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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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
cante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
cante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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.
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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.
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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.
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."- - _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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
-
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
-
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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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3 m|el: han Halen: -I - ll Glstei il lFluidizrai c" Flunualul
rWWIUII rrcdlm "' -
Figura 16. Gasicador de lecho uidizado burbujeante(a) y
circulante(b). [21]
-
30
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
-
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
-
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
cante
- 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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
-
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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
Simulacin de gasicacin de biomasa en lecho uidizado burbuj
eante
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