Dr. Alfredo Curbelo. Cubaenergía.. Procesos termoquímicos.La partícula.El reactor.Aplicaciones

Gasificación. SEMINARIO INTERNACIONAL DE USO ENERGÉTICO SOSTENIBLE DE BIOMASA RESIDUAL, Octubre 9 y 10 de 2014,Bogotá, Colombia

Dr. Alfredo Curbelo. Cubaenergía.

INDICE

Procesos termoquímicos.

La partícula.

El reactor.

Aplicaciones.

TECNOLOGIAS DE CONVERSION TERMOQUIMICA

Procesos basados en reacciones químicas que ocurren alta temperatura y que permiten transformar la energía química de materiales de

base carbonosa en diferentes formas:

COMBUSTION• En energía

térmica.

PIROLISIS.• En solido,

liquido o gas

GASIFICACION• En gas.

Material de base carbonosa de

origen vegetal.

Procesos termoquímicos de

conversión de biomasa.

Materiales de base carbonosa

0

20

40

60

80

100

MATERIALES BASE CARBONOSA

Volatiles (%)

PCS (MJ/kg)

"O/C(%)"

Reacciones de COMBUSTION(oxidación)

REACCIONES BÁSICASHeterogéneas Homogéneas

C O2 CO2 2H2 O2 2H2O

COMBUSTIÓN COMPLETA/INCOMPLETA

C ½O2 CO CO ½O2 CO2

CHnOm X O2 a CO2 Y H2Ob

CO

Reacciones de reducción ( GASIFICACION)(650 – 950 oC)

C 2H2 CH4

CO2 H2 CO H2

O

CO H2O CO H2

C CO2 2CO

C H2O CO H2

Reacciones heterogéne

as

Reacciones homogéne

as

GASIFICACIONAPLICACIONES COMERCIALES

• iluminación del puente de Westminster con luces de gas. Londres y Westminster Gas Light y Coca-Cola Company .

1812

•primera compañía de gas manufacturado en los Estados Unidos para iluminación y cocción de alimentos. Gas Light Company de Baltimore.

1816

•primeras obras de gas de Alemania en Hannover.

1825

•había 340 fábricas de gas en Alemania a partir de carbón, madera, turba y otros materiales.

1870

Pirolisis.

Pirolisis:

• Proceso de destrucción térmica de moléculas carbonosas en ausencia de oxigeno.

• Se utilizo para la producción de metanol, fenol, ácido carboxílico y furfural antes de la petroquímica.

Reacciones de Combustión:

• Agente oxidante (O2).

Reacciones de Gasificación:

• Agente reductor (CO2, H2O,…) + Calor.

Pirolisis

Gases no condensables

• H2, CO, CO2,CH4

• CmHn

Gases Condensables

• H2O• Metanol,

Acido acético, fenoles, bencenos, etc.

Carbón.

• Residuo carbonoso con alta relación C/H.

MATERIAL CARBONOS

O

Mecanismo de pirolisis(250 – 700 oC)

Biomasa Reacc

ión

1

(Volátiles + Gases)1

Reacción

2(Char)1

Reacción 3 (Volátiles +

Gases)2

+ (Char)2

C. A. KOUFOPANOS

Pirolisis primaria.Descomposición térmica de la C, HC y LDepende de la Temperatura

Pirolisis secundaria.Interacción con el charDepende de: •la temperatura, •el tiempo de permanencia del tar en la partícula.

GASIFICACIÓN DE BIOMASA.Reactores

Biomasa húmeda

Agente de gasificaci

ón

Medio de gasificación: Agente oxidante + Agente reductor?

(H2O, CO2)

Ceniza/Char

Gas.

REACTOR

Fase solida

Fase gaseosa

GASIFICACIÓN DE BIOMASA.

Interacción fase solida – fase gaseosa

Una partícula (fase solida)

Fase gaseosa: mezcla de gases

intercambio de calor

Intercambio de masa

SECADO

• Partícula Húmeda

PIROLISIS

• Partícula seca

REDUCCION

• Carbón.

OXIDACION. • Carbón

H2O

CO

2, H

2O

H2,

CO

, C

O2,C

H4

, C

mH

n,

H2O

, TA

R

CO

, H2

, C

H4

O2

CO

,CO

2

Agente Gasificant

e

GASIFICACIÓN DE BIOMASA.Las partículas

+carbón

biomasa

Frente de pirolisis

Superficie de la

partículaFlujo de

calorConducci

ón

Flujo de gas y tar

Fluido en medio poroso

Flujo de calor λ hT Δ T

Flujo de gas y tar

Def p hm Δ Cj

R

CO2, H2O

CO, H2, CH4

gasificación

pirolisis

GASIFICACIÓN DE BIOMASA.La geometría de las partículas

Modelos:–Diámetro decreciente (shrinkage).–Diámetro fijo

+

Esférica Cilíndrica Plana

+ RR

l

h

a

S/V= 3/R S/V= 2/R *(1+R/l) S/V=1/h * (1+h/l)

l

GASIFICACIÓN DE BIOMASA.Reactores

Cama fija:

• Flujo paralelo (downdraft): • Extremo abierto.• Extremo cerrado.

• Flujo contracorriente (updraft)

Lecho Fluidizado:

• Burbujeante.• Circulante.

Análisis de:

• Relación entre flujo de fase solida y gaseosa.• Condiciones de intercambio de calor y masa

entre las fases.

INTERACCION FASE SOLIDA – FASE GASEOSAREACTOR

Fase gaseosa

Flujo de gas

Fase solida:

partículas de

biomasa.Movimiento del

paquete de partículas.

Flujo del agente

fluidizante

burbujas

inertes

CAMA FIJA LECHO FLUIDIZADO

• hT y hM : bajos• Tfg y Ci, varían a lo largo del

reactor

• hT y hM : altos• Tfg y Ci, constantes

REACTORES DE GASIFICACIÓN

Lecho fijo:

Flujo a Contracorriente.

Flujos Paralelo:•Extremo abierto.•Extremo cerrado.

Flujo cruzado.

Lecho Fluidizado:

Burbujeante.

Circulante.

Arrastre.

REACTORES LECHO FIJO

REACTORES LECHO FIJOFlujos paralelos

Fases del estado agregativo:Burbuja.Gaseosa.Solida

REACTORES LECHO FLUIDIZADOFLUIDODINAMICA

LECHO BURBUJEANTE LECHO CIRCULANTE

REACTORES LECHO FLUIDIZADO

REACTORESCOMPARACIÓN

Tipo Ventaja DesventajaUpdraft Biomasa alta humedad.

No carbón en las cenizas. Alto contenido de resinas.Limitaciones en el escalado.Bajo poder calórico del gas.

Downdraft. Aplicaciones de pequeña escala. No pequeñas partículas. Poca resina y partículas en el

gas.

Tamaño y forma de las partículas. Sensible a la humedad. Limitaciones en el escalado. Bajo poder calórico del gas.

LF burbujeante

Aplicaciones de gran escala. Poco sensible a forma de

partículas. Gas de alto poder calórico. Compactos en tamaño,

Contenido medio de resinas. Operación compleja.

LF circulante

Aplicaciones de gran escala. Gas de alto poder calórico-. Compactos en tamaño.

Contenido medio de resinas. Limitado rango de tamaño de

partículas.

PROPIEDADES DEL GASComposición:

•11 –

30%

CO:

• 5 –

20

%

H2:

•1 –

3%

CH4:

•10 –

15%

CO2:

•55 –

60%

N2:

•4 –

7

MJ/

m3

Poder Calórico:

Equivalencia por poder calóricoGLP 7.8 m3 de gas madera/kg de GLP

metano 8.5 m3 de gas madera/m3 de gasbiogas 5.1 m3 de gas madera/m3 de gas

Equipos primarios para el uso del gas.

Equipo primario

Equipo Calidad del gas

Tipo de gasificador

Sistema tratamiento gas

Quemadores

De mezcla Caldera / Horno industrial

media Flujo paralelo. Enfriar, separar resinas y sólidos

Cámara torsional

Caldera baja flujo contracorrientelecho fluidizado

Sin tratamiento

De mezcla previa

Horno baja Flujo paralelo. lecho fluidizado

Sin tratamiento

Maquinas térmicas

Combustión Interna

Motores dieselMotores gasolina

alta Flujo paralelo Enfriar, separar resinas y sólidos

Turbinas de gas.

Turbina muy alta

Flujo paralelo Muy complejo

Equipos primariosQuemadores

Maquinas térmicas

De mezcla

Motor diesel

Motor de gasolina

Motor de gas

Turbina de gas

De mezcla previa Cámara Torsional

IMPLEMENTACIÓN

Gas +Resinas+Partículas

Gas limpio

USO FINAL

Cenizas

REACTOR

LIMPIEZA DE GASES

TRATAMIENTO DE AGUA

QUEMADOR DE GAS

MOTOR COMB

INTERNA

ALMACENAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA BIOMASA

IMPLEMENTACIÓN

GASIFICADOR DOWNDRAFT 22 KwExtremo cerrado

GASIFICADOR DOWNDRAFT 200 Kw Extremo cerrado

GASIFICADOR DOWNDRAFT EXTREMO ABIERTO

ÁREAS DE LA PRODUCCIÓN Y LOS SERVICIOS PARA EL USO DE LA GASIFICACIÓN

•Calderas de vapor.

•Hornos de la industria de materiales de la construcción.

•Cocción de alimentos.

A. Sustitución del uso de

combustibles convencionales

en:

•Cáscara de arroz.

•Residuos aserraderos.

B. Aprovechamiento energético de

residuos agroindustriales

•Conectadas a la red eléctrica.

•Electrificación de comunidades aisladas

C. Plantas eléctricas

A. SUSTITUCIÓN DEL USO DE COMBUSTIBLES CONVENCIONALES.

CALDERAS DE VAPOR

Universo potencial

• Calderas de vapor y agua caliente que utilicen diesel oil o fuel oil como combustible.

• Tipo tubo de fuego o tubos de agua.

Solución tecnológica• Integración con gasificador updraft.

Combustible:• Astillas de madera con un índice de sustitución de

3,3 kg de madera/ kg de combustible.Nota: diferenciar solución según estado técnico de

la caldera

CALDERA DE VAPOR INTEGRADA A GASIFICADOR DE BIOMASA

A. SUSTITUCIÓN DEL USO DE COMBUSTIBLES CONVENCIONALES.

HORNOS DE CERAMICA

Universo potencial aproximado de hornos de la Industria de Materiales de la Construcción

• Hornos de Cerámica Blanca y Roja que incluyen de llama invertida, gaveta y Hoffman

Solución tecnológica:

• Cambio de quemadores de fuel oíl a gas que se alimenta de una planta de gasificación de biomasa con gasificador downdraft y limpieza de gases simplificado

Combustible:

• Astillas de madera con un índice de sustitución de 3,8 kg de madera/ kg de combustible.

SISTEMA PLANTA DE GAS – HORNO DE CERAMICA

PLANTA DE GAS

HORNO DE CERAMICA ROJA

A. SUSTITUCIÓN DEL USO DE COMBUSTIBLES CONVENCIONALES.

COCCIÓN DE ALIMENTOS

Universo aplicación:• Comunidades rurales con fuentes de biomasa

sostenible.Solución tecnológica:• Planta de gasificación de biomasa que

suministra gas a una red de distribución local.

Combustible:• Biomasa producida localmente.

PLANTA DE GAS CHINA

1. Feeder 2. Gasifier 3. Water scrubber 4. Filter 5. Separator 6. Venturi scrubber 7. Blower 8. Tar collection tank 9. Water sealing tank 10. Gas Tank 11. Flame arrester 12. Pipe net.

B. Aprovechamiento energético de residuos agroindustriales: CÁSCARA DE ARROZ

Universo potencial de instalaciones:

• instalaciones para el secado y molinado de arroz

Efecto:

• sustituir el consumo de de diesel.• Autoabastecerse en electricidad y vender excedente

Solución tecnológica:

• Planta de gasificación de cascara de arroz con gasificador downdraft que suministra gas al:• quemador del secador de biomasa y • al generador eléctrico con motor de gas.

• Índice de consumo: 1.7 kg de cascara de arroz/kWh generado.

GASIFICACIÓN CASCARA DE ARROZ

INDIA

B. Aprovechamiento energético de residuos agroindustriales: RESIDUOS ASERRADEROS

Universo potencial aproximado en aserraderos:• Aserraderos de madera, carpinterías, etc.• Se produce entre 45 % y 50 % de residuos de la materia

prima que se procesa.

Solución tecnológica:• Planta eléctrica por gasificación de biomasa con índice

de generación de 1.5 kg de residuos al 20% de humedad/kWh generado.

• Potencia a instalar: entre 50 kW y 3 MWCombustible:• Residuos de aserraderos compactados en forma de

briquetas.

RESIDUOS DE ASERRADERO

RESIDUOS DE ASERRADEROPLANTA 1 MW

C. Plantas eléctricas.Electrificación de comunidades

aisladas

Universo potencial :• Viviendas no conectadas al SEN

Solución tecnológica:• Planta eléctrica con gasificador de

biomasa downdraft .

Combustible:• Comunidades con biomasa disponible

localmente.• Biomasa procesada en forma de astillas

de madera.

ELECTRIFICACIÓN COMUNIDADES AISLADAS

ELECTRIFICACIÓN COMUNIDADES AISLADAS

10 Kw

GASIFICACIÓN en CUBA

Puesta en marcha de instalaciones de gasificación de biomasa

1. Planta Eléctrica de Gasificación de Biomasa en Cocodrilo.

• Propósito: suministro de electricidad a comunidad aislada. • Potencia 50 KW. • Generación Dual: diesel–gas. • Combustible: biomasa forestal procedente del manejo de un área

protegida. • Instalado: Proyecto GEF/ONUDI. • Año de puesta en marcha: 2010.

2. Planta Eléctrica de gasificación de biomasa en el aserradero “El Brujo”.

• Propósito: Entrega de electricidad a la red. • Potencia: 40 kW. • Generación: gas. • Combustible: residuos de aserradero. Instalado: Proyecto

Biomass. • Año de puesta en marcha: 2012.

Puesta en marcha de instalaciones de gasificación de biomasa

3. Planta Eléctrica de gasificación de biomasa en “Estación Experimental Indio Hatuey”.

• Propósito: Demostrativa. • Potencia: 20 kW. • Generación: gas. • Combustible: variado. • Instalado: Proyecto Biomass. • Año de puesta en marcha: 2012.

4. Planta Eléctrica de gasificación de biomasa “La Melvis”.

• Propósito: Entrega de electricidad a la red. • Potencia: 500 kW. • Generación: gas. • Combustible: biomasa forestal. • Instalado: Proyecto GEF/ONUDI. • Año de puesta en marcha: 2014.

Puesta en marcha de instalaciones de gasificación de biomasa

5. Caldera acoplada a gasificador de biomasa en la Empresa de la Industria Alimentaria de la Isla de la Juventud.

• Propósito: sustituir el uso del combustible diesel en la producción de vapor.

• Capacidad de la caldera: 3 ton/h de vapor. • Combustible: biomasa forestal. • Instalado: proyecto GEF/ONUDI. • Fecha puesta en marcha: está contratada y se planifica su puesta en

marcha en 2014.Instalaciones de gasificación de biomasa previstas en el corto mediano plazo:

• En la industria del arroz: 4 plantas de gasificación de cáscara de arroz con potencias entre 50 kW y 300 kW.

• En la industria forestal: 2 plantas con potencias de 500kW y 1000 MW a partir del procesamiento de los residuos de los aserraderos.

CONCLUSIONES

Los resultados de la gasificación de la biomasa se describen por medio de los procesos de conversión termoquímicos:

combustión, pirolisis y gasificación.Existe un amplio numero de

aplicaciones que incluyen el cambio de combustible en instalaciones existentes y nuevas para la producción de calor o

electricidad o ambas.El diseño de las soluciones tecnológicas debe basarse en los requerimientos en calidad y cantidad de gas a producir y

en el tipo de biomasa disponible.