ES2922761T3 - Reactor solar de chorro, destinado a convertir termoquímicamente una carga carbonada, con evacuación mejorada de las cenizas, procedimiento de funcionamiento asociado, aplicación a la gasificación de biomasa o al reformado - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un reactor solar (1) que comprende una envolvente (2) que delimita una cámara de reacción (3), comprendiendo la envolvente una parte inferior (21) en forma de cono recto prolongado en su parte superior por una entrada (6) y una parte superior (22) en forma de cilindro ciego recto (22), estando destinada al menos parte de la envolvente a recibir la radiación solar, comprendiendo el cono y/o la superficie lateral del cilindro ciego dos orificios laterales, uno de los cuales se prolonga por un tubo (7) para la inyección de reactivos sólidos y el otro se prolonga por un tubo de salida (8) para los productos resultantes de la reacción, comprendiendo la entrada (6) dos tubos coaxiales de los cuales el central (60) está destinado a la inyección de al menos la mayoría de los reactivos gaseosos, mientras que el periférico (61) está destinado a la inyección de un gas impulsor auxiliar ya la recuperación por gravedad de las cenizas de la reacción. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Reactor solar de chorro, destinado a convertir termoquímicamente una carga carbonada, con evacuación mejorada de las cenizas, procedimiento de funcionamiento asociado, aplicación a la gasificación de biomasa o al reformado Campo técnico

La presente invención se refiere al camp de los reactores denominados “solares”, es decir que usan al menos en parte la energía de la radiación solar concentrada como aportación de la energía necesaria a una reacción química endotérmica.

Más particularmente, la invención se refiere a una mejora de un tipo de reactor solar, de chorro, en vista a mejorar la evacuación de las cenizas en fusión.

La aplicación principal objetivo de un reactor solar según la invención es la conversión termoquímica de una carga carbonada, en particular un hidrocarburo o una biomasa, en un gas de síntesis que contiene principalmente hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO), en vista a producir carburantes líquidos (Diesel Fischer—Tropsh “FT, éter dimetílico “DME”, Metanol), o gaseoso (gas natural sintético, “SNG” o “Synthetic Natural Gas” en inglés) u otros productos químicos de síntesis tales como el metanol por ejemplo, o bien en hidrocarburos insaturados y/o aromáticos tales como productos procedentes del vapocraqueado de los cortes petróleos ligeros.

Se designa bajo la denominación “carga carbonada” cualquier material combustible constituido de compuestos que contienen carbono.

Puede por lo tanto tratarse de biomasa, es decir cualquier material no homogéneo de origen vegetal que contiene carbono, tal como la biomasa lignocelulósica, residuos forestales o agrícolas (paja), que puede estar casi seco o empapado de agua tales como los desechos domésticos.

Puede tratarse también de un hidrocarburo, en particular un combustible de origen fósil, tal como el carbón.

Puede tratarse también de desechos combustibles de origen industrial que contiene carbono, tales como materiales plásticos o neumáticos.

Puede tratarse también de una combinación de biomasa y de combustible de origen fósil. Otras aplicaciones pueden ser consideradas. Por ejemplo, el reformado se puede llevar a cabo ventajosamente por un reactor solar según la invención.

De manera general, cualquier reacción química endotérmica puede ser llevada a cabo por la invención.

Técnica anterior

Los reactores denominados “solares” son unos reactores químicos adaptados para convertir al menos en parte la energía de la radiación solar concentrada en calor a fin de llevar a cabo reacciones endotérmicas de tipo reformado, gasificación, descarbonatación, craqueado, etc.

De la técnica anterior, se conoce un buen número de conceptos de reactores solares adaptados a varias reacciones químicas o de manera privilegiada para un tipo de reacción. Se puede citar aquí la publicación [1], que lleva a cabo un repaso general de las concepciones de todos los reactores solares conocidos, o también la publicación [2] que se focaliza sobre los reactores solares adaptados particularmente al reformado, o también la publicación [3] que detalla aquellos para la gasificación.

De manera general, existen tres tipos de reactores solares: los de lecho fluidizado, los de lechos fijos, y los de flujo arrastrado.

Independientemente del tipo de reactor, se distinguen dos grandes familias de reactores, a saber, os reactores a calentamiento por radiación solar directa y los reactores a calentamiento por radiación solar indirecta. La distinción se encuentra en la manera cuyos reactivos recibirán el flujo solar. En el caso de una radiación solar directa, los reactivos están directamente expuestos al flujo solar concentrado, o que permite alcanzar altos niveles de temperatura, en función del factor de concentración.

En la Figura 1, se ha representado esquemáticamente un reactor solar 1 a calentamiento directo. Tal reactor 1 comprende una envoltura 2 que delimita la cámara de reacción 3 en la que están presentes los reactivos de la reacción endotérmica a realizar. Un ojo de buey transparente 4 de concentración de la radiación solar está montado sobre la parte superior de la envoltura 2. Este ojo de buey transparente 4 separa por lo tanto la cámara de reacción 3 del aire exterior y deja pasar el flujo solar, que pasa concentrado a través de la abertura 20 dedicada a ello en la parte alta de la cámara 2. Sin embargo, este tipo de tecnología necesita el uso de una ventana o de un ojo de buey transparente.

La presencia de esta superficie transparente puede ser perjudicial si los flujos de reactivos y de productos (gas, carbón, alquitrán) están mal gestionados. En efecto, la suciedad de esta superficie puede conllevar su opacificación y por lo tanto su sobrecalentamiento bajo el efecto del flujo concentrado. Resulta por lo tanto necesario mantener limpia esta ventana u ojo de buey transparente, lo que crea una dificultad de realización.

A la inversa, en el caso de una radiación solar indirecta, es una pared opaca que recibe el flujo solar concentrado y lo transmite por radiación infrarroja a los reactivos en el interior del reactor, lo que evita cualquier problema relacionado a la presencia de un ojo de buey. Sin embargo, el uso de una pared de transferencia induce pérdidas térmicas más altas, debido a la reemisión de una parte de la radiación absorbida hacia el exterior. Algunas tecnologías de reactor solar para la gasificación de biomasa permiten la concepción de reactor que funcionan en modo de calentamiento directo o indirecto, pero para otros solo un tipo de radiación solar es posible.

En la Figura 2, se ha representado esquemáticamente un reactor solar 1 con calentamiento indirecto. Aquí, una pared opaca 5 está fijada en la envoltura 2 y delimita con esta la cámara de reacción 3.

Los reactores denominados de chorros están desarrollados desde decenas para procedimientos que implican gases y partículas sólidas, en particular para el secado de cereales. Sus características son interesantes en términos de hidrodinámica.

Existen dos tipos de reactores de chorro, los primeros que aparecieron son los reactores de chorro clásicos [4]. Estos reactores tienen una envoltura que delimita la cámara de reacción, que tiene una forma cilindro-cónica. En estos reactores, el lecho de partículas se reparte al mismo tiempo en la zona cónica y la zona cilíndrica por encima que definen ambas dos la cámara de reacción. La elección del diámetro de entrada de gas es un parámetro clave para la estabilidad y la coherencia del chorro [5]. En función de las propiedades de las partículas a fluidificar, de la altura del lecho y del ángulo de la base cónica, el diámetro de entrada debería esta dimensionado a fin de permitir una mezcla regular y cíclica del lecho de partículas. Un mal dimensionamiento tiene por consecuencia la imposibilidad de funcionar en un régimen cíclico estable (régimen denominado de “spouting” en inglés) Llegado el caso, el chorro central desaparece y aparecen burbujas de gas, lo que penaliza la mezcla y la circulación de las partículas. Se ha observado por los autores de la publicación [4] que para arena de Ottawa de tamaño que oscila de 0,42 a 0,83 mm, la relación Di/D no debe superar 0,35. Siendo Di el diámetro de entrada de la base cónica y siendo D el diámetro de la sección cilíndrica.

La segunda categoría de reactores es aquella de los reactores de chorro cónico, estos reactores se caracterizan por una estructura de lecho y una hidrodinámica diferentes de los reactores de chorro clásico. A la diferencia de un reactor de chorro clásico, un reactor de chorro cónico funciona con un lecho de partículas que se reparte esencialmente en la zona cónica, y la zona cilíndrica por encima de la zona cónica está reducida.

Las condiciones de estabilidad para este tipo de reactor se han recordado en la referencia [6]. Al igual que para los reactores de chorro clásicos, el diámetro del conducto de entrada Do no debe exceder 60 veces el diámetro medio de las partículas, a fin de favorecer el funcionamiento en régimen de chorro estable. Se recuerda de estos trabajos que unos diámetros Do y Di más bajos favorecen el acceso al régimen de chorro estable, lo que optimiza el porcentaje de circulación de las partículas y las transferencias de masas y de calor [7]. Unos diámetros de entrada más bajos disminuyen también la velocidad necesaria para la fluidificación [6] y ensanchan la zona de chorro estable, en particular para las partículas más finas [5].

Varios reactores de chorro cónico que usan reacciones termoquímicas de pirolisis y de gasificación se han estudiado en la bibliografía: [8], [9], [10]. Todos estos reactores funcionan a temperaturas inferiores a la de la fusión de las cenizas. Las cenizas están por lo tanto evacuadas en forma sólida con el gas de síntesis y después son filtradas. En la Figura 3, se ha representado un ejemplo de reactor 1 de chorro cónico a calentamiento externo. La cámara de reacción 3 está aquí delimitada por una envoltura 2 cuya parte inferior 21 es un cono recto y la parte superior 22 es un cilindro recto ciego. El cono 21 está prolongado en su vértice hacia abajo por una entrada 6 en la que se inyectan los reactivos gaseosos. El cilindro ciego 22 está agujereado de dos agujeros 23, 24, de los cuales uno desemboca en un tubo 7 de inyección de los reactivos sólidos y el otro desemboca en un tubo 8 por el cual los productos de la reacción se evacuan. Como se ha simbolizado mediante las flechas, el chorro de gases reactivos se proyecta en la cámara de reacción 3 y pone en suspensión las partículas de los reactivos sólidos inyectadas por el tubo 7. Como se ilustra en esta Figura 3, el calentamiento está aportado por el exterior del cono 21.

En el ámbito de los trabajos de tesis [11], que representa la base de la forma en dos partes de las reivindicaciones independientes 1 y 6, un nuevo tipo de reactor solar se ha llevado a cabo: recoge el principio de funcionamiento de un reactor de chorro cónico con, en lugar de un calentamiento externo sobre la envoltura, una aportación de calor que se lleva a cabo mediante la radiación solar concentrada hacia el fondo ciego 5 del cilindro de la envoltura 2. Este reactor solar de chorro cónico 1, ilustrado en la Figura 4, está destinado a la gasificación de biomasa y responde a las obligaciones de otros tipos de reactores con relativamente buenas transferencias de calor y de materias, una fluidificación de las partículas robusta y tiempos de estancia importantes, al menos para la parte sólida.

Un reactor solar de chorro utiliza por lo tanto la energía solar concentrada, de 1000 a 10000 soles, para convertir cualquier tipo de materias carbonadas (plásticos, CSR (Combustibles Sólidos de Recuperación), biomasa, etc.) en un gas de síntesis de alto poder calorífico. Los productos formados en forma de gas (H² , CO, CO² , CH⁴ , CnHm) salen del reactor por un conducto de evacuación, después son filtrados, lavados y finalmente utilizados directamente para producir calor, electricidad, o carburantes líquidos.

La solicitante ha concebido también y llevado a cabo un reactor solar de chorro cónico con modo de calentamiento indirecto. Este reactor solar 1 se muestra en la Figura 5: recoge los diferentes componentes ya explicitados en referencia a la Figura 4, con, además, un cuerpo 9 constituido por una doble envoltura en la que se aloja la envoltura 2 que delimita la cámara de reacción 3, y por encima, mediante un ojo de buey transparente 4 de concentración de la radiación solar que se mantiene por brida. Se distingue también una pieza que forma una cubierta 10 de material cerámico que cubre la parte superior de la envoltura 2. Como se ha simbolizado, la cubierta 10 limita las pérdidas radiativas hacia el exterior de la cavidad del cuerpo que aloja la envoltura 2, y delimita la abertura 20, colocada a nivel del punto focal del ojo de buey 4, que deja entrar el flujo solar en dirección de la placa de transferencia de calor 5 que constituye el fondo del cilindro ciego 22.

Como se muestra esquemáticamente en la Figura 6, se considera disponer el reactor solar 1 en el punto focal bajo de un concentrador térmico solar a haz descendiente, también designado por “beam-down” en inglés, que comprende un sistema de reflector primario de una pluralidad de heliostatos no representados. Estos heliostatos focalizan la luz del Sol hacia un reflector central secundario 100 en el vértice de una torre 10, que redirige la luz del Sol que proviene de los heliostatos hacia un receptor en el suelo en el punto focal bajo.

Tal reactor solar de chorro cónico 1 presenta globalmente buenos rendimientos para la conversión termoquímica considerada.

A fin de maximizar la concentración en H2, favorecer las reacciones de craqueo de los alquitranes, el reformado del CH4 y evitar los depósitos de partículas/humos sobre el ojo de buey transparente, este reactor funciona a temperaturas superiores a 1200°C [12]. La entrada 6 por la cual una mezcla de gases de arrastre, que es argón Ar, y de gas oxidante, que es vapor de agua H²O, se introduce en la cámara de reacción 23, es un único tubo hueco de diámetro interno igual a 2 mm. Un chorro de esta mezcla sale a una velocidad de aproximadamente 9 m/s y arrastra las partículas de biomasa hacia arriba, después estas partículas vuelven a bajar de manera cíclica y estable. El buen funcionamiento de este reactor para una biomasa que contiene pocas cenizas (<1%) se ha validado: [13], [14].

La solicitante ha deseado que este reactor solar de chorro cónico funcione con cargas ricas en materia mineral. Con tal funcionamiento, se plantea la problemática del tratamiento de las cenizas.

En efecto, en el volumen del reactor, se inyectan de manera continua partículas de biomasa que, debido a la gravedad, caen al fondo del cono. Estas partículas reaccionan a alta temperatura (1200°C) con el gas reactivo oxidante y se transforman en gas. Si la biomasa contiene muchas cenizas, estas cenizas se funden y se aglomeran hacia la entrada del chorro.

De hecho, hasta la fecha, no se ha propuesto ningún reactor cónico de chorro de gasificación para gestionar las cenizas que se aglomeran, en fusión. En el caso en el que la temperatura de funcionamiento del reactor sea superior a la temperatura de reblandecimiento de las cenizas, los inventores han podido observar que estas últimas se acumulan al nivel de la entrada 6 del chorro, dificultando el paso del gas.

Para los reactores de chorro convencionales, ya se ha propuesto una variante de reactor que consiste en ampliar el diámetro de entrada Do, de manera que se evacuen las cenizas de aglomeración cuya temperatura es de aproximadamente 1150°C: [15]. Como se explica en los dos primeros párrafos de esta publicación [15], un diámetro mayor degrada la circulación de las partículas y requiere un mayor caudal de gas de chorro para lograr un chorro estable de las partículas. Ahora bien, esto penaliza el tiempo de estancia del gas, y por tanto la concentración en gas de síntesis (H2 y CO), y también el rendimiento solar en el caso de un reactor solar, ya que una parte de la energía solar se utilizaría innecesariamente para calentar el gas de arrastre.

Por lo tanto, existe la necesidad de mejorar los reactores solares de chorro cónico en particular, a fin de asegurar al mismo tiempo un chorro estable de partículas y una evacuación continua de las cenizas de aglomeración, en fusión fuera de la cámara de reacción.

El objetivo de la invención es satisfacer esta necesidad al menos en parte.

Descripción de la invención

Para ello, la invención se refiere, en uno de sus aspectos, a un reactor solar que comprende una envoltura que delimita una cámara de reacción, comprendiendo la envoltura una parte inferior en forma de cono recto prolongado en su parte superior por una entrada para la inyección de reactivos gaseosos, y una parte superior en forma de cilindro recto ciego, comprendiendo el cono y/o la superficie lateral del cilindro ciego dos agujeros laterales, de los cuales uno se prolonga por un tubo de inyección de reactivos sólidos y el otro se prolonga por un tubo de salida para los productos resultantes de la reacción, estando destinada al menos parte de la envoltura a recibir la radiación solar, comprendiendo la entrada dos tubos coaxiales, de los cuales el central está destinado a la inyección de al menos la mayoría de los reactivos gaseosos, mientras que el periférico está destinado a la inyección de un gas auxiliar de arrastre y a la recuperación por gravedad de las cenizas resultantes de la reacción.

La parte destinada a recibir la radiación solar puede ser el fondo del cilindro o el cono de la envoltura. En efecto, como se explica a continuación, la invención permite considerar implementar el reactor solar en la parte alta de una torre de una central solar de torre con calentamiento directo de la pared del cono por las radiaciones concentradas por los helióstatos. Según una variante de realización ventajosa, el tubo central de la entrada desemboca en el interior del cono más allá de la base inferior de este último. Esta variante permite evitar que las cenizas se depositen sobre el tubo central de inyección de los reactivos gaseosos. En otras palabras, gracias a esta geometría, se garantiza aún mejor que las cenizas líquidas no puedan fluir a lo largo del tubo principal de entrada de gas, so pena de que se solidifiquen y bloqueen la entrada de gas.

Según otra variante ventajosa, el ángulo del cono está comprendido entre 28° y 60°. Tal ángulo de cono más bajo que el del estado de la técnica puede permitir acelerar la evacuación de las cenizas y limitar cualquier riesgo de acumulación de estas últimas.

Preferentemente, los tubos coaxiales de la entrada, el cono y la superficie lateral del cilindro que delimita la cámara de reacción son de una misma aleación metálica resistente a alta temperatura, preferentemente una aleación hierrocromo-aluminio, mientras que el fondo del cilindro es de carburo de silicio (SiC).

La invención también tiene por objeto un procedimiento de funcionamiento de un reactor solar destinado a la conversión termoquímica de una carga carbonada, comprendiendo el reactor una envoltura que delimita una cámara de reacción, comprendiendo la envoltura una parte inferior en forma de cono recto prolongado en su vértice por un tubo de inyección de reactivos gaseosos y una parte superior en forma de un cilindro recto ciego, estando destinada al menos una parte de la envoltura a recibir la radiación solar, comprendiendo el cono y/o la superficie lateral del cilindro ciego dos agujeros laterales, de los cuales uno prolongado por un tubo de inyección de reactivos sólidos y el otro prolongado por un tubo de salida de productos resultantes de la reacción, comprendiendo la entrada dos tubos coaxiales.

El procedimiento según la invención comprende las siguientes etapas:

- se inyectan por el tubo de entrada central al menos la mayoría de los reactivos gaseosos,

- se inyecta por el tubo periférico de la entrada un gas auxiliar de arrastre,

- se recuperan por gravedad en el tubo periférico de la entrada las cenizas en fusión resultantes de la reacción.

El gas de auxiliar de arrastre que ayuda a formar el chorro puede ser un gas neutro y/o una minoría de los reactivos gaseosos. Por “minoría” se entiende un caudal inferior al de los reactivos gaseosos que se inyecta por el tubo central. El gas auxiliar puede ser un gas neutro tal como argón o N², o CO².

Así, se puede enviar parte del gas oxidante en el tubo central y el resto del gas oxidante en el tubo periférico. Se asegura que el caudal auxiliar en este tubo periférico sea suficiente para que las partículas de reactivos sólidos tales como la biomasa no se escapen hacia abajo de manera que permanezcan en el interior del cono el mayor tiempo posible. El caudal necesario de inyección auxiliar en el tubo periférico depende del diámetro de este último: se asegura que la velocidad del gas auxiliar en la entrada del cono sea lo suficientemente alta para que las partículas sean levantadas por el flujo de inyección gaseoso por el tubo central. El tubo periférico debe tener una sección de paso suficiente para evacuar las cenizas en fusión. El diámetro de este tubo depende por lo tanto de la tasa de cenizas de la carga carbonada y del caudal de inyección.

Para la gasificación de material carbonado (biomasa/carbón/plástico), el vapor de agua H²O es el gas oxidante, inyectado en el tubo principal, que convierte el material carbonado en H2 y CO. La temperatura de entrada del gas depende de la manera cuyo reactor se calienta. Si el calentamiento del reactor tiene lugar desde arriba, es decir por el fondo del cilindro ciego, esta temperatura corre el riesgo de ser más baja que si el reactor se calienta desde el lado de la envoltura. A título de ejemplo indicativo, en un reactor solar de chorro 1 tal como se representa en la Figura 5, es decir con un modo de calentamiento por arriba, y sin precalentamiento de los gases a la entrada del reactor, esta temperatura es del orden de 400°C con una velocidad de inyección de gases reactivos comprendida preferentemente entre 4 m/s y 9 m/s.

Preferentemente, la temperatura de funcionamiento del reactor solar es superior a 1100°C. Se garantiza así que las cenizas están efectivamente en fusión y que fluyen por gravedad en forma líquida en el tubo periférico de entrada en el fondo del cono. Uno o más termopares dispuestos en la cámara de reacción pueden ventajosamente medir instantáneamente la temperatura de esta última en diferentes sitios y así asegurar que las cenizas estén efectivamente en estado líquido a lo largo del cono.

Ventajosamente, se inyectan a través del tubo partículas de reactivos sólidos cuyo diámetro es inferior o igual a 1 cm. La invención consiste por lo tanto esencialmente en realizar un reactor de chorro solar con una entrada en el fondo del cono de la envoltura que se divide en dos tubos coaxiales, estando el central destinado a inyectar la parte sustancial o incluso la totalidad de los gases reactivos oxidantes de la reacción considerada, estando el periférico destinado a la inyección de un gas auxiliar de arrastre que participa en la formación del chorro, y en la recuperación de las cenizas en fundición resultantes de la reacción.

Así, la nueva configuración del reactor según la invención permite evacuar de forma continua, es decir, durante todo el tiempo de funcionamiento del reactor, las cenizas en fusión resultantes de la reacción, formar un chorro estable de partículas reactivas y optimizar al mismo tiempo el flujo del gas de arrastre.

La geometría propuesta según la invención permite la formación de una gota de cenizas en fusión durante todo el período de funcionamiento. Al dimensionar el cono recto para que su extremo esté en el tubo de entrada de gas auxiliar, se garantiza que las cenizas líquidas no puedan fluir a lo largo del tubo de entrada de gas principal y, por lo tanto, se evita que se solidifique y bloqueen la entrada de gas.

La invención tiene también por objeto el uso del reactor solar o del procedimiento descrito anteriormente para la gasificación de una carga carbonada en productos de reacción, en particular para la gasificación de una biomasa, y en particular de una biomasa lignocelulósica.

La invención se refiere finalmente a una planta solar de torre en la que se dispone en su parte superior al menos un reactor solar descrito anteriormente de tal manera que las radiaciones concentradas procedentes de heliostatos permiten calentar directamente el cono de la envoltura del reactor.

Otras ventajas y características de la invención destacarán mejor de la lectura de la descripción detallada de ejemplos de realización de la invención dada a título ilustrativo y no limitativo con referencia a las siguientes figuras.

Breve descripción de los dibujos

[Fig 1] vista esquemática en corte longitudinal de un reactor solar según el estado de la técnica en modo de calentamiento directo.

[Fig 2] vista esquemática en corte longitudinal de un reactor solar según el estado de la técnica en modo de calentamiento indirecto.

[Fig 3] vista esquemática en corte longitudinal de un reactor de chorro según el estado de la técnica con calentamiento externo.

[Fig 4] vista esquemática en corte longitudinal de un reactor solar de chorro según el estado de la técnica con aporte de calor por radiación solar.

[Fig 5] vista esquemática en corte longitudinal de otro reactor solar de chorro según el estado de la técnica con aporte de calor por radiación solar.

[Fig 6] vista esquemática que muestra la disposición de un reactor solar de chorro según el estado de la técnica en el punto focal bajo de un concentrador térmico solar de haz descendente.

[Fig 7] vista en corte longitudinal de un reactor solar de chorro según la invención.

[Fig 8] vista de simulaciones numéricas hidrodinámicas de un reactor solar de chorro según la invención, bajo diferentes caudales de gas auxiliar de arrastre.

[Fig 9] vista en corte longitudinal de una realización ventajosa de un reactor solar de chorro según la invención.

[Fig 9A] vista de detalle en corte longitudinal del reactor según la Figura 9.

[Fig 10] vista esquemática de la implantación en la parte superior de una torre de una planta solar de torre, de un reactor solar de chorro según la invención.

[Fig 11] vista en perspectiva que muestra también la implantación de un reactor solar en una planta solar de torre.

[Fig 11 A] vista detallada de la parte superior de la torre de la Figura 11 que muestra el enfoque de las radiaciones solares concentradas en la parte inferior del reactor.

Descripción detallada

Las Figuras 1 a 6 se refieren a diferentes ejemplos de reactores solares y de chorro según el estado de la técnica. Estas Figuras 1 a 6 ya se han comentado en el preámbulo y, por lo tanto, no se comentan más a continuación.

Para más claridad, se utilizan las mismas referencias que designan los mismos elementos según el estado de la técnica y según la invención para todas las Figuras 1 a 11A.

En el conjunto de la presente solicitud, los términos “inferior”, “superior”, “bajo”, “alto”, “debajo” y “encima” deben entenderse en referencia con respecto a un reactor de chorro solar dispuesto con su eje longitudinal en vertical.

En la Figura 7, se ha representado un primer ejemplo de reactor solar 1 tal como funciona durante la inyección de gases reactivos y reactivos sólidos.

Este reactor 1 comprende una envoltura 2 que delimita una cámara de reacción 3 en la que debe tener lugar una reacción química endotérmica, tal como una gasificación de biomasa.

La parte inferior 21 de la envoltura 2 es un cono recto prolongado en su parte superior por una entrada 6 de inyección de reactivos gaseosos, y la parte superior 22 es un cilindro recto ciego. Un tubo 7 de inyección de reactivos sólidos desemboca también en la cámara de reacción 3, así como un tubo 8 por el que se evacuan los productos resultantes de la reacción.

El fondo 5 del cilindro ciego constituye la pared de transferencia térmica sobre la que se concentra la radiación solar.

Según la invención, la entrada 6 comprende dos tubos coaxiales 60, 61. El tubo central 60 está destinado a la inyección de los reactivos gaseosos. El tubo periférico 61 está destinado a la inyección de un gas auxiliar de arrastre y a la recuperación por gravedad de las cenizas resultantes de la reacción.

El conjunto de la envoltura 2, a excepción del fondo y los tubos coaxiales 60, 61, es de una aleación Fe-Cr-Al, mientras que el fondo 5 es de carburo de silicio (SiC).

El reactor solar 1, con esta entrada de gas 6 de doble tubos 60, 61, permite al mismo tiempo asegurar un chorro estable de partículas sólidas y una evacuación continua de las cenizas en fusión. La velocidad a la salida del orificio del tubo principal central 60 se escoge de tal manera que el gas, típicamente una mezcla de gas neutro (Ar) y de vapor de agua como gas oxidante, levanta y después arrastra las partículas carbonadas de la reacción en cuestión. El tubo periférico secundario 61 permite evacuar las cenizas en fusión de manera continua y se inyecta un caudal auxiliar mínimo a fin de evitar que las partículas carbonadas de mayor tamaño escapen hacia abajo.

Los inventores han validado la solución con dos tubos coaxiales 60, 61 según la invención, mediante simulación numérica hidrodinámica bajo el software comercial Fluent©. Se llevaron a cabo tres simulaciones y se ilustran en la Figura 8. El objetivo de estas simulaciones era seguir las trayectorias de las partículas de madera inyectadas en el interior de la cámara de reacción 23, en función del tiempo de estancia, para tres velocidades diferentes de gas auxiliar inyectado en el tubo periférico 61. Para estas simulaciones, las partículas de madera son esféricas, tienen una masa volúmica de 650 kg/m3, un diámetro de 1 mm y se inyectaron con un caudal de 2 g/min. La velocidad del chorro de gas oxidante en el tubo principal central 60 es de 9 m/s, y el reactor trabaja a 1000°C, es decir, la temperatura estimada del gas a la entrada del cono.

De estas simulaciones numéricas destaca que, para Vaux=0 m/s, las partículas salen de la cámara de reacción por la entrada auxiliar de gas debido a la gravedad 23 pocos instantes después de su inyección. Una velocidad Vaux=4 m/s permite difícilmente levantar las partículas de madera inyectadas a nivel de la zona anular del cono mientras que una velocidad Vaux=5 m/s permite mantener las partículas en la base del cono sin que se escapen por la entrada auxiliar 61 del gas.

Las Figuras 9 y 9A ilustran una realización según la cual el cono 21 está bien prolongado en el tubo periférico 61 de entrada de gas secundario, de manera que las cenizas líquidas no pueden fluir a lo largo del tubo central 60. Además, por seguridad, el tubo central 60 sobresale más allá de la base inferior 210 del cono 21 para evitar que las cenizas se depositen sobre este último. Como también se muestra, el ángulo del cono 21 es igual a 28°, lo que permite acelerar la evacuación de las cenizas y limitar cualquier riesgo de acumulación de las mismas.

Las Figuras 10, 11 y 11A muestran una posible disposición de un reactor solar 1 según la invención, según la cual se posiciona en la parte superior de una torre solar 110 de una central solar termodinámica de torre que puede ser convencional. Las radiaciones concentradas devueltas por los helióstatos 120 permiten calentar directamente el cono 21 de la envoltura 2 del reactor 1. Esto tiene como ventaja alcanzar temperaturas más altas en comparación con el calentamiento por el fondo 5 del cilindro ciego de la envoltura, y que pueden repartirse de manera más homogénea en el fondo del cono 21. Esto facilita aún más la evacuación de las cenizas en fusión.

En la variante de las Figuras 9 a 9A, el tubo 7 de inyección de partículas atraviesa la pared lateral del cono 21.

La invención no se limita a los ejemplos que se acaban de describir; en particular, se pueden combinar entre sí características de los ejemplos ilustrados dentro de variantes no ilustradas.

Se pueden considerar otras variantes y mejoras sin, no obstante, apartarse del alcance de la invención.

Lista de referencias citadas

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[8] : Aguado, M. Olazar, San José Maria José, G. Aguirre, y J. Bilbao, “Pyrolysis of Sawdust in a Conical Spouted Bed Reactor. Yields and Product Composition”, Ind. Eng. Chem. Res., vol. 39, n° 6, p. 1925-1933, junio de 2000.

[9] : G. Lopez, A. Erkiaga, M. Amutio, J. Bilbao, y M. Olazar, “Effect of polyethylene co-feeding in the steam gasification of biomass in a conical spouted bed reactor”, Fuel, vol. 153, p. 393-401, agosto de 2015.

[10] : M. Cortazar, G. Lopez, J. Alvarez, M. Amutio, J. Bilbao, y M. Olazar, “Advantages of confining the fountain in a conical spouted bed reactor for biomass steam gasification”, Energy, vol. 153, p. 455-463, junio de 2018.

[11] : Bellouard Q., “ Valorisation de biomasse en vecteurénergétiquepar voie thermochimique solaire", tesis, 2016.

[12] : S. Chuayboon, S. Abanades, y S. Rodat, “Experimental analysis of continuous steam gasification of wood biomass for syngas production in a high-temperature particle-fed solar reactor”, Chem. Eng. Process. - Process Intensif., vol. 125, p. 253-265, marzo de 2018.

[13] : Q. Bellouard, S. Abanades, y S. Rodat, “Biomass Gasification in an Innovative Spouted-Bed Solar Reactor: Experimental Proof of Concept and Parametric Study”, Energy Fuels, vol. 31, n° 10, p. 10933-10945, octubre de 2017.

[14] : Q. Bellouard, S. Rodat, S. Abanades, S. Ravel, y P.-É. Frayssines, “Design, simulation and experimental study of a directly-irradiated solar chemical reactor for hydrogen and syngas production from continuous solar-driven wood biomass gasification”, Int. J. Hydrog. Energy, mayo de 2018.

[15] : K. Kikuchi, A. Suzuki, T. Mochizuki, S. Endo, E. Imai, y Y. Tanji, “Ash-agglomerating gasification of coal in a spouted bed reactor”, Fuel, vol. 64, n° 3, p. 368-372, marzo de 1985.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Reactor solar (1) que comprende una envoltura (2) que delimita una cámara de reacción (3), comprendiendo la envoltura una parte inferior (21) en forma de cono recto prolongado en su parte superior por una entrada (6) y una parte superior (22) en forma de cilindro recto ciego (22), estando destinada al menos una parte de la envoltura a recibir la radiación solar, comprendiendo el cono y/o la superficie lateral del cilindro ciego dos agujeros, de los cuales uno está prolongado por un tubo (7) de inyección de reactivos sólidos y el otro está prolongado por un tubo (8) de salida de productos resultantes de la reacción, comprendiendo la entrada (6) dos tubos coaxiales, de los cuales el central (60) está destinado a la inyección de al menos la mayoría de los reactivos gaseosos, mientras que el periférico (61) está destinado a la inyección de un gas auxiliar d arrastre,

caracterizándose el reactor solar por que el tubo periférico (61) está también destinado a la recuperación por gravedad de las cenizas resultantes de la reacción.

2. Reactor solar (1) según la reivindicación 1, siendo la parte destinada a recibir la radiación solar el fondo (5) del cilindro o el cono (21) de la envoltura.

3. Reactor solar (1) según la reivindicación 1 o 2, desembocando el tubo central (60) de la entrada (6) en el interior del cono más allá de la base inferior (210) de este último.

4. Reactor solar (1) según una de las reivindicaciones anteriores, estando el ángulo del cono (21) comprendido entre 28° y 60°.

5. Reactor solar (1) según una de las reivindicaciones anteriores, siendo los tubos coaxiales (60, 61) de la entrada (6), el cono y la superficie lateral del cilindro que delimita la cámara de reacción de una misma aleación metálica que resiste a alta temperatura, preferentemente una aleación hierro-cromo-aluminio, mientras que el fondo del cilindro es de carburo de silicio (SiC).

6. Procedimiento de funcionamiento de un reactor solar (1) destinado a la conversión termoquímica de una carga carbonada, comprendiendo el reactor una envoltura (2) que delimita una cámara de reacción (3), comprendiendo la envoltura una parte inferior (21) en forma de un cono recto prolongado en su parte superior por una entrada (6) y una parte superior (22) en forma de un cilindro recto ciego (22), estando destinada al menos parte de la envoltura a recibir la radiación solar, el cono y/o la superficie lateral del cilindro ciego que comprende dos agujeros laterales, de los cuales uno está prolongado por un tubo (7) de inyección de reactivos sólidos y el otro está prolongado por un tubo (8) de salida de productos resultantes de la reacción, comprendiendo la entrada (6) dos tubos coaxiales, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:

- inyectar por el tubo central (60) de la entrada (6) al menos la mayoría de los reactivos gaseosos,

- inyectar por el tubo periférico (61) de la entrada (6) un gas auxiliar de arrastre

caracterizándose el procedimiento por que

- se recupera por gravedad en el tubo periférico (61) de la entrada (6) las cenizas en fusión resultantes de la reacción.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, siendo el gas auxiliar de arrastre un gas neutro y/o una minoría de los reactivos gaseosos.

8. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7, siendo la temperatura de funcionamiento del reactor solar superior a 1100°C.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, según el cual se inyectan por el tubo (7) partículas de reactivos sólidos cuyo diámetro es inferior o igual a 1 cm.

10. Uso del reactor solar (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5 o del procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 9, para la gasificación de una carga carbonada en productos de reacción, en particular para la gasificación de una biomasa, y en particular una biomasa lignocelulósica.

11. Planta solar de torre (110) en la que se dispone en su parte superior al menos un reactor solar (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5, de tal manera que las radiaciones concentradas resultantes de heliostatos (120), permiten calentar directamente el cono (21) de la envoltura (2) del reactor.