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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.
