PFC Simulacion de Gasificacion de Biomasa en Lecho

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

DEPARTAMENTO DE INGENIERA TERMICA Y DE FLUIDOS

INGENIERA INDUSTRIAL: TECNOLOGAS ENERGTICAS

PROYECTO FIN DE CARRERA

SIMULACIN DE GASIFICACIN DE BIOMASA EN

LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE

AUTOR: FRANCISCO JAVIER MORENO GONZLEZ FEBRERO 2010

TUTOR: ALBERTO GMEZ GARCA

Agradecimientos

A mi madre, mi mejor referencia de lucha y superacin. Sin ti no hubiera llegadotanlejos.

A mi padre, por estar siempre cuando te necesito.A mi hermano, por ser una razn para que yo luche por mantenernos unidos siempre.A Nerea, gracias por todos los momentos compartidos ypor tu cario.

A mis compaeros de piso, amigos de la residencia, siempre recordar estos aos deconvivencia como los mejores momentos de mi vida. Vctor, Moya, Pablo, Nico, Carlos,Andrs, Javi, Fran, Alberto... cada da me siento mejor persona gracias a vosotros.

A mis amigos de El Puerto, por brindarme los mejores veranos que uno pudiera desear.Sobretodo t, Pablo. No todos los das uno conoce a su mejor amigo.

A Alberto, por tus ideas aportadas para elproyecto y tu constante atencin. Ha sido unplacer trabajar contigo.

Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj cante

NDICE

1.2.3.4.5.

6.

7.

8.9.

Resumen del 6

7

9

10

4.1 Biomasa .......................................................................................................... .. 104.2 Fluidizacin ..................................................................................................... .. 154.2.1 Comportamiento de un lecho uidizado ................................................ .. 18

4.3 Gasificacin ..................................................................................................... .. 244.3.1 Etapas de la gasificacin ......................................................................... .. 254.3.2 Tipos de gasificadores ............................................................................ .. 274.3.3 Gasificacin de biomasa carbn? ...................................................... .. 344.3.4 Aplicaciones comerciales de la gasificacin de biomasa ....................... .. 354.3.5 Estado actual y previsin del futuro de la gasificacin .......................... .. 40Modelo de simulacin 415.1 Desarrollo del modelo ..................................................................................... .. 415.1.1 Hiptesis generales ................................................................................ .. 445.1.2 Ecuaciones de conservacin ..................................................................... 515.1.3 Trmino de ujo neto ............................................................................. .. 535.1.4 Rgimen de uidizacin ......................................................................... .. 535.1.5 Solucin numrica .................................................................................. .. 555.2 Simulaciones .................................................................................................... .. 575.2.1 Anlisis comparativo .............................................................................. .. 585.2.2 Anlisis de sensibilidad .......................................................................... .. 60Resultados y 636.1 Anlisis comparativo ....................................................................................... .. 656.2 Anlisis de sensibilidad ................................................................................... .. 77 85

7.1 Estudios futuros ............................................................................................... .. 87

Referencias 89

92


10. 94

10.1 Diagrama de ujo: resolucin del modelo cintico ....................................... .. 9410.2 Implementacin del cdigo en MATLAB ..................................................... .. 9510.3 Condiciones experimentales de los modelos de Yan y Avdhesh .................. 107


1. RESUMEN DEL PROYECTO

El autor pretende dar una Visin global sobre el estado del arte de la tecnologiade gasicacin de biomasa, guardando un enfoque orientado a la importancia que se leest atribuyendo al sector energtico sostenible en la primera dcada del siglo XXI. Elcaptulo 2 trata de justificar el estudio realizado mediante datos contrastados de la

situacin actual de la demanda energtica mundial.

El captulo 3 resume los principales objetivos a tener en cuenta, atribuyendo unamayor importancia a la programacin de un modelo cintico de gasificacin de biomasabajo unos criterios aplicados. La plataforma de trabajo ser MATLAB, softwareutilizado tanto por estudiantes como por empresas de ingenieria, debido a caracteristicas

tales como su potencia de clculo y facilidad de resolucin de problemas matemticos.

La parte conceptual del proyecto se trata de cubrir en el capitulo 4, donde se

explican los conceptos necesarios para entender el proceso de gasicacin de biomasa.

El tema central del proyecto se describe en el capitulo 5, ya que trata de explicarla metodologia seguida para el desarrollo del modelo propuesto. El modelo se aplicar auna instalacin comercial, de tal forma que se aprecie su funcionamiento. Se busca unaaplicacin de tipo prctica al modelo desarrollado; por ello, se realizarn anlisiscomparativos entre dos cinticas diferentes, analizando el comportamiento de losdiferentes parmetros que justifican las Variaciones en los resultados. De las cinticasempleadas, la ms compleja ser objeto de un estudio en mayor profundidad,procediendo a realizar diferentes anlisis de sensibilidad con los que obtener

las mejores

condiciones de funcionamiento del gasificador a simular.

El captulo 6 recopilar los resultados obtenidos en la simulacin de losdiferentes parmetros aplicados al modelo. Se volver a los objetivos anteriormente

establecidos justificando el grado de cumplimiento de cada uno de ellos.

No sin terminar el proyecto, el autor ha considerado la realizacin de uninteresante capitulo final que comente las conclusiones y los diversos estudios futurosque quedan abiertos tras el desarrollo del modelo, animando al lector a la continuacinde cualquiera de las lineas propuestas, puesto que en el Anexo 2 se expondr

integramente el cdigo de la resolucin del modelo de simulacin.

Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj eante

2. MOTIVACIN

Desde el siglo XIX hasta la actualidad, la industria se ha establecido comomotor de la economia, basando su desarrollo en una explotacin indiscriminada delos

recursos, sin considerar el impacto ocasionado en el entorno.

La Figura I muestra el consumo mundial de energia en el ao 2008. Puedeobservarse cmo la utilizacin de los combustibles fsiles (petrleo, carbn y gasnatural) supone ms del 85% del consumo de las fuentes de energia utilizadas en laactualidad.

World consumptionnnrizmmm: zileqihslerk

IZ-Jc-JCoal

I Hwlroelectricty .303I Nudearenergy

I Natural gas M. o" ICCIJ

E-J E-J

B3 8d 85 86 E? EE 89 93 9| 92 93 911 % 9? 99 DO l EQ D3 D11 O5 C8 D? C6

World primary ene gy consumption grew by I .496 in 2008. below the 1-year average. It was the weakest year since 2001 . Oil remains the world's dominant fuel. thoughit has staeadily lost market share to CDEI and naturalgas in recent years. OiI'sshare of the world total has fallen from 13.7% to 311.89. over the past decade.il consumptionand nuclear power generation dedined last year. while natural gas and CDEI consumption. as well as hydroelectric generation. increased.

Figura l. Consumo mundial de energa primaria. [7]

Los niveles de CO2 procedentes de la quema de combustibles fsiles se hanincrementado de tal forma que los cientificos le atribuyen un aumento de las

temperaturas promedio del planeta, con el consiguiente crecimiento del nivel delmar.

El Protocolo de Kyoto[6] estableci un acuerdo entre numerosos paises para lareduccin de emisiones en los gases de efecto invernadero, entre un 5 y un 8 % para el2012 con respecto a las emisiones de 1990. Se comenz a buscar alternativas paraundesarrollo energtico sostenible. Por ello, en los ltimos aos se ha incrementado lautilizacin de fuentes de energias renovable, debido a la concienciacin de la

humanidad en lo referente al calentamiento global y al intento de cubrir la demanda


mundial de energia mientras se pretende disminuir la dependencia energtica con los

paises productores de petrleo.

De entre las soluciones existentes, la biomasa es una de las fuentes de energiarenovable a la que se le est prestando mayor atencin a medida que se ha idoincrementando el conocimiento sobre las energias sostenibles. Las ventajas que presenta

se comentarn con mayor detalle en el captulo 4.

Existen diversas opciones para convertir la biomasa en gases de sintesis(syngas), de entre las cuales se ha considerado para este proyecto la eleccin de unproceso de gasificacin mediante lecho uidizado burbujeante. El captulo 4.2.]

justifica la eleccin de este sistema frente a un lecho fijo o arrastrado.


3. OBJETIVOS

El proyecto tiene varios objetivos listados a continuacin:

l. Realizar una descripcin resumida de la biomasa, incluyendo: definicin,composicin, clasificacin de los distintos tipos existentes, justificacin de su uso,

ventajas e inconvenientes y procesos de conversin.

2. Comentar la importancia del proceso de uidizacin, explicando su significado

e implicaciones, tipologa y los parmetros que la caracterizan.

3. Se tratar de explicar el proceso de gasificacin, teniendo en cuenta sudefinicin, fases en que se desarrolla, tipologa, sistemas que se comercializanjunto

con las aplicaciones de estos, ventajas de su uso y contaminantes.

4. Una vez establecidos los conceptos bsicos, se explicar el proceso de creacin

de un modelo cintico que en etapas posteriores servir como herramienta desimulacin para analizar distintos casos prcticos de utilidad en la investigacin y a

nivel comercial.

5. Aplicacin para el modelo anteriormente creado: se realizar una simulacin delmodelo cintico con un enfoque prctico, tomando como referencia una instalacinde gasificacin a escala comercial, utilizando como fuentes publicaciones de

editoriales de reconocido prestigio.

6. Validacin de resultados: para poder tener credibilidad sobre los resultadosobtenidos del modelo cintico, se establecern unos puntos de control que guarden

coherencia con la experimentacin y las tendencias generales.

7. Estudio comparativo: se analizarn los resultados obtenidos para ambascinticas, justificando el funcionamiento del modelo para ambas, adems de elegir

razonadarnente la que ms representativa para un posterior anlisis de sensibilidad.

8. Estudio de sensibilidad: mediante la variacin de distintos parmetros seaportar valor a los resultados obtenidos, realizando una interpretacin con unaorientacin final que busque la optimizacin de los parmetros sobre los que se tiene

control en una instalacin de gasicacin.


4. INTRODUCCIN

A continuacin se explican en trminos generales los conceptos bsicosasociados a la gasificacin que llevarn al lector a un mejor entendimiento del modelo y

a las conclusiones posteriormente desarrolladas.4.1 Biomasa

La biomasa es un conjunto de materia orgnica que acumula energa solar enforma de energa qumica mediante el proceso de fotosntesis en presencia de luzsolar.Su origen puede ser animal, vegetal o bien procedente de una transformacin natural o

artificial producida tras un proceso biolgico.

Principalmente, la biomasa lignocelulsica (utilizada para procesos degasicacin) contiene celulosa (polmero lineal de D-glucosa), hemicelulosa (polmeroramificado) y lignina (adhesivo resinoso que mantiene unidas a las clulas de lamadera), teniendo una composicin estndar de C5H1OO5, con leves variaciones en laproporcin C/H y C/O; la Figura 2 da una idea de la composicin genrica de labiomasa lignocelulsica, formando parte de este grupo materiales como bra de n1az,paja (de trigo, cebada), madera, pasto y papel de oficina. La utilidad de esta fuente deenerga radica en la obtencin de energa en forma de calor o electricidad,

aplicandopreviamente unos procesos de conversin para la adecuacin a la instalacin y

medioambiental.

lignln[phErI-nllul

16%

{ellulnse{glucosa}

44%

Figura 2. Composicin genrica de la biomasa lignocelulsica. [18]

l0


De forma general, la Figura 3 muestra una clasificacin de las posibles fuentesde la biomasa, poniendo como ejemplos la caa y los bosques de eucalipto (cultivosenergticos); serrn (residuos forestales); cajas de embalaje, muebles rotos, papel y

cartn (Residuos Slidos Urbanos), etc.

BiomasaIlr lrCullivns nanarnlzl-ms Blmnusu enalzlCultivo-a Cuh. poca- c lu mu" m Blmnnsu Earn-adultatlldll-n-BE fra-mientas ruislual culinariasI: I I l-Itruiduas sir ri-cnlas asiduos EME _Industriales r Faraanles urbanas urgI nnlrnallm n Irrciiainlaaus rmhs jo? EL

Figura 3. Clasicacin de los diferentes tipos de biomasa[8].

La eleccin de la biomasa se justifica por estar considerada como un vectorenergtico universal, ya que existe una amplia variedad de productos o aplicaciones y es

de fcil almacenamiento.

Previamente al uso de la biomasa, se debe considerar el proceso productivo ensu corgunto, desde su origen, haciendo hincapi en los pasos intermedios referentes a lafabricacin y transporte de los componentes y equipos asociados a la biomasa. Hay quetener en cuenta la utilizacin de fuentes de energa no renovable en alguna etapa,contribuyendo de forma negativa al proceso renovable que conlleva la utilizacinde labiomasa. En la Tabla I se pueden apreciar las ventajas e inconvenientes del uso de la

biomasa, sirviendo para poder hacer una valoracin del uso de esta fuente de

energa.

ll


Medioambientales

o No contribuye al aumento del efecto invernadero,puesto que el CO2 emitido en el aprovechamientoenergtico de la biomasa es el que se ha necesitadopara el crecimiento de la materia vegetal.

o No emite azufre ni hidrocarburos policclicos dealto poder contaminante y proclives a producir lluviacida.

o Uso de recurso renovable en corto perodo detiempo.

o Los productos obtenidos son biodegradables.

o Puede formar parte de un proceso de reduccin deGases de Efecto Invernadero (GEI) si se emplea enprocesos con combustibles fsiles (como aditivos osustitutos).

o Prevencin de contaminacin de suelos y malosolores mediante la eliminacin de residuos.

de mediante el

o Prevencin incendios

aprovechamiento de residuos agrcolas.

o Baja densidad energtica, loque ocasiona elevados costes enla manipulacin.

o Peor disposicin yabastecimiento.

o Peor rendimientocomparado con los procesosque involucran combustiblesfsiles.

o Necesidad de procesos de

transformacin para su uso.

Socioeconmicas

o Diversificacin energtica.o Prevencin de la erosin del suelo mediante laimplantacin de cultivos energticos.

o Promocin de actividad agrcola y econmica.

Tabla l. Ventajas e inconvenientes de la utilizacin de la biomasa [1,3]

Existen diversas formas de aprovechamiento de la biomasa, comnmente

denominadas procesos de conversin. El proceso que ms se lleva a cabo de forma

tradicional es la quema directa en plantas con ciclos de vapor (por ejemplo, en centrales

azucareras); por otra parte, se estn empezando a introducir en el mercado sistemas ms

12


eficientes y avanzados orientados a hibridar los ciclos combinados con la gasificacinde biomasa (IGCC: Integrated Gasication Combined Cycle), donde se aprovechan losgases de escape de las turbinas de gas para alimentar un generador y producir energaelctrica. Esta ltima es la va ms eficiente de aprovechamiento de la biomasa y la que

tiene un futuro ms prometedor [1].

Existen diversas opciones de obtener combustible a partir de la biomasa, comola fermentacin, a travs de la cual se puede conseguir la obtencin de biogs oetanol,aplicable en los motores de combustin interna en pases que tradicionalmente utilizanesta tcnica, como Brasil; mediante la hidrlisis de la biomasa se obtiene metanol, ascomo se obtiene biodiesel en la extraccin de aceites vegetales. La Figura 5 da una

visin general de los procesos de conversin de la biomasa.

La composicin que presenta la biomasa determina sus propiedades deaprovechamiento temuco, facilitando conversiones como las comentadas anteriormente.La Figura 4 muestra una clasificacin general de los principales procesos de conversinde la biomasa. El tipo de biomasa a utilizar en un proceso de gasificacin ser ligno-celulsica, como muestra la Figura 5. En el captulo 4.3 se profundizar en la

gasicacin, clasificado como un proceso de conversin termoqumica.

CONVERSION TERIIIOQUIMIGA CONVERSION BIOQUIMICA CONVERSION FISICO-QUIMICACombustin Gasicacin Pirolisis Digestin Fennentacin ExtraccinVaart Ga Gas Bi) Czhmizadn BiagasambTirbina Turhina H IIIeOH Iihtnr Desacin Esternracihvapor CC Dixel FIMolar! DME1: |, DesnxigenacinPilasoornbuslibleDre-sel 53ml Bbdiesel

ELECTRICIDAD

Figura 4. Procesos de conversin de la biomasa y aplicaciones[35].

13


El proceso de la gasificacin de biomasa posibilita la obtencin de energa enforma de calor o electricidad si el gas de sntesis se utiliza para mover el ejede unaturbina, o se quema como combustible para accionar un motor. Se aade la posibilidadde producir H2 mediante la sntesis de Fischer-Tropsch, proceso que permite laobtencin de electricidad mediante pilas de combustible, o bien la obtencin de

combustible almacenable para una aplicacin posterior.

Iii-unlessFeerzlstrnrzlr.

Figura 5. Procesos globales de conversin de biomasa. [18]

l4


4.2 F luidizacin

El fenmeno de la uidizacin consiste en la adquisicin de un comportamientouido por unas partculas slidas (inicialmente en reposo) cuando una corrienteascendente de un uido (gas o lquido) incide sobre stas al alcanzar una velocidad bajodeterminadas condiciones. Kunii D. y Levenspiel O. [4] clasifican el comportamiento deun lecho en funcin del caudal de uido introducido y el dimetro de las partculas dellecho, mostrando un resumen de los procesos que se dan en la Figura 7. Al introducirun caudal bajo de uido, ste se filtra a travs de los huecos del lecho, sin afectarsignicativamente el movimiento de las partculas. Este estado describe elcomportamiento de un lecho fijo (Fig. 7a). A medida que se aumenta el caudal deuido, se consigue crecimiento en el movimiento y la vibracin de las partculasdel

lecho, provocando una expansin en el lecho.

La n1r1in1a uidizacin (F ig. 7b) tiene lugar cuando el caudal del uido quepasa a travs del lecho contribuye a que las fuerzas de friccin entre el uido y laspartculas se igualen al peso de las partculas del lecho. Se consigue as anular lacomponente vertical de las fuerzas de compresin, igualando la prdida de carga atravs de cualquier seccin del lecho con el peso del uido y las partculas. Este

fenmeno puede apreciarse en la Figura 6.

5 r r I] j r r r rr r r rb Fixed bed 4- '- Flurdzed bed

| ------- --5-'--' Pmax

fs Wi 9/ I I - A'-' I A S j lnitiation of

u entralnment

1 mi l I I J_ [ [ l li L I Jl 5 10 5ono (cm/s)

Figura 6. Inuencia de la velocidad supercial del gas en la prdida de carga. [4]

l5


Una vez alcanzada la velocidad de n1r1in1a uidizacin, al aumentar el caudal

existen dos comportamientos asociados al tipo de uido utilizado:

- En condiciones normales de operacin, un aumento de caudal aplicado asistemas lquido-slido repercute en una expansin progresiva del lecho,denominado lecho uidizado homogneo, particulado o no burbujeante(F ig. 7c).

- Si se sobrepasa la velocidad de mnima uidizacin en sistemas gas-slido,existir un exceso de gas alimentado sobre la n1r1in1a uidizacin, dando lugarala formacin de burbujas y canalizaciones (Fig. 7d). Se considera que el lechoest bajo condiciones de uidizacin burbujeante. La utilidad de este fenmenoradica en que las burbujas provocan un aumento de la superficie de contacto y dereaccin entre el aire y las partculas del lecho, favoreciendo as las reacciones

qumicas que tengan lugar en l.

Si se contina aumentando el caudal de gas en un lecho burbujeante, mientraslas burbujas crecen con la altura, coalescen formando pisos de lecho a lo largo de lazona de reaccin, estado denominado slugging. En esta situacin si el lecho lo formanpartculas finas, descienden suavemente por la cara interna del reactor, rodeando la zonade crecimiento burbujas (slugs axiales, F ig. 7e). En caso de partculas gruesas, la zonasuperior al burbujeo se desplaza en ujo pistn hacia arriba, hasta que llegada unaaltura, el piso desaparece, a medida que se crea otro piso en la zona superior al

burbujeo, repitiendo la secuencia. Este estado se denomina slugging con slugs depared(Fig. 7.

A caudales mayores, existe una velocidad terminal a partir de la cual laspartculas empiezan a ser arrastradas, provocando turbulencias en el movimiento del

lecho (lecho uidizado turbulento, F ig. 7g). A una velocidad superior, las partculas dellecho se desplazan junto con el gas al exterior del reactor (transporte neumtico con un

lecho uidizado en fase dispersa, F ig. 7h).

16


pum, d Hrrum Ermua-ln E-Jbblll]!--.--_'I anna fiundltlt-on- Ilurdizahqn

.--, ._ I-r _ J . __ _ _ .l-E. r '-J..;.--.-.' r-LI r...1..'.'L'.- - .'. -1 3/ r/. J - . . ' LGan; ur ':q-,'d Gas. o. l-L i! Lqurdrluw vulva-cris:-IIZI Ibi ii] id}Eiuqgug Sin-mm; TUi-HEI Lean phasefxia IL-sl- [Fiat mas: llullaallcn .'|L.:d|zi.:dnI . w-:.'r pnauvnr-t _.._. i... - l Lransnael-.- '!_l F 1'. -"-" '". '.. _ | * 1.. rs? --r ' ' ;|n-f _ .' J u - =__J'-1 +13.r:- . a"--t. i?g __ I gti E _ _ _ _ _ __r g ai. + -I- -I- Il i ."- - _E" s Gas ur r-cildl-"Iih lclj[ti lll III] lhi

Figura 7. Etapas de un lecho uidizado en un reactor [4]

Los sistemas que operan en rgimen de uidizacin altamente inestable, esdecir, turbulento o en fase diluida, requieren el uso de ciclones que atrapen las partculas

arrastradas y las devuelvan al lecho. Si el arrastre de partculas es moderado (ujoturbulento), basta con utilizar un cicln interior al gasificador para la recoleccin(Figura 8( a )). Para arrastres mayores (transporte neumtico, ujo en fase diluida) senecesitan ciclones de mayores tamaos, ubicados en la zona exterior del gasificador

(Figura 8(b)).

l7


Bubbling.turbulent Fastll d b . .of L" ed flurdrzedbed

D."

I-i. aG.

Fairly higlh Very hgh939 VWOCJY gas Velocity(a) (b)

Figura 8. Ciclones de captura de partculas en gasicadores. (a) Externo, (b) Interno. [4]

4.2.1 Comportamiento de un lecho uidizado

Un lecho uidizado y un lquido comparten caractersticas que hacen que seaventajosa su utilizacin en determinados procesos. La Figura 9 muestra propiedadesque ambos comparten:

o Los objetos otan en el lecho (Figura 9(a)).

o El lecho mantiene su nivel horizontal aunque se incline el recipiente que10 contiene (Figura 9(b)).

o Al practicar un orificio al recipiente las partculas salen en forma dechorro (Figura 9(c)).

o Por el principio de los vasos comunicantes, se igualan los niveles de doslechos a diferentes alturas, por estar conectados fsicamente (Figura9( d) ).

18


Lavelaequallza

Surface ahorizontal

Figura 9. Caractersticas de los lechos uidizados. [7]

Debido al comportamiento que presenta, la temperatura de reaccin se puedecontrolar mediante el intercambio de calor o la propia alimentacin al lecho y laeliminacin de slidos. La posibilidad de controlar la temperatura con facilidadpermiteque los sistemas de lecho uidizado sean de utilidad a gran escala, encontrando unascondiciones homogneas de temperatura. Este hecho diferencia a los sistemas de lechouidizado de los sistemas de lecho fijo o de transporte neumtico. El amplio rango detamaos de slidos que se puede utilizar es una ventaja aadida, ya que se obtiene unproducto uniforme y existe la posibilidad de operacin continua. En un proceso deuidizacin es importante conocer las caractersticas del gas a inyectar, partculas dellecho, as como las condiciones del proceso y geometra del reactor. La Tabla 2 muestraun resumen de los parmetros que tienen ms relevancia en el proceso de uidizacin

[15].

Dimetro (dp)Esfericidad (os)

Porosidad del lecho (Smf)Clasicacin de losslidosumf11oPresin (P)Temperatura (T)Equivalence Ratio (ER)Caudal (Q)Aporte de energa

Tabla 2. Parmetros fundamentales de la uidizacin.

l9


La geometra del reactor de gasificacin y el caudal de agente uidizanteinyectado determinarn el tiempo de residencia de las distintas reacciones que tendrnlugar durante el proceso. Se tendr un control sobre la geometra del reactor a travs dela relacin de belleza o esbeltez, parmetro adimensional que representa la relacin

entre la altura y el dimetro de lecho (H/D).

Las partculas del lecho presentan diferentes geometras, utilizando un factor deforma (a5) para aproximar la geometra de las partculas a la de una esfera, lo que

posibilita utilizar para los clculos el dimetro medio (dp). La ecuacin I define la

esfericidad o factor de forma de una partcula.

_ Superficie de la esfera de igual volumen que la partcula

(1)

( Supercie de la partcula

La Tabla 3 se utiliza para la eleccin del factor de forma, estando en funcin deltipo de partcula y de su relacin de belleza o esbeltez (H/D). Se suelen utilizar valores

comprendidos entre 0.5 y l [4].

Spliericrrg

Type of Pamela xSphere l 0GCube 0.81Cylinder

ll : a 0.937

l: : 3d

i. = ln ESDisks

F: = a l] T6

h = (156 0,60

h=d'.r'il) (HTshlu-Lated carbon and sillas gel: OLCI 90Broken SOildS - 0 6.3Cual

anthrzacie 0 63

bitrrrrzrnnus E3

natural dust 55

irllverized 4173Cork 0.59Glass. cmshed, jagged 065Llclgnetitc. Fischor-Iropich Catalyst 0.36Nilda lakes 0.28Sand

round 0.539

sha. 0.66

old each as high 1: 0.36

young river a; [ox-v as 05.3Tungsten powtler 0.89leat 85

Tabla 3. Esfericidad en funcin del tipo de partcula. [4]

20


Las partculas del lecho en un gasificador presentan un intervalo de tamaos quehay que tener en cuenta para el clculo de su dimetro medio (dp). Se muestran en laTabla 4 los mtodos comnmente empleados para determinar el dimetro medio de las

partculas.

dp > 5 Directo: calibre digital o micrmetro

0.4 < dp < 5 Tamizado

dp < 0.4 Indirecto: Sistemas electrnicos

Tabla 4. Mtodos de clculo del dimetro medio de partcula de lecho. [20]

Debido a la dificultad de medir con elevada precisin el valor de porosidad dellecho, se utiliza la Tabla 5 para seleccionar el parmetro, smf, en funcin del tipo de

material y el dimetro medio de partcula, aunque se puede determinar

experimentalmente.

Tipo de partcula 0,02 0,05 0,07 0,1 0,2 0,3 0,4

Sharp sand, S : 0.67 0,6 0,59 0,58 0,54 0,5 0,49Round sand, S : 0.86 0,56 0,52 0,48 0,44 0,42 Mixed round sand 0,42 0,42 0,41 Coal and glass powder 0,72 0,67 0,64 0,62 0,57 0,56

Anthracite Coal, S : 0.63 0,62 0,61 0,6 0,56 0,53 0,51

Absorption carbn 0,74 0, 72 0,71 0,69 Fischer-Tropsch Catalyst . : 0.58 _ 0,58 0,56 0,55 Carborundum 0,61 0,59 0,56 0,48

Tabla 5. Porosidad del lecho en funcin de la forma y dimetro de las partculasdel lecho. [4]

Anteriormente se coment que los distintos regmenes de uidizacin vienendefinidos principalmente por la velocidad del gas inyectado en el distribuidor. Para quese alcance un estado de uidizacin, se requiere una velocidad de n1r1in1a uidizacin,l/imf. Al pretender un rgimen de bubbling, habr que superar esta velocidad; segn Kunii

[4], para alcanzar un estado bubbling se requiere no > umf ; mientras que Wen-Yang[16]

limita superiormente la velocidad del gas, estableciendo una velocidad mr1in1a a la que

empieza a aparecer slugging tal que DB < 0,66D; esta condicin, traducida a

2l


velocidades y aplicando la teora hidrodinmica de Wen y Mori[9] (explicada en detalle

en el captulo 5.1.3), supone uo> o) el trmino viscoso es despreciable frente al cintico, existiendo una

pequea zona de transicin en la que los trminos son comparables.

_ klumf/uf (1- gmf )2L + k2pgumf2 (1- gmf )L

APgs2dp2grrf gdpgf

(2)

, donde k1=l50 y k2=75, valores obtenidos por Ergun utilizando el mtodo demnimos cuadrados en ms de 640 experimentos. Se ha comprobado experimentalmentela elevada precisin de la ecuacin al calcular la prdida de carga en el punto de

mr1in1a uidizacin[36].

Geldart[4] identic cuatro tipos de partculas del lecho con propiedadesdeterminantes del tipo de uidizacin ms adecuada, en funcin del dimetro departcula y la diferencia de densidad relativa entre la fase uida y las partculas slidas.La Figura 10 muestra la clasificacin, separados en funcin de su densidad frente al

dimetro de partculas que presentan.

o Grupo A.

o Adecuadas para lecho uidizado burbujeante, por su facilidad deuidizar con corrientes a baja velocidad.

o El lecho se expande considerablemente antes de que aparezcan lasburbujas, hasta un tamao menor que lO cm.

o Aparece alta circulacin de slidos.

22


o Grupo B (los n1s comunes).

o Las partculas son n1s gruesas y densas (arenosas) que las del grupo A.

o Forman burbujas al superar levemente umf, con tamaos independientes

del tamao de partcula del lecho.

o Grupo C

o Presentan dificultad para uidizar y tienden a crecer como pisos deslidos (tipo ujo pistn), formando canalizaciones en grandes lechossin uidizar.

o Cohesivos

o Grupo D

o Partculas densas y de gran tamao, por lo que son difciles de uidizar,puesto que se necesitaran grandes corrientes con velocidades muyelevadas.

o Forman burbujas que coalescen rpidamente, aunque crecen n1s

lentamente que el resto de la fase gaseosa.

: I l I I I | r r I r r r j I :_ , :5 _ d __ D _a E Spoutabla.9 y; Sand-likeE r.9 a, 2a l f \ 1 : , f :l // r A _J'I __ ) r _Q 0.5 D 94/ u, "'|_ C a,_ Gcneslve 44/ _/DJ r r lill'li - 'rl=-rri10 5D 100 500 OCU

dp (Pm)

Figura l0. Diagrama de Geldart [4]Una variacin de presin y temperatura suponen un cambio en el proceso deuidizacin, afectando a la densidad y la viscosidad del gas. Un aumento de la

temperatura del sistema origina una disminucin de la densidad y un aumento de la

viscosidad del gas[22]. Hacer un seguimiento de los efectos que producen una variacin

23


en la temperatura y la presin es complejo, puesto que existen numerosasinterrelaciones entre la cintica, la hidrodinmica y los parmetros de operacin.Muchos autores[20] coinciden en un aumento de mg y una disminucin de l/imf alaumentar la presin, adems de una posible sinterizacin de las partculas slidas del

lecho si se aumenta la temperatura.

Adems de la gasificacin, la uidizacin de un lecho tiene numerosas

aplicaciones, pudiendo hacer uso a escala industrial, las citadas a continuacin:

o Secado/lavado de partculas slidas.

o Intercambio de calor.

o Clasificacin mecnica de partculas en base a su tamao, forma o densidad.o Reacciones de sntesis.

o Reacciones catalticas heterogneas, como el cracking del petrleo.

o Combustin e incineracin, calcinacin y carbonatacin.

o Cristalizacin.

o Adsorcin e intercambio inico.

o Biorreactores.

4.3 Gasificacin

La gasificacin[12] en su sentido ms amplio, cubre la conversin de un sustratocarbonoso (residuo orgnico) en un combustible gaseoso, estando en contacto con unmedio gasificante. La Figura I] muestra los resultados, aplicaciones comunes y energaobtenida de la gasificacin de biomasa en funcin del agente gasificante utilizado. Elproducto que tiene menor energa aprovechable se obtiene gasificando con aire ( 30 MJ/m3). A diferencia del proceso decombustin, en la gasificacin tiene lugar una oxidacin parcial del combustiblequeproduce un gas de sntesis (syngas) formado por H2, CO, CO2, CH4 y N; y residuos(enforma de alquitrn, cenizas, partculas slidas,...) en diferentes proporciones,pudiendoser el agente gasificante oxgeno puro, aire y/o vapor de agua. Este ltimo cumple la

funcin de moderador del proceso.

24


Gasicacin GAS POBRE Courbustin EERGIAm em (O9 H2 x2 NIECAXICAi: 6 killing Turbinam de gas o: (S DE M, ELECTRIC IDAD

BIOMASA GASIFICADOR 4' SINTESIS

NIETANOL, . ETANOLlO - 203-1151113TurbinaH3 GAS ALTO CONTENIDO de gasENERGETICO m ELECTRICIDADSlidos carbonosos (H-V CO H2Alquranes := 30 11151113

Figura ll. Gasicacin de biomasa en funcin del agente gasicante empleado. [31]

4.3.1 Etapas de la gasificacin

La Tabla 6 muestra las temperaturas a las que aplican cada una de las fases de

un proceso de gasificacin, comentadas a continuacin.

1. Secado > 1002. Pirlisis > 2503. Gasicacin (oxidacin + Reduccin) 750 - 900

Tabla 6. Etapas de la gasicacin. [17]

4.3.1.1 Secado/Volatilizacin

Cuando la biomasa de alimentacin entra en el gasificador y se eleva latemperatura, se produce un proceso de evaporacin fsica, liberando agua hasta los200C. A medida que la temperatura va aumentando, se volatilizan los compuestos debajo peso molecular. Para poder desarrollar un modelo de simulacin, algunos autores[11] suponen la volatilizacin a la entrada del reactor, obteniendo pequeas diferencias,asumibles, en los resultados con respecto a considerar la cintica de volatilizacin a lo

largo del lecho.

25


4.3.1.2 Pirlisis

Consiste en la primera etapa de la degradacin de la biomasa. En ausencia de O2,la estructura molecular de la biomasa se descompone generando gases de sntesis,char(residuo slido carbonoso) y compuestos orgnicos condensables (alquitranes tars).La evolucin de esta etapa est inuenciada por el tamao de partcula del lechoy sunaturaleza, las condiciones de operacin (T, P, tiempo de calentamiento y tiempoderesidencia). La Figura 12 muestra el proceso completo, aplicable a la gasificacin decarbn y biomasa. Se muestra un adelanto de las reacciones que se comentarn

posteriormente, pudiendo observar cmo el char (parte slida de la biomasa quereacciona con los componentes gaseosos, para formar gas de sntesis) se transformamediante reacciones diferentes (heterogneas) a las del resto de componentes generados

en una primera etapa (homogneas).

Pyrolysis ga se:

Solid rca HZCH-LHE)Calbnamus . T Gas phase reaction C, HZCHJ,material T30 L WPW co; Hggg,i EL VI oxygenated combustion, shift f; cracking product

Corn pomdsll Dh teneis. acid}

har (Shar-gas phase reactions F GQ H2c__4_(gasinati org-zx: mbustio n, shift) CZLHEO

Figura l2. Subproductos de gasicacin de biomasa. [12]

4.3.1.3 Gasicacin

Esta etapa incluye reacciones endotrmicas que pueden darse gracias al calorproducido por las reacciones de combustin existentes (exotrmicas). Incluye lasreacciones de oxidacin y reduccin. Algunos autores tienen en cuenta la oxidacin porseparado de la reduccin. En la etapa de reduccin se tienen en cuenta las reaccionesWater-gas, Boudouard, Shift y Methanation [17], aunque cada caso depender de lacintica tenida en cuenta. El capitulo 5.1.1 incluye las reacciones elegidas para la

simulacin de cada uno de los modelos cinticos a desarrollar.

26


4.3.2 Tipos de gasificadores

Lecho fi "o

Tienen una zona de reaccin estacionaria tpicamente soportada por una rejilla yse alimentan por la parte superior del reactor. Pueden ser diseados en configuracin

updraft o downdraft.

Son los n1s sencillos de disear y operar, adems de los n1s adecuados paraaplicaciones a pequea y mediana escala con requerimientos trmicos de hasta pocosMW. A grandes escalas, los gasificadores de lecho fijo pueden encontrar problemas conla alimentacin de biomasa. Esto conlleva un ujo irregular de gas, por lo queconseguir temperaturas uniformes a lo largo del gasificador puede ser difcil debido a laausencia de mezclado en la zona de reaccin. La mayora de los gasificadores de lechofijo son soplados por aire y producen gases de baja energa, aunque los diseos soplados

por oxgeno han sido probados como n1s eficientes.

Lecho Fijo: downdra

Con gasificadores de lecho fijo downdraft, el agente gasificante (aire u oxgeno)desciende a travs del gasificador, mediante un ujo en contracorriente. La gasificacinocurre cerca en la zona inferior del gasificador, en una zona de reaccin caliente pocoprofunda que consta de una capa de carbonilla. La Figura 13 muestra un gasicadortpico de lecho fijo en configuracin downdraft. La oxidacin de la biomasa genera

calor para mantener el proceso de gasicacin.

Las l-o l-D Syugas

Figura 13. Gasicador de lecho jo downdraft. [21]

27


La mayora del alquitrn en el syngas es destmido por craqueo trmico mientraspasa a travs de la zona de reaccin. Los niveles de partculas en el syngas sontpicamente bajos debido a la ausencia de turbulencia en el gasificador, pero elgaspuede contener componentes lcali mientras sale de la zona caliente del reactor.Elprincipal inconveniente de los gasificadores downdraft es el alto contenido en cenizasarrastradas junto con el gas producido. Este tipo de reactores requieren combustibles

con un contenido en humedad bajo (< 25%).

Lecho jo: updraft

El agente gasificante asciende a travs de la zona caliente del reactor, cerca de laparte baja del gasificador, en direccin contracorriente al ujo de material slido comomuestra la Figura 14. Reacciones exotrmicas entre aire/oxgeno y el char, teniendo

lugar en el lecho conducen el proceso de gasificacin.

Fuel i

ll

_..| l ...

Figura l4. Gasicador de lecho jo updraft. [21]

El calor en el gas sin tratar es transferido a la biomasa de alimentacin, mientraslos gases calientes ascienden, y la biomasa desciende a travs del gasificador sufriendo

secado, pirlisis y gasificacin (reduccin+oxidacin) nalmente. El gas resultante salea baja temperatura. Las concentraciones de alquitrn en el gas resultante son altas(principal desventaja) ya que los vapores formados en las reacciones de pirlisis sonarrastrados hacia arriba a travs del reactor con el gas resultante. Los nivelesde

partculas en el gas resultante a tratar (raw) son bajos a causa de las condiciones de no

28


turbulencia. La ceniza es arrastrada junto con los slidos en la direccin opuesta a la delujo de gas y es retirada de la parte inferior del gasificador. Con este tipo degasificadorse consigue un buen intercambio de calor, adems de admitir combustible con alta

humedad, puesto que en este caso pasa por una zona de secado.

Lecho jo: crossdraft

En este caso, el agente oxidante se introduce por un lateral del reactor, saliendoel gas de sntesis por el lado diametralmente opuesto (Figura 15). Las distintasetapasde gasificacin ocurren concntricas a la zona de inyeccin del agente oxidante,caracterstica que permite operar con reactores a pequeas escalas. La principal

desventaja es el alto contenido en alquitrn obtenido.

Figura 15. Gasicador de lecho jo crossdraft. [21]

Lecho F luidizado

Una de las ventajas n1s importantes de la gasificacin en lecho uidizado es launiformidad conseguida en la distribucin de temperatura en el lecho, puesto queelmovimiento de las partculas favorece un mejor contacto gas-slido, propiciando unmejor mezclado. El gas utilizado para uidizar el material del lecho puede ser aire,oxgeno, vapor, gas resultante de un reciclado, o una combinacin. Los gasificadores delecho uidizado pueden ser dimensionados para instalaciones de mediana y gran escala

y son los ms adecuados para situaciones donde hay una relativa demanda constante del

29


gas resultante. Esencialmente, todas las instalaciones gasificadoras de grandesdimensiones construidas y probadas en la ltima dcada usan diseos de lechouidizado. El gas resultante existente del gasicador tpicamente tiene altos niveles de

partculas como resultado de la turbulencia en el reactor. Las partculas consisten encenizas originadas por la biomasa y partculas finas que escapan del lecho. Dentro deesta clasificacin, se pueden encontrar gasificadores de lecho uidizado burbujeante y

de lecho uidizado circulante.

En los gasificadores de lecho uidizado burbujeante (Figura I 3( a )) existe unainterfase que divide la zona libre de reaccin (freeboard) de la zona de reaccin (lecho).Como consecuencia del mezclado, las distintas etapas de la gasificacin comentadas en

el punto 4.3.1 no se distinguen.

La diferencia que suponen los gasificadores de lecho uidizado circulante(Figura I 3(b)) es la existencia de una tubera de retorno al reactor; como consecuenciade la recirculacin, se obtienen gases de sntesis con un poder calorfico 3 veces

superior al de los gasificadores convencionales (4-6 MJ/Nm3).

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Figura 16. Gasicador de lecho uidizado burbujeante(a) y circulante(b). [21]

30


Lecho arrastrado

En este tipo de gasificadores los slidos son arrastrados en el ujo de gas,uyendo en paralelo a altas velocidades (ver Figura 17). Para la obtencin de buenasconversiones, se requieren temperaturas de reaccin de 1200 C, puesto que el tiempode residencia de los slidos es muy corto (del orden de segundos). Al operar contemperaturas tan altas, se suele operar en modo slagging (con cenizas fundidas) a

elevadas presiones.

Guild lurur

jlj Irated W-IH ' 510ml

De

I 95.-" I-Ilwl Emi-l

L

Eau

Figura l7. Gasicador de lecho arrastrado [21]

4.3.2.1 Sistemas comerciales

Los gasificadores comerciales se utilizan desde hace varias dcadas. Dentro delos de lecho fijo, desde 1930 los n1s utilizados en la produccin de gas de sntesis agran escala son los de tipo Lurgi, de fabricacin alemana (Figura 18). En 2002 seencontraban operando en pases como Sudfrica (97 unidades instaladas), EstadosUnidos (18 ud.), Pekn y China (4 ud.). Por otro lado, en Alemania, China y la antigua

Yugoslavia operaban gasificadores Lurgi de diseo ruso.

31


Carbn

Tahiti de alimentacin '

da carbno Carbn. reciclado

Esp Agua de enlriumienioy lavadaGmcdur Dislrlbuidr 5ParrillaWWF Y Can-risa de aguaoxigenoFalse de extraccin

de cenizas

Figura 18. Gasicador Lurgi[37]

Los gasificadores de arrastre fueron desarrollados por Heinrich Koppers GMBH(Alemania) en 1949. De los 50 gasificadores instalados, en 1993 se encontraban 26 enoperacin. Los de la familia Texaco (Figura 19) operan en Alemania, Japn y EstadosUnidos. La Tabla 7 muestra un cuadro resumen de los gasificadores, sus presionesde

operacin y el agente gasificante utilizado, clasificados por tipo.

32


Oxygen 1mm Air Coalseparation Plant Slurry

Texaco

syngasBlaclmfaier"HecycledYSlug toRecovery

Figura 19. Gasicador Texaco[38].

Muchos de los primeros gasificadores de lecho uidizado que se fabricaroncayeron en desuso (lleg a haber unos 70 funcionando) por su baja capacidad, altoscostes de operacin y baja conversin de carbn. El tipo Winkler, operando a presinatmosfrica, fue superado por los Lurgi y Koppers-Totzek; pero el fabricante AGRheinbraun (Alemania) redise Winkler para operar a mayores presiones (30 bar),conlecho circulante. Esta versin es capaz de operar a mayor temperatura (llamado HTW,High Temperature Winkler): en el lecho uido, opera a 800 C, pero se inyecta vapor yoxidante en la parte superior del lecho, llegando a 900-950 C. Para su utilizacin enIGCC (Integrated Gasication Combined Cycle, Gasificacin integrada en CicloCombinado) se aade a la salida del gasificador un quemador que aumente la

conversin por encima del 98%.

Los lechos uidizados se estn desarrollando a nivel comercial n1s lentamenteque los de arrastre y lecho fijo, pero debido a las ventajas que presentan en cuanto a

exibilidad y homogeneidad en la produccin a gran escala, se espera que sean los n1sutilizados [27].

33


Lecho descendente (fijo)Sin fusin de cenizasLurgi Atm - 85 bar Aire u oxgenoFoster Wheeler Stoic Atm AireDe dos etapas (Babcock W-D) Atm Aire u oxgenoCon fusin de cenizasLurgi British Gas 25 bar OxgenoLecho uidizadoSin aglomeracinWinkler Atm - 40 bar Aire u oxgenoCon aglomeracinWestinghouse 30 bar Aire u oxgenoLecho de arrastreAlimentacin secaKBW Atm OxgenoShell 30 bar Aire u oxgenoCombustion Engineering Atm Aire u oxgenoAlimentacin s/urryTexaco 30 - 80 bar Aire u oxgenoMedio de reaccin fundidoSaarberg-Otto 25 bar Aire u oxgenoReactor rotativoKILnGAS Atm - 8 bar Aire

Tabla 7. Tabla descriptiva de los tipos de gasificadores. [27]

4.3.3 Gasificacin de biomasa o carbn?

Para tener razones de peso en la eleccin de la biomasa en vez de carbn paragasificar, es preciso hacer una comparativa sobre ventajas e inconvenientes. Ladiferencia fundamental es la proporcin de voltiles liberados durante el proceso depirlisis por unidad de n1asa de combustible. Un 50% en peso del carbn se convierte enchar, mientras que para la biomasa es menor, 15-20% [21]. Esto se debe al contenido envoltiles de ambos, pudiendo llegar a tener un 30-45% n1s de voltiles la biomasa que

los carbones comunes.

Por otra parte, la biomasa es n1s reactiva que el carbn, propiedad que leconfieren el contenido en celulosa y hemicelulosa. Esto posibilita la gasificacin de labiomasa a temperaturas inferiores (750-900C) que la del carbn (l200C). Comodesventaja, el rango de temperaturas de gasicacin de biomasa es propicio para que segeneren mayores cantidades de alquitranes (tars) en el gas de sntesis. Las menores

temperaturas en la gasificacin de biomasa originan una mayor produccin de metano,

34


beneficioso para aplicaciones de calentamiento trmico y motores, y perjudicial paraproduccin de combustibles. Adems, se tendr un mayor rendimiento energticooperando a menores temperaturas, puesto que se necesita generar menos energa trmicapor la biomasa alimentada para llegar a las temperaturas requeridas, siendo menores las

prdidas trmicas.

4.3.4 Aplicaciones comerciales de la gasificacin de biomasa

Debido a la existencia de un amplio rango de procesos de conversin de labiomasa, se pueden obtener diferentes productos finales. Las principales aplicaciones

SOIII

o Generacin de electricidad. Actualmente existe un amplio rango detecnologas de generacin de electricidad de forma renovable que suponenmenores costes de generacin que mediante la utilizacin de los gasesprocedentes de un proceso de gasificacin de biomasa, como son la energaelica, hidrulica y geotrmica. nicamente hay plantas experimentales y se

pone en tela de juicio su rentabilidad.

o Produccin de combustibles lquidos sintticos procedentes de gases desntesis purificados (syngas). Los que n1s aplicacin tienen son loscombustibles producidos del proceso Fischer-Tropsch y el biometanol. Paraproducir un combustible lquido de hidrocarburos similar a los combustiblesprocedentes del petrleo a partir de la biomasa, el gas producido es convertidoen un gas de sntesis, hacindolo pasar por una serie de procesos que mejoran surendimiento. Al no generar un gas de sntesis puramente formado por H2 y CO,se deben eliminar los componentes adicionales (CH4, CO2, alquitrn ehidrocarburos ligeros). A medida que se incremente el precio del petrleo, seprev un aumento mundial de la inversin en la optimizacin de la produccin

de estos combustibles.

o Uso de la energa trmica generada en procesos industriales y domsticosmediante la combustin del gas producido, aplicando directamente los gases de

sntesis en hornos y calderas, ya que normalmente estos equipos tienen los

35


requerimientos n1s bajos en la calidad del gas producido. Se puede utilizar estegas como sustituto del gas natural, incrementando su contenido en metano

mediante tratamientos previos.

o Produccin de hidrgeno tras la separacin del resto de componentesgaseosos. El hidrgeno tiene multitud de aplicaciones, y se usa ampliamente enrefineras de petrleo para craqueo trmico (romper cadenas de hidrocarburosms pesados), industria de la alimentacin y electrlisis del agua, entre otrasaplicaciones. En el futuro se estima un incremento de la produccin dehidrgeno utilizndolo como reactante para produccin de electricidad en pilas

de combustible.

4.3.4.1 Ventajas de la tecnologa

El proceso de conversin de la biomasa en combustible gaseoso puede serconsiderado una tecnologa limpia debido a la reduccin en emisiones de CO2; hayunaalta eficiencia trmica y un buen control del grado de la combustin; y en reasdondelas fuentes de biomasa estn disponibles a bajo precio, los sistemas de gasicacin

ofrecen ventajas econmicas sobre otras tecnologas de generacin de energa.

Los recursos de la biomasa son una importante estrategia para mitigar el cambioclimtico mundial. Aumenta el reciclado de CO2 en la atmsfera, y el uso de recursos de

biomasa para resultados energticos y qumicos con bajas emisiones netas de CO2.

Como las emisiones de NOx y SOx de las instalaciones de biomasa sontpicamente bajas, es una tecnologa que ayuda a reducir la lluvia cida. Cuandoseaplica en regiones que favorecen los productos agrarios y forestales, la tecnologa sirve

como mecanismo para el desarrollo de la economa rural.

Cuando se compara con los sistemas de combustin, el combustible gaseosoproducido por gasificadores presenta menor volumen y temperatura que los productosde combustin completa procedentes del combustor. Estas caractersticas dan laoportunidad de limpiar y acondicionar el combustible gaseoso previo a su uso. Lacombustin del biogas resultante puede ser controlada de forma ms precisa que la

combustin de biomasa slida. Consecuentemente, las emisiones generales de los

36


sistemas de potencia basados en la gasificacin pueden ser reducidas, especialmente lasde NOx.

4.3.4.2 Contaminantes

El biogas generado por la gasificacin generalmente contendr contaminantesque requieren su eliminacin. Los principales tipos de contaminantes encontradossonpartculas slidas, componentes lcali, alquitranes, compuestos con nitrgeno, azufre, ehidrocarburos de bajo peso molecular. Los hidrocarburos son beneficiosos para losgases combustibles dado que tienden a incrementar el poder calorfico del producto. Sinembargo, no conviene tenerlo con los gases de sntesis, puesto que no reaccionany

reducen la eficiencia general de conversin.

Las partculas incluyen materiales en fase slida arrastrados en el gas de sntesisa la salida del gasificador. Estas se generan en gasificadores de gran tamao, los cuales

dependen de las configuraciones (lecho uidizado burbujeante o circulante) paraasegurar condiciones uniformes del lecho durante la gasificacin. Como solucin paralos sistemas de lecho uidizado en ujo turbulento, se incluyen ciclones para separar elmaterial del lecho de los gases resultantes. El cicln es una tecnologa de eliminacininicial y/o recuperacin de partculas slidas, capturando la mayor parte. Sin embargo,las cenizas volantes n1s finas se mantendrn en la corriente del gas. Las cenizasvolantes resultantes consisten en material de pequeo dimetro que puede crear

problemas de emisiones visuales y operacionales si no son eliminadas.

Mientras el material es gasificado, la materia inorgnica procedente de laalimentacin puede ser retenida en el lecho del gasificador o arrastrada en el gas desntesis y salir del reactor. De retenerse, puede ocurrir que debido a las temperaturas dereaccin sinterice el material del lecho junto con otras sustancias como las cenizasliberadas y aglomeraciones del propio lecho, disminuyendo su punto de fusin,obligando a parar el proceso para extraer slidos de gran tamao. Esto puede darpie atener que practicar un orificio al reactor ante la imposibilidad de extraerlos de otraforma. Todo esto se traduce en una parada del proceso, costes de reparacin y prdidas

econmicas.

37


Una fuente potencial de partculas es el carbn formado cuando la biomasa dealimentacin no se gasica por completo. Ests partculas sufren volatilizacin y

reacciones subsiguientes a temperaturas de gasificacin que las hace menos reactivas.

Generalmente, los gasificadores de gran tamao son capaces de conseguir entre98 y 99% de eficiencia en la conversin del carbn. Por lo tanto, un l-2% del carbn enla alimentacin permanece como slido. El colectar este material y la consiguientereinyeccin del char en el gasificador pueden incrementar las eficiencias generales de

conversin.

La necesidad de eliminar el material lcali de la corriente de biogas depende del

uso final del gas.

Formacin de alquitranes

Los alquitranes incluyen una variedad de aromticos oxigenados formados en laetapa de pirlisis del proceso de gasificacin. Generalmente, se considera que elalquitrn lo componen molculas orgnicas con pesos moleculares mayores que el

delbenceno. La composicin actual del tar (alquitrn) es compleja y dependiente de laseveridad de las condiciones de reaccin, incluyendo la temperatura de gasificacin, el

tiempo de residencia en el reactor y la naturaleza/composicin de la biomasa gasificada.

La formacin de alquitrn ocurre bajo las siguientes condiciones: mientras labiomasa de alimentacin se calienta, se va deshidratando, al tiempo que aparecenvoltiles. Los voltiles pueden sufrir adems descomposicin para formar gases desntesis, o pueden sufrir reacciones de deshidratacin, condensacin y polimerizacin

que dan lugar a la formacin de alquitrn.

La cantidad de alquitrn variar tambin significativamente dependiendo deldiseo del gasificador. Algunos sistemas toleran los alquitranes en el biogas, donde elgas es usado como un combustible en aplicaciones acopladas y estancas. En estassituaciones, se puede evitar enfriar y condensar, y el contenido energtico de los

alquitranes se suma al valor calorfico del combustible.

En aplicaciones de n1s exigencia, los alquitranes en gases resultantes sin tratarpueden crear problemas de n1ar1ipulacin, ya que condensan en componentes fros aguas

abajo del gasicador, taponando y contaminando tuberas y otros sistemas.

38


La presencia de alquitrn en el gas de sntesis es altamente indeseable paraaplicaciones de hidrgeno, ya que podran empeorar el comportamiento de estos

sistemas.Formacin de amoniaco

Se forma de la protena y otros componentes que contienen nitrgeno en laalimentacin de biomasa. Algunos tipos de biomasa, como los residuos animales o laalfalfa producen grandes cantidades de NH3. Esta produccin es ms alta engasicadores presurizados debido a consideraciones de equilibrio y en pirolticos

debido al entorno reducido en esos gasicadores.

El amoniaco en la corriente del producto es indeseable porque puede dar lugar ala formacin de emisiones de NOx cuando se quema el gas resultante. La limpieza delamoniaco es por consiguiente requerido para sistemas en ubicaciones con regulacin

estricta de las emisiones de NOx.Formacin de NOx

Habitualmente no se presenta en altas concentraciones para crear problemas.NOx es producido por la reaccin de nitrgeno o molculas que contienen

nitrgenocon oxgeno a temperaturas elevadas. Las temperaturas n1s bajas en gasificaciny la

naturaleza del entorno reactivo limitan la produccin de NOx.

El uso del biogas en vez de la biomasa slida da la oportunidad de un mejorcontrol del proceso de combustin, con el que potencialmente se tienen bajas emisionesde NOx. La gasificacin ofrece ventajas en las emisiones del entorno potencial sobrealternativas de combustin. Sin embargo, puede ocurrir que mientras el gas es quemado,

se produzcan emisiones de NOx y se necesite una tecnologa de control apropiada.

Azufre

La mayora de la biomasa existente contiene bajos porcentajes de azufre, ventajay motivo inuyente en su utilizacin sobre la del carbn para gasificar. El azufrecontenido en la biomasa puede convertirse a sulfuro de hidrgeno u xidos de azufredurante la gasificacin, pero su baja concentracin ofrece ventajas potenciales para

algunas aplicaciones.

39


4.3.5 Estado actual y previsin del futuro de la gasificacin

La tecnologa de gasificacin lleva 50 aos funcionando en las industriasqumica, petrolfera y de los fertilizantes y 35 aos en la industria elctrica conresultados satisfactorios [29]. Se estima un crecimiento del 70% en la potencia instaladapara el 2015 (Asia, un 80% del total); se espera un crecimiento en las industriasqumicas, de fertilizantes y de combustibles lquidos en China; generacin de hidrgenoy sustitutos del gas natural en Estados Unidos; refinera en Europa. En la Figura 20 sepuede apreciar un aumento de un 25% en la potencia instalada, referido a la tecnologa

de gasificacin entre 2010-20 l5.

iomooo

amooo

amoooamooozmooo II|IIIIII2ooo 2oos zoio 2015

Figura 20. Crecimiento de la potencia instalada para la tecnologa de gasicacin[29].

D

En Espaa, en operacin a nivel comercial hay una planta IGCC que utilizacarbn como combustible para producir energa elctrica en Puertollano (587 .8 MWht)y una planta de produccin de monxido de carbono a partir de gas natural enCartagena. Actualmente no existen plantas de gasificacin de biomasa. La primeraseconstruir a principios de 2010 en Almonte (Huelva), estimando una produccin de

15000 MWh anuales, capacidad para cubrir la demanda de unos 4000 hogares.

40


5. MoDELo DE SIMULACIN

Sentadas las bases de los procesos de gasificacin, se procede a desarrollar unaaplicacin en MATLAB que permita la simulacin de la zona de reaccin (lecho) deungasicador de lecho uidizado burbujeante, utilizando biomasa como combustible yaire como agente oxidante. El modelo tendr la mayor versatilidad posible, ofreciendola posibilidad de admitir distintas cinticas, a utilizar las de las publicaciones deYan[11] y Avdhesh[5], por ser la cintica de la primera referencia n1s complejaque lasegunda. Se realizar un anlisis de sensibilidad para una instalacin comercial,variando diversos parmetros relevantes en la conversin de la biomasa, teniendocomofinalidad la obtencin de conclusiones que permitan optimizar el proceso de

gasicacin de una planta comercial.

5.1 Desarrollo del modelo

Los modelos cinticos dan una informacin esencial de los mecanismoscinticos que describen la conversin del char durante la gasificacin de la biomasa.Conocer estos mecanismos es fundamental para el diseo, evaluacin y optimizacin

de los gasificadores.El desarrollo de un modelo de gasificacin tiene por objetivos:

o Establecer una herramienta de simulacin para la reproduccin de lascondiciones de reaccin del proceso de gasificacin, pudiendo optimizar elproceso sin necesidad de experimentar, lo que conlleva un ahorro econmico yde tiempo. El modelo admitir distintas cinticas, siempre que se mantengan losparmetros cinticos y de operacin dentro de los rangos establecidos, en las quese han determinado las correlaciones por experimentacin.

o Conocimiento de la variacin en la composicin de los gases de sntesis acada altura de lecho del reactor, para cada grupo de condiciones de operacin.

o Clculo de la composicin de los gases a la salida del reactor, as como la

conversin de carbn obtenida.

4l


o La optimizacin de la energa (ligada a la conversin de carbn) en forma decalor de combustin de los productos gaseosos o bien, del gas de sntesisproducido por unidad de combustible alimentado.

o Ver la inuencia de cada reaccin dentro del conjunto de reacciones quetienen lugar en el gasificador, evaluada mediante los rdenes de magnitud de susvelocidades de reaccin.

o Establecimiento de puntos para el control de procesos: se compararn losresultados obtenidos en la simulacin con la experimentacin y otros modelos desimulacin, mediante variaciones de los parmetros que caracterizan un proceso

de gasificacin tpico bajo condiciones determinadas [11].

Para la resolucin del modelo, ser fundamental conocer un anlisis inmediatode la biomasa (proximate analysis), obtenido quemando la muestra sin O2 y enpresencia de O2, para obtener: carbn fijo, materia voltil, humedad y cenizas; y unanlisis elemental (ultimate analysis), sin tener en cuenta la ceniza. Estos parmetros se

considerarn constantes para todas las simulaciones realizadas.

Como se ha comentado en el apartado 4.3, el agente gasificante es una mezclade gases que contiene oxgeno, y/o vapor de agua, y/o dixido de carbono, cuya funcines favorecer las reacciones de combustin (por su contenido en O2). En las simulacionesa realizar el agente gasificante a utilizar ser aire, teniendo lugar procesos con menoreseficiencias pero siendo sta la opcin n1s econmica. Alternativamente, el modeloincorpora la posibilidad de utilizar un moderador (normalmente vapor de agua)

mediante el cual se tiene un mayor control sobre la temperatura del proceso.

Se considerarn una serie de parmetros para la validacin del modelo,utilizndolos como puntos de control para evaluar cmo afecta una variacin de su valora la composicin del gas de sntesis resultante, y a la conversin de char obtenida (lasestimaciones realizadas se comentarn en detalle en el captulo 5.2.2; el captulo 6.2expondr los resultados obtenidos y tratar de justificarlos). A continuacin seexponen

dichos parmetros:

o Temperatura de reaccin.

42


o Estado de uidizacin (x). Se define como el cociente entre la velocidadsuperficial del gas y la velocidad de n1r1in1a uidizacin; esto es, x=:. Elmf

estado de uidizacin, junto con el dimetro de partcula define los distintosregmenes de uidizacin comentados en el captulo 4.2. Para alcanzar estado debubbling (formacin de burbujas), segn Yan[11], KuI1ii[4] y Yang[16],experimentalmente se ha observado que basta con superar umf. Lo normal es tenerun nico gasificador, por lo que modificando el estado de uidizacin se puedeeliminar la inuencia de las dimensiones de este.

o Equivalence Ratio (ER)[17]. Es un parmetro que cuantifica la proporcin deaire/biomasa a introducir en el reactor, es decir, el grado de combustin parcialque se est aplicando al combustible introducido, definido por la ecuacin 3. Se

controla variando el caudal de aire introducido en el reactor.

fairef biomasa

ER _ estequiamtrica

fairef biomasa

(3)

real

Al utilizar valores por debajo de la unidad para ER, se est restringiendo elproceso para que no exista combustin completa de la biomasa. El cociente delnumerador se calcula de la reaccin de combustin completa de la biomasa, puestoque en gasificacin la entrada de aire es una fraccin del aire estequiomtrico para

que exista combustin completa.

Cuando se aumenta el valor de x (estado de uidizacin), hay queaumentar el caudal molar de biomasa a introducir, definido por la ecuacin 4. Conesta definicin se pretende conseguir superar el caudal de n1r1in1a uidizacindel

lecho.

faire

real Z x. "f

o Relacin de belleza/esbeltez. Se define como la relacin altura/dimetro (H/D)

existente en el lecho del reactor.

43


5.1.1 Hiptesis generales

Debido al amplio rango de posibilidades en la eleccin de parmetros deentrada, cintica, correlaciones, teora l1idrodinn1ica,... para el desarrollo del modelo,se toman unos supuestos inicialmente. Los parmetros estarn dentro de los rangos

indicados para cada una de las referencias tomadas.

La biomasa alimentar de forma continua el reactor, de modo que al introduciraire a alta temperatura se producir un combustible gaseoso rico en H2 y CO. Ungasificador de lecho uidizado opera tpicamente a temperaturas de 750-900 C [11],habindose elegido una presin atmosfrica de trabajo. La Figura 2] visualiza elproceso ocurrido dentro del reactor, teniendo en cuenta la contribucin de las

fasesburbuja y emulsin. Los parmetros de velocidad y fraccin de volumen sonfundamentales para determinar la proporcin de moles de cada fase que existe porpiso

de reactor.

una. ul-rs}

cmulln 'ga; 2,, phase gos

i-aniizlczicniulirion phase

I-E.

a

Figura 2l. Representacin de las dos fases de un lecho uidizado [11].

De forma esquemtica, se enumeran las hiptesis de partida que permitirn

abordar el desarrollo de un modelo cintico de gasificacin:

l. Sistema en estado estacionario e isoterrno, como consecuencia de la

homogeneidad existente en un lecho uidizado (comentada en el captulo 4.2).

2. Evolucin de las variables de operacin en el lecho unidimensional. La Figura22 muestra una representacin del lecho con esta hiptesis, lo que reporta unbeneficio a nivel de clculo computerizado, reduciendo los tiempos empleados de

cada simulacin. Para abordar un problema de mayor nmero de dimensiones (2-

44


D, 3-D), habra que recurrir a la utilizacin de software CFD (Dinmica de

Fluidos Computacional).

Jlilerlul-rrrusltrnil-rr

Par-things

lnlrri-titiiil n-

531d:z-Tr dz1T _ cl:1T 4- JJ __ Hi 1* _Hubbltpuiii: Espuma:i. hlommmfuliiillwetthfiilu

Uni-Inam-

l1-a.

... i.ii..i.i.i.?i..

I-l-

Figura 22. Diagrama esquemtico de un lecho uidizado [11].

3. La teora de las dos fases de uidizacin de Kunii y Levenspiel [4] describe elcomportamiento hidrodinmico del lecho; la fase emulsin permanece encondiciones de uidizacin incipiente (n1I1in1a uidizacin) y la totalidad del

caudal de los gases en exceso uye a travs del lecho en fase burbuja.

4. Los gases en fases burbuja y emulsin tienen un rgimen de uidizacin detipo ujo pistn, estando mezclados los slidos en la fase emulsin. Se suponepara el modelado de los slidos en fase emulsin un reactor de tanquecontinuamente agitado, lo que confiere al sistema homogeneidad en lascondiciones de operacin. A diferencia de la mezcla perfecta, en un ujo pistnlas propiedades de los gases de sntesis varan con la altura del gasificador enla

zona de reaccin.

Se supondr un rgimen de lecho uidizado burbujeante. En el captulo4.2.1 se utiliz la teora que ha llevado a la hiptesis de limitar el rango delestado

de uidizacin a l< x s 6 para un rgimen de uidizacin burbujeante. Se toma

45


una velocidad n1r1ima de uidizacin de la resolucin de la ecuacin de Ergun yOrr1ing[4].

5. El tamao de burbuja en el lecho es variable con respecto a la altura de lecho.Las burbujas son uniformes en tamao para cualquier diferencial de altura delecho pero crecen por coalescencia con otras burbujas. Para el clculo de losparmetros del rgimen de uidizacin se utiliza la teora hidrodinmica de Wen yMOIl[9].

Por otra parte, las partculas del lecho se consideran esfricas y de tamao

uniforme.

6. La volatilizacin de la biomasa se supondr instantnea, incluyndola a laentrada del lecho, estando formados principalmente por CH4, H2, CO2, CO y HzO.Los productos voltiles se distribuyen de forma uniforme dentro del gas en faseemulsin [14]. Las ecuaciones 5-10 son las correlaciones empleadas para el

clculo de las fracciones msicas.

xH, = 0,157 0.868Xm +l,388(XmV)2 (5)x0, = 0,201 0,469xm, + 0,241(xm, )2 (6)xa, = 0,428 2,653XW + 4,845(xm, )2 (7)x60, = 0,135 0,9xm, +1,906(xm,)2 (8)XM, = 0,409 2,389Xm + 4,554(xm, )2 (9)x, =1Zx, (10)

donde X m, es la fraccin msica de materia voltil de la biomasa en base seca y

libre de cenizas. La limitacin de aplicacin de las correlaciones arriba indicadas

es: OOSSXW 50.51, determinado por la condicin: XTAR> 0. La Figura 23

representa dicho rango vlido de aplicacin.

46


Composicin

. {CO

_ L Tom y

T co2

Figura 23. Valores de composicin de voltiles VS fraccin total de voltiles

7. Se considera la transferencia de masa entre partculas y gas en fase emulsin, yentre fases burbuja y emulsin, debido a difusividad molecular (conducida pordiferencias de concentracin) y conveccin (caudal de gas en exceso desde la fase

emulsin a la burbuja).8. Esquema de reacciones:

El modelo implementado introduce simultneamente los procesos desecado, pirlisis y oxidacin, explicados en el captulo 4.3.1. El char se consideracarbono (grafito) a efectos de clculo[5]. Las reacciones que se han tenido encuenta se muestran en la Tabla 8, junto con el modelo implementado, el tipo de

reaccin, la designacin (si se ha obtenido la informacin) y la referencia

47


R1 Yan Water gasR2 R11 Yan Heterogenea M9al. Cinetica de Johnson [23]

Avdhesh hydrogasification

R3

R4

R5 Homognea Cinetica de Haslam [25]

Yan

R6

R7 Water-gas shift [24]

R8 Heterognea Combustin del carbn [32]

R9 Boudouard

R10 Avdhesh [5]

R12 Homognea Steam reforming

Tabla 8. Cintica del modelo de simulacin

La reaccin R0 representa el proceso general de pirlisis y oxidacin de la

biomasa.

CXHHBODB + WHZO + y02 + 3,76yN2 nm C0 +nw2 C02 +nm H2 + nHZD HZO +nCH4CH4 +n C(char) + nm N2

Volatilizacin de la biomasa

Biomasa COH >CO,CO2,CH4,H2,H2O

Reacciones heterogneas

Las reacciones heterogneas (gas-slido) tienen lugar la fase emulsin, segn lateora de las dos fases de Kunii y Levenspiel[4]. Estas reacciones se caracterizan portener una cintica lenta (son las limitantes), puesto que es un fenmeno que ocurre en lasuperficie de las burbujas[5]. Esto supone que el grado de gasificacin general puede sercontrolado por la zona de reduccin del char, a travs de la temperatura de reaccin, el

tiempo de residencia y la n1asa del lecho.

Reacciones homogneas

Por otra parte, las reacciones homogneas (gas-gas) se dan en fase burbuja yemulsin, siguiendo una cintica n1s rpida que las reacciones heterogneas, por lo que

estas ltimas las condicionan.

48


1) Cintica de Yan [11]

El Anexo 2 recoge toda la informacin necesaria sobre la cintica utilizada para

la resolucin del modelo cintico utilizando la publicacin de Yan.

C+H2O=H2 +C0 (R1)c + 2H2 = CH4 (R2)C+l/2H2O+l/2H2=l/2C0+l/2CH4 (R3)C + po, > 2(1 meo + (2,25 1)Co, (R8)H, +1/2o, > H,o (R4)co +1/2o, > co, (R5)CH, + 2o, > co, + 2H2O (R6)CO+H2O=H2 +co, (R7)

La Tabla 9 muestra un cuadro resumen con las distintas contribuciones de cadareaccin al proceso de gasificacin. Se toma como suposicin que las reaccioneshomogneas tienen lugar en las ambas fases (burbuja y emulsin). Las reacciones que

tienen lugar en fase burbuja contribuyen nicamente al cambio de volumen en estafase,y no contribuyen al ujo neto. Las contribuciones n1s importantes al ujo neto a partirde la generacin de gases son debidas a la volatilizacin de la biomasa, las reaccionesheterogneas y las reacciones homogneas en fase emulsin.

_ _ _, Heterogneas HomogeneasVolatilizacin de

la OmGSG R1 R2 R3 R8 R7 R4 R5 R6

Cambio de volumen de gas en el X X X X Xlecho

BurbujaEmubbnFlujo neto X

Fase

XXXX

X X X XX X X XTabla 9. Inuencia de las reacciones que tienen lugar en el proceso de gasificacin[ll].

49


2) Cintica de Avdhesh [5]:

Las reacciones implementadas en este caso comprenden (R9)-(Rl2),

coincidiendo con el anterior modelo la reaccin de Methanation (Rl l).

C + Co, = 2Co (R9)C+H,o =CO +H, (R10)C+2H, =CH, (Rll)CH, + H,o = Co + 3H, (R12)

La implementacin del modelo cintico de Avdhesh ser similar a la de Yan,excepto en lo referente al clculo de los parmetros cinticos. Las velocidades dereaccin (ec. 12) se obtienen a partir de un parmetro dependiente de la altura del lecho

(C RF, ec. I 4[5]), las fracciones msicas de los compuestos que participan en la reaccin,

las constantes de equilibrio (K

Li

ec. 15) y las constantes de reaccin asociadas. Estas

constantes se calculan mediante la energa libre de Gibbs (ET), ec. II), en funcin dela temperatura y unos valores constantes (Ag, Ggl.), expuestos en el Anexo 2. Las

constantes de reaccin siguen una evolucin de tipo Arrhenius, dependiendo de latemperatura, la constante universal de los gases y la energa de activacin, tambin

mostrados en el mismo Anexo.

gT) = R, T-[Agi + 3g; + CgT2 + DgiT3 + EgiT4 +% + og, lnTj (11)

eq,i

k- E 13_ _Rg-T ( )

CRF =4.00l2(l0z) 3.00l2 (14)

X.CEn = CRF-krllIX (12)

50


Z(E,:E,,]M

K .=e (15)

EqJ

5.1.2 Ecuaciones de conservacin

Las ecuaciones 16 y I 7 forman un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias(EDO), y representan la conservacin de la fase gas en un volumen de control para lasfases de burbuja y emulsin, respectivamente. Se componen de tres trminos (dentro delparntesis), cada uno ejerciendo una inuencia sobre la evolucin de los componentes:el primero corresponde a la transferencia de materia entre fases burbuja y emulsin; elsegundo, incorpora el trmino de ujo neto, comentado en el capitulo 5.1.3; el ltimorepresenta la cintica de las reacciones tenidas en cuenta (difusividad), puestoque la

inuencia la marcan las velocidades de reaccin y los coecientes estequiomtricos.

Fase burbuja:

d . NBi: = A-[a,k,,,(c,, C,,)+AF,, +g,za,r,] (16)

j=1

Fase emulsin:

N:

nf, "E "i "V (l7)TZ = A' aBkBE(CB CEI.) AFE, + (l 8,) mfz otljrgj + (l swf) z axotljrm + z otljrg}. + z otljrEvj:1 :1 :1

,donde f3, es el caudal molar.

Las condiciones de contorno iniciales son:

C =C,,,,- = Cm, a la entrada cuando z=0. Este parmetro corresponde al vector de

Eiconcentracin inicial de cada uno de los componentes existentes en las reacciones,eliminando las cenizas de la biomasa, y teniendo en cuenta volatilizacin (H2, CH4, CO,CO2, y HgO), humedad relativa de la biomasa (HR), y entrada de aire (O2 y N2). Las

posiciones de cada componente se muestran en la Tabla I 0.

5l


COH2CO2

CH,02N2

HgO

Tabla l0. Relacin entre componente de cada reaccin y posicin en los vectores utilizados.

Para la resolucin de las ecuaciones de conservacin, es importante notar que

inicialmente vienen en funcin de dos incgnitas (caudal molar, f y concentracin, C)

que guardan una relacin proporcional, reejada en las ecuaciones 18 y I 9.Fase burbuja (z > 0):

f3, = CE, A-ub-e, (18)Fase emulsin (z > 0):

fE, =CE,-A"um-(le,) (19)

Por lo tanto, las ecuaciones 18 y 19 se dejan en funcin de las concentracionesen fase burbuja y emulsin, quedando un sistema de EDOs no lineales para suresolucin por el mtodo de Runge-Kutta 4. La eleccin de este mtodo para laresolucin del problema propuesto frente a mtodos como ODE45 se justifica por unamayor versatilidad de operacin, adems de ser ms intuitivo para el n propuesto al

discretizar la altura del reactor.

Las ecuaciones expuestas a continuacin establecen las relaciones entre las

concentraciones en ambas fases halladas anteriormente y los parmetros a calcular:

- Concentracin total en fases burbuja y emulsin:

N f3 l N , lCETOTAL Z m? Z mii: fs (l) Z fETOTAL (20)Z N f5 (i) Z 1 N . Z 1 (21)CETOTAL A_umf _(1_8B) A_umf _(I_SB) f5 (l) Amimf _(1_gB) fETDTAL

52


- Caudal molar en fases burbuja y emulsin:

fE= (22). _ CEU)f) A-umf-Sb) m)

5.1.3 Trmino deujo neto

Viene definido por la generacin neta de gas en fase emulsin debido a lasreacciones de Volatilizacin, homogneas y heterogneas (incluyendo la combustin).Teniendo en cuenta que las distintas especies contribuyen de forn1a individual al ujo

neto, se denen los terminos mediante las ecuaciones 24 y 25.

NEAFEi ZAFEYEiZAFECEi/ZCEi (24)

:1

C NE NE N; N3 NV 131AFEi = N Z (1- 517) gmf zaijrEj +(15mf) zasaijrEcj + ZaijrEgj + ZaijrEvjZC)? :1 :1 :1 :1 :1

:1

La teoria de las dos fases define el caudal de gas en exceso como:u = uo umf (26)

El ujo neto es funcin de las Velocidades de reaccin en la fase emulsin, loque conlleva una relacin con la temperatura y la concentracin de cada especie en cada

fase (por definicin de Velocidad de reaccin).

5.1.4 Rgimen de uidizacin

Se considera un lecho de particulas descansando sobre un distribuidor diseadopara ujo ascendente uniforme. Para que tenga lugar la uidizacin, debe cumplirse que

el peso de las particulas slidas sea igual o menor a las fuerzas de arrastre del gas en

53


movimiento en ascenso a traves del lecho. La Velocidad de n1imn1a uidizacin, umf , se

calcula mediante la resolucin de la ecuacin de Ergun y Oming (expuesta en elapartado 4.2.1).

El tamao de burbuja es uno de los parmetros mas crticos en el modelado deun lecho uidizado: afecta a la Velocidad de crecimiento de burbuja, la proporcin decada componente en fases burbuja y emulsin, mezclado de slidos, y la transferencia

de n1asa entre fases.

La coalescencia de burbujas da lugar a su crecimiento, a medida que seincrementa la altura del lecho. Muchas correlaciones han sido publicadas para predecirla distribucin axial de los tamaos de burbuja. Para el presente trabajo se ha empleadola teoria hidrodinmica de Mori y Wen [9] para un distribuidor de plato perforado con

nd orificios, como se expresa en las ecuaciones 27 29.

A- 100 2 -100 '4D30 :0.347[ ] /100 (27)dDEM = o_652(A- (100% (a0 umf )-100)'4 /100 (28)d, : DEM (DBM DB0)eXp(0.3z/D) (29)

El modelo incluye un gas en la regin de entrada perfectamente mezclado (ec.27), coalescencia de las burbujas (ec. 28) y crecimiento de las burbujas (ec. 29) comofuncin de la altura de lecho. Las correlaciones desarrolladas por Babu et al.[11]

(ecuaciones 30 y 31) se utilizan para calcular la fraccin de Volumen ocupada por las

burbujas.H 109780! _um )0.738 ppsmdicosB Z Z L0 + o 0.935 0.126 P (30)mf umf Pgs, :11/ B (31)

El modelo hidrodinmico n1as ampliamente utilizado es empleado en el presente

trabajo para determinar la Velocidad de crecimiento de burbuja ecuacion 32.

54


S

u, : u, umf +0.711(gd,)-5 (32)La fraccin de Vacio en el lecho Viene dada por la ecuacin 29.zgb +(lgb)gmf (33)

f

5.1.5 Solucin numrica

El Anexo I muestra un diagrama de la metodologia seguida para la resolucin

del modelo cintico.

l. Se supone un Valor inicial de la conversin total de carbn, XC, asumiendo quees constante a lo largo del lecho de acuerdo con la suposicin de que los slidosestan perfectamente mezclados. Esta Variable depende de las Velocidades dereaccin de las reacciones heterogneas que, a su Vez, son funcin de la

composicin del gas, temperatura y presin de operacin, etc.

2. La eleccin del nmero de pisos es de suma importancia, puesto que determinala precisin del clculo iteratiVo, pudiendo ser motivo de resultados errneos si nose hace correctamente. Se ha optado por elegir un nmero de pisos tal que lascomposiciones resultantes no difieran mas de un 1% si se aumenta en 1000umdades el nmero de pisos por los que se divide la altura del lecho. Bajo este

criterio, se ha estin1ado que n =20000, supomendo un paso (altura del

pisos

Volumen de control) igual a H / n Variable segn el Valor de la altura de lecho.

pisos 9

3. Se consideran para el conjunto de reacciones 7 especies en estado gaseoso,CO, CO2, CH4, H2, HzO, N; y O2. El punto de partida para la resolucin delsistema de 14 ecuaciones diferenciales para las especies consideradas es la zonainferior del lecho, a una altura z = 0 (a la salida de la placa de orificios), donde loscaudales de gases uidizados se calculan previamente. A la entrada del lecho, laconcentracin de los gases en fases burbuja y emulsin es igual (por 5.1.2),adems, se ha temdo en cuenta la Velocidad superficial del gas, Ilo, para el calculo

de la concentracin en ambas fases:

55


CEi (z = o) = CEi (z = o) = (34)4. Se calcula, para el piso k, el diametro de burbuja (db), velocidad de

crecimiento de burbuja (ub), ujo neto (AFEi), fracciones msicas, transferencia

de n1asa y velocidades de reaccin.

5. Uno de los puntos clave del modelo es la forn1a de relacionar el agotamientode la biomasa y la aparicin de los gases a medida que se va desarrollando lacintica de las reacciones gas-slido y gas-gas. Se utiliza una adaptacin de una

frmula que aparece en la publicacin de AVdhesh[5]:fm, (k +1) = fu, (k) +Vvc (k)'Rcia, (k) (35)

, donde Rich, (k) tiene en cuenta las velocidades de reaccin (en el piso k) para el

agotamiento de carbn en las reacciones heterogneas.

6. Se resuelven los balances masicos del piso actual para la obtencin de lasconcentraciones de las fases burbuja y emulsin del piso siguiente. El metodo deresolucin RK4 (Runge-Kutta de orden 4) consiste en evaluar las funciones a 4alturas diferentes dentro del elemento de control, calculando la solucin mediantevalores ponderados de la funcin evaluada en el piso k. Se obtienen los valores deconcentracin para las fases burbuja y emulsin (de todos los componentes) en

cada fraccin de lecho.

7. Finalmente, la fraccin de conversin de carbn/biomasa es calculada a partir

de los caudales molares de char a la entrada del lecho (ecuacin 36), con respecto

a la cantidad que queda a la salida del lecho. La conversin de carbn/biomasa

(XC) se define como:

XC : [1_ ].100(%) (36)

f (z = 0)

8. El res11ltado de la conversin es comparado con el valor previamente asun1ido.

Si el error (dado por la ecuacin 37) es mayor que la tolerancia, la conversin

56


calculada pasa a ser el valor de conversin supuesto y se repiten los pasos 3-7,

hasta que se satisfacen todos los criterios de convergencia.

XC(ZH)Xc(Z:0)

Error = 1-

.1o0(%) (37)

5.2 Simulaciones

A continuacin, se explicara detalladamente la forn1a de resolucin del modelocintico de gasificacin, junto con los valores elegidos para las simulaciones. En elanlisis comparativo se comprobar la validez de las cineticas implementadas,comparando con los resultados experimentales. El analisis de sensibilidad se utilizarapara comprobar un comportamiento de las cineticas implementadas acorde a laexperimentacin. Cualquier valor omitido en el desarrollo del capitulo, puede

encontrarse en el Anexo 2 para un mejor entendimiento de su funcionamiento.

Las referencias utilizadas para cada fragmento del modelo se pueden encontraren la Tabla I]. Para el desarrollo del modelo de Yan[11], se ha buscado el mejorcontraste posible de la informacin utilizando las referencias principales en las que sebasa el paper. Las conclusiones de los resultados obtemdos en la simulacin del modelose atribuiran principalmente a la mezcla de las cineticas (sobretodo a los

rdenes de

magmtud de las velocidades de reaccin), y a las condiciones de operacin utilizadas.

Combustin del [1 1]Reacciones Carbonheterogneas Ecuaciones de [23] Paper de YanJohnson [11]Cintica _ WGSR [24]Reacciones Ecuaciones dehomogeneas Haslam [25]Reacciones heterogneas Paper deReacciones homogneas AVdhesh [5]Datos de partida [11]Hidrodinmica del lecho [9]Agotamiento del char [5]Definicin de ER y valores caractersticos [17]Composicin de voltiles [1 1]Limitaciones de U0 [11], [4], [16]

Tabla ll. Referencias utilizadas para la implementacin del modelo cintico, distinguiendo las cinticasutilizadas.

57


5.2.1 Anlisis comparativo

Se realizan simulaciones tomando como referencia las publicaciones de Yan[11]y Avdhesh[5], utilizando los parmetros geomtricos de una instalacin a escalacomercial, proceso Winkler. Este proceso permite la operacin con practicamentecualquier combustible[12] que presente dimetros de partcula inferiores a lO mm. Laalimentacin se transporta en una cinta hasta llegar a una tolva, conectada al gasificadormediante dispositivo de tomillo sinfn (que regula el caudal de entrada de combustible).Las paredes internas del reactor estan revestidas de n1aterial refractario, paraevitar queel calor se escape al exterior. En la Figura 24 se puede apreciar un esquema delfuncionamiento de esta instalacin. Aguas abajo del gasificador, se introduc

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PFC Simulacion de Gasificacion de Biomasa en Lecho