vitrificación (4) , -en dicha unidad de vitrificación (4) ,

-exponer dicho efluente a un plasma (5) generado por medio de dicho dispositivo (6) de generación de plasma convirtiendo de este modo al menos una parte de dichos materiales orgánicos parcialmente oxidados

y dichos materiales orgánicos parcialmente gasificados en un gas rico en hidrógeno, y -calentar dicha escoria por medio de dicho sistema (8) de calentamiento de joule, convirtiendo de este modo dicha escoria en un vidrio, donde dicha unidad de gasificación (1) es una unidad de gasificación en corriente descendente, y dichos materiales orgánicos se transportan hacia abajo de la longitud axial de dicha unidad de gasificación (1)

mediante medios mecánicos (3) .

7. El método de la reivindicación 6, que además comprende introducir un oxidante en el interior de dicha unidad de gasificación (1) a través de uno o más puertos (2) de inyección oxidantes, donde dicho flujo de oxidante es en la misma dirección que dicho flujo de materiales orgánicos.

8. El método de la reivindicación 7, donde dicho oxidante está seleccionado entre el grupo que comprende oxígeno, aire, vapor, dióxido de carbono y sus combinaciones.

9. El método de la reivindicación 7 o 8, que comprende además controlar el flujo de dicho oxidante y el flujo de

dichos materiales orgánicos para optimizar la conversión de dichos componentes orgánicos en un gas rico en hidrógeno usando un dispositivo (10) de control de retroalimentación, siendo dicho dispositivo (10) de control de retroalimentación apropiado para controlar y vigilar el flujo de dicho oxidante y de dichos materiales orgánicos por medio del uso de sensores equipados en dicha unidad de gasificación (1) y dicha unidad de vitrificación (4) .

10. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que además comprende introducir cualesquiera materiales orgánicos parcialmente oxidados y materiales orgánicos parcialmente gasificados en dicha unidad de vitrificación (4) no convertidos en un gas rico en hidrógeno en el interior de una cámara (9) de residencia térmica para mantener dichos materiales durante un tiempo y a una temperatura para completar la conversión de los materiales orgánicos parcialmente oxidados y los materiales orgánicos parcialmente gasificados en un gas rico en hidrógeno.

11. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, donde dicho medio mecánico para transportar el material orgánico (3) hacia abajo de la longitud axial de dicha unidad de gasificación (1) está seleccionado entre un tornillo de Arquímedes, un rastrillo, una rejilla en agitación, uno o más tambores rotatorios, un pistón y sus combinaciones.

12. El método de la reivindicación 10 o 11, que además comprender mantener los materiales orgánicos parcialmente oxidados y los materiales orgánicos parcialmente gasificados en dicha cámara (9) de residencia térmica a una temperatura de entre 1000 ºC y 1500 ºC, o que además comprende mantener los materiales orgánicos parcialmente oxidados y los materiales orgánicos parcialmente gasificados en dicha cámara (9) de residencia térmica a una temperatura de entre 1100 ºC y 1400 ºC.

13. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que además comprende introducir un gas adicional en la cámara (9) de residencia térmica, donde dicho gas adicional está seleccionado entre el grupo de gas de síntesis reciclado, gas de síntesis enriquecido con hidrógeno, oxígeno, vapor, aire, dióxido de carbono y sus combinaciones.

14. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13, donde los materiales inorgánicos se introducen en dicha unidad de gasificación (1) además de dichos materiales orgánicos, y dichos materiales orgánicos se convierten 35 en dicho vidrio en dicha unidad de vitrificación (4) .

Figura 1