Gasificacion IDAE

7/22/2019 Gasificacion IDAE

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E N E R G A S R E N O V A B L E S

BiomasaGasificacin

BiomasaGasificacin

Energa de laBiomasa

GOBIERNODE ESPAA

MINISTERIODE INDUSTRIA, TURISMOY COMERCIO


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E N E R G A S R E N O V A B L E S

BiomasaGasificacin

Energa de la

Biomasa

GOBIERNODE ESPAA

MINISTERIODE INDUSTRIA, TURISMOY COMERCIO


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TTULO

Biomasa: Gasificacin

DIRECCIN TCNICA

IDAE (Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa)

ELABORACIN TCNICABESEL, S.A. (Departamento de Energa)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Esta publicacin ha sido producida por el IDAE y est incluida en

su fondo editorial.

Cualquier reproduccin, parcial o total, de la presente publicacin

debe contar con la aprobacin por escrito del IDAE.

Depsito Legal: M-00000-2007

ISBN-13: 000-00-00000-00-0

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

IDAEInstituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa

C/ Madera, 8

[email protected]

Madrid, octubre de 2007


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1 Objeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2 Gasificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Etapas y reacciones de la gasificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Elementos principales de la gasificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.1 Agentes gasificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.2 Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3 Catalizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Eleccin de tecnologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Tecnologas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 Lecho fluidizado de presin compensada (ENAMORA). . . . . . . 133.1.1 Caractersticas de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.1.2 Funcionamiento normal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.1.3 Indicadores de funcionamiento de la tecnologa. . . . . . . 17

3.2 Guascor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.1 Datos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.2 Funcionamiento de la planta de gasificacin . . . . . . . . . 203.2.3 Calidad del gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23


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3.2.4 Gestin de subproductos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2.5 Sistema de control y monitorizacin . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Inerco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3.1 Tecnologa y funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3.2 Caractersticas de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.4 Taim-TFG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4.1 Descripcin de la instalacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4.2 Caractersticas tcnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4.3 Sistemas de control y seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4.4 Modo de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 Biomasa: Gasificacin


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Se denomina gasificacin de biomasa a un conjunto de reacciones termoqumicas,que se produce en un ambiente pobre en oxgeno, y que da como resultado la trans-formacin de un slido en una serie de gases susceptibles de ser utilizados en unacaldera, en una turbina o en un motor, tras ser debidamente acondicionados.

En el proceso de gasificacin, la celulosa se transforma en hidrocarburos msligeros, incluso en monxido de carbono e hidrgeno. Esta mezcla de gases lla-mada gas de sntesis o syngas, tiene un poder calorfico inferior (PCI)equivalente a la sexta parte del poder calorfico inferior del gas natural, cuandose emplea aire como agente gasificante.

El agente gasificante es un gas, o mezcla de ellos, que aporta calor para iniciarlas reacciones, y oxgeno.

La gasificacin no es una tecnologa desarrollada recientemente, sino que hasido un recurso habitual en periodos de carencia o escasez de combustibles li-geros, ya que permite convertir slidos (carbn, biomasa) en gases que puedenser empleados en motores de combustin interna, calderas y turbinas. Por otrolado, la gasificacin como concepto de proceso puede aplicarse para sintetizarcombustibles lquidos de alta calidad (proceso Fischer-Tropsch).

El rendimiento del proceso de gasificacin vara dependiendo de la tecnologa,el combustible y el agente gasificante que se utilice, en el rango de 70-80%. El

resto de la energa introducida en el combustible se invierte en las reaccionesendotrmicas, en las prdidas de calor de los reactores, en el enfriamiento delsyngas, necesario para su secado (eliminacin de vapor de agua) y filtracin, yen el lavado (cuando es necesario eliminar los alquitranes).

1ObjetojetoObjetobjeto


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Adems de sustituir a combustibles ligeros de origen fsil, la gasificacin per-mite obtener altos rendimientos elctricos a partir de biomasa, cuestin sta

muy difcil mediante combustin directa para generacin de vapor y posteriorexpansin de ste en un turbo alternador. Mediante gasificacin se pueden al-canzar rendimientos elctricos de hasta un 30-32% mediante el uso demoto-generadores accionados por syngas, mientras que con un ciclo Rankineconvencional simple las cifras rondan un 22% de rendimiento elctrico.

Como en todos los sistemas de produccin/transformacin de energa, es nece-saria cierta alimentacin elctrica para mantener todo el proceso en depresin,para evitar la fuga de cualquiera de los gases que se producen en el proceso.

En este documento se presentan los elementos principales que intervienen enel proceso de gasificacin de biomasa, las caractersticas deseables de los com-bustibles y las aplicaciones ms comunes.



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Existen dos familias de tecnologas principales de gasificacin si se atiende altipo de gasificador:

La de lecho mvil que, a su vez, se subdivide dependiendo del sentidorelativo de las corrientes de combustible (biomasa) y agente gasifican-

te. Cuando las corrientes son paralelas, el gasificador se denominadowndraft o de corrientes paralelas; cuando circulan en sentido opues-to, se denomina updraft o de contracorriente.

La de lecho fluidizado, en la que el agente gasificante mantiene en sus-pensin a un inerte y al combustible, hasta que las partculas de ste segasifican y convierten en cenizas voltiles y son arrastradas por la co-rriente del syngas.

2.1 Etapas y reacciones de la gasificacinCon independencia de que el lecho sea fluidizado o mvil, en sus variantes, labiomasa pasa por:

Una primera etapa de calentamiento hasta 100 oC, que provoca el seca-do de la biomasa por evaporacin del agua contenida en la misma, y queabsorbe el calor sensible para elevar la temperatura, adems del nece-sario para la evaporacin del agua;

La segunda etapa, que tambin absorbe calor, es la de pirlisis (rup-

tura por calor), en la que se rompen las molculas grandes dando lugara otras de cadena ms corta que, a la temperatura del reactor, estnen fase gaseosa;

2Gasificacisific cinnGasificaciasificacinn


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En los reactores updraft la tercera etapa es la reduccin, por combina-cin del vapor de agua producido en la primera etapa, con el dixido decarbono que viene arrastrado por la corriente del gasificante, desde lacuarta etapa (oxidacin);

La ltima etapa es la oxidacin de la fraccin ms pesada (carbonosa) dela biomasa al entrar en contacto con el agente gasificante (aire, oxgeno,o vapor de agua).

Siguiendo la reaccin en el sentido del agente gasificante, las etapas son: Oxidacin parcial del residuo carbonoso y caliente de la biomasa, elevan-

do mucho su temperatura, ya que las reacciones de oxidacin sonexotrmicas;

En la zona de reduccin, la falta de oxgeno unida a la disponibilidad decarbono, CO2 y vapor de agua, hace que se produzca una recombinacinhacia hidrgeno molecular y monxido de carbono;

La tercera etapa en el sentido del gas es la pirlisis en la que, por efec-to del calor, los componentes ms ligeros de la biomasa se rompen yconvierten en gas, unindose a la corriente;

Por ltimo, los gases calientes evaporan el agua contenida en la bioma-sa entrante.


Biomasa Gases

SECADO

PIRLISIS

Char Gases

REDUCCIN

OXIDACIN

Agentegasificante

Cenizas

Biomasa

Agentegasificante

Gasproducto

Cenizas

Biomasa

SECADO

PIRLISIS

Char Gas

REDUCCIN

Gasesproducto

Ceniza

OXIDACIN

Productosde pirlisis

Agentegasificante

De izquierda a derecha, esquemas de funcionamiento de gasificadores updraft, de lechofluidizado y downdraft.


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Gasificacin 9

2.2 Elementos principales de la gasificacin

2.2.1 Agentes gasificantes

Segn el agente gasificante que se emplee se producen efectos distintos enla gasificacin, y el syngas producto final vara en su composicin y podercalorfico.

Si se gasifica con aire, parte de la biomasa procesada se quema con el oxgenopresente y el resto de la biomasa sufre la reduccin. No obstante, el 50% delsyngas es nitrgeno y, en trminos de poder calorfico, el gas ronda los 5,5

MJ/Nm3

. Este syngas es apropiado para motores de combustin interna conven-cionales, ya que como materia prima para la sntesis del metanol es un gas pobre.

La gasificacin con vapor de agua u oxgeno, mejoran el rendimiento global yaumenta la proporcin de hidrgeno en el syngas. Es el sistema ms adecuan-do de producir syngas si se desea emplearlo como materia prima para producirmetanol o gasolina sinttica. Si bien el aire es gratuito y el vapor de agua se pro-duce a partir del calor contenido en el gas de sntesis, el oxgeno tiene un costeenergtico y econmico a tener en cuenta.

La utilizacin de hidrgeno como agente gasificante permite obtener un syngasque puede sustituir al gas natural, pues puede alcanzar un poder calorfico de30 MJ/Kg. No obstante, el hidrgeno es el mejor de los combustibles, suscepti-ble de usarse en cualquier dispositivo termoqumico o electroqumico, por lo queno es muy recomendable como gasificante en el mbito industrial, excepto enlos casos de excedentes de baja pureza, no aptos para otra aplicacin como unapila de combustible.

2.2.2 Biomasa

2.2.2.1 Propiedades fsicas

Las tecnologas comerciales de gasificacin permiten procesar prcticamentetodo tipo de combustibles de origen biomsico, con una limitacin de su densi-dad mnima de 200 a 250 kg/m3. Densidades menores crean problemas en elmanejo de la biomasa en los conductos verticales. Asimismo, complican la ga-

sificacin en lecho fluidizado, pues la biomasa es arrastrada por el gas desntesis, con la consecuente prdida de eficiencia y disponibilidad.

Otra cuestin de importancia respecto a la biomasa es que su tamao sea ho-mogneo (y estable en el tiempo) y lo suficientemente pequeo para que las


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reacciones se produzcan a una velocidad adecuada, y en un volumen razona-blemente pequeo. Un tamao de partcula pequeo permite aumentar la

calidad del syngas, reducir el tamao del reactor o bien aumentar el tiempode permanencia para el craqueo de las fracciones ms pesadas y condensa-bles (alquitranes).

Un tamao excesivamente pequeo puede hacer que la biomasa se atasque enlos conductos o que sea arrastrada junto con las cenizas volantes al exterior delreactor antes de tiempo. En conclusin, se puede decir que cada gasificador pre-cisa de un determinado tamao de partcula, que en la mayora de los casos nodebe ser menor de 2-3 mm de dimetro.

2.2.2.2 Composicin qumica

En cuanto a la humedad de la materia a gasificar, valores del 10 al 15% sonlos ms adecuados. Secar ms la biomasa presenta dos inconvenientes. El pri-mero es que, a medida que se seca ms, es ms costoso en trminosenergticos y econmicos. En segundo lugar, una biomasa secada ms allde su punto de equilibrio recupera la humedad al entrar en contacto con elaire ambiente.

En general, la humedad facilita la formacin de hidrgeno, pero reduce la efi-ciencia trmica. Un anlisis elemental de la biomasa permite conocer la cantidadde aire u oxgeno que es necesario introducir como primera aproximacin quese contrastar en la prctica.

Un anlisis inmediato da informacin sobre carbono fijo, voltiles, humedad ycenizas. Estos datos son importantes a la hora de elegir la tecnologa de gasifi-cacin y el tiempo de residencia en el reactor, para reducir al mximo losinquemados carbonosos, es decir, agotar al mximo el PCI de la biomasa.

Conociendo el poder calorfico del combustible se obtiene una idea aproximadadel poder calorfico del syngas. El poder calorfico se calcula a partir del anli-sis elemental.

Por ltimo, es importante que las cenizas entrantes (fraccin mineral mezcladao adherida al combustible) sean lo ms reducidas posible. Estas cenizas sloabsorben calor, ensucian los filtros, erosionan los conductos y pueden llegar aproducir sinterizaciones.

2.2.3 Catalizadores

Dependiendo de la tecnologa que se emplea, y de las condiciones de gasifica-cin (relacin biomasa/gasificante, tiempo de residencia, etc.) se pueden usar



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catalizadores para inducir ciertas reacciones y que se produzca prioritariamen-te algn componente.

Catalizadores de reformado de nquel o cobalto, gasificando a menos de 550 oCfacilitan el craqueo de las fracciones pesadas, es decir, la reduccin de la forma-cin de alquitranes.

Catalizadores basados en zeolita y doloma reducen la temperatura de craqueode 1.100 oC a 800-900 oC, es decir, que permiten trabajar a menor temperaturaen la zona de reduccin.

Si se quiere facilitar la formacin de monxido de carbono e hidrgeno, se de-ben utilizar catalizadores de nquel y cobalto, trabajando entre 700 y 800 oC en

la zona de reduccin.

2.3 Eleccin de tecnologa

Cuando se tiene inters por estudiar la viabilidad y el inters de emplear la ga-sificacin como tecnologa intermedia de conversin de la biomasa, esrecomendable establecer contacto con tecnlogos, as como con empresariosque hayan pasado por similares circunstancias.

Para identificar a qu tecnlogos contactar, es muy conveniente conocer de for-ma general cual es el tipo o sistema de gasificacin que ms se pueda adaptara las necesidades, o la disponibilidad del recurso biomsico.

La eleccin de la tecnologa se debe basar en tres aspectos principales: el tipo y la cantidad de biomasa de la que se dispone,

la aplicacin final que se pretende, es decir, qu necesidades energ-ticas se pretenden cubrir,

y un grupo de factores varios (medioambientales y econmicos).Cuanto mejor est cuantificada la biomasa disponible, y ms detallado sea elconocimiento sobre sus caractersticas fsicas y qumicas, ms sencilla y r-pida ser la etapa de eleccin de la tecnologa, y la subsiguiente peticin deofertas.

En el caso que nos ocupa, no consideramos la gasificacin como una opera-cin de obtencin de unos determinados gases que sean la materia prima parauna sntesis posterior. Por tanto, las opciones de uso final son la produccin

elctrica o la produccin de calor, o ambas de forma combinada.Dependiendo de la demanda de calor y de electricidad que se pretenda cubrir,hay que saber que un motor de combustin interna alternativo distribuye dela siguiente manera la energa que consume, variando de una marca a otra:

Gasificacin 11


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33-38% electricidad;

35-40% calor a travs del agua de refrigeracin a 90 oC;

18-22% calor a travs de los gases de combustin; 5-8% prdidas.

En funcin de la tecnologa de generacin elctrica o trmica, ser preciso queel syngas cumpla unos requisitos en cuanto a partculas, alquitranes, podercalorfico, concentracin de cada gas, temperatura, etc.

Generalmente, las aplicaciones en motor o turbina de gas, orientadas a la ge-neracin elctrica o a la cogeneracin, son ms exigentes en cuanto a lalimpieza de gas (partculas) y a las posibles emisiones contaminantes post-combustin (alquitranes).

La bibliografa indica que las tecnologas que minimizan la produccin de par-tculas facilitan la produccin de alquitranes y viceversa. No obstante, hoy enda, el control de flujos, de temperaturas, los filtros, los sistemas de lavado,as como variantes tecnolgicas, permiten producir syngas de buena calidad,y que cumplen las normas sobre emisiones a la atmsfera.



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La gasificacin, por su capacidad de producir combustibles aptos para MCIA 1 yturbinas, est tomando gran auge en todo el mundo, incluida Espaa.

Para grandes potencias, y con el objetivo de producir un syngas destinado a co-

combustin (poco exigente en alquitranes y partculas) existen plantasoperando desde hace bastante tiempo, sobre todo en Escandinavia.

Si embargo, ltimamente se estn poniendo a punto tecnologas de plantas demenor tamao, que pueden procesar entre 7.000 y 8.000 t/ao de biomasa yproducir un syngas de una calidad suficiente para alimentar un motogenerador.Estos desarrollos tienen mucho inters en Espaa, donde no se producen gran-des concentraciones de biomasa, pero es atractivo producir electricidad y esnecesario disponer de calor para actividades industriales.

3.1 Lecho fluidizado de presin compensada (ENAMORA)

3.1.1 Caractersticas de la planta

La empresa que ha desarrollado esta tecnologa dispone de una instalacin com-pleta de gasificacin y generacin elctrica a partir del syngas en unmotoalternador. La planta es flexible de forma que se adapta a cualquier combus-

tible que se quiera testar, y sirve para poner a punto las consignas de operacinde los proyectos que se les encargan. Es decir, prueban y ponen a punto en su ins-talacin la forma de operar de los proyectos que ejecutan para sus clientes.

3TecnologecnologassTecnologecnologasas

1 Motores de Combustin Interna Alternativos.


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Al ser una planta piloto se han probado con xito muchos materiales como: cs-caras de distintos frutos secos, astillas de maderas de diversas especies, restosde fbrica de muebles, cortezas, orujillo, restos de poda, residuos forestales,residuos herbceos, etc.

Esta circunstancia permite:

prcticamente asegurar el xito de las plantas, al optimizar el diseo atravs de pruebas a escala casi real, y

adelantarse a los problemas concretos que suelen surgir en todas laspuestas en marcha, es decir, se inicia el ajuste de los parmetros de ope-racin incluso antes de acabar la instalacin de los equipos en la plantadel cliente. Esto reduce tiempos y costes de implantacin de una formaimportante.

3.1.2 Funcionamiento normalCuando no se est investigando ni ajustando ninguna nueva estrategia de ope-racin, o rediseo de equipos accesorios, el proceso en la planta de gasificacinde ENAMORA comienza en una nave abierta pero cubierta, donde se almacena


Gasificador y sistemas de tratamiento de syngas de la planta de Mora de Ebro. Fuente: ENAMORA.


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la biomasa (generalmente cscara de almendra, que es muy comn en la comar-ca). Un tornillo sin fin enva la biomasa hacia una tolva de alimentacin que, a

travs de una cinta transportadora, alimenta a un molino que reduce las part-culas mayores y homogeneiza la granulometra de la biomasa al tamaodeseado en cada caso.

Del molino, el material yahomogneo pasa a una tol-va nodriza, desde donde sealimenta al sistema de car-ga del gasificador. ste est

formado por dos tolvas su-cesivas, aisladas mediantevlvulas de clapeta, que im-piden la entrada de aire alreactor. La biomasa se in-troduce en el gasificador ensu tercio inferior, de formaque se vierta sobre el lecho

fluido.El lecho se crea insuflando aire caliente como agente gasificante, a travs de unamatriz situada en la base del reactor.

El syngas obtenido esenfriado en un intercambia-dor, a su salida del reactor.El calor desprendido endicho proceso, y en la

misma gasificacin, esaprovechado para calentarel agente gasificante (aireprincipalmente). El syngas,una vez refrigerado pasa asistema de filtrado, quesepara el agua, naftalenos ycenizas arrastradas. Para la

limpieza de los gases no seprecisa aportacin externade agua.

Tecnologas 15

Seccin de refrigeracin y limpieza de syngas.

Lecho fluido

Inyectores

BIOMASA

GAS

Airecaliente

Esquema simplificado del gasificador de ENAMORA.


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A continuacin, el gas es acondicionado para su posterior alimentacin a un mo-tor de combustin interna GUASCOR que, a su vez, genera energa elctrica quees exportada a la red.

Una de las grandes ventajas de esta tecnologa es que no aparecen alquitranesen el syngas, debido al diseo del gasificador y a las caractersticas de las reac-ciones que se producen en su interior.

Los naftalenos, que son unos hidrocarburos lquidos a temperatura ambiente,no son un producto txico. Adems, son susceptibles de ser introducidos de nue-vo al gasificador, enriqueciendo el PCI de la biomasa.

Por su fiabilidad y estabilidad de operacin, la instalacin piloto descrita est

siendo empleada por el CENER para realizar la calibracin de los equipos de an-lisis de gases de combustin de gases de sntesis en MCIAs.


COMPRESIN

FILTRADO

BIOMASA

TOLVA

GASIFICADOR

SISTEMA DEALIMENTACIN

Aire y agua

MOLINO TRITURADOR

Calor

GAS

ENFRIAMIENTO

CENIZAS

ENFRIAMIENTOMOTORES

e.e. a red

Esquema de funcionamiento de la tecnologa de ENAMORA.


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3.1.3 Indicadores de funcionamiento de la tecnologa

Sobre la base de diseos de diferentes capacidades, basadas en esta tecnologa

y usando el syngas en MCIA, se han realizado una serie de estimaciones acercade diferentes magnitudes tcnicas y econmicas que definen los rangos en losque esta tecnologa se desenvuelve.

Se puede observar que el rendimiento energtico de la planta completa (elec-tricidad y calor tiles) no vara mucho con su tamao, siendo la conclusin que,desde pequeas potencias, es posible pensar en la gasificacin como alternati-va tecnolgica competitiva. Por ejemplo, desde 4.000-5.000 toneladas debiomasa al ao, y operando entre 7.000 y 8.000 horas anuales, se pueden ob-tener rendimientos elctricos de 1,3 kWh por kg de biomasa.

La rentabilidad va muy ligada al nmero de horas de utilizacin anuales. Los cos-

tes fijos, que son los ms importantes en estos proyectos, no varan, y se diluyenen un mayor nmero de horas. Adems, el saldo de los ingresos menos costesvariables s crece en proporcin al tiempo de utilizacin.

Tecnologas 17

Fuente: ENAMORA y elaboracin propia.

Biomasa kg/h (4.000 kcal/kg)

PotenciakW

Potencia elctrica exportable16.00015.00014.00013.00012.00011.00010.0009.0008.0007.0006.0005.0004.000

3.0002.0001.000

00

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

6.500

7.000

7.500

8.000

8.500

9.000

9.500

Pot. Elc. Exportable

Pot. Trmica disponible


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Tambin es destacable la disponibilidad comercial de plantas en un amplio rangode capacidades de proceso anual, que oscilan desde las 4.000 a las 60.000 t/aode biomasa.

Los costes de operacin y mantenimiento, sin contabilizar el coste de la bioma-sa, se ven muy positivamente afectados por el tamao de la planta. A partir delos 8-9 MWe, que equivalen a unas 40.000 t/ao de biomasa, este coste se es-tabiliza en valores poco mayores a 16 /MWh.


Rendimiento en kWh/kg

PotenciabrutainstaladakW

Influencia del tamao de la planta sobreel rendimiento elctrico

13.000

12.000

11.000

10.000

9.000

8.000

7.000

6.000

5.000

4.0003.000

2.000

1.000

01,33 1,34 1,35 1,36 1,38 1,391,37

Costes de operacin y mantenimiento

c /kWhexp.

Potencia elctrica instalada kW

0,015

10.000

5.000

0,02 0,025

Influencia del tamao de la planta sobre el rendimiento elctrico. Fuente: ENAMORA.


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En el procedimiento de llave en mano se puede barajar una inversin especfica delas plantas completas de hasta 5 MW elctricos que oscila en torno a 3.000/MW.

Las plantas de mayor tamao, entre 5 y 10 MW, pueden alcanzar valores de lainversin especfica de 2.500 /MW.

En Espaa, esta tecnologa ya est siendo implantada en el mbito industrial enla alcoholera de la empresa Movialsa en Campo de Criptana (Ciudad Real). Es-tar integrada en una planta de cogeneracin de electricidad de 5,9 MW (verdocumento de cogeneracin) a partir de orujillo de uva y de aceituna. Fuera deEspaa, por ejemplo en la India, existen proyectos en fase de construccin.

3.2 GUASCOR

3.2.1 Datos generales

La empresa GUASCOR, con el apoyo financiero de IDAE, est poniendo a puntouna tecnologa de gasificacin, para lo que tiene instalada una planta de gasifi-cacin de biomasa, en concreto astillas de madera y residuos forestales. Lacapacidad de generacin de la planta es de 450 kWe, ampliable a 800 kWe .

La planta est situada en el Polgono industrial de Jndiz (Vitoria-Gasteiz), en terre-nos donde en su da oper la planta de reciclado de aceites usados Enviroil Vasca.

El proyecto planteado desde un principio est dividido en tres fases, definidaspor unos respectivos hitos de logro tecnolgico.

1 Evaluacin del prototipo de gasificador de tres cuerpos. Esta primera faseconsiste en la instalacin del reactor de tres cuerpos, con el fin de conse-guir un syngas con un poder calorfico inferior mayor de 4,6 MJ/Nm3 conun rendimiento mayor del 65% en fro, en trminos del PCI del gas y de la

biomasa introducida.

Caractersticas tcnicas

Biomasa: astillas de pino


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2 Instalacin del sistema de limpieza del syngas (un scrubber de biodisel), yadecuacin del mismo para su empleo en una planta de cogeneracin.

3 Instalacin de la planta de cogeneracin basada en MCIA. Consta de dosmotogeneradores de combustin interna, uno de ciclo Otto de 330 kwe yotro de ciclo disel de 370 kWe, que es un motor dualfuel que trabajarcon el 20% de gasoil y un 80% de syngas. Se ha aadido a la tercera fasede este proyecto un sistema de pretratamiento y secado de biomasa ba-sado en una sistema de astillado (astillas de 5 cm) y secado va trommel,el cual aprovecha los gases de escape de los 2 motores mencionados an-teriormente.

A mediados de 2007, el proyecto est ultimando la fase dos, concretamente seha finalizado la instalacin del sistema de limpieza de gases, que hasta el mo-mento estn siendo quemados en antorcha, y se ha iniciado la instalacin de losmotogeneradores.

3.2.2 Funcionamiento de la planta de gasificacin

La tecnologa que est implantando GUASCOR se centra en un gasificador de tresreactores y una cuidadosa regulacin de los caudales de aire que se introduceen cada uno de ellos. La planta sigue el siguiente esquema simplificado.


Esquema de funcionamiento de la tecnologa GUASCOR.

BIOMASA TOLVAS

ANTORCHA

SISTEMA DEALIMENTACIN

GASIFICADOR Aire (1, 2, 3)y agua

Astilladora

Trommelde

secadode

biomasa

MOTORES ASPIRACIN LIMPIEZA Y ENFRIADO FILTRADO

GAS VERDENoexhaustadas

Exhaustadas

e.e. a RED CENIZAS

FERTILIZACIN


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Este sistema est pensado para trabajar tanto con un solo combustible, comocon dos distintos. Es decir, permite realizar pruebas con diferentes proporcio-

nes de mezcla de dos biomasas distintas. Por eso, est dotada de dos tolvas dealimentacin de biomasa.

Actualmente la carga de las tolvas es sencilla. Slo es necesario el trabajo de unoperario con una pala cargadora a tiempo parcial (aprox. 10%).

Las tolvas tienen en su base sendos tor-nillos sin fin que transportan la biomasaal sistema de alimentacin del gasifica-dor. ste tiene un diseo multi-etapa

novedoso formado por tres reactores.El gasificador es del tipo lecho mvilupdraft(biomasa y agente gasificantea contracorriente), aunque su perfil estotalmente atpico de la anterior fami-lia y no es comparable a ninguna otratecnologa conocida.

La biomasa y los productos que se van formando no circulan por los tres cuer-pos, sino que a partir del primero se separan las fracciones gaseosas y slidas,que, tras seguir caminos distintos, vuelven a reunirse en el reactor de reduccinen la parte inferior del cuerpo del gasificador.

En la siguiente imagen se esquematiza la operacin del gasificador y qu reac-ciones se producen en qu cuerpos del gasificador.

Aunque las reacciones se producen en continuo en los tres cuerpos, siguiendoel camino de la biomasa, el funcionamiento es el siguiente:

- El primer reactor (superior), en el que se produce el secado, la pirlisis yvolatilizacin de la biomasa, tiene la misin de transformar la biomasa engases y material carbonoso (char). En este proceso, el gas y los slidosvoltiles son arrastrados por la corriente de gas hacia el segundo reactor(brazos laterales), y el char cae por gravedad al tercer reactor (inferior). Elaire primario se introduce por la base del reactor mediante un distribuidorde aire de material cermico, que mantiene una buena homogenizacin dellecho de volatilizacin.

- El segundo reactor, en donde se produce la combustin y craqueo trmi-co de los alquitranes pesados procedentes del gas de la fase de pirlisisanterior, mediante una combustin parcial a elevada temperatura. Lo quese consigue en esta etapa es que los alquitranes pesados se craqueen por

Tecnologas 21

Llenado de la tolva pequea de alimentacin de bio-masa. Fuente: GUASCOR.


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temperatura y por reacciones de combustin y pirlisis en otros ms sim-ples, evitando problemas de condensacin y taponamiento. En este

proceso, el gas pierde poder calorfico ya que se quema parcialmente. Paraforzar estas reacciones, se introduce aire secundario.

- Para finalizar la transformacin de la biomasa en syngas se dispone el re-actor de reduccin en la parte inferior del gasificador. En l se mezcla elgas procedente del reactor de craqueo y el char procedente del primer re-actor. En su interior se produce la rotura de las molculas pesadas del char,dando lugar a cenizas y enriquecindose el poder calorfico del syngas,que sale por la parte inferior del reactor libre de alquitranes pesados, pa-

sando al sistema de limpieza y acondicionamiento. La rotura de lasmolculas pesadas del char se debe a las altas temperaturas del gas librede oxgeno que procede del segundo reactor y el aire y el agua dosifica-dos en diferentes puntos de la masa de char.


Esquema del reactor multi-etapa de la tecnologa implantada por GUASCOR.

Reactor de

volatizacin

y pirlisis

Reactor de

combustin o

craqueo trmico

Reactor de

reduccin

CENIZAS

Biomasa


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El gas verde cede parte de su calor al aire que se usa como gasificante. Despuses postenfriado antes de ser introducido en un filtro cermico de alta eficiencia,con un cicln montado en by-pass que slo funciona cuando el syngas no re-

ne las condiciones para su paso por el filtro, es decir, cuando la temperatura delgas es baja.

El filtro cermico se limpia por secciones, mediante soplado con nitrgeno, deforma que siempre est limpio sin necesidad de paradas.

Tras la retirada de las partculas, el syngas es lavado, es decir, liberado de al-quitranes en un scrubber (ducha) de biodisel. En el scrubber se realizan doslabores importantes: la eliminacin de los alquitranes simples que no pudieron

ser eliminados en la fase de craqueo, y la refrigeracin y acondicionamiento delsyngas, para su posterior uso en motores de combustin interna para genera-cin de energa elctrica.

3.2.3 Calidad del gas

Para el correcto funcionamiento de los motores es necesario que el gas de sn-tesis cumpla unos determinados requisitos en cuanto a partculas y temperaturade roco. En los ltimos tiempos se han venido utilizando los siguientes valores

de referencia:

Tecnologas 23

Arriba, filtro cermico de syngas verde. A la derecha, soplantes ytorre del scrubber.Fuente: GUASCOR.


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Concentracin lmite

Partculas < 50 mg/Nm3

T roco syngas < 50 oC

Los criterios han evolucio-nado fruto de la investiga-cin tecnolgica en elsiguiente sentido: comoconclusin extrada de la

realizacin de medicionesen la planta de Mora deEbro, se ha observado quela limitacin de 50 mg/Nm

3

no responde en absoluto alos requerimientos prcti-cos, dada la influencia dediferentes tipos de com-

puestos agrupados bajo ladenominacin de alquitra-nes. Por tanto, el parmetrofundamental que muestra siel motor funciona o nocorrectamente con un com-bustible que tiene familiasde alquitranes, no es tanto

la concentracin de stossino la temperatura de roco de dicha mezcla de alquitranes contenidos en elgas combustible que alimenta al motor.

A partir de los valores de operacin admitidos para la aplicacin de syngas enmotor, con respecto a la temperatura de gas de 50 oC, se ha determinado quees suficiente para el correcto funcionamiento del motor que la temperatura deroco de los alquitranes sea inferior a 50 oC.

Por otro lado, GUASCOR ha llevado a cabo un proyecto con el CENER, durante

dos aos, para establecer un mtodo rpido y simplificado de cuantificacin ydeterminacin de alquitranes de diferentes familias y partculas en plantas degasificacin de biomasa con aplicacin en motores de combustin interna.


Gasificador multi-etapa de Guascor. Fuente: GUASCOR.


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Tecnologas 25

3.2.4 Gestin de subproductos

Esta tecnologa genera una serie de subproductos que pueden clasificarse se-gn su estado:

Efluentes slidos: son compuestos de carbono fijo y cenizas. Dado su altocontenido en carbono pueden tener distintos fines:

- Cenizas exhaustadas: uso en agricultura como fertilizante.

- Cenizas no exhaustadas: pueden recircularse al gasificador o emplear-se como material filtrante.

Emisiones atmosfricas: son los gases de escape procedentes de los mo-tores de combustin interna, que cumplen la normativa vigente.

Scrubber de biodisel. Fuente: GUASCOR.

Moto-generador de syngas. Fuente: GUASCOR.


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3.2.5 Sistema de control y monitorizacin

La planta dispone de gran cantidad de sondas, medidores y analizadores, mu-

cho ms all de lo que exigira una planta comercial. La razn es podermonitorizar de forma muy detallada todos los parmetros que intervienen en lasreacciones qumicas que se producen, as como la dinmica de todos los flui-dos que se manejan y, por supuesto, el caudal y composicin exacta del syngas.

Tras multitud de ajustes, pruebas y anlisis se ha podido comprobar que el gases apto para su consumo en motor, por lo que GUASCOR pone en marcha el gru-po de motogeneradores en noviembre de 2007 y planea instalar el sistema depreparacin de la biomasa para complementar el proyecto.

3.3 INERCO

3.3.1 Tecnologa y funcionamiento

La tecnologa de gasificacin que INERCO pretende explotar comercialmente estbasada en un reactor de lecho fluido burbujeante atmosfrico con temperaturasde operacin de 800 oC y que emplean como agente gasificante aire ambiente.

Para ello, se ha construido una planta con una capacidad de tratamiento de 15 t/da(equivalente a 3 MWth) de biomasa tipo astilla o pellet, siendo un desarrollo pre-competitivo para los tamaos de hasta 15 MWth, que en una primera fase, setiene como objetivo alcanzar. Esta iniciativa cuenta con el apoyo de la Conseje-ra de Innovacin de la Junta de Andaluca, la Agencia Andaluza de la Energa yla Corporacin Tecnolgica de Andaluca.

La planta dispone de un parque de almacenamiento cubierto que garantiza una

autonoma de operacin de la planta de 5 das, y permite el almacenamiento dedistintos tipos de biomasa.

Para tratar de interferir lo menos posible en la operacin normal de las insta-laciones en las que se ha implantado, se dispone de una tolva con uncapacidad equivalente al consumo diario, y que requerir la intervencin deun operario con una pala cargadora, durante una hora aproximadamente, unavez al da.

Desde la tolva diaria, mediante un elevador de cangilones, se lleva la biomasa

hasta un sistema de doble tolva que dispone de una vlvula de aislamiento in-termedio para evitar posibles fugas de gas desde el sistema de gasificacin.Asimismo, la tolva de alimentacin final est inertizada con nitrgeno, aseguran-do la estanqueidad al paso del gas. Las tolvas alimentan a un sistema de doble



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tornillo, uno de dosifica-cin y el segundo de paso

rpido y refrigerado conagua, para conseguir lahomogeneidad en el lecho.

Junto al sistema de alimen-tacin de biomasa hay unatolva de inerte, que pro-porciona el inventarionecesario en el gasificador

por la prdida de parte dellecho durante la operacinde extraccin de cenizas.

La biomasa se introduce en el gasificador por la parte inferior del lecho median-te el tornillo sin fin con camisa de refrigeracin. En el lecho se producen lasreacciones de gasificacin de la biomasa, con un elevado rendimiento de con-versin gracias a la fluidificacin del lecho.

El sistema de extraccin de cenizas en continuo consiste en un cenicero central

en el plato distribuidor y extraccin mediante tornillo sin fin refrigerado.El gas pobre generado en el proceso de gasificacin, con un rendimiento (hot gasefficiency) superior al 80%, es depurado en un cicln de alta temperatura, en el quese retiene la materia particulada (cenizas volantes e inerte elutriado), consiguien-do un nivel de limpieza del gas suficiente para su posterior aprovechamientotrmico en una caldera de vapor.

El gas de sntesis pasa auna cmara combustindonde es quemado an-tes de introducir losgases de combustin auna caldera de recupera-cin en la que se generavapor de agua para suuso externo. Cuando nohay demanda trmica elgas es quemado directa-mente en una antorcha.

Tecnologas 27

Planta de gasificacin de INERCO.

Cmara de combustin y caldera de recuperacin.


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La operacin descrita se esquematiza a continuacin:

3.3.2 Caractersticas de la planta

Actualmente en la planta se realiza un aprovechamiento trmico del gas para ge-nerar vapor que se exporta a una instalacin prxima de tratamiento de residuos.

Se ha dejado reserva de espacio y auxiliares en la planta para acometer el diseoy ejecucin, en una segunda fase, de un sistema de tratamiento de gases flexible,basado en medidas primarias y tecnologas convencionales final de lnea, con elfin de definir la va ptima tcnico-econmica en funcin del uso final del gas.


CHIMENEA

GASIFICADOR

CMARA DE COMBUSTIN

ALMACENAMIENTODE BIOMASA

AIRE

Gas verde

AIRE

TOLVAS DE ALIMENTACINY DOSIFICACIN

CENIZAS

CICLN

Gas verde

ANTORCHA

CALDERA DERECUPERACIN VAPOR Uso externo

Gases de combustin

Esquema de funcionamiento de la tecnologa de INERCO.


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Las principales caractersticas, por tanto, de diseo de la planta de INERCO, seresumen en la siguiente tabla:

Tipo de gasificador Lecho Fluido Burbujeante Atmosfrico

Potencia trmica (MWth) 3

Agente gasificante Aire

Presin (Bar) - 0,3

Temperatura de operacin (oC) 800

Pelets/astillas de poda

Tipo de biomasa a utilizar de olivar/orujillo

Capacidad de tratamiento

de biomasa (tn/da)15

Rendimiento trmico (%) 80

6 (1 operario a un turno +Personal necesario

1 responsable de planta)

Caractersticas de la planta. Fuente: INERCO.

3.4 TAIM-TFG

3.4.1 Descripcin de la instalacin

En esencia, la planta de TAIM consiste en una unidad de gasificacin de bioma-

sa (gasificador) para cogeneracin con motor a gas de sntesis equipado conalternador. El gasificador es del tipo downdraft, que opera hasta 1.200 oC, y em-plea aire como agente gasificante.

La alimentacin de biomasa se realiza desde un silo, que permite una autono-ma de 48 horas sin necesidad de reponer biomasa, aunque es posibleaumentarla, a discrecin del usuario.

El conjunto se completa con el sistema de adecuacin del syngas a las caracte-rsticas que requiera el mdulo de generacin elctrica, y una antorcha de

eliminacin de exceso de gas de sntesis, permitiendo operar al mdulo gasifi-cacin ante eventuales periodos de mantenimiento en el motor del mdulogeneracin.

Tecnologas 29


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3.4.2 Caractersticas tcnicas

En la siguiente tabla se resumen las caractersticas principales de la planta y los

parmetros tipo de operacin:Gasificacin

Tipo de gasificador Downdraft

Caudal de syngas (Nm3/h)(1) 1.380 - 1.490

N2, 50-55%; H2, 12-15%; CO, 15-20%;Composicin del syngas

CO2, 8-15%; CH4, 2-5%; C2H6, 1%

PCI syngas (kWh/ Nm3)(1) 1,52 - 1,61

Potencia trmica (MWth) 2,1 - 2,4

Agente gasificante Aire

Temperatura de operacin (oC) 1.200

Tipo de biomasa a utilizarDiversos residuos agroforestales

y madereros

Capacidad de tratamiento

de biomasa (kg/h) 650 - 700Humedad de la biomasa (%) 20 - 30

Rendimiento trmico (%) 75 - 85

Caudal agua de lavado

y refrigeracin (m3/h)(2) 0,50

Cenizas (kg/h)(1) 35

Motor-generador

Potencia elctrica (kWe) 767Rendimiento (%) 36,1 - 37,3

Potencia trmica aprovechable (kWt) 1.200

Potencia trmica aprovechable (kcal/h) 1.021.782

Consumos y personal

1 turno de 1 persona,Dedicacin de personal

5 das por semana

Autoconsumo elctrico (%) 10 - 14

Aceite lubricante (kg/h) 0,18 - 0,24



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Emisiones

Acsticas dB(A) 70

Atmosfricas NOx (mg/Nm3) < 500Atmosfricas CO (ppm) < 3.000

Caractersticas de la planta. Fuente: TAIM-TFG. (1) Dependiendo del tipo y de la granulo-

metra de la biomasa. (2) Considerando que no existen contaminantes en la biomasa que

alimenta al gasificador.

3.4.3 Sistemas de control y seguridad

TAIM-TFG ha desarrollado un sistema de control del mdulo de gasificacin di-seado y programado para supervisar los parmetros de funcionamiento delgasificador, retirada de cenizas y los restantes equipos como intercambiadores,equipos de lavado de gases y acondicionamiento de ste, que se controlan enfuncin de las temperaturas a alcanzar y del caudal de gas.

La central dispone de un circuito de seguridad que funciona mediante continui-dad. Dentro del sistema se incluyen las alarmas necesarias para asegurar, por

un lado, que en caso de que el proceso de gasificacin no se realice dentro delos parmetros normales, no se daen elementos de la planta (motor, gasifica-dor, etc.) y por otro, que eviten que al motor llegue un gas de sntesis cuyascaractersticas no cumplan los requerimientos mnimos de calidad.

Tecnologas 31

Motogenerador de syngas. Fuente: TAIM-TFG.


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En caso de parada por emergencia, la puesta en marcha de la gasificacin deberealizarse con presencia en planta (la antorcha se debe encender siempre ma-

nualmente), si bien el mdulo de generacin puede arrancar slo cuando secumplan unas determinadas condiciones.

3.4.4 Modo de funcionamiento

La operacin de la planta precisa una persona, un turno diario, cinco das a lasemana, trabajando el resto del tiempo de modo automtico. La persona reali-za las labores de comprobacin del buen funcionamiento de todos los sistemasmediante el seguimiento de los valores registrados en el puesto de control, as

como de la observacin directa de los componentes mecnicos de la instalacin,y se puede encargar tambin del llenado del silo de biomasa cuando el nivel delmismo lo requiera.



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c/ Madera 8 - 28004 Madrid ISBN 978 84 96680 20 3

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Gasificacion IDAE