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Title:
DEVICE FOR ROASTING CRUSHED BIOMASS VIA A DOUBLE-PHASE PARABOLIC CYLINDRICAL COLLECTOR, AND CONTROLLED BY MEASURING THE COLOUR SPECTRUM AND MOISTURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/105194
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the design of a roasting reactor with a heating system provided by a parabolic cylindrical solar collector and the recirculation of treated gases based on agricultural waste, such as that of corn and wheat. The method comprises the roasting of biomass, which is made to travel through a screw-type reactor that is heated via a parabolic cylindrical solar collector and the recirculation of roasting gases that have already been treated in a thermal oxidiser. Same are controlled by an adaptive control system which measures temperature, moisture content and the colour spectrum of the roasted material in situ, in order to thereby control variables such as the speed of the transporting screw and the residence time of the biomass in the reactor.

Inventors:
CARO RAMOS FELIPE (MX)
DEL RINCON LOPEZ ROBERTO ARTURO (MX)
OLEA MIRANDA JAIME (MX)
TADEI BRINGAS JORGE LUIS (MX)
KAWAMINAMI GARCIA IVAN ROBERTO (MX)
Application Number:
MX2015/000202
Publication Date:
June 22, 2017
Filing Date:
December 16, 2015
Export Citation:
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Assignee:
CARO RAMOS FELIPE (MX)
International Classes:
C10L5/44; C10B53/02; C10L9/08; F24S23/74; F26B3/00; G01J3/42; G01J3/46
Foreign References:
ES2245775T32006-01-16
US20130263501A12013-10-10
US20120117815A12012-05-17
US20050179443A12005-08-18
US20140082998A12014-03-27
Attorney, Agent or Firm:
LUGO LIZARRAGA, Maria Laura (MX)
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Claims:
REIVINDICACIONES

Lo que se reclama es:

1. Un sistema de torrefacción de biomasa triturada cuyo elemento central es un reactor de torrefacción tipo tomillo, ubicado en la línea focal de un concentrador solar cilindro parabólico y que comprende los siguientes subsistemas: un dispositivo de alimentación de biomasa automatizado, tolva de alimentación y tornillo alimentador; un cilindro que contiene un tornillo sin fin hueco que funciona como transportador de biomasa y por cuyo interior se desplazan los gases de calentamiento; una superficie de captación de energía solar cilindrico parabólica en cuyo eje focal se encuentra dispuesto un reactor de torrefacción tipo tomillo; una primera salida de compuestos volátiles que contiene principalmente vapor de agua y que es descargado directamente a la atmósfera; una segunda salida de elementos volátiles que contiene principalmente gases VOC (compuestos orgánicos volátiles) que son conducidos hacia un oxidador térmico descargados por el interior del trasportador cilindrico hueco del reactor de torrefacción; una cámara de oxidación térmica en la que, mediante la utilización de un combustible secundario se queman ios gases VOC provenientes de la fase de torrefacción del reactor tipo tomillo; un sistema instrumentación para monitoreo de variables de proceso que mide: la humedad en la fase de deshidratación del reactor de tomillo, el color de la biomasa en la fase de torrefacción del reactor y la temperatura tanto de la materia prima en proceso, como de los gases de calentamiento tanto en la cámara de oxidación térmica como en el interior del tornillo transportador del reactor; un sistema de control adaptativo de proceso que recibe las señales del sistema de instrumentación y es capaz de controlar la velocidad de alimentación de biomasa, el tiempo de residencia de la biomasa en el reactor de torrefacción tipo tornillo, la posición de ia superficie de captación de energía solar y el flujo de alimentación de combustible auxiliar en el oxidador térmico; y finalmente una descarga atmosférica de gases de proceso.

2. Un sistema como en la reivindicación 1, que consta de captación de energía solar tipo concentrador cilindro - parabólico, como el descrito en la reivindicación uno, que podrá contar con sistema de seguimiento solar, en cuyo eje focal se ha instalado un reactor de torrefacción de biomasa, que podrá estar contenido en un cilindro de vidrio al vacio.

3. Un reactor de torrefacción tipo tornillo hueco, como el descrito en la reivindicación 1 , por cuyo interior se desplazan los gases de combustión provenientes de un oxidador térmico, y por cuyo exterior, dotado de un elemento helicoidal, es transportada la biomasa triturada en proceso de torrefacción. Este reactor recibe energía mediante dos sistemas de calentamiento: un sistema primario que recibe la energía solar de la superficie de captación del concentrador cilindrico parabólico, y un sistema secundario que consiste en captar la energía calorífica desprendida por los gases VOC generados durante la torrefacción de la biomasa e incinerados en una cámara de oxidación térmica cuyos gases de combustión son conducidos por el interior del tomillo hueco del reactor de torrefacción.

4. Un sistema de medición continuo de la humedad, como el descrito en la reivindicación 1 , del producto, que pudiera ser a base de microondas de baja intensidad, que será monitoreada a lo largo de la primera sección del reactor tipo tomillo, cuya velocidad será controlada para generar condiciones de humedad cero en la parte final de la primera sección.

5. Una cámara de combustión que funciona como oxidador térmico recuperativo, como el descrito en la reivindicación 1 , que es capaz de aprovechar la energía contenida en los gases VOC generados en el proceso de torrefacción de biomasa, que es alimentado con un combustible auxiliar, cuya combustión genera las condiciones de oxidación requeridas para la oxidación de los gases provenientes del reactor de torrefacción. En condiciones de insuficiencia de energía solar este sistema proveerá total o parcialmente la energía requerida para el funcionamiento del torrefactor de biomasa.

6. La presente invención describe un sistema de medición de espectro de color, como el descrito en la reivindicación 1 , que medirá los espectros de absorbencia y/o reflectancia de la materia torrefactada, ubicado en el final de la segunda sección del reactor de tornillo y que será el parámetro de control del reactor.

7. Un sistema de control adaptativo como en la reivindicación 1 , que controla la velocidad del trasportador tipo tornillo ubicado en el eje focal del concentrador cilindro parabólico dependiendo de las mediciones de humedad y color, así como flujo de ingreso de materia prima hacia el reactor torrefactor y el flujo de combustible auxiliar en la cámara de oxidación térmica. Este sistema además recibirá las señales de entrada de las temperaturas de la materia en proceso y de los gases de calentamiento del interior del tomillo motriz hueco, medidos por sensores de temperatura.

Description:
DISPOSITIVO PARA TORREFACCIÓN DE BIOMASA TRITURADA POR MEDIO DE UN COLECTOR CILINDRICO PARABÓLICO DE DOBLE FASE, Y CONTROLADO POR MEDICIÓN DE ESPECTRO DE COLOR Y HUMEDAD.

CAMPO TÉCNICO

La invención se encuadra en el campo de la producción biocombustible sólido y la torrefacción de biomasa, particularmente la que producción de un combustible sólido con la utilización concentrador de energía solar como fuente energética primaria.

ANTECEDENTES

Los últimos 5 años se ha visto un aumento significativo de interés en las tecnologías de torrefacción como una tecnología de pre-tratamiento de la biomasa sólida. Este interés ha sido principalmente impulsado por las características de la biomasa torrefactada y densificada incluyendo mejores características de transporte y propiedades afines al carbón como valor calorífico, molienda, mayor densidad de energía y la hidrofobicidad. Entre las diversas aplicaciones que se están considerando para la biomasa torrefactada y densificada, los más probables incluyen la co-combustión con carbón pulverizado en plantas eléctricas con quema de carbón y hornos de cemento, coque y la industria del acero (para la biomasa carbonizada), de pequeño a mediana escala dedicado a la biomasa y quemadores de pellets, y la gasificación en gasificadores de flujo con arrastre que normalmente operan con carbón pulverizado.

En el proceso de torrefacción, la biomasa se calienta a una temperatura de aproximada de 250-300 °C a una atmósfera con bajas concentraciones de oxigeno, de modo que toda la humedad se elimina, así como una fracción de la materia volátil de la biomasa seca. Lo ideal sería que la energía contenida en los volátiles liberados sea igual a la demanda de calor requerido en el proceso, de modo que una eficiencia térmica superior aprox. 95% se logre. Debido a la pérdida de peso sustancial y una pérdida relativamente pequeña de contenido calorífico, el valor de calentamiento de la biomasa procesada por unidad de masa aumenta significativamente en el proceso.

A través del proceso de torrefacción y dependiendo de su severidad, las propiedades fibrosas, tenaces e hidrofílicas de la biomasa pueden ser alterados de manera que el producto final es frágil (por lo tanto es fácil de moler) e hidrófobo. Estos cambios de comportamiento pueden tener ventajas significativas en la cadena de distribución, ya que la logística se puede hacer más simple, más rentable y compatible con el carbón.

La Patente No. US6065223A "DEVICE UTILIZING SOLAR ENERGY, ESPECIALLY FOR DRYING AND ROASTING OF AGRICULTURAL-, AS WELL AS FOOD PROCESSING PRODUCTS, FINALIZING DISTILLATION AND EVAPORATION, SEPARATING OF COMPLICATES COMPOUNDS", es la más cercana a lo que se desea realizar con excepción de algunos factores técnicos, como control del proceso, descargas, ya que es un sistema que usa un colector solar cilindrico parabólico el cual se usa para secar y tostar.

Las siguientes dos invenciones No. WO 2012158113 A1 "METHOD FOR TORREFACTION WITH HYPERSPECTRAL ANALYSIS OF THE TORREFIED MATERIAL DURING OR AFTER TORREFACTION" y No. WO2014060439A1 "METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A TORREFACTION SYSTEM FOR BIOMASS", son parecidas al sistema de control que se pretende patentar pero con diferencias en el proceso y equipos, pero parecidas en algunos parámetros de medición.

Las Patentes No. US 20110023868 A1 "SOLAR OVEN" y la Patente No. US 4262660 A "SOLAR COOKER", tienen el mismo principio de utilizar colectores solares cilindricos parabólicos para calentar enfocados a cocinar comida o secar alimentos y no cuentan con medio de control adecuado.

Las patentes No. US 7068048 B2 "MICROWAVE SENSOR FOR MEASURING A DIELECTRIC PROPERTY OF A PRODUCT", la No. EP0889321A1 "MOISTURE AND DENSITY SENSOR" y la No, US5826458A "MOISTURE DETECTION METER" nos hablan de equipos de medición de humedad, densidad, entre otros parámetros de proceso.

La patente No. US20120117815A1 "DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING THE CONVERSION OF BIOMASS TO BIOFUEL" describen un aparato y método para controlar la conversión de materiales carbonosos, particularmente la biomasa y los recursos de biomasa, en un combustible sólido de alto rendimiento, proporciona un proceso que tiene un sistema de control que permite al sistema producir un combustible de calidad uniforme.

La patente No. US20120085023A1 "BIOMASS TORREFACTION SYSTEM AND METHOD" nos muestra un sistema con un método que recircula los gases de torrefacción calentándolos y haciéndolos pasar por el reactor como un medio calefactor.

En la siguiente invención se presenta un equipo novedoso para el proceso de torrefacción con un colector solar cilindrico parabólico como medio para calentar la biomasa además de contar con un sistema de recirculación de gases como otro medio calefactor a modo de hacer más eficiente este equipo, cuenta también con un sistema de control adaptivo para controlar las variables del proceso. En nuestra investigación casi no se encontraron patentes relacionadas a este tipo de equipos, aunque si se encontraron sistemas parecidos de medición de parámetros y patentes con el mismo principio de calefacción pero dirigidos más a cocinar y secar que a la torrefacción de biomasa, por lo que creemos nuestra invención es novedosa en el campo de la torrefacción.

BREVE DESCRIPCIÓN DE FIGURAS

Figura 1.- Muestra una imagen lateral de un equipo de torrefacción con una tolva de alimentación (1); un tornillo a sin fin para la alimentación de la materia prima (2); un reactor de torrefacción (3) montado en el eje focal de un colector solar cilindrico parabólico; un colector solar cilindrico parabólico como fuente principal para la generación de calor (4); un tomillo transportador hueco para mover la materia prima en el proceso (5); un sensor de microondas de baja frecuencia para medir la humedad para controlar el proceso (6); una salida primaria para el vapor de agua de ia sección de secado (7); una salida para el material torrefactado (8); una cámara infrarroja para detección de color de la materia prima en el proceso (9); una salida para los componentes orgánicos volátiles de la sección de torrefacción (10) que se encuentra conectada a un oxidador térmico; un soplador para mover los gases de la salida del torrefactor al oxidador (11); un oxidador térmico (12) para la destrucción de los VOC con un subministro de combustible para la llama del oxidador (13); una salida para los gases que salen del oxidador y son usados como fuente secundaria de calor en el torrefactor (14); motor para el tomillo trasportador hueco (15); medidores de temperatura para el control del proceso (16).

Figura 2.- Muestra una imagen transversal del reactor de torrefacción (3) la cual cuenta con: el reactor de torrefacción (3); un tornillo transportador hueco para mover la materia prima en el proceso (5); un cilindro de vidrio al vacío que rodea al torrefactor y mantiene el calor dentro (17) y un colector solar cilindrico parabólico como fuente principal para la generación de calor (4).

DESCRIPCIÓN

La presente invención se encuentra relacionada al proceso de torrefacción utilizado en este tratamiento la biomasa de subproductos agrícolas para la fabricación de un biocombustible sólido. La siguiente invención comprende un proceso de torrefacción que aprovechará la energía captada en un colector solar cilindrico parabólico con sistema de realimentación de los gases de torrefacción para gestión de eficiencia calorífica, este sistema se controlará mediante un sistema adaptativo cuyas variables de entrada serán 1) temperatura; 2) contenido de humedad; y 3) color para así controlar las variables de tiempo de residencia y velocidad del tornillo transportador. El reactor se distingue por contener un sistema de alimentación de biomasa (1)(2), un tomillo transportador hueco (3) que funcionará como reactor de pirólisis parcial de biomasa, con dos salidas para los gases de torrefacción (7)(10). En la primera parte del reactor de torrefacción se llevará a cabo la fase de deshidratación de la biomasa, en la que los gases producidos serán expulsados del proceso mediante una descarga hacia la atmósfera (7); mientras que en la segunda parte se llevará a cabo la fase de torrefacción (10). Este reactor se calentará con un colector solar cilindrico parabólico (4), el cual contará con un sistema de seguimiento solar. El contenido de humedad se mide dentro del reactor por medio de un sensor de microondas de baja intensidad (6), con el cual se medirá el contenido de humedad.

El color de biomasa durante la etapa de torrefacción del reactor es otro parámetro que se toma en cuenta en esta invención y será medido por una cámara infrarroja (9); este parámetro, además de la humedad monitoreada en la primera parte del proceso, determinará la velocidad del tornillo transportador haciéndolo girar más rápido o más lento según la humedad y el color de la biomasa en las respectivas fases de proceso. Este sistema además recibirá las señales de entrada de las temperaturas de la materia en proceso y de los gases de calentamiento del interior del tornillo motriz hueco, medidos por sensores de temperatura (16).

El proceso constará de un sistema de recirculación de gases que contará con un oxidador térmico (12) para la desintegración de los gases VOC (Compuestos Orgánicos Volátiles) producidos en la fase de torrefacción, estos gases sobrecalentados se harán pasar por el interior del tomillo transportador (5) ya que este será hueco y estos gases funcionaran como medio calefactor para obtener una mayor eficiencia en el torrefactor siendo liberados a la atmosfera una vez ya utilizados (14).