CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL...

CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL

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CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN

EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL

1.1.1.1. MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO

En este apartado se va a proceder a la descripción de la planta piloto, en la cual,

se llevan a cabo las experiencias de gasificación de biomasa.

Posteriormente, se van a describir cada uno de los equipos que están

implantados en dicha planta piloto y su ubicación dentro de la misma.

1.1.1.1.1.1.1.1. UBICACIÓNUBICACIÓNUBICACIÓNUBICACIÓN DE LA PLANTA PILOTODE LA PLANTA PILOTODE LA PLANTA PILOTODE LA PLANTA PILOTO

La planta piloto está ubicada en el edificio de laboratorios de la Escuela

Superior de Ingenieros de Sevilla, situada en la Isla de la Cartuja; concretamente en la

planta baja del ala L5, destinada al Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.

Dicha planta piloto ya ha sido explicada con anterioridad en el Proyecto Fin de

Carrera de Juan Carlos Vázquez; por lo que se va a proceder a indicar, simplemente,


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las características de los equipos que están actualmente siendo utilizados para los

experimentos llevados a cabo y las modificaciones de ubicación de algunos de los

equipos.

1.2. LÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASESLÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASESLÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASESLÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASES

Figura 7: Figura 7: Figura 7: Figura 7: Esquema de la línea de alimentación de gases

Reactor de

lecho fluido

Horno eléctrico

de vapor

Bomba

peristáltica

Depósito de

agua

R

Rotámetro de

Entrada de aire

Manorreductor

de aire de entrada

Línea de aire

a alta presión

Controlador

másico de N2

Controlador

másico de CO2

Controlador

másico de H2

Instalación de

suministro de N2

Bombona de N2

Bombona de N2

auxiliar

Bombona de CO2

Bombona de H2

Bombona de CO

Línea de aire

a alta presión

L=0,94 m L=0,91 m

L(tub)=0,8 m

L(horno)=0,6 m

Cable calefactor 1


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1.2.1.1.2.1.1.2.1.1.2.1. BombonasBombonasBombonasBombonas

ImagenImagenImagenImagen 1: 1: 1: 1: Bombonas de gas

• Bombona de nitrógeno (N2): proporcionada por la empresa

Carburos Metálicos. Las características son las siguientes:

Número: 3 bombonas, de las cuales, 2 están colocadas en la

instalación de suministro de nitrógeno a la línea de alimentación y 1

está de reserva.

Presión de carga: 200 bar a 15 ºC

Capacidad: 50,5 L

Pureza: 99,9992 %

• Bombona de dióxido de carbono (CO2): proporcionada por la

empresa Carburos Metálicos. Las características son las siguientes:

Número: 1 bombona

Presión de carga: 49,5 bar a 15 ºC

Capacidad: 50,3 L

Pureza: 99,99 %


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• Bombona de hidrógeno (H2): proporcionada por la empresa

Carburos Metálicos. Las características son las siguientes:

Número: 1 bombona


Capacidad: 50 L

Pureza: 99,995 %

• Bombona de monóxido de carbono (CO): proporcionada por la

empresa Air Liquid. Las características son las siguientes:

Número: 1 bombona


Capacidad: 50 L

Pureza: 99,997 %

1.2.2.1.2.2.1.2.2.1.2.2. Manorreductor con regulación de presión para nitrógenoManorreductor con regulación de presión para nitrógenoManorreductor con regulación de presión para nitrógenoManorreductor con regulación de presión para nitrógeno

Ambas bombonas de nitrógenos están conectadas a un sistema de

manorreductores que nos permiten bajar su presión antes de que llegue al

Mass-Flow. Estos manorreductores están construidos en material de acero

inoxidable y sus rangos de presión y utilidades son los siguientes:

o Primer manorreductor: 0-300 bar. Indica la presión que tiene la

bombona de nitrógeno que se esté utilizando en ese momento.


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o Segundo manorreductor: 0-16 bar. Indica la presión a la que se

encuentra la línea aguas arriba de la válvula situada tras el primer

manorreductor.

o Tercer manorreductor: 0-4 bar. Indica la presión a la que se

encuentra la línea aguas arriba de la válvula situada tras el segundo

manorreductor, es decir, la presión a la que el gas va a llegar al

mass-flow. Dicha presión debería de ser un valor ligeramente

superior a 2 bar

.

ImagenImagenImagenImagen 2: 2: 2: 2: Manorreductor de nitrógeno

1.2.2.1. Mass-flow

Un mass-flow es un equipo que, a través de un software informático

instalado en el ordenador, nos permite introducir en el reactor un caudal

concreto de cada uno de los gases que compongan la alimentación al

reactor en cada una de las pruebas.


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ImagenImagenImagenImagen 3: 3: 3: 3: Mass-flow

Los tres mass-flow que están instalados actualmente en la

planta piloto son de la marca BRONKHORST y las especificaciones de cada

uno de ellos son las siguientes:

o Canal 2: es el mass-flow diseñado para controlar el caudal de

hidrógeno.

Modelo:

Caudal máximo: 10 Nl/min de hidrógeno

Fluid 1: H2

Fluid 4: CO cuyo caudal máximo es de 9,909 Nl/min


nitrógeno.

Modelo:

Caudal máximo: 50 Nl/min de nitrógeno

Fluid 1: N2


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dióxido de carbono.

Modelo:

Caudal máximo: 20 Nl/min

Fluid 1: CO2

Fluid 4: CO

1.2.3.1.2.3.1.2.3.1.2.3. Manorreductor de aireManorreductor de aireManorreductor de aireManorreductor de aire

Se requiere de un manorreductor en la línea de aire comprimido debido

a que dicho fluido proviene del compresor exterior al ala L5 y es suministrado

a una presión de 6 bares.

Se trata de un solo manorreductor cuya función es bajar la presión de 6

bares a, aproximadamente, 1,3 bares.

Características:

o Marca: Joucomatic

o Rango: 0-10 bares

o Tiene instalado un filtro previo al manorreductor, ya que la línea de

aire comprimido normalmente trae una cantidad de agua no

despreciable. Con este filtro se trata de evitar la corrosión del

manorreductor por condensación de agua.


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1.2.4.1.2.4.1.2.4.1.2.4. Rotámetro de aireRotámetro de aireRotámetro de aireRotámetro de aire

o Tipo: horizontal con escala sobre tubo

o Material piezas de unión: acero inoxidable 316

o Material tubo: vidrio borosilicatado

o Material flotador: acero inoxidable 316

o Rango de caudal: 0-40 Nl/min

o Presión diseño : 1 bar

o Temperatura diseño: 25 ºC

1.2.5.1.2.5.1.2.5.1.2.5. Bomba peristáltica Bomba peristáltica Bomba peristáltica Bomba peristáltica

La bomba peristáltica tiene la función de dar el caudal de agua

requerido en cada prueba, tomando dicho fluido de un depósito situado a una

cota superior para evitar que se produzca el descebado de la bomba. El caudal

de agua a dosificar se modifica a través de un control de velocidad escalado

que se encuentra en la parte delantera del equipo, dicho control tiene un rango

de 1-99%.

ImagenImagenImagenImagen 4: 4: 4: 4: Bomba peristáltica


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Las características de la bomba son las siguientes:

o Marca: DINKO Modelo D-25V

o Fluido: agua destilada y desionizada

o Temperatura de trabajo: temperatura ambiente

o Material tubos: silicona

o Diámetro del tubo interior: 1,6 mm

o Altura que da la bomba: 1 bar

o Alimentación monofásica a 220 V

o Curva de calibración:

1.2.6.1.2.6.1.2.6.1.2.6. Horno vapor Horno vapor Horno vapor Horno vapor

Imagen 5: Imagen 5: Imagen 5: Imagen 5: Horno eléctrico de vapor


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Se trata de un horno tubular de la marca Carbolite

Dimensiones exteriores horno:

Ancho= 300 mm

Alto= 350 mm

Longitud= 600 mm

Dimensiones interiores horno:

Diámetro= 65 mm

Longitud= 600 mm

Tubo interior: acero inoxidable con un diámetro de 1”.

Temperatura máxima= 1000 º C

Potencia= 3000W

Termopar tipo K conectado a un PID que es el que controla la

temperatura del horno

Calorifugado con un refractario de tipo fibra cerámica

Elemento calefactor: hilo resistivo


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1.2.7.1.2.7.1.2.7.1.2.7. Cables calefactoresCables calefactoresCables calefactoresCables calefactores

o Cable 1: Cable que calorifuga, enrollándolo de forma helicoidal, la

tubería de 1“ que viene del horno de vapor desde la salida del mismo

hasta el codo que se encuentra justo antes de la brida del

precalentador.

Las características son las siguientes:

Marca: HORST

Temperatura máxima: 450 ºC

Longitud: 1 m

Potencia: 100 W a 230 V

o Cable 2: Cable que calorifuga, enrollándolo de forma helicoidal,

desde el codo, a través de la brida, hasta que la línea del

precalentador entra en el horno del reactor. Este cable comienza

justo donde termina el anterior.


Marca: HORST

Temperatura máxima: 450 º C

Longitud: 2 m

Potencia: 250 W a 230 V

1.3. REACTOR DE LECHO FLUIDO REACTOR DE LECHO FLUIDO REACTOR DE LECHO FLUIDO REACTOR DE LECHO FLUIDO


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1.3.1.1.3.1.1.3.1.1.3.1. Reactor lecho fluido Reactor lecho fluido Reactor lecho fluido Reactor lecho fluido

El reactor de lecho fluido está construido en acero inoxidable AISI 316,

es un nuevo reactor que ha sido instalado en diciembre de 2012 y sus

dimensiones son aproximadamente iguales que las del reactor anteriormente

instalado en la planta piloto. Este reactor está constituido por tres zonas

diferenciadas: zona de calentamiento, zona del lecho y zona del freeboard.

o Zona de calentamiento

En esta zona se encuentra el distribuidor de gases y, al final del

mismo, el plato distribuidor.

El distribuidor, para un número determinado de pruebas, tenía en su

interior chinos de forma irregular, con un diámetro medio de 5 mm,

hasta una altura aproximada de 70 mm. Para poder sostener estos

chinos se ha colocado una tela metálica de luz de malla de 2 mm en la

parte inferior del precalentador y una tela metálica de luz de malla

menor a 250 �m, cuya función es retener los finos que puedan caer a

través del plato, procedentes de la zona de lecho. Posteriormente, hubo

que retirar dichos chinos porque, debido a las altas temperaturas que se

alcanzan en el horno del reactor, se apelmazaron pegándose unos a

otros y ello provocó una elevada pérdida de carga en la línea de entrada

de gases.

El precalentador tiene las siguientes dimensiones:

Diámetro= 31 mm

Longitud=123 mm

El plato distribuidor de gas tiene las siguientes características:


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Plato perforado

Diámetro 135 mm

Espesor de 4mm

21 agujeros de 0,75 mm de diámetro

o Zona del lecho

Características:

Diámetro= 53 mm

Longitud=200 mm

o Zona del freeboard

Al final de la zona de lecho se produce un ensanchamiento de 50

mm de longitud, a partir del cual, se localiza la zona de freeboard.

Características:

Diámetro= 81 mm

Longitud= 250 mm

1.3.2.1.3.2.1.3.2.1.3.2. Horno del reactor Horno del reactor Horno del reactor Horno del reactor

El reactor requiere de un horno para calorifugar las tres zonas

anteriormente definidas.

Las características del horno son las siguientes:

Marca: Termolab

Tipo: horno vertical de forma tubular

Alimentación: 400V/50 Hz


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Potencia: 10 KW repartidas en 2 zonas de 6 resistencias cada

una


Dimensiones:

Longitud= 650 mm

Diámetro= 90 mm

El horno se controla a través de un cuadro eléctrico con 2 PID. El

control de temperatura se lleva a cabo por 2 termopares de tipo K insertados en

la zona de freeboard y del lecho. Además dicho cuadro de control tiene función

programadora para mantener el set point establecido.

Imagen 6: Imagen 6: Imagen 6: Imagen 6: PID´s de control de temperatura en el reactor

1.3.3.1.3.3.1.3.3.1.3.3. Descarga de cenizas Descarga de cenizas Descarga de cenizas Descarga de cenizas

El reactor tiene dos tubos roscados que permiten la descarga de las

partículas más finas del lecho fluidificado. Dichas partículas discurren por un


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tubo de 12 mm de diámetro hasta depositarse en un depósito, antes del cual, se

encuentra una válvula de bola de bola.

Las dimensiones del depósito de recogida de cenizas son las siguientes:

Material: acero AISI 310

Diámetro= 71 mm

Longitud= 70 mm

Espesor= 1 mm

1.3.4.1.3.4.1.3.4.1.3.4. Tolva de alimentación Tolva de alimentación Tolva de alimentación Tolva de alimentación

Se utiliza para la alimentación en discontinuo al reactor. Está fabricada

en acero 316 L y unida al reactor a través de una brida del mismo material.

Consta de: un tapón roscado, 2 válvulas de bola de 1 “ y 2 tolvas, una

tolva colocada justo antes de cada válvula.

1.4. LÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTOLÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTOLÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTOLÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTO

Como puede observarse en la `Figura 9´ hay dos configuraciones posibles para

la línea de salida de gases. Así los gases pueden dirigirse al depósito anti retorno o

hacia el portafiltros.


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En todas las pruebas llevadas a cabo para la obtención de los datos

experimentales expresados en este Proyecto Fin de Carrera, los gases han pasado por el

depósito anti retorno y los borboteadores de aceite.

La configuración alternativa expresada en la siguiente figura, se utiliza cuando

se realizan pruebas en las que se hace necesaria la recogida de alquitranes. Por

ejemplo, en los ensayos experimentales con lodos de depuradora.

Figura Figura Figura Figura 9999: : : : Esquema de la línea de salida de gases

1.4.1.1.4.1.1.4.1.1.4.1. Ciclón Ciclón Ciclón Ciclón

Se requiere de dicho equipo para que se depositen las partículas que

hayan sido arrastradas del lecho y vayan por la línea de salida de gas.

Reactor Lecho Fluido

Ciclón

Depósito Cenizas

Depósito Antiretorno

Borboteadores Aceite Torre Refrigeración

Baño Refrigeración

Exterior

Filtro

Analizador

Portafiltros

Tren Muestreo

Tren Limpieza


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Imagen 7: Imagen 7: Imagen 7: Imagen 7: Ciclón y depósito de recogida de partículas

Tiene las siguientes características:

Material: acero inoxidable 316

Dimensiones:

Longitud= 117 mm

Diámetro= 112 mm

Espesor= 3 mm


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Figura 10: Figura 10: Figura 10: Figura 10: Plano del ciclón


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1.4.2.1.4.2.1.4.2.1.4.2. Depósito Depósito Depósito Depósito anti retornoanti retornoanti retornoanti retorno

Su función es retener el aceite que pueda retroceder de los

borboteadores de aceite y que dicho fluido no llegue al ciclón ni al reactor.

En el caso de que se produzca un desequilibrio de presiones en el

sistema y el gas pudiese circular en sentido contrario, es decir, hacia el reactor

de nuevo, las condensaciones y aceite, que acompañen a dicho gas, quedan en

este depósito antirretorno.

Se trata de un depósito cilíndrico fabricado en acero inoxidable AISI

316.

Imagen 8: Imagen 8: Imagen 8: Imagen 8: Depósito anti retorno


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Tiene las siguientes dimensiones:

Longitud=310 mm

Diámetro = 58 mm

Espesor pared= 2 mm

Volumen interior= 2,29 * 10 -3 m2

1.4.3.1.4.3.1.4.3.1.4.3. Borboteadores aceiteBorboteadores aceiteBorboteadores aceiteBorboteadores aceite

Su función es retener los alquitranes que acompañan al gas de

combustión. En el interior de cada borboteador hay, aproximadamente, 2,5

litros de aceite de girasol comercial. Cada borboteador tiene una válvula de

bola de 1” en su parte inferior, para facilitar la descarga del aceite usado, en la

operación de limpieza del borboteador.

Imagen 9: Imagen 9: Imagen 9: Imagen 9: Borboteador de aceite


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Actualmente, en el laboratorio se dispone de tres borboteadores de

aceite, dos en uso y uno de reserva. El hecho de que tan sólo haya 2 en la línea

de salida de gases es para reducir la pérdida de carga.

Además, el primero de los borboteadores por los que pasa el gas, tiene

un serpentín interior para refrigeración. Esto se debe a que el aceite puede

alcanzar temperaturas elevadas durante pruebas de larga duración. El

refrigerante utilizado puede ser agua u otro compuesto.


Número de borboteadores: 2

Dimensiones:

Longitud= 360 mm

Diámetro= 120 mm

1.4.4.1.4.4.1.4.4.1.4.4. Torre de refrigeraciónTorre de refrigeraciónTorre de refrigeraciónTorre de refrigeración

Debido a las exigencias de pureza con las que ha de llegar el gas de

combustión al analizador de gases, situado al final de la línea, se requiere de

una torre de refrigeración donde puedan condensar las impurezas y el vapor

de agua que aún sigan acompañando al gas de combustión. Las condensaciones

son recogidas en un recipiente esférico conectado a la base de la torre.

La torre tiene un serpentín interior por el que circula el refrigerante,

que proviene del baño térmico. Dicho refrigerante está compuesto por dos

sustancias al 50%: etilenglicol puro y etanol.


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Imagen 10: Imagen 10: Imagen 10: Imagen 10: Torre de refrigeración

Las características de la torre son las siguientes:

Material: vidrio

Forma: cilíndrica

Dimensiones:

Longitud= 600 mm

Diámetro= 45 mm

1.4.5.1.4.5.1.4.5.1.4.5. Filtro Filtro Filtro Filtro

El filtro ha de retener las partículas que acompañan tan sólo al gas de

combustión que va al analizador de gases; ya que si todo el gas de combustión

pasase por dicho filtro, este se obstruiría más frecuentemente, lo que sería

demasiado caro. Además, ha de tener la capacidad de retener la humedad y los


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alquitranes no eliminados en los equipos anteriores. El filtro se encuentra

ubicado en el interior de un portafiltros de acero inoxidable.


Marca: Whatman

Material: microfibra de vidrio


Dimensiones:

Longitud= 90 mm

Diámetro= 19 mm

1.4.6.1.4.6.1.4.6.1.4.6. Analizador de gases Analizador de gases Analizador de gases Analizador de gases

Este equipo es el encargado, como bien indica su nombre, de analizar el

gas de combustión obtenido en la reacción que se da en el reactor de lecho

fluido. Los datos obtenidos del analizador se pueden visualizar en un

ordenador, pasando previamente los mismos por una tarjeta de adquisición de

datos para convertirlos a valores legibles por el usuario. Finalmente, se requiere

de la instalación de un software en el ordenador para la lectura de los datos de

salida de la tarjeta de adquisición.

El equipo realiza el análisis por las técnicas de: infrarrojo no dispersivo

(NDIR) y ultravioleta no dispersivo (NDUV).


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El equipo tiene los siguientes módulos de análisis:

Ultramat: mide la concentración de CO, CO2 y CH4

Oxymat: mide la concentración de O2

Calomat: mide la concentración de H2


Marca: Siemens

Caudal máximo a analizar: 3,5-4 l/min

Imagen 11: Imagen 11: Imagen 11: Imagen 11: Analizador de gases (Módulos Ultramat, Oxymat y Calomat)


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1.4.7.1.4.7.1.4.7.1.4.7. Cromatógrafo de gasesCromatógrafo de gasesCromatógrafo de gasesCromatógrafo de gases

Imagen 12: Imagen 12: Imagen 12: Imagen 12: Cromatógrafo de gases

Es un detector que, por conductividad térmica, analiza el gas de

combustión obtenido en el reactor. El gas inyectado al equipo se puede obtener

de dos formas:

o Realizando extracciones, con jeringas de acero inoxidable, en la

línea de salida del filtro.

o El equipo realiza extracciones en continuo directamente de la línea

que llega al analizador de gases.

El cromatógrafo es de la marca Agilent y el modelo 3000 micro GC.

1.4.8. Configuraciones de la línea de salidaConfiguraciones de la línea de salidaConfiguraciones de la línea de salidaConfiguraciones de la línea de salida

Ha de explicarse que dependiendo de la etapa del proceso y el gas de

fluidización, el gas de salida del reactor pasa por unos equipos u otros.


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En primer lugar, en las pruebas en las que el vapor está presente en el

gas de fluidización, se distinguen dos configuraciones. En la etapa de pirólisis y

combustión, el gas de salida pasa por los borboteadores de aceite, cuya función

es la retención de alquitranes. Sin embargo, en la etapa de gasificación, el gas

no pasa por dichos borboteadores y pasa por un borboteador, refrigerado con

hielo, que contiene agua destilada. Esto se debe a que en esta etapa no se

producen alquitranes; además, si se hiciese pasar el gas por los borboteadores

de aceite, el vapor arrastrado condensaría en los mismos.

En segundo lugar, en aquellas pruebas que no haya vapor, tenemos

igualmente dos configuraciones. En la etapa de pirólisis y combustión, la

configuración es igual a la descrita en las pruebas con vapor. Sin embargo, en

la etapa de gasificación el gas de salida del reactor no pasa por los

borboteadores de aceite, ni por ningún otro borboteador. Así pasaría

directamente desde el depósito anti retorno hacia la torre de refrigeración.


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2. DESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADASDESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADASDESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADASDESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADAS

2.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En primer lugar, el reactor de lecho fluido en el que han sido realizadas todas

las pruebas ha de calentarse hasta una determinada temperatura. Este calentamiento

se lleva a cabo controlando la temperatura a partir de dos PID´s instalados en la zona

de freeboard y en la zona de lecho. El gas de fluidización utilizado es aire y el lecho

está compuesto por, aproximadamente, 300 gramos de bauxita, material inerte, con

una granulometría de 0,25-0,5 mm.

Una vez el reactor está a la temperatura exacta a la que se va a realizar el

ensayo, se deja de alimentar aire y se empieza a alimentar N2. Una vez el oxígeno se ha

eliminado por completo del sistema, se alimenta una cantidad determinada de biomasa

al reactor, de forma discontinua

La biomasa se somete a las tres etapas, ya descritas en otro capítulo anterior:

pirolisis, gasificación y combustión.

• Pirólisis: Pirólisis: Pirólisis: Pirólisis: la velocidad de fluidización es, aproximadamente en todas

las pruebas, de 0,5 m/s. En la etapa de pirolisis, la partícula de

combustible disminuye, aproximadamente, un 20 % su volumen. El

tiempo de pirolisis viene determinado por el tiempo que el

monóxido y dióxido de carbono tardan en llegar de nuevo a un

valor cercano a 0 en el gas de salida.


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• Gasificación:Gasificación:Gasificación:Gasificación: en esta etapa ha de indicarse que no se ha podido

realizar la gasificación completa, debido a que según la temperatura

y el gas de fluidización, esto puede tardar un tiempo elevado. Así se

decide gasificar un tiempo concreto, según la temperatura de la

prueba que se esté realizando, de forma que no hay que esperar

hasta que la concentración de monóxido de carbono esté cercana a

cero. El gas de fluidización en gasificación se compone de distintos

componentes (N2, CO2, H20, CO, H2) y proporciones según el ensayo

que esté llevándose a cabo.

• Combustión: Combustión: Combustión: Combustión: en esta etapa el gas de fluidización es aire con un

caudal, aproximado, de 10 Nm3/h. La función de la etapa de

combustión es quemar el char que ha quedado en el reactor tras la

gasificación.

2.2.2.2.2.2.2.2. MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS

El método se basa en conocer la cantidad de char que queda en el reactor tras

un determinado tiempo de gasificación. La forma de cuantificar, aproximadamente,

dicha cantidad es registrando las concentraciones de los productos de gasificación y

combustión; ya que a partir de las concentraciones se pueden calcular cuántos moles

de char se están gasificando en cada momento, es decir, se puede obtener la velocidad

de reacción a diferentes estados de conversión.


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En el laboratorio se dispone de un micro cromatógrafo, equipo que permite

medir la concentración de hidrógeno exacto sin interferencias. El problema es que

dicho equipo trabaja en discontinuo y toma medidas cada 3-4 segundos.

En un número determinado de pruebas, se ha utilizado dicho cromatógrafo

para analizar los gases de combustión. Las medidas fueron tomadas con jeringas de

acero inoxidable cada 20-30 segundos. Es necesario tomarlas así para salvar el

problema expuesto anteriormente, ya que los datos más importantes transcurren

durante los tres primeros minutos.

En estas pruebas se mantuvo la gasificación durante un determinado período

de tiempo y durante la combustión se tomaron medidas, para ser analizadas con el

cromatógrafo. Así puede determinarse la cantidad de char que queda en el reactor tras

la etapa de gasificación. Este método se emplea para comprobar que los resultados

obtenidos con el cromatógrafo son iguales a los obtenidos con el analizador de gases;

de forma que puede decirse que los resultados obtenidos con ambos métodos son

válidos.

2.3. CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS

Las pruebas que se han llevado a cabo para la obtención de datos y posterior

estudio cinético de los mismos, han sido bajo las condiciones de operación descritas a

continuación, las cuales han sido desarrolladas en el artículo de S. Nilsson y otros1.

Los ensayos se han realizado a cinco temperaturas distintas: 760, 800, 840 y

900 ºC. La cantidad de biomasa utilizada ha estado comprendida entre 3 y 8 gramos,

dependiendo de la temperatura de la prueba. La velocidad superficial del gas ha sido,


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aproximadamente, en todas las pruebas de 0,5 m/s. La biomasa alimentada tenía un

tamaño comprendido entre los dos siguientes rangos: 1-2,8 mm y 2,8-4 mm.

Cada uno de los ensayos realizados se han repetido dos veces para evitar

errores en los resultado obtenido, los cuales, son una media de ambos ensayos.

En la etapa de gasificación el gas de fluidización ha tenido distintas

composiciones según la prueba a realizar:

o N2 + H2O (presiones parciales de 0,20; 0,30 y 0,40 bar)

o N2 + CO2 (presiones parciales de 0,10; 0,20 y 0,40 bar)

o N2 + CO2 (0,20 bar)+ CO (0,10 bar)

o N2 + H2O (0,20 bar) + H2 (0,10 bar)

o N2 + CO2 (0,20 y 0,40 bar) + H2O (0,20 bar)

Habría de tenerse en cuenta que la presión total en el lecho del reactor era la

atmosférica para todos los experimentos.

2.4. TRATAMIENTO PREVIO DEL TRATAMIENTO PREVIO DEL TRATAMIENTO PREVIO DEL TRATAMIENTO PREVIO DEL MATERIALMATERIALMATERIALMATERIAL

El material utilizado en estas pruebas es poda de olivo, el cual es generado en

las labores de limpieza del olivar tras la recogida de la cosecha.

En principio, se alimentaron al reactor pellets de 1 gramo, los cuales son

realizados manualmente a partir de la poda de olivo molida, de la que se dispone.

Dichos pellets tienen unas medidas de 10 mm de diámetro y 15 mm de longitud.

Debido a la gran cantidad de pellets necesarios para la realización de las

pruebas diarias y considerando el tiempo que se pierde en la producción de los


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mismos, se opta por fabricar 5 kg de pellets en una peletizadora, con unas

dimensiones aproximadas de 6 mm de diámetro y entre 10 y 30 mm de longitud.

Tras la recepción de estos pellets, se utilizan los de un tamaño comprendido

entre 10 y 15 mm para las pruebas, lo cual se debe a la limitación impuesta por la

tolva de alimentación al reactor.

Con posterioridad, el tamaño de estos pellets ha tenido que ser reducido en un

molino y, al no obtenerse un tamaño homogéneo, han tenido que ser clasificados

haciéndolos pasar por tamices moleculares de: 1, 2.8, 4 y 5 mm. Esto se debe a que la

velocidad de gasificación se ve afectada por los efectos de difusión interna, que se

observan en las partículas más grandes, en el rango de temperaturas estudiado.

Los rangos de tamaños obtenidos son los siguientes:

• 5-4 mm

• 4-2,8 mm

• 2,8-1 mm

• <1 mm


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3. TRATAMIENTO DE DATOSTRATAMIENTO DE DATOSTRATAMIENTO DE DATOSTRATAMIENTO DE DATOS

Hay dos formas generales de expresar la reactividad3:

� = − 1�� −�� ∗

�(� −��)��

�� = − 1�� −�� ∗

�(� −��)��

La expresión del grado de conversión puede definirse3,6:

� = 1 − �� −�� −�� = (�� −�)

��

� �� : masa de char antes de comenzar la gasificación

� �� : masa de cenizas o masa de biomasa que queda tras la gasificación

� �: masa de char en un tiempo t

A partir del grado de conversión pueden relacionarse ambas expresiones de

reactividad:

�� = � ∗ (1 − �)

3.1. DETERMIDETERMIDETERMIDETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA NACIÓN DE LA CINÉTICA NACIÓN DE LA CINÉTICA NACIÓN DE LA CINÉTICA

En principio, han de determinarse los efectos que tienen la temperatura y la

presión parcial de CO2 y H2O en la velocidad de gasificación del char para una

conversión del 20 %. La cinética de Langmuir-Hinshelwood es la elegida:


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Reacción con CO2:

� = ��1 +�� + ��

Reacción con H2O:

� = ��1 +�� + ��

Para ello se llevan a cabo ensayos con CO2-N2 y H20-N2, lo que nos permite

determinar los valores de k1 y k2, a partir de la ecuación de Arrhenius expresada en el

capítulo anterior. Esto se debe a que las concentraciones de CO y H2, respectivamente,

en el reactor son bajas. Así puede suponerse que ��≈0 y ��≈0.

Los valores de k3 se obtienen a partir de los datos de los ensayos con mezclas de

dióxido y monóxido de carbono y vapor de agua e hidrógeno. Estas pruebas se llevan a

cabo a 760, 800 y 840 para la gasificación con CO2 y a 800, 840 y 900 para la

reacción con H206.

El modelo cinético empírico de orden `n´ ha sido empleado para caracterizar el

efecto del estado de conversión. Esto se debe a que es un modelo sencillo que

representa bien las velocidades de conversión para conversiones comprendidas entre

0,5-1. La velocidad de conversión puede ser expresada6:

� = ��(1 − �)�

� ��: velocidad de conversión para x=0

La velocidad de reacción a bajas conversiones se ve afectada por un período

transitorio generado antes de que el gas rodee a la partícula de char alcanzando el


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estado estacionario. Esto provoca que los resultados obtenidos a bajar conversiones

sean inciertos6.

Para el tratamiento de los resultados experimentales y las conclusiones

obtenidas a partir de ellos, que se exponen en este proyecto se ha empleado una

conversión del 20 % como referencia para obtener la cinética de gasificación. Así este

modelo queda de la siguiente forma:

� = �� 1(1 − 0.20)� (1 − �)�

3.2. OBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROOBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROOBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROOBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROSSSS CINÉTICOS CINÉTICOS CINÉTICOS CINÉTICOS

Para determinar la cinética de gasificación hay que hallar experimentalmente

los valores de los parámetros que engloban k1, k2 y k3, cuya expresión tiene forma de

ecuación de Arrhenius. Estos parámetros pueden obtenerse mediante distintos

métodos, los cuales se expresan a continuación.

3.2.1.3.2.1.3.2.1.3.2.1. Método 1Método 1Método 1Método 1

En este método6, para calcular los valores de los parámetros cinéticos k1

y k2 se realizan las pruebas con H2O y CO2 por separado, para obtener la

reactividad para ambas reacciones. Así con los valores de reactividad, a un

grado de conversión determinado, y las presiones parciales de dichos

compuestos en el gas de fluidización, por regresión lineal pueden ser

calculados Ei y Ai. Al tener estos dos últimos parámetros y conocer la

temperatura a la que se ha llevado a cabo el ensayo, puede obtenerse

fácilmente los valores de los parámetros cinéticos k1 y k2.


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Para calcular el valor de k3, el gas de fluidización ha de contener CO2 y

CO o H2O y H2. Al igual que lo descrito anteriormente, con el valor obtenido de

la reactividad y la presión parcial de ambos gases, se calculan los valores de Ei y

Ai. Así ya puede obtenerse el valor del parámetro cinético k3.

3.2.2. Método 2 Método 2 Método 2 Método 2

El objetivo de este método7 es obtener, para cada prueba experimental,

el tiempo necesario para alcanzar un 90 % de conversión de char. La relación

entre dicho tiempo y los parámetros cinéticos es la siguiente:

� � = ! 1(1 − �) ∗ "(�) �� = 1

� !1

(1 − �) ∗ #(�) ��.

�

�.

�

En primer lugar, se realizan experiencias solo con N2 y CO2 o H2O,

siendo la presión parcial del reactivo baja y constante. Los datos obtenidos se

ajustan a una recta por mínimos cuadrados, de forma que se obtiene A1 y E1.

A continuación, las pruebas experimentales son las mismas, pero la

presión parcial del reactivo ha de ser alta y constante. Se procede de igual

forma a lo descrito anteriormente con los datos obtenidos y se calcula A2 y E2.

Por último, los ensayos se realizan con inerte N2, reactivo CO2 o H2O e

inhibidor H2 o CO. Con los resultados obtenidos en estas últimas experiencias

puede ajustarse la ecuación a una curva, con la forma de la expresión de t90,

obteniéndose A3 y E3.


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3.2.3. Método 3 Método 3 Método 3 Método 3

En este caso8, la determinación de k1, k2 y k3, para cada temperatura, se

obtiene por regresión lineal multivariable, a partir de la siguiente ecuación

lineal:

1"$� =

�� +

1��%�� +

��%��%��

Una vez obtenidos dichos parámetros, los valores de energía de

activación (E1, E2 y E3) y los valores de los factores de frecuencia (A1, A2 y A3),

se calculan mediante una regresión no lineal aplicada a la ecuación de

Arrhenius correspondiente a cada parámetro.

�& = '& exp(−+&/"-)


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4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES RESULTADOS Y CONCLUSIONES RESULTADOS Y CONCLUSIONES RESULTADOS Y CONCLUSIONES

En primer lugar, se han realizado pruebas, con partículas de tamaño medio de

3,2 y 1,9 mm, a 900 ºC. Los ensayos se llevaron a cabo para la reacción con gas de

fluidización de vapor de agua y nitrógeno, ya que esta reacción es, aproximadamente,

tres veces más rápida que la reacción con dióxido de carbono. Los datos obtenidos

son6:

o Para pH2O=0,20 bar y tamaño medio de partícula de 3,2 mm, la

velocidad de reacción, para una conversión de 0,20, es 5,5*10-3 s-1

o Para pH2O=0,20 bar y tamaño medio de partícula de 1,9 mm, la

velocidad de reacción, para una conversión de 0,20, es 6,6*10-3 s-1

En estos resultados se pueden observar los efectos de difusión entre ambos

tamaños de partículas. Así pues, se decide realizar las siguientes pruebas con el menor

tamaño de partícula y en el rango de temperaturas de 760-840 º C; de las cuales se

obtiene la cinética intrínseca, según el método desarrollado en el apartado anterior.

4.1. COMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECACOMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECACOMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECACOMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECA

4.1.1. ComposiciónComposiciónComposiciónComposición del gas y temperaturadel gas y temperaturadel gas y temperaturadel gas y temperatura

Se han realizado pruebas con CO2-N2 y H2O-N2 a distintas

temperaturas y presiones parciales de los gases para determinar su influencia

en la velocidad de gasificación. Los resultados obtenidos de los ensayos han


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concluido que la reacción con vapor de agua es del orden de 3-4 veces más

rápida6.

Se han llevado a cabo experimentos con CO2-CO-N2 y H2O- H2-N2

para determinar los efectos de inhibición en ambas velocidades de reacción. Se

ha observado que dichos efectos no pueden ser despreciados y, además, se

observa que la inhibición en más importante a bajas temperaturas; lo que

concuerda con los resultados mostrados por otros investigadores2,3,4,5.

4.1.2. Estado de conversión del charEstado de conversión del charEstado de conversión del charEstado de conversión del char

Se ha observado que el orden de reacción `n´ para la composición de

gas de fluidización H2O-N2 varía con la temperatura; mientras que es,

prácticamente, constante e igual a 1,4 para la reacción con CO26. Además, ha

de indicarse, que según los resultados obtenidos, la influencia de la presión

parcial en el gas de alimentación al reactor no afecta al orden de reacción.

4.1.3. Comprobación de efectos difusionalesComprobación de efectos difusionalesComprobación de efectos difusionalesComprobación de efectos difusionales

Para determinar la influencia de las limitaciones de difusión en la

gasificación se estima el valor de la velocidad de reacción intrínseca a 900 º C.

Los resultados se muestran a continuación6:

o Para pCO2=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una conversión

de 20%, es 3,3*10-3 s-1


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o Para pH2O=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una conversión

de 20%, es 8,5*10-3 s-1

Experimentalmente, se realizaron pruebas con las mismas condiciones

de operación pero a 900 º C y se obtuvieron los siguientes datos6:

o Para pCO2=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una

conversión de 20%, es 2,8*10-3 s-1

o Para pH2O=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una

conversión de 20%, es 6,6*10-3 s-1

A la vista de los resultados obtenidos puede decirse que las limitaciones

de difusión afectan a la velocidad de reacción con H20 a 900 º C. Así, la

decisión tomada de obtener la cinética intrínseca en un rango de temperaturas

menor, puede considerarse como correcta.

Sin embargo, los resultados obtenidos con el gas de fluidización H2O- H2-N2 no

se ven afectados por las limitaciones de transferencia de masa, debido a que la

velocidad de reacción, en este caso, es menor por los efectos de inhibición.

4.1.4. Gasificación simultánea, COGasificación simultánea, COGasificación simultánea, COGasificación simultánea, CO2222 y Hy Hy Hy H2222OOOO

Se han llevado a cabo ensayos con pCO2=0,20/0,40 bar y pH2O=0,20 bar

a distintos tiempos de gasificación en el rango de temperaturas 760-840 º C. Se

han comparado la suma de las velocidades individuales de reacción con las

velocidades de reacción obtenidas experimentalmente en estos ensayos. Al

observarse la similitud de la comparativa, se puede asumir que la suma de las


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velocidades de reacción individuales se asemeja, considerablemente, a los

resultados experimentales obtenidos6.

4.2. CONCLUSIONES CONCLUSIONES CONCLUSIONES CONCLUSIONES

Se ha estudiado la velocidad de gasificación de char de poda de olivo en un

reactor de lecho fluido, en el rango de temperaturas de 760-900 º C. El gas de

alimentación utilizado en las pruebas tenía distintas composiciones de CO2, CO, H2O y

H2.

La cinética de Langmuir-Hinshelwood ha sido obtenida en un rango más bajo

de temperaturas, entre 760-840 º C, para un tamaño de partícula de 1,9 mm. La

aplicación de estas condiciones al estudio experimental se debe a las limitaciones de

transferencia de masa que son más significativas a mayores temperaturas y tamaños y

de partículas.

Se ha comprobado experimentalmente que los efectos de inhibición, tanto de

CO como de H2O, son importantes a tener en cuenta y que la velocidad de gasificación

simultánea con CO2 y H2O puede ser aproximadamente igual a la suma de las

velocidades individuales de gasificación.

En futuros proyectos, podría estudiarse la gasificación simultánea con CO2,

H2O, H2 y CO. Dichos experimentos estaban previstos que fuesen realizados en este

proyecto; pero varios factores, como una cantidad insuficiente de poda de olivo y el

reducido número de manorreductores disponibles, no han permitido que se puedan

llevar a cabo.


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5. REFERENCIASREFERENCIASREFERENCIASREFERENCIAS

1- S. Nilsson, A. Gómez-Barea, D. Fuentes-Cano, M. Campoy, 2012.

GASIFICATION OF CHAR FROM OLIVE TREE PRUNING IN FLUIDIZED BED

2- C. Di Blasi, 2009. COMBUSTION AND GASIFICATION RATES OF

LIGNOCELLULLOSIC CHARS

3- M.Barrio, B. Gobel, H. Rimes, U. Henriksen, J.E. Hustad, L.H. Sorensen, 2008.

STEAM GASIFICATION OF WOOD CHAR AND THE EFFECT OF HYDROGEN

INHIBITION ON THE CHEMICAL KINETICS

4- M. Barrio, J.E. Husted, 2008. CO2 GASIFICATION OF BIRCH CHAR AND THE

EFFECT OF CO INHIBITION ON THE CALCULATION OF CHEMICAL KINTECS

5- R.B. Woodruff, A.W. Weimer, 2013. A NOVEL TECHNIQUE FOR MEASURING

THE KINETICS OF HIGH-TEMPERATURE GASIFICATION OF BIOMASS CHAR

WITH STEAM

6- S. Nilsson, A. Gómez-Barea, D. Fuentes-Cano, 2013. GASIFICATION OF CHAR

FROM OLIVE TREE PRUNING IN FLUIDIZED BED

7- D. Manzorro Moreno, PFC. DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

A ESCALA DE LABORATORIO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE

GASIFICACIÓN DE BIOMASA

8- P. Ollero, A. Serrera, R. Arjona, S. Alcantarilla, 2003. THE CO2 GASIFICATION

KINETICS OF OLIVE RESIDUE


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CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL...

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