Procedimiento e instalación para la hidrólisis térmica de materia orgánica con bajos tiempos de residencia y sin bombas.

Procedimiento que opera en continuo para la hidrólisis térmica de materia orgánica y que comprende una etapa de impulsión en la que la materia orgánica se vehicula sin necesidad de utilizar bombas u otros elementos mecánicos,

una etapa de hidrólisis en la que la masa a hidrolizar se calienta con vapor vivo hasta alcanzar temperaturas elevadas en tiempos muy cortos y tras sufrir una primera rotura de la estructura se mantiene a la temperatura de hidrólisis durante un tiempo prefijado y una etapa de recuperación de energía con vapores de dos niveles entálpicos. Una instalación para la puesta en práctica del procedimiento, que comprende en la etapa de impulsión depósitos de carga y presurización interconectados, en la etapa de hidrólisis un mezclador rápido y una cámara de alivio y en la etapa de recuperación de energía un sistema de descompresión con cámara de flash y un eyector que mezcla los vapores producidos.

Procedimiento e instalación para la hidrólisis térmica de materia orgánica con bajos tiempos de residencia y sin bombas.

Sector técnico de la invención

La invención se aplica al campo del tratamiento de materia orgánica, incluyendo lodos, residuos domésticos e industriales y cualquier materia metanizable en procesos de digestión anaerobia. La invención corresponde a un sistema que opera sin elementos 10 mecánicos en contacto con la masa sólida a tratar y es capaz de operar a temperaturas elevadas con tiempos extremadamente cortos sin que aparezcan reacciones secundarias y consiguiendo una adecuada integración energética.

Antecedentes de la invención 15

Aceptando el esquema convencional para la digestión anaerobia de sólidos, la etapa de hidrólisis (solubilización, licuefacción) limita la cinética global del proceso. Diferentes procesos físicos, químicos y biológicos se aplican como tratamiento previo a la digestión anaerobia, para mejorar la cinética de la etapa de hidrólisis, con la consiguiente mejora 20 en la cinética del proceso global de metanización. El proceso de hidrólisis térmica se basa en someter al sólido a elevadas temperaturas y presiones durante periodos de tiempo relativamente largos, normalmente superiores a 30 minutos. Posteriormente, aprovechando la elevada presión la masa caliente puede someterse a un proceso de descompresión súbita o proceso flash, para así conseguir el llamado efecto de explosión 25 de vapor que genera rotura de la estructura de los sólidos. Otros procesos utilizan cambiadores de calor para recuperar la energía de la masa caliente.

Diferentes procesos comerciales de hidrólisis térmica operan por cargas. Para conseguir que el proceso sea cuasi-continuo operan con varios reactores sometidos a ciclos 30 temporizados de carga y descarga. El proceso comercial CAMBI está bien establecido a nivel industrial y opera bajo estas condiciones. La patente FR 2820735 incluye el uso de dos reactores que operan por cargas y en paralelo. La patente WO 2011/006854 A1 "Method and device for thermal hydrolysis and steam explosion of biomass" utiliza tres reactores que operan en modo secuencial para conseguir un comportamiento próximo a 35 flujo continuo.

Atendiendo a la operación en continuo, el proceso Portheous se aplica a fango digerido en condiciones anaerobias utilizando reactores con inyección directa de vapor y tiene por objeto mejorar la deshidratabilidad. 40

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 45 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 50 aplicación de fuerzas de cizalla (shear forces) . Un "hydroheater" es el sistema de mezcla del vapor y el lodo que se sugiere como más eficaz. El lodo caliente y a presión se lleva a una cámara de flash que opera a presión atmosférica. El lodo parcialmente disgregado se lleva a una nueva etapa donde es sometido a fuerzas de cizalla para completar el proceso de rotura celular.

La patente europea EP 1 198 424 B1 "A method and arrangement for continuous hydrolysis of organic material" presenta un sistema compuesto por tanques, depósitos o recipientes en los que, en continuo, se efectúan las etapas de precalentamiento, reacción y descompresión. La inyección del vapor de calefacción se realiza mediante dispositivos de mezcla externos a dichos recipientes. El tiempo de residencia de los lodos en el 10 reactor de hidrólisis queda fijado entre 5 y 60 minutos.

La patente española 2 341 064 "Reactor y sistema de integración energética para la hidrólisis térmica o termoquímica en continuo de materia orgánica" presenta un sistema que opera en continuo y queda integrado energéticamente dentro del sistema de 15 producción de energía eléctrica a partir del biogás generado.

La patente US2011114570 "An apparatus and a method for continuous thermal hydrolysis of biological material" presenta un reactor tubular en el que el sólido biológico se calienta por inyección de vapor y es posteriormente enfriado mediante agua fría para evitar la 20 ebullición súbita en el proceso de descompresión.

La patente WO2008/115777 A1 "Treatment of particulate biodegradable organic waste by thermal hydrolysis using condensate recycle" utiliza un precalentador de la alimentación externo, que recibe el vapor de calefacción. La masa caliente atraviesa el reactor tubular 25 y es conducida a la cámara de flash, el vapor que sale de la cámara de flash es condensado y recirculado al tanque de precalentamiento.

La aplicación de patente europea No 13382077.9 "Continuously operating method for the thermal hydrolysis of organic material and installation for implementing the method" se 30 basa en la utilización de circuitos de recirculación interna.

En todas las patentes analizadas la reacción de hidrólisis de la alimentación se realiza utilizando tanques, reactores tubulares o circuitos de recirculación interna. Los procesos empleados indican que la operación de hidrólisis térmica se realiza con tiempos 35 hidráulicos de residencia elevados.

En todos los casos el material a hidrolizar y que se encuentra a temperatura elevada se vehicula y comprime utilizando diferentes tipos de bombas con accionamiento mecánico. El mantenimiento de estas bombas es muy exigente, debido principalmente a la elevada 40 viscosidad y a las características abrasivas de los materiales que impulsan.

Explicación de la invención

De acuerdo con el diagrama de bloques de la figura 1 el procedimiento consta de las 45 siguientes etapas: impulsión (1) , hidrólisis (2) , recuperación de calor (3) .

En esencia este procedimiento se caracteriza porque la etapa de impulsión (1) está formada por recipientes de dosificación que operan por cargas y alimentan a los depósitos presurización para conseguir un flujo continuo y regulable de la materia que se 50 lleva a la etapa de hidrólisis. La etapa de hidrólisis comprende la operación de mezclado rápido con vapor vivo (4) de la materia a hidrolizar que tras ser despresurizada se mantiene a la temperatura de hidrólisis. La etapa de recuperación de calor (3) se basa en la producción de vapor de presión media y de presión baja que se recirculan a la etapa de carga (5) y actúan como fluido de precalentamiento.

La etapa de impulsión consta de dos recipientes de dosificación en los que alternativamente se carga la materia a hidrolizar y secuencialmente se conduce a los depósitos de presurización. Uno de los depósitos de presurización se presuriza con aire o vapor a presiones comprendidas entre 4 y 25 barg, de forma que la masa de materia orgánica es empujada a través de los conductos correspondientes, sin necesidad de 10 utilizar bombas u otros dispositivos mecánicos. Mientras este depósito se vacía, el otro depósito de presurización recibe la carga procedente del depósito de dosificación, finalizada la carga se presuriza, quedando listo para ser conectado a la línea de proceso cuando el primer depósito de presurización alcanza su nivel de mínimo, iniciándose un nuevo ciclo. 15

La masa cargada en los depósitos de dosificación recibe el flujo de vapor procedente de la etapa de recuperación alcanzando temperaturas comprendidas entre 105 y 180ºC.

Con esta combinación de ciclos en serie el proceso opera en continuo. Además y 20 mediante la adecuada presurización de los depósitos se elimina la necesidad de utilizar bombas especiales, cuyo elevado desgaste y mantenimiento constituye la principal fuente de problemas de procesos que operan en continuo con presiones y temperaturas elevadas. (Kopmann & Kopp (2010) . "Full scale continuous thermal hydrolysis of waste activated sludge for the improvement of the sludge digestion and sludge dewatering in 25 WWTP Geiselbulach Germany." European Biosolids and Organic Resources. Leeds) and (Fdz-Polanco et al. (2010) "Squeezing the sludge. Thermal Hydrolysis to improve WWTP sustainabilty" IWA - 13 World Congress on Anaerobic Digestion. Santiago de Compostela.

La tecnología que se reivindica se basa, pues, en una tecnología robusta y simple capaz 30 de trasportar de manera continua la materia orgánica desde condiciones iniciales de presión atmosférica y temperatura ambiente,... [Seguir leyendo]

1. Método para la hidrólisis térmica de materia orgánica que opera en continuo y que comprende etapas de impulsión, hidrólisis y recuperación de energía, caracterizado porque la etapa de impulsión se compone de dos depósitos de dosificación y dos 5 depósitos de presurización, que mediante vapor o aire a presión se presurizan y que al operar por ciclos permiten conseguir un caudal de salida constante, sin necesidad de utilizar bombas u otros elementos que comuniquen energía al fluido; mientras el primer depósito de presurización recibe la carga de materia orgánica procedente de los depósitos de dosificación, el segundo deposito se presuriza alcanzando presiones 10 comprendidas entre 4 y 25 barg, de forma que se genera un flujo regulable y constante de materia orgánica precalentada hasta temperaturas comprendidas entre 60 y 140ºC; la etapa de hidrólisis se caracteriza por la mezcla muy rápida, en tiempos menores a 5 segundos, del fluido presurizado con vapor vivo, lo que permite alcanzar temperaturas de hasta 220ºC sin que aparezcan reacciones secundarias; el fluido así calentado pasa a 15 través de un orificio a un tanque de alivio o regulación y se mantiene a temperatura comprendida entre 140 y 180ºC durante tiempos comprendidos entre 1 y 15 minutos, verificándose el proceso de hidrólisis por temperatura; la etapa de recuperación de energía comprende un sistema de descompresión que permite el paso controlado del fluido a presión elevada hasta el tanque de despresurización, que opera a presiones 20 comprendidas entre -0, 5 y 4 barg y en el que se produce la ebullición súbita o de flash; tanto el vapor de media presión generado en el tanque de alivio de la sección de hidrólisis como el vapor de baja presión generado en el flash se llevan a un eyector o termocompresor que conduce la mezcla de ambos vapores al sistema de impulsión, donde condensan aumentando la temperatura de la masa allí cargada; la masa 25 hidrolizada que sale del tanque de despresurización se conduce al proceso de digestión anaerobia o cualquier otro sistema de aprovechamiento.

2. Método que de acuerdo con la reivindicación 1 y de forma diferente a los sistemas actualmente existentes comprende un sistema de carga que se caracteriza por: 30

- comprender depósitos presurizados que al ser operados en ciclos impulsan el fluido de forma continua y sin necesidad de utilizar bombas u otros elementos mecánicos para transportar fluidos a presión elevada;

- comprender depósitos interconectados a fin de recuperar energía e igualar presiones en cada ciclo de operación;

- comprender un sistema de regulación y control automático que mediante apertura y cierre de válvulas, permite que los depósitos de dosificación y presurización, que reciben 40 cargas discontinuas, operen por ciclos, de forma que se produce un flujo constante y controlado de material a hidrolizar a elevada presión sin necesidad de utilizar bombas;

- comprender entrada de la mezcla de los vapores de media, baja y alta presión procedentes del eyector de la etapa de recuperación, para conseguir una mejor 45 integración energética y un menor consumo neto de vapor de calefacción.

3. Método que de acuerdo con la reivindicación 1, se caracteriza porque de forma diferente a los procesos actualmente existentes, la etapa de hidrólisis se basa en una primera rotura de la estructura de los sólidos por despresurización y la posterior reacción 50 a temperatura elevada; el método comprende:

- la mezcla extremadamente rápida de fluido y vapor para conseguir un aumento de temperatura en muy corto periodo de tiempo, impidiendo que a pesar de la elevada temperatura que se alcanza se desarrollen reacciones secundarias que conduzcan a la formación de compuestos no biodegradables o inhibidores;

- el paso de la materia orgánica desde la presión elevada del mezclador a la presión inferior de la cámara de alivio, para conseguir la rotura de la estructura de la materia orgánica por efecto de la descompresión;

- el mantener la materia disgregada durante un tiempo predeterminado en la cámara de 10 alivio y conseguir un efecto de hidrólisis adicional por efecto de la temperatura.

4. Método que de acuerdo con la reivindicación 1 y de forma diferente a los sistemas actualmente existentes, se caracteriza porque la etapa de recuperación de energía se consigue produciendo dos corrientes de vapor de diferente contenido entálpico, a las que 15 puede añadirse vapor vivo para conseguir un óptimo aprovechamiento energético. La corriente de vapor de media presión se obtiene directamente en la cámara de alivio de la etapa de hidrólisis y se conduce a un eyector o termocompresor; la corriente de vapor de baja presión, se genera mediante la despresurización y adecuado control del flujo de materia hidrolizada mediante la bifurcación en dos líneas, en la primera existe un orificio 20 de diámetro predeterminado y en la segunda una válvula de control, de forma que se consigue una menor abrasión en la válvula; el material despresurizado se escinde en el tanque de flash en una fase líquida de materia orgánica hidrolizada y una fase vapor que también se conduce al eyector, la mezcla de ambos vapores, y en su caso, vapor de alta presión se conduce a la etapa de impulsión donde condensa y eleva la temperatura de la 25 masa a hidrolizar rebajando el consumo neto de vapor de calefacción.

5. Método que de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, comprende:

- depósitos de dosificación y presurización que se presurizan con gas o vapor hasta 30 presiones entre 4 y 25 barg, para conseguir un flujo de la materia orgánica a hidrolizar sin necesidad de utilizar bombas u otros dispositivos mecánicos.

- depósitos de dosificación y presurización que actúan como etapa de precalentamiento al recibir los vapores de alta, media y baja presión procedentes del termocompresor, el uso 35 de vapores con diferente nivel de temperatura permite un aprovechamiento total del vapor producido.

- un sistema de control que permite que los depósitos de dosificación y presurización operen en ciclos que se repiten de forma secuencial, en periodos regulables entre 10 y 60 40 minutos, lo que permite que en la práctica el sistema opere en continuo sin necesidad de bombas.

6. Método en el que de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 3, la etapa de hidrólisis comprende: 45

- la mezcla rápida de fluido y vapor de calefacción para conseguir temperatura entre 140 y 220ºC, con presiones de hasta 20 barg y en tiempos menores de 5 segundos, de forma que las reacciones secundarias de formación de compuestos no biodegradables o inhibidores no tengan lugar, a pesar de la elevada temperatura; 50

- la despresurización, mediante el flujo a de la masa caliente través de un orifico, a presiones de hasta 10 barg para conseguir que la estructura de la materia a hidrolizar se rompa.

- un tanque de alivio o regulación, que garantiza un control fino y rebaja la temperatura 5 de la materia que se hidroliza hasta 140 - 180ºC, permitiendo un tiempo de hidráulico de residencia entre 1 y 15 minutos, para conseguir que las reacciones de hidrólisis por efecto de la temperatura incrementen la eficacia del proceso.

7. Método que de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 4 comprende eyectores o 10 termocompresores para conseguir una elevada recuperación de la energía utilizando como fluido de pre-calentamiento en la zona de carga una mezcla de tres corrientes de vapor de presión alta, media y baja; la corriente con presión media, de hasta 10 barg, se produce por escisión en la cámara de regulación, la corriente de vapor con presión baja, comprendida entre -0, 5 y 4 barg, se produce en la cámara de flash, la corriente de 15 presión alta corresponde a vapor vivo o vapor de calefacción.

8. Método que de acuerdo con las reivindicaciones 1, 4 y 6 comprende un sistema de descompresión mediante conducciones en paralelo de forma que un caudal comprendido entre el 60 y el 90 % del total atraviese un orificio de diámetro predeterminado, mientras 20 que el resto del caudal se regula mediante una válvula de control automático, para así conseguir minimizar el efecto de la abrasión en la válvula de control.

9. Una instalación (8) para implementar el método de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, y que comprende sistemas de carga y alimentación que no precisan el empleo 25 de bombas, sistema de hidrólisis utilizando equipos de calentamiento extremadamente rápido a temperatura elevada, descompresión y mantenimiento de la masa a la temperatura de hidrólisis, y finalmente un sistema de recuperación de energía mediante producción y aprovechamiento de vapor de media y baja presión.

10. La instalación (8) que de acuerdo con la reivindicación anterior comprende:

- conducción o cinta transportadora (18, 19) y válvulas de corte (20, 21) de entrada de la materia orgánica que se desea hidrolizar;

- dos depósitos de dosificación (9, 10) provistos de salida de material a hidrolizar (22, 23) , entrada de vapor en exceso (43, 44) , salida de incondensables (37, 38) , conexión entre depósitos (52) , dotados de sus correspondientes válvulas de corte (41, 42, 24, 25, 35, 36, 54, 55) ;

- dos depósitos (11, 12) de presurización provistos tuberías de alimentación (22, 23) de entrada de gas o vapor a presión (33, 34) , tubería de salida de alimentación continua (26, 27) , conexión entre depósitos (52) con sus correspondientes válvulas (24, 25, 31, 32, 53, 56) ;

- tubería de alimentación (39) a la sección de hidrólisis con sistema de regulación automática de caudal (no mostrado en el esquema) ;

- mezclador de vapor (13) provisto de entrada de vapor de calefacción (30) y válvula automática (40) , conectado a la cámara de alivio y regulación fina de presión (14) , 50

mediante el orificio (57) de conexión entre la zona de presión elevada (13) y la cámara (14) de presión media;

- un eyector o termocompresor (16) que recibe el vapor de media presión (49) generado en la cámara de alivio (14) , el vapor (47) generado en la cámara de flash (15) y 5 eventualmente el vapor de aporte o calefacción (58) .

11. La instalación (8) que de acuerdo con las reivindicaciones 9 y 10 está caracterizada porque en su sección de carga comprende los medios para:

- presurizar con vapor o aire a presión los depósitos (9, 10, 11, 12) y conseguir la impulsión y movimiento continuo de la materia que se pretende hidrolizar sin necesidad de bombas;

- regular y controlar la operación en ciclos de los depósitos (9, 10, 11, 12) en secuencias 15 alternativas de carga y presurización, cuya duración puede fluctuar entre 10 minutos y 1 hora, de forma que el flujo de salida hacia la etapa de calentamiento sea continuo;

- que los depósitos (9, 10) del sistema de carga están provistos de entradas de la mezcla de vapores procedente del eyector (43, 44) , con sus correspondientes válvulas (41, 42) ; 20

- que los depósitos (9, 10, 11, 12) están interconectados mediante el peine de tuberías (52) y sus correspondientes válvulas (53, 54, 55, 56) ;

- que exista una purga de incondensables y vapor en exceso (37, 38) con sus 25 correspondientes válvulas (35, 36) ;

12. La instalación (8) en la que el sistema de hidrólisis y de acuerdo con las reivindicaciones 9 y 10 está caracterizada porque:

- comprende un sistema de calefacción consistente en un mezclador rápido (13) al que se inyecta vapor vivo (30) que se controla mediante la válvula automática (40) y que en tiempos inferiores a 5 segundos permite que la masa a hidrolizar alcance temperaturas de hasta 220ºC y presiones de hasta 20 barg, dicho mezclador está a su vez conectado mediante un orificio (57) a un recipiente (14) que actúa como tanque de alivio o 35 regulación y permite un control fino de presión y temperatura en el rango d.

2. 10 barg y 140 - 180ºC, de forma que la descompresión genera una primera rotura de la estructura de la materia orgánica que se pretende hidrolizar.

- la masa despresurizada en el orificio (57) se mantiene en la cámara de alivio, de forma 40 que la materia pre-hidrolizada por descompresión se mantiene a temperatura entre 140 y 180ºC, durante un tiempo predeterminado que varía entre 1 y 15 minutos.

13. La instalación (8) que de acuerdo con la reivindicaciones 9 y 10 está caracterizada porque su sección de recuperación de calor comprende: 45

- un sistema de descompresión (46) que a la entrada mantiene presiones comprendidas entre 2 y 10 barg y a la salida presiones entre -0, 5 y 4 barg, dicho sistema de despresurización (46) consistente en un orificio o diafragma (6) cuyo diámetro se calcula para que deje pasar entre el 60 y el 90% del caudal nominal, mientras que con el resto 50 del caudal se realiza un control fino mediante la válvula automática (7) .

- sendos dispositivos de separación de fases (14 y 15) en los que se escinden y separan corrientes de vapor de presión media (49) y presión baja (47) que se conducen a un eyector o termocompresor (16) que los envía a la sección de carga para su utilización como fluido de pre-calentamiento de la alimentación.