GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE...

PROYECTO FIN DE CARRERA

GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN

CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO

AUTORA: ELISA LÓPEZ GARCÍA

TUTORES: ALBERTO GÓMEZ BAREA SUSANNA NILSSON

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS (UNIVERSIDAD DE SEVILLA) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL

JULIO 2013

INDICE

1

INDICE

CAPÍTULO 1. Introducción……………………………………………………………..7

1. Antecedentes ...............................................................................................................8

2. Gasificación de char .................................................................................................16

3. Objetivo.....................................................................................................................17

4. Resumen capitular.....................................................................................................17

CAPÍTULO 2. Fundamentos experimentales…………………………………………..19

1. Descripción de la planta………………………………………………………........20

1.1. Sistema de alimentación y acondicionamiento de gases……………………....21

1.1.1. Bomba peristáltica……………………………………………………...21

1.1.2. Horno eléctrico de vapor……………………………………………….22

1.1.3. Suministro de gases…………………………………………………….23

1.1.4. Manorreductor de aire……………………..…………………………...24

1.1.5. Línea de calentamiento…………………………………………………25

1.1.6. Sistema de aire secundario……………………………………………..26

1.2. Reactor de lecho fluidizado……………………………………………………26

1.2.1. Horno y sistema de control……………………………………………..26

1.2.2. Reactor………………………………………………………………….27

1.3. Sistema de alimentación de sólido………………………………………….....30

1.3.1. Sistema de alimentación discontinuo……………………………..……30

1.3.2. Sistema de alimentación continuo……………………………..……….30

1.4. Sistema de limpieza de gases de salida………………………………………..32

1.4.1. Ciclón……………………………………………………………….….33

1.4.2. Depósito antiretorno……………………………………………………33

1.4.3. Borboteadores………………………………………………….……….34

1.4.4. Refrigerante de reflujo……………………………………….…………35

1.4.5. Filtro……………………………………………………………………36

GASIFICACION DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO

2

1.5. Sistema de análisis y adquisición de datos…………………………………….37

1.5.1. Analizador de gases……………………………………………...……..37

1.5.2. Cromatógrafo……………………………………………………….….38

1.5.3. Sistema de adquisición de datos……………………………………….38

1.6. Línea de muestreo de alquitranes……………………………………………...39

1.6.1. Sonda de muestreo……………………………………………………...39

1.6.2. Tren de borboteadores………………………………………………….39

1.6.3. Baño térmico……………………………………………………………40

1.7. Equipos auxiliares……………………………………………………………..40

1.7.1. Medidores de caudal……………………………………………………40

1.7.2. Medidores de temperatura……………………………………………...41

1.7.3. Medidores de presión…………………………………………………..41

2. Tipos de experimentos………………………………………………………...……42

2.1. Experimentos in-situ……………………………………………………...……43

2.2. Experimentos ex-situ…………………………………………………….…….43

3. Material utilizado……………………………………………………..…………….44

3.1. Combustible..…………………………………………………………………..44

3.2. Inerte…………………………………………………………………………...46

4. Procesamiento y tratamiento de datos……………………………………………..46

4.1. Obtención de datos……………………………………………………………47

4.2. Tratamiento de datos………………………………………………………….49

4.2.1. Hoja del ensayo………………………………………………………...49

4.2.2. Hoja de balance………………………………………………………...51

4.2.3. Hoja de gasificación……………………………………………………54

INDICE

3

5. Protocolo de operación…………………………………………………………….57

5.1. Pasos previos………………………………………………………………….57

5.2. Etapa de pirólisis………………………………………………………………58

5.3. Etapa de gasificación…………………………………………………………..59

5.4. Etapa de combustión…………………………………………………….…….59

5.5. Enfriamiento de la planta……………………………………………………...60

CAPÍTULO 3. Resultados experimentales……………………………………………..61

1. Introducción………………………………………………………………………...62

2. Efecto del método de preparación del char………………………………………...62

3. Efecto del tamaño de partícula.……………………….……………………………65

3.1. CO2…………………………………………………………………………….65

3.2. Vapor…………………………………...……………………………………...66

4. Efecto de la temperatura………………… ………………………………………...68

5. Efecto del método porcentaje de agente gasificante ..……………………………...70

CAPÍTULO 4. Obtención de la cinética………………………………………………..73

1. Determinación de rx………………………………………………………………….75

2. Determinación de F(x)……………………………………………………………….78

CAPÍTULO 5. Conclusiones…………………………………………………………...81

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………….83

RESUMEN

5

El presente proyecto estudia la gasificación del char de lodo de depuradora seco

usando CO2 y vapor en un reactor de lecho fluidizado a escala de laboratorio. Se hace

una descripción detallada del aparato experimental y el procedimiento y después se

presentan los resultados obtenidos.

En primer lugar, se estudió el efecto del metodo de preparación del char. Este

factor tiene una gran influencia y el metodo in-situ es el más adecuado.

Se llevaron a cabo pruebas a tres temperaturas diferentes entre 800 y 900 ºC y a

tres concentraciones distintas de reactivo: 10, 20 y 30 %. Con estos experimentos se

obtuvieron las expresiones cinéticas y se demostró que la reactividad con vapor de agua

es aproximadamente tres veces mayor que con CO2 a cualquier temperatura.

Además se estudió el efecto del tamaño de la partícula de char y se demostró que

para partículas de más de 1,2 mm, el tamaño de partícula afecta a la reactividad para la

gasificación con vapor a 900 ºC.

ABSTRACT

6

This proyect studies the gasification of char from dried sewage sludge with CO2

and steam in a laboratory fluidized bed reactor. Experimental apparatus and procedure

are detailed. In addition, experimental results are shown.

First, the method of char preparation was studied. This factor has a great

influence on reactivity and the in-situ generation is the most adequated method.

Tests were carried out at three differents temperatures in the range of 800-900 ºC

and using volume fractions of CO2 and steam in the fluidizing gas of 10, 20 and 30 %.

With these tests, kinetics expressions were obteined and the reactivity with steam was

almost three times faster than with CO2 at all temperatures.

In addition, the effect of char particle size was studied and particle size greater

than 1,2 mm has a influence on the reactivity with steam above 850 ºC.

CAPITULO I INTRODUCCION

7

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO

8

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Antecedentes

El recurso energético conocido como biomasa comprende a cualquier tipo de

materia orgánica que haya tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso

biológico. El concepto de biomasa comprende tanto a los productos de origen vegetal

como a los de origen animal.

La biomasa tiene carácter de energía renovable ya que su contenido energético

procede en última instancia de la energía solar fijada por los vegetales en el proceso

fotosintético.

En la actualidad existe gran interés en la generación de energía a partir de fuentes

renovables para reducir tanto la emisión de gases de efecto invernadero como el

consumo de combustibles fósiles. Entre estas fuentes, la biomasa y el lodo de

depuradora son considerados buenos candidatos; de hecho, se calcula que la biomasa

para el año 2020 podría suministrar hasta un 10,6% de la energía global. En el caso del

lodo de depuradora, su utilización se está viendo incrementada debido a la introducción

de una legislación europea que prohíbe el vertido de lodos al mar.

El uso de la biomasa puede llevarse a cabo gracias a sus procesos de conversión

termoquímicos, y entre ellos, los más favorables son la pirólisis y la gasificación. La

gasificación de la biomasa comienza con la devolatilización, que produce

principalmente char compuesto de carbono y cenizas.

Entre las energías renovables, se espera que la biomasa sea una de las más

importantes en un futuro cercano. Actualmente, la energía que procede de ella

representa un 14% de la energía de consumo final en el mundo; una cifra mas elevado

que la del carbón (12%) y comparable a la del gas (15%) y la electricidad (14%).

Atendiendo al origen de la biomasa se puede hacer la siguiente clasificación:


9

- Biomasa natural: es la producida en la naturaleza sin ningún tipo de

intervención humana. Constituye la base del consumo energético en países en

vía de desarrollo y a medida que aumenta la población y la demanda energética,

mayor es la presión que se ejerce sobre los ecosistemas naturales, llegando a

ocasiones de sobreconsumo, lo que produce zonas de desertización.

- Biomasa residual: es la procedente del desarrollo de distintas

actividades como agrícola (restos de cosechas y los residuos procedentes de las

mismas, así como las industria procesadora de productos agrícolas), ganadera

(deposiciones, deshechos, despojos, etc), forestales (restos procedentes de la

primera - trabajos forestales - y segunda transformación de la madera –

industrias) y fracción biodegradable de los residuos municipales.

- Cultivos energéticos: son aquellos cultivos cuyo único fin es la de

producción de biomasa con fines energéticos.

El presente proyecto se centra en la biomasa residual procedente de las aguas

residuales urbanas.

El lodo de depuradora es el residuo producido durante el proceso de tratamiento de

aguas residuales, durante el cual sólidos y líquidos son separados. Este residuo es

normalmente líquido o líquido semisólido cuya concentración es 0,25 – 12 % de

sólidos. La fracción de sólidos varía dependiendo de los diferentes métodos de

tratamiento del efluente. Para poder utilizarlo, el lodo debe ser previamente

deshidratado y secado.

Los métodos más comunes de tratamiento y/o eliminación del lodo son los

vertederos, utilización en las tierras de cultivos y la incineración, métodos que conllevan

bastantes inconvenientes. Por lo tanto, es importante desarrollar ciertas tecnologías que

reduzcan los problemas ambientales y económicos asociados a dicho residuo.

La gasificación es una adecuada tecnología, ya que permite aprovechar

energéticamente el residuo.


10

El proceso de gasificación se define como el tratamiento termoquímico en el que se

produce un gas a partir de un combustible sólido. Este proceso ha sido usado durante

muchos años con carbón para la producción de gas ciudad y en la industria

petroquímica. La gasificación ideal es aquella en la que todo el carbono se transforma

en monóxido de carbono; esto, en general, no ocurre debido a que una parte del carbono

se transforma en dióxido de carbono y una pequeña parte del combustible inicial

permanece como sólido.

El gas obtenido contiene principalmente CO y H2 y puede ser utilizado en calderas

de carbón pulverizado para su combustión directa o, si el gas es limpiado correctamente,

en motores de combustión interna y turbinas de gas, además de cómo gas de síntesis

para la obtención de combustibles y otros productos químicos.

El proceso de la gasificación puede resumirse en una secuencia de etapas:

Secado: consiste en la evaporación del agua contenida en la biomasa; en esta etapa

se absorbe el calor sensible para elevar la temperatura además del necesario para la

evaporación del agua.

Pirólisis primaria o devolatilización inicial: es la descomposición térmica de la

biomasa. Se forman char y volátiles; los volátiles pueden ser:

Gases no condensables: CO2, CO, H2, CH4, C2H6 y pequeñas cantidades

de hidrocarburos ligeros.

Gases condensables: alquitrán

Agua.

Los gases ligeros y el alquitrán representa el 70-90 % de la masa total, sólo el 10-30

% es char.

La producción de char se ve influenciada por las velocidades de calentamiento y

por las reacciones secundarias de los volátiles dentro de la partícula. Por tanto, la

temperatura y el tamaño de partícula afectan a la producción de char.


11

Oxidación de volátiles y del char: Se trata de una combustión parcial en la cual el

oxígeno introducido es consumido principalmente por los volátiles que se han formado

durante la pirolisis, sobre todo, CO y H2, y también una parte por el char. La oxidación

de los volátiles es más rápida que la del char.

Estas reacciones son exotérmicas y proporcionan la energía necesaria para el

secado, la pirolisis y las reacciones de gasificación y reformado. La cantidad de oxígeno

añadido al reactor depende de la tecnología utilizada, pero en el caso de la gasificación

directa suele estar entre el 15 y el 40% del oxígeno teórico necesario para la combustión

completa.

Se producen las siguientes reacciones:

- Oxidación del CO: CO + ½ O2 CO2 ΔH = -283 kJ/mol

- Oxidación del H2: H2 + ½ O2 H2O ΔH = -242 kJ/mol

- Oxidación del CH4: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O ΔH = -283 kJ/mol

- Oxidación del char: C + O2 CO2 ΔH = -390 kJ/mol

Hay una última reacción que es poco importante en el balance energético, pero es

fundamental en el balance másico, ya que la constante de equilibrio de esta reacción

determinará la composición del gas. Se trata de la reacción water-gas shift:

CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH = -41 kJ/mol

Para favorecer la descomposición del vapor de agua se debe operar a altas

temperaturas (900 ºC).

Gasificación del char: Consiste en la reacción del char con el agente gasificador que

suele ser dióxido de carbono o vapor de agua. Durante esta etapa se aprovecha el calor

sensible de los gases y del propio char para dar lugar a las reacciones de gasificación

heterogéneas, que son endotérmicas. Dichas reacciones son las siguientes:

- Reacción de Boudouard: C + CO2 2 CO ΔH = +173 kJ/mol

- Gasificación con vapor: C + H2O CO + H2 ΔH = +131 kJ/mol


12

- Reacción de metanación: C + 2 H2 CH4 ΔH = -75 kJ/mol

Esta última reacción resulta significativa en procesos a alta presión.

Adicionalmente también existen reacciones de conversión de alquitranes:

- Oxidación parcial: CnHm + (n/2) O2 n CO + m/2 H2

- Reformado con CO2: CnHm + n CO2 (m/2) H2 + (2n) CO2

- Reformado con vapor: CnHm + n H2O (m/2+n) H2 + n CO2

- Hidrogenación: CnHm + (2n-m/2) H2 n CH4

- Cracking térmico: CnHm (m/4) CH4 + (n-m/4) C

Si el gasificador utilizado se trata de un reactor de lecho fluidizado, todas las etapas

descritas anteriormente se producen en el mismo espacio del reactor.

Al utilizar aire como agente gasificante, se aporta el oxígeno necesario para llevar a

cabo la operación autotérmica, sin embargo, al llevar nitrógeno se diluye el gas de

salida, disminuyendo su poder calorífico ( 4-6 MJ/Nm3) y la eficiencia global del

proceso. El problema de la dilución se puede solucionar utilizando oxígeno puro, pero

encarece el proceso por necesitar una separación mediante destilación o adsorción. La

gasificación con aire es la más común debido a su sencillez y a su bajo precio.

Si el agente utilizado es vapor se genera un gas de medio poder calorífico (10-14

MJ/Nm3). Presenta como ventajas su reactividad y ser más barato que el oxígeno. El

hidrógeno es el agente inhibidor de la reacción. Por el contrario, es necesario aportar

calor de forma indirecta. Este calor se puede obtener por dos caminos:

- Mezcla de vapor y oxígeno, usando este último gas para realizar la

combustión parcial de biomasa. Presenta como ventajas el alto contenido en hidrógeno

y la obtención del gas sin diluir. Sin embargo, se presenta de nuevo el problema de

obtener oxígeno de alta pureza.


13

- Gasificación indirecta: separación del proceso de combustión del char con

aire y la gasificación de la biomasa con vapor.

El proceso de gasificación con CO2 se trata de un proceso menos reactivo que en el

caso del vapor. El CO2 suele producirse durante la pirolisis previa que sufre el

combustible antes de la gasificación. Este compuesto favorece la reacción de Boudouard

por lo que se obtiene una corriente de salida rica en CO, sin embargo, esta reacción es

fuertemente endotérmica por lo que se necesita un aporte de calor.

Uno de los principales problemas que se presentan en la gasificación es el alquitrán.

El alquitrán engloba un gran número de especies de hidrocarburos, normalmente más

pesados que el benceno, cuyas propiedades son muy distintas entre ellos. La

composición y cantidad del alquitrán obtenido está afectado por varios factores:

temperatura y tiempo de la partícula y del gas, punto de alimentación en los

gasificadores de lecho fluido, circulación en los lechos fluidos, propiedades del lecho,

tamaño de partícula, atmósfera gaseosa y geometría del lecho.

Si se requiere un enfriamiento del gas, produce un impacto negativo en los equipos

situados aguas abajo del proceso de gasificación ya que condensan, causando

ensuciamiento y corrosión. Por tanto, si es necesaria una limpieza del gas, ésta afecta a

la economía del proceso de gasificación.

Para eliminar los alquitranes pueden utilizarse varias posibilidades: conversión

mediante reformado/craqueo a gas aprovechando de esta forma su energía y eliminación

de la corriente gaseosa mediante un lavado scrubber.

Las técnicas de reformado/craqueo se llaman medidas primarias si se realizan en el

propio gasificador o secundarias si se llevan a cabo aguas abajo. Las medidas primarias

son más económicas aunque aún están en desarrollo. Estas medidas son principalmente:

la adecuada selección de las condiciones de operación del gasificador, el uso de aditivos

en el lecho y un diseño adecuado del reactor.


14

Tipos de gasificadores

Los gasificadores pueden clasificarse en función del tipo de contacto como lecho

fijo, lecho fluidizado o de arrastre.

El reactor en el que se centra el presente proyecto es un gasificador de lecho

fluidizado. En estos gasificadores, el agente fluidizante circula por el interior a una

velocidad ascensional tal que un lecho de sólido inerte, que se añade a su interior, se

encuentra en un estado de fluidización, existiendo en el interior del gasificador una

retromezcla que favorece la transferencia de materia y energía entre el combustible y el

gas. Exige un tamaño de partículas fino, por lo que en muchas ocasiones se requiere una

molienda del material con su correspondiente coste.

Existen dos categorías de gasificadores de lecho fluidizado: de arrastre y de

circulación de los sólidos. En los circulantes la velocidad del gas es mucho más elevada

para producir la circulación del sólido. Mientras que en los burbujeantes la velocidad es

de 0,5-2 m/s, en los circulantes esta cifra sube hasta el rango de 2-5 m/s.

Las principales ventajas de los lechos fluidizados son su excelente control de la

temperatura y las velocidades de reacción, su alta capacidad específica, un buen

potencial de escalado a mayores tamaños y capacidad de adaptación a cambios de

biomasa.

La principal desventaja es la gran cantidad de impurezas que lleva el gas de salida.

Hay que evitar altas temperaturas en el lecho para no tener problemas de aglomeración,

pero sin disminuirlas demasiado porque, además de la perdida de eficiencia, se pueden

producir alquitranes en exceso haciendo el proceso inviable. Otra de sus desventajas es

que exige un tamaño de partículas más fino que el gasificador de lecho fijo, por lo que

en muchas ocasiones se requiere una molienda del material con su correspondiente

coste.


15

Figura 1.1. Reactor de lecho fluidizado

Según las actuales publicaciones, todo apunta a que el reactor de lecho fluidizado

será el más usado en procesos de gasificación de biomasa y residuos a nivel de media y

gran escala.

Existen otras clasificaciones para definir un reactor, en función de: tipo de agente

gasificante, presión de trabajo y forma de aportar el calor al reactor.

Según su presión se puede trabajar a presión atmosférica o por encima de ésta. Al

trabajar a presión se reduce el tamaño del reactor, pero la compresión conlleva un

mayor gasto energético.

La forma de aportar calor al reactor conlleva dos grupos de gasificadores: directos e

indirectos. Los de tipo directo son aquellos en los que el calor necesario se consigue por

combustión parcial de parte de la biomasa. En los de tipo indirecto el calor se suministra

desde una fuente exterior al reactor o mediante recirculación de material del lecho.


16

1.2. Gasificación del char.

Sobre la gasificación de char hay numerosos trabajos publicados, en especial para

carbón y biomasa. En cambio, en el caso de la gasificación de char procedente de

residuos y deshechos, los trabajos existentes son muchos menos, y de ellos, sólo unos

pocos se refieren al char procedente del lodo de depuradora.

El char que procede de la devolatilización del lodo de depuradora tiene un alto

contenido en cenizas, lo que le da un poder calorífico inferior al del char procedente del

carbón. Esta ceniza contiene grandes cantidades de especies metálicas, tales como, el

hierro, y suele ir asociado con la alta reactividad de estos char en comparación con los

del carbón. Además, los chars de biomasa y residuos tienen una superficie interna

mayor que los del carbón, debido al alto contenido en volátiles de la materia prima.

Todo ello hace que el lodo de depuradora sea muy reactivo durante la gasificación con

CO2.

El método de generación y preparación del char influye en su reactividad. La

distribución de los poros y la superficie interna afectan mucho a la reactividad del char,

y en el caso de combustibles con alto contenido en volátiles, como el lodo de

depuradora, la estructura del char esta fuertemente relacionada con las condiciones de la

devolatilización. La velocidad de reacción varía con la conversión debido a variaciones

de la superficie interna y actividad catalítica de especies inorgánicas.

Los parámetros que más afectan al char resultante son la temperatura de la

devolatilización y la velocidad de calentamiento de las partículas en el reactor. Estos

parámetros afectan a la proporción de los compuestos obtenidos en la pirólisis. A altas

velocidades de calentamiento y alta temperatura final, se produce mayoritariamente

gases y disminuye la proporción de sólidos y alquitranes.

La composición del gas no es un factor demasiado importante ya que durante la

pirolisis, la salida del gas de devolatilización de la partícula impide el contacto

partícula-gas.


17

1.3. Objetivo

El objetivo del presente proyecto es la obtención de la reactividad de la gasificación

del lodo de depuradora utilizando vapor y CO2 como agentes gasificantes en un reactor

de lecho fluidizado a escala de planta piloto. Para ello se estudia el efecto de la

temperatura y de la presión parcial del agente gasificante en el gas alimentado, que son

mezclas de nitrógeno-CO2 y nitrógeno-vapor por separado. Además, se comparan los

resultados obtenidos con ambos reactivos.

También se analiza la influencia del método de preparación del char en los

resultados obtenidos, según el char haya sido obtenido en el reactor de lecho fluidizado

justo antes de la medida de la reactividad o en una experiencia previa, y del tamaño de

partícula utilizado.

Debido a que a la hora de diseñar un reactor, la cinética de gasificación es

importante por ser estas reacciones mucho más lentas que las de devolatilización, son

obtenidos los parámetros cinéticos y la expresión cinética en función de la temperatura,

la concentración del CO2 y vapor y del grado de conversión.

1.4. Resumen capitular

En el capítulo dos, se presenta la parte experimental del proyecto. En ella se

describe la planta piloto de laboratorio utilizada en el proyecto, presentando todos los

equipos y componentes que la conforman. También se explican los tipos de

experimentos que se llevan a cabo así como los materiales utilizados (lodo e inerte) y el

protocolo de operación. El procesamiento y el tratamiento de datos también están

incluidos en dicho capítulo, detallando la hoja de Excel utilizada para dicho proceso. Se

incluye un protocolo de operación a seguir para realizar las experiencias en la planta

piloto.

El capítulo tres se presentan los resultados obtenidos en los experimentos realizados.

Se introduce el capítulo con los parámetros más destacados del proceso. Se analiza el

efecto de la preparación del char (in-situ o ex-situ), el tamaño de las partículas de lodo,


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la temperatura de gasificación y la presión parcial de agente gasificante tanto para CO2

como para vapor, además de la comparación entre ambos.

El capítulo cuatro consiste en la explicación del proceso de obtención de los

parámetros y el modelo cinético de la gasificación del lodo para ambos agentes

gasificantes utilizados.

CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES

19

CAPÍTULO 2

FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES


20

2. FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES

2.1. Descripción de la planta

La instalación utilizada se encuentra situada en el edificio de Talleres de Escuela

Superior de Ingenieros de Sevilla, en la planta baja de los laboratorios L5. La figura 2.1

muestra un esquema del sistema.

Figura 2.1. Esquema de la planta

Las características de la planta se recogen en la tabla 2.1:

Capacidad 0.3-1.8 Kg/h

Aire

Nitrógeno

Dióxido de carbono

Gases entrada

Vapor

Temperatura Hasta 1000 ºC

Tabla 2.1. Características de la planta


21

La instalación se puede dividir en las siguientes partes:

1. Sistema de alimentación y acondicionamiento de gases

2. Sistema de alimentación de sólidos

3. Reactor de lecho fluido

4. Sistema de limpieza de gases de salida

5. Sistema de análisis y toma de datos

6. Línea de muestreo

7. Equipos auxiliares.

2.1.1. Sistema de alimentación y acondicionamiento de gases.

Los gases de entrada son aire, vapor, dióxido de carbono y nitrógeno. El aire viene

de una línea de aire comprimido; para suministrar el vapor es necesaria una bomba

peristáltica para introducir agua y un horno para producir el cambio de fase de agua a

vapor; los otros gases son suministrados mediante sistema de bombona. También se

posee una línea de calentamiento de dichos gases.

2.1.1.1. Bomba peristáltica

La función de la bomba peristáltica es la de suministrar el caudal de agua líquida

necesaria para la gasificación con vapor.

Se trata del modelo D-25V de la marca Dinko. Su velocidad se regula mediante un

sistema de control escalado entre 1 y 99%. El caudal aportado por la bomba puede ser

modificado según el tubo colocado. También consta de un mando para elegir la

dirección del flujo.

La figura 2.2 muestra como según el grosor del tubo colocado en la bomba,

obtenemos caudales distintos.


22

Figura 2.2. Curva calibración bomba peristáltica

Antes de comenzar a utilizar la bomba, el primer paso es obtener su curva de

calibración con un ajuste lineal.

2.1.1.2. Horno eléctrico de vapor

La misión del horno eléctrico es la evaporación del agua introducida por la bomba

peristáltica.

Se trata de un horno tubular de 660 mm de la marca Carbolite. Es capaz de dar una

temperatura hasta 1000 ºC. Su potencia máxima es 3000 W y la longitud de la zona

calefactada es 550 mm.

La imagen 2.1 muestra el horno tal y como se encuentra en la planta.

y = 0,09x - 1,3833

y = 0,3399x - 5,7172

0

2

4

6

8

10

12

0 10 20 30 40 50 60 70

Velocidad de giro%

1,6 mm 5 mm Lineal (1,6 mm)

Lineal (5 mm)

Qagua ml/min


23

Imagen 2.1. Horno eléctrico de vapor

2.1.1.3. Suministro de gases.

Los gases nitrógeno y dióxido de carbono se suministran en forma de botellas

individuales.

El consumo de nitrógeno es mucho mayor por lo que se dispone de 2 botellas en

una instalación de la marca air liquide con un manoreductor en 3 etapas, para bajar la

presión hasta 4 bar. El caudal máximo que puede suministrar el manoreductor es 50

Nm3/h. La figura 2.2. muestra dicho manoreductor en 3 etapas.

La botella de dióxido de carbono también dispone de un manoreductor para bajar

la presión de la botella hasta 3 bar.


24

Imagen 2.2. Manoreductor en 3 etapas de nitrógeno

Las características de las botellas se recogen en la tabla 2.2.

GAS CONTENIDO DE

LA BOTELLA

TAMAÑO

ESTÁNDAR

PRESIÓN

A 15 ºC (bares)

NITRÓGENO N2 industrial,

Pureza del 99,5% B-50 200

CO2

CO2, impurezas:

O2<10ppm

CnHm<5ppm

H2O<10ppm

B-50 49,5

Tabla 2.2. Características gases de entrada

2.1.1.4. Manoreductor de aire

El aire se obtiene de la línea de aire de alta presión disponible en los laboratorios

de la Escuela Superior de Ingenieros.


25

Esta línea esta a 6 bar y es necesario bajar esta presión a la presión de trabajo, que

es de 1,3 bar. Esto se consigue mediante un manoreductor de la marca Joucomatic,

modelo modulor 112 que regula la presión. Posee un filtro previo para retener el agua

que pueda llevar el aire de la línea.

Imagen 2.3. Manoreductor de aire

2.1.1.5. Línea de calentamiento

El sistema de calentamiento de los gases de reacción consiste en unos cables

calefactores que se encuentran a lo largo de la línea que va desde la entrada de los gases

hasta la entrada al reactor.

También se encuentran cables calefactores a la salida del reactor para evitar que

condensen los alquitranes.

Estos cables son de la marca AKO electrónica y tienen distinta potencia (170, 500

y 850 W) según la longitud del mismo (1, 3 y 5 m).


26

Para controlar la temperatura se conecta el cable calefactor a un PID en el que la

temperatura de consigna es 300 ºC tanto para la línea de entrada como para la de salida.

2.1.1.6. Sistema de aire secundario

Además de la entrada principal de gases por la zona inferior del reactor, hay tres

entradas secundarias que desembocan en el freeboard.

El propósito de estas entradas es introducir aire para producir el abatimiento de los

alquitranes formados mediante la combustión o craqueo.

El aire que circula por estas entradas, procede de la misma línea que el principal,

el cual se divide tras su paso por el manoreductor.

2.1.2. Reactor de lecho fluidizado

2.1.2.1. Horno y sistema de control

La función del horno es calefactar al reactor alojado en su interior, para que se den

las reacciones, y controlar la temperatura del sistema. Su potencia es de 10 kW y esta

repartida en varias resistencias agrupadas en dos zonas que corresponden al lecho y al

freeboard, capaces de elevar la temperatura hasta 1000 ºC. Es un horno de tipo tubular

de la marca Termolab y sus dimensiones se recogen en la tabla 3.

Diámetro 90 mm

Longitud de la

zona calefactada650 mm

Resistencias 12

Voltaje 400 V / 50 Hz

Tabla 2.3. Dimensiones horno


27

El control de la temperatura del horno se realiza con un cuadro eléctrico en el que

hay 4 PID: dos de ellos tienen función reguladora y los otros dos tienen función de

alarma.

Los PID controladores estan conectados a 2 termopares tipo K, uno esta

introducido en el lecho y el otro en el freeboard. Su misión es mantener la temperatura

establecida con el set point., abriendo y cerrando el circuito eléctrico asociado a las

resistencias del horno.

Los PID de alarma también van asociados a dos termopares tipo K y su función es

desconectar el circuito en caso de que se alcance a la temperatura límite fijada.

2.1.2.2. Reactor

El reactor se compone de las siguientes partes: la zona de precalentamiento, el

plato distribuidor, el lecho fluido, el freeboard y el sistema de descarga de cenizas.

Imagen 2.4. Reactor de lecho fluidizado


28

1. Zona de precalentamiento

Se trata de un cilindro colocado justo antes de la zona de reaccion, tiene un

diámetro de 31 mm y esta lleno de piedras. Su función es homogeneizar el gas y

aumentar la temperatura de entrada.

Su longitud es 123 mm y está unida al reactor mediante una brida con tornillos

para facilitar su desmonte.

2. Plato distribuidor

El plato distribuidor consiste en una placa de acero de 4 mm que tiene 21 agujeros

de 0,75 mm de diámetro. Su misión es conseguir un flujo de gas homogéneo y bien

distribuido. Va unido al reactor y al precalentador mediante tornillos, para poder

desmontar y limpiar con aire, evitando atascos en los agujeros que afectan a la

operación. En cada unión se colocan juntas de alta temperatura.

3. Zona de reacción

En esta zona es donde se encuentra el lecho fluidizado y es donde tienen lugar las

reacciones. Se trata de un cilindro de 53 mm de diámetro y 200 mm de altura.

4. Freeboard

Comienza al final de la zona de reacción donde el diámetro de la sección aumenta

hasta 81 mm. Su misión es disminuir la velocidad de los gases para evitar que las

partículas salgan del lecho por la salida del gas.

En el freeboard también se pueden dar reacciones secundarias y a él desembocan

las entradas de aire secundaria destinadas al abatimiento de alquitranes.


29

Esta sección tiene una altura de 162 mm y de él parte el tubo de salida de gases.

5. Sistema de descarga de cenizas

Se trata de dos tornillos que regulan la apertura y cierre de dos semiconos sobre un

rebosadero interior. La cenizas caen a un tubo de acero de media pulgada que

desemboca en un recipiente también de acero donde se recogen dichas cenizas. Este

recipiente es desmontable para poder proceder a su vaciado, y éste puede hacerse

incluso durante una prueba en continuo. Está conectado por un tubo al reactor para que

pase el gas y arrastre los sólidos.

Imagen 2.5. Sistema de descarga de cenizas


30

2.1.3. Sistema de alimentación de sólido

La biomasa sólida puede introducirse por dos sistemas distintos según el tipo de

prueba realizada: prueba continua o prueba discontinua.

2.1.3.1. Sistema de alimentación discontinuo.

Cuando se realiza una prueba en discontinuo la biomasa se introduce por la parte

superior del reactor. Se trata de una tolva de alimentación en acero 316L con una

entrada roscada. Una vez introducida la biomasa en ella, se procede a abrir la válvula de

bola que hay a continuación, pasando el sólido a una segunda tolva cerrada por otra

válvula de bola. Cuando la biomasa se encuentra en la segunda tolva el conjunto es

estanco y sin riesgo de fugas. Para proceder a la alimentación al reactor, sólo hay que

abrir la segunda válvula y todo el sólido caerá por gravedad.

Todo este sistema de alimentación está unido al reactor por una brida que permite

su desmonte y limpieza en caso de atasco.

2.1.3.2. Sistema de alimentación continuo

El alimentador continuo es un complejo sistema formado por una tolva, un tornillo

de dosificación y un tornillo de paso rápido. Ambos tornillos controlados por un cuadro

eléctrico independiente.

La tolva de alimentación tiene una capacidad de 25 litros y está cerrada por su

parte superior por una placa de metacrilato desmontable para su carga que evita la

entrada de aire en el sistema. Esta tolva esta sustentada en una estructura metálica de

cuatro patas con ruedas que permite mover la tolva y conectarla al sistema.

En la parte inferior de la tolva se encuentra el tornillo dosificador, que consisten

en un eje de 693 mm de largo y 50 mm de diámetro con unos álabes que van cambiando


31

su inclinación para ir aumentando la velocidad de paso. El giro del eje lo produce un

motor eléctrico que está unido a la misma estructura metálica de la tolva.

Imagen 2.6. Alimentador en continuo

El caudal de sólido se introduce en el reactor por el tornillo de paso rápido, el cual

entra hasta el propio lecho. Se trata de una hélice de 834 mm, con un diámetro de 35

mm y un paso de 50 mm. Es necesario que el caudal de sólido sea introducido lo más

rápido posible debido a las altas temperaturas, ya que puede reaccionar en el tornillo o

pegarse a la pared de éste. Al igual que el tornillo dosificador, el de paso rápido lleva

asociado un motor eléctrico responsable de su movimiento.

Tanto el motor del tornillo dosificador como el del tornillo de paso rápido, están

controlados por variadores de frecuencia que se encuentran en un cuadro eléctrico,

encargados de regular la velocidad de giro de ambos tornillos. Experiencias realizadas

han dado como resultado que el caudal de sólido introducido en el reactor, sólo depende

de la frecuencia de giro del tornillo de paso rápido y no del dosificador.


32

Imagen 2.7. Cuadro de control de alimentador continuo

2.1.4. Sistema de limpieza de gases de salida

El gas obtenido no puede ser expulsado ni analizado en las condiciones en que

sale del reactor ya que lleva partículas, alquitranes, humedad entre otros. Éste gas hay

que limpiarlo para poderlo introducir en el analizador ya que éste requiere un gas limpio

sin humedad.

Para eliminar las impurezas citadas anteriormente se posee un sistema de

acondicionamiento formado por un ciclón, un depósito antiretorno, dos borboteadores,

un refrigerante de reflujo y un filtro.

Todo el sistema tiene que estar calefactado y calurifugado para evitar que se

condensen alquitranes en la línea.


33

2.1.4.1. Ciclón

A la salida del reactor, el primer equipo por el que pasa el gas es un ciclón

encargado de retener las posibles partículas que salen del reactor. Estas partículas

pueden ser tanto lecho arrastrado por el gas como char y cenizas de la biomasa.

El ciclón está construido en acero AISI-316 y tiene una longitud de 115 mm. Está

unido a un depósito en el que se recogen las partículas. Ambos equipos tienen entre

ellos una válvula de bola para el paso de las partículas del ciclón al depósito y poder

vaciar dicho depósito durante una prueba.

Tras el ciclón la línea se divide en dos: línea de limpieza y línea de muestreo. El

resto de equipos que se definen pertenecen a la de acondicionamiento y limpieza de

gases. La línea de muestreo se detallará más adelante.

Imagen 2.8. Ciclón

2.1.4.2. Depósito antiretorno

Tras el ciclón se encuentra un depósito cilíndrico de acero AISI-316 cuya

finalidad no es la depuración del gas, sino la de seguridad. Evita en caso de


34

sobrepresión en la línea de salida, el retroceso de aceites de los borboteadores y demás

líquidos y su posible llegada al reactor.

Imagen 2.9. Depósito antiretorno

2.1.4.3. Borboteadores

Justo después del depósito antiretorno, están dos borboteadores de aceite de

girasol cuyo objetivo es la eliminación de alquitranes del gas de salida. El alquitrán se

retiene en el aceite, separándose del resto de componentes del gas.

El gas se introduce por la parte superior mediante un tubo de acero que llega hasta

el fondo del borboteador, terminado en unos orificios para favorecer la distribución del

gas y mejorar la retención del alquitrán en el aceite. El gas limpio sale por la parte

superior hasta el siguiente borboteador o al siguiente sistema de limpieza.

Ambos borboteadores son idénticos salvo por un detalle, el primero de ellos posee

un sistema de refrigeración que consiste en un serpentín por el que circula agua. Dicha

agua se encuentra en un depósito y es impulsada por una bomba que esta sumergida.


35

Imagen 2.10. Borboteadotes de aceite

2.1.4.4. Refrigerante de reflujo

El objetivo de este equipo es eliminar los posibles alquitranes que hayan podido

quedar tras los borboteadores y retener el agua que lleve el gas, debido a las

especificaciones del analizador.

Se trata de una columna de 60 cm de altura en cuyo interior hay un serpentín por

donde circula un líquido refrigerante a -20 ºC que se ha enfriado en un baño térmico.

El gas entra por la parte inferior de la columna y sale por la parte superior. La

humedad y el alquitrán contenidos en el gas condensan dentro de la columna debido al

enfriamiento del gas y se recogen en un matraz. El matraz es desmontable para proceder

a la recogida de los condensados.


36

2.1.4.5. Filtro

Tras el refrigerante de reflujo, la línea de gas de salida se divide en dos corrientes,

una de ellas va directamente a la calle y la otra es tratada en el analizador. Esta última

corriente es la que pasa por el filtro antes de ser analizada. El paso por el filtro consiste

en una primera limpieza adicional con objetivo de proteger el analizador. El caudal de

gas que va al analizador es de 3,5-4 Nl/min.

Los filtros se encargan principalmente de recoger la partículas, aunque también

retienen algo de humedad y alquitrán. El material del que están constituidos los filtros

es microfibra de vidrio y pertenecen a la marca Whatman. Pueden soportar hasta 500

ºC. Su longitud es de 90 mm y su diámetro de 19 mm.

Están contenidos en dos portafiltros de acero que están conectados en paralelo

para poder trabajar con ambos a la vez o solo con uno pudiendo cambiar el usado

durante la prueba.

Figura 2.11. Portafiltros


37

2.1.5. Sistema de análisis y adquisición de datos

2.1.5.1. Analizador de gases

El gas que llegue a dicho equipo debe ir limpio de alquitranes, de humedad, de

partículas y frío.

Es de la marca Siemens y consiste en 3 módulos de medición que trabajan

mediante la técnica de NDIR (infrarrojo no dispersivo) y NDUV (ultravioleta no

dispersivo). Los distintos módulos y los gases que son capaces de medir son:

- Ultramat: mide la concentración de CO, CO2 y CH4 mediante NDIR.

- Oxymat: mide la concentración de oxígeno mediante NDUV.

- Calomat: mide la concentración de hidrógeno mediante NDUV.

Figura 2.12. Analizador de gases


38

2.1.5.2. Cromatógrafo

En las pruebas en que sea necesario un análisis más exhaustivo de los

hidrocarburos presentes en la mezcla gaseosa, se utiliza un cromatógrafo de la marca

Agilent, modelo 3000 micro GP.

Mide numerosos compuestos como CO, CO2, H2, N2, O2, CH4, C2H2, C2H6, C2H2,

C3. Es necesaria su previa calibración para obtener unos valores de detección muy bajo

(0,8 ppm).

Los datos obtenidos por el equipo son enviados a un ordenador y gracias al

software adecuado, dichos datos pueden ser analizados.

2.1.5.3. Sistema de adquisición de datos.

Para obtener los datos se dispone de dos tarjetas electrónicas, una se utiliza para

registrar datos de temperatura y la otra para registrar datos de concentraciones. Cada

tarjeta dispone de ocho canales, por lo que se puede obtener un total de 16 parámetros,

destinados a lo más necesario en cada momento.

La primera tarjeta se encarga de registrar los datos de temperatura procedentes de

los distintos termopares que se encuentran distribuidos por la planta. Los datos llegan de

la tarjeta en forma de mV e indicando el tipo de termopar tratado, ella misma pasa los

datos de voltaje a grados centígrados.

La segunda tarjeta aporta los datos de concentración. El analizador de gases aporta

una señal continua en forma de mA, la tarjeta no es capaz de admitir esta señal, pero

gracias a un conector introducido en la misma tarjeta puede convertir la señal a mV.

Construyendo una recta de calibración para cada componente que relacione la señal de

voltaje con valores de concentración, se obtiene la información buscada.


39

2.1.6. Línea de muestreo de alquitranes

Como se ha indicado anteriormente en el apartado 2.1.4.1. a la salida del ciclón, la

línea de gases se divide en dos caminos. Anteriormente se ha explicado la línea de

limpieza y acondicionamiento de gases, el otro camino es el seguido si se desea

muestrear los alquitranes producidos.

Esta línea esta formada por un portafiltro, una serie de borboteadores y un baño

térmico en el que se introducen dichos borboteadores.

2.1.6.1. Portafiltro de muestreo

El portafiltro no es más que un cilindro de acero calentado con un cable calefactor

conectado a un PID y calorifugado para evitar que la temperatura sea inferior a 300 ºC,

ya que si esto ocurre se podrían condensar los alquitranes a su paso en dicho tubo. El

paso del gas por la sonda esta controlada por una válvula de corte de alta temperatura.

Este cilindro también contiene un portafiltros con un filtro de las mismas

condiciones que los usados en la línea de limpieza y acondicionamiento, y al igual que

en ese caso, su objetivo es retener las partículas que pueda llevar el gas.

La línea que sale de este equipo y llega a los borboteadores de muestreo también

está calentada por un cable calefactor hasta 315 ºC.

2.1.6.2. Tren de borboteadores

El propósito de colocar un conjunto de borboteadores es retener los alquitranes

para proceder luego a su análisis y poder determinar la composición de los mismos. Los

borboteadores se llenan de isopropanol y se mantiene a -20 ºC que es capaz de capturar

casi todos los alquitranes.


40

Se utilizan entre 6 y 7 borboteadores de vidrio colocados en paralelo; cuatro de

ellos poseen una placa porosa de distribución del gas.

2.1.6.3. Baño térmico

Para mantener los borboteadores a -20 ºC se sumergen en un baño térmico lleno

de refrigerante. Este refrigerante es una mezcla de etilenglicol y etanol de 96 º.

2.1.7. Equipos auxiliares

Se consideran equipos auxiliares de la planta a los medidores de caudal, de

temperatura y de presión. Estos equipos están distribuidos por toda la planta.

2.1.7.1. Medidores de caudal

Para medir y regular el caudal de gases se utilizan dos equipos distintos:

rotámetros y controladores de flujo másico.

Los rotámetros se utilizan para regular el caudal de aire tanto principal como

secundario necesario. El caudal de aire principal se mide con un rotámetro de la marca

Tecfluid, con un rango de 4 a 40 Nl/min para aire a 25 ºC y 1,3 bar. El caudal de aire

secundario se regula con tres rotámetros con un rango de 0 a 3 bar de las mismas

características que el anteriormente descrito para aire principal.

El caudal de dióxido de carbono y nitrógeno se controla mediante un equipo mass-

flow. Se trata de un modelo de la marca Bronkhorst High-Tech B.V. serie E-7000.

Consisten en un sistema de sensores y controladores de flujo másico y de presión.


41

2.1.7.2. Medidores de temperatura

La temperatura es un parámetro muy importante por lo que es necesario su control

y su medida en varios puntos a lo largo de la planta. La medida se realiza mediante

termopares tipo K capaces de medir en un rango de 20 a 1100 ºC.

El primer termopar se encuentra a la entrada de los gases en el reactor, dicho

termopar va conectado a un PID que controla el calentamiento de la línea de entrada de

gases.

Dentro del reactor se localizan 2 termopares: uno en el lecho y otro en el

freeboard, y las temperaturas de ambos se controlan mediante el cuadro de control del

horno. A este cuadro también van dos termopares que miden la temperatura en la pared

del horno cuya función es la de seguridad. Además de los termopares que van al cuadro

del control, existen dos termopares más que miden la temperatura del reactor cuya

información es recogida en la tarjeta de adquisición de datos. Las entradas de aire

secundario también están dotadas de un medidor de temperatura cada una.

La temperatura de salida del reactor también es medida, ya que es muy importante

que ésta no baje de los 300 ºC pudiendo producir condensación de los alquitranes

formados. Se mide con dos termopares, uno antes y otro después del ciclón.

El último termopar se encuentra en la sonda de muestreo y va unido a un PID para

calentar el cable calefactor que calienta dicha sonda. La temperatura en este equipo

también debe ser superior a 300 ºC por el mismo motivo explicado anteriormente.

2.1.7.3. Medidores de presión.

La medida de presión se realiza en dos puntos del sistema, en la línea de entrada

de los gases y en el lecho.


42

La presión a la entrada del reactor se mide mediante un manómetro de la marca

Magnehelic que mide en el rango de 0 a 150 cm de agua. La presión se mide respecto a

la atmosférica por lo que la entrada de baja presión se deja abierta al ambiente.

La diferencia de presión en el lecho es recogido por un medidor de presión

diferencial de la marca Yokogawa. La entrada de alta presión se conecta antes del plato

distribuidor y la de baja presión a un punto en el freeboard.

2.2. Tipos de experimentos

Los ensayos de gasificación realizados en el lecho fluidizado se pueden dividir en

dos grupos: ensayos in-situ y ensayos ex-situ. La preparación del sistema y la primera

parte es común a ambos tipos de ensayos. Estos ensayos se realizan alimentando la

biomasa en forma discontinua.

El primer paso es calentar la planta a la temperatura necesaria, para ello es

necesario elevar la temperatura del reactor a la de operación, que dependerá del ensayo.

Durante esta etapa es imprescindible el paso de aire por el sistema. También debe ser

calentadas las líneas de entrada y salida de gases, así como el horno eléctrico en caso de

utilizar vapor como agente gasificante.

Una vez alcanzada la temperatura deseada y estabilizada, es necesario purgar toda

la línea con nitrógeno ya que la primera etapa del ensayo es la pirólisis de la biomasa, la

cual se lleva a cabo en un ambiente libre de oxígeno. Durante esta etapa el gas de salida

contendrá CO, CO2, H2 y CH4, una vez los valores marcados por el analizador de estos

gases sean prácticamente cero, se puede dar por concluida la pirolisis.

El residuo sólido de la pirolisis que queda en el reactor es el char y la forma de

tratar dicho char es el que diferencia las formas de ensayo que se detallan a

continuación.


43

2.2.1. Experimentos in-situ.

En este tipo de experiencias, el char formado se mantiene a la temperatura de

operación e inmediatamente después de la etapa de pirólisis se procederá con la

gasificación.

Tras asegurarse del fin de la devolatilización, el agente gasificante (CO2 o vapor)

es alimentado en la proporción deseada mezclado con nitrógeno. Esta etapa se continúa

hasta que la conversión del char sea en torno al 60-90 %, según las condiciones de

operación.

Una vez concluida la etapa de gasificación, se purga el sistema de agente

gasificante alimentando únicamente nitrógeno y se comienza la combustión con aire

para quemar el char que no se haya convertido.

2.2.2. Experimentos ex-situ.

El char se obtiene de la misma manera que en los experimentos in-situ, pero es

enfriado hasta temperatura ambiente con un flujo continuo de nitrógeno antes de realizar

su gasificación. El objetivo de dichas experiencias es demostrar si la historia térmica del

char afecta a la reactividad del char y si debe ser tenida en cuenta.

Una vez finalizada la pirolisis, la planta es enfriada con nitrógeno hasta

temperatura ambiente, tras conseguirlo vuelve a calentarse el sistema en una atmósfera

inerte, para evitar la conversión del char. Tras alcanzar la temperatura de gasificación

buscada se procede de la misma forma que en el apartado descrito anteriormente:

alimentación del agente gasificante, conversión del char durante aproximadamente 1

hora y finalmente, combustión. En este tipo de pruebas la reacción es tan lenta que no se

llega a conversiones del char del 60-90 % como en los experimentos in-situ.


44

2.3. Materiales utilizados

En este apartado se va a describir los dos materiales introducidos en el reactor

durante las experiencias; por un lado, se encuentra el material inerte que forma el lecho

y por otro lado, el combustible a gasificar.

2.3.1. Combustible

El combustible que se estudia en este proyecto es lodo de depuradora seco

procedente del tratamiento de aguas residuales. Tras realizar estudios en el laboratorio

al lodo, se obtienen valores de densidad de partícula en torno a 1450 Kg/m3, mientras

que su densidad aparente o de pila es sobre 760 Kg/m3.

Con el análisis elemental e inmediato de dicho lodo, los resultados obtenidos se

resumen en la siguiente tabla.

Como se recibe Base seca Base seca libre de

cenizas

LHV (MJ/Kg) 11,18 12,47 21,94

HHV (MJ/Kg) 12,25 13,41 23,59

C (% wt) - 30,88 54,32

H (% wt) - 4,36 7,67

N (% wt) - 4,76 8,37

S (% wt) - 1,24 2,18

O (% wt) - 15,61 27,46

Humedad (%) 8,65 - -

Cenizas (%) 39,42 43,15 -

Volátiles (%) 47,28 51,75 91,03

C fijo (%) 4,66 5,10 8,97

Tabla 2.4. Análisis elemental e inmediato del lodo de depuradora

El alto contenido en cenizas es importante tenerlo en cuenta porque durante el

proceso de gasificación, dicha ceniza puede sinterizar dando problemas en la


45

fluidización. Además son agresivas en estado líquido pudiendo dar problemas de

corrosión. También resulta remarcable el contenido en nitrógeno, ya que este compuesto

puede derivar en amoniaco y cianuro de hidrógeno, que son los precursores de los

óxidos de nitrógeno (NOx) si no se eliminan del gas producto antes de quemarlo.

El lodo de depuradora tiene un amplio rango de tamaños por lo que es

imprescindible analizar su distribución de tamaños de partícula tal y como se recibe.

Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla. Las partículas de lodo

empleadas en las experiencias, se han utilizado tal y como se reciben sin someterlas a

ninguna reducción de tamaño.

Tamaño (mm) Fracción másica (%)

> 5 0,75

4 – 5 0,28

2,8 – 4 54,86

2 – 2,8 39,44

1,4 – 2 3,70

1 – 1,4 0,71

0,5 – 1 0,21

< 0,5 0,05

Tabla 2.5. Análisis granulométrico del lodo

Como se puede ver en la tabla 2.5, más del 90 % de las partículas de lodo se

encuentran en un rango de tamaño entre 2 y 4 mm.

La tabla 2.6 muestra el contenido en los elementos mayoritarios y metales

pesados. El análisis se ha realizado mediante espectrometría de masas con fuente de

plasma con acoplamiento inductivo.


46

Elemento mg/kg Elemento mg/kg Elemento mg/kg

Ba 343,1 Fe 38911,1 Mg 8916,7

Zn 1397,6 Cl 46,8 Al 31510,0

Cd 16,4 P 26996,4 Ag 45,2

Co 7,1 Mn 246,1 Bi <1,0

Ni 1706,9 Sn 40,6 Cu 352,8

Cr 424,0 Hg <1,5 Ga 11,9

K 7813,8 Se <2,0 In <0,5

As <1,5 Sb <1,0 Sr 335,7

Mo 303,5 Li 27,2 Tl <1,5

V 25,3 Na 38323,6 Si 52510,5

Pb 148,2 Ca 4792,9 Zr 40,2

Tabla 2.6. Elementos mayoritarios y metales.

Puede observarse un alto contenido en metales pesados, en especial el hierro, el

zinc y el níquel. Estos elementos pueden formar sales y ácidos que se depositan en el

sistema.

2.3.2. Inerte

El lecho empleado es bauxita en un rango de tamaños entre 250 y 500 μm. La

velocidad mínima de fluidización de la bauxita calculada es 0,20 m/s y la velocidad

terminal del principal tamaño de partícula es 4,3 m/s.

En el lecho se introducen 300 gramos de bauxita, y la relación másica entre el lodo

de depuradora y la bauxita empleada es de 1/100 en todas las experiencias, por lo que se

puede asumir que la fluido-dinámica del lecho está gobernada por la bauxita.

2.4. Procesamiento y tratamiento de datos.

La etapa de procesamiento y tratamiento de datos tiene dos fases, la primera es

obtener los datos de concentración de los componentes de los gases, lo cual se realiza


47

con el software PicoLog, que registra los datos de la tarjeta electrónica; y la segunda el

tratamiento de estos datos mediante una hoja de balance para obtener los datos de

rendimiento y conversión necesarios.

2.4.1. Obtención de datos

El sistema consta de una tarjeta de adquisición de datos cuyo software es el

PicoLog. Para el registro de los datos son necesarios los siguientes pasos:

1. Abrir el grabador mediante el icono PicoLog Recorder. La ventana que se

desplega se muestra en la imagen 2.13.

Imagen 2.13. Grabador PicoLog

2. Seleccionar Archivo-Crear nuevo, y aparece el siguiente cuadro de diálogo

para introducir el nombre y la ubicación del nuevo archivo.


48

Imagen 2.14. Creación de archivo

3. Una vez creado el archivo se comienza la grabación pulsando la tecla PLAY.

El archivo puede pausarse a lo largo de la prueba y al finalizar ésta

simplemente hay que marcar STOP. Una vez parada la grabación no se puede

volver a ponerse en marcha, habría que crear un nuevo archivo.

4. Para abrir un archivo ya existente, los pasos a seguir son Archivo-Abrir y

seleccionar la prueba buscada. Una vez abierto aparecen dos formatos de

datos: cuadro de datos y gráfico.

5. Los parámetros aparecidos tanto en el cuadro de datos como en el gráfico

pueden ser seleccionados. Además pueden ser copiados a otro formato de

datos como Excel para continuar con su análisis.


49

Imagen 2.15. Datos PicoLog

2.4.2. Tratamiento de datos

Los datos registrados por el PicoLog deben ser analizados y tratados antes de

obtener resultados, para ello se utiliza un archivo de Excel que siempre sigue la misma

estructura y en la que destacan las hojas del ensayo, de balance y de gasificación.

2.4.2.1. Hoja del ensayo

Esta hoja se llama igual que el ensayo y deben aparecer los datos más

significativos de él. En ella se especifica la temperatura del ensayo, la granulometría

empleada tanto de lodo como de lecho y la masa de lodo analizada.

En la parte superior se ajustan los caudales de gases alimentados en las tres etapas

del ensayo: pirólisis, gasificación y combustión. Si los caudales son introducidos


50

mediante mass-flow no es necesaria su conversión, sin embargo, si son introducidos con

rotámetro hay que hacer correcciones por presión.

La fila con los encabezados correspondientes a los datos que se recogen en cada

columna son los siguientes:

Time t CO CO2 CH4 H2 O2 QCO QCO2 QCH4 QH2 QO2 nCO nCO2 nCH4 nH2 nO2 Q tot

La columna Time recoge la hora registrada por el PicoLog, el cual registra un dato

cada 1 segundo.

La columna correspondiente a t comienza en 0 al principio de cada etapa y va

aumentando un segundo con cada dato registrado.

Las columnas CO, CO2, CH4, H2 y O2 recogen los valores expresados en % que se

obtiene directamente del PicoLog. Debido a que estos valores dependen de la recta de

calibración introducida en la tarjeta de registro de datos, algunos pueden ser negativos,

y se convierten en 0 usando la función SI (condición; verdadero; falso).

A continuación aparecen las columnas Qi que expresan los componentes del gas

en unidades de volumen, en este caso en litros. Para ello se aplica la siguiente

conversión:

1

%· ·( )

60 100tot i

i i i

QQ t t

Los parámetros aparecidos en la fórmula anterior se corresponden a:

Qi: volumen del componente i

Qtot: volumen total del gas de salida en cada etapa, el cual se explica más adelante como

calcularlo. Este valor viene en unidades de L/min por lo que es necesario dividirlo entre

60 para tenerlo en L/s.

%i: tanto por ciento de cada componente en el gas de salida; se divide entre 100 para

tener su valor en tanto por uno.

ti+1-ti: intervalo de tiempo, que es igual a 1 segundo.


51

Las columnas n presentan los moles de cada componente, para ello se aplica la

definición de gas ideal:

·

·i

i

Q Pn

R T

ni: moles de cada componente

P: presión, que se toma la atmosférica

R: constante de los gases

T: temperatura, la cual se considera la ambiente, ya que el gas de salida que llega al

analizador está frío.

La última columna Qtot corresponde al caudal de salida total en cada instante, y se

calcula de la siguiente forma:

2

(% /100)N

toti

i

QQ

Qtot: caudal en litros del gas de salida

QN2: caudal en litros de nitrógeno introducido en cada etapa, varía según se trate de la

pirólisis, la gasificación o la combustión.

Σ (%i / 100): sumatorio del tanto por uno de cada componente en cada instante

A partir de esta hoja se puede representar tanto el caudal total como el caudal de

cada componente frente al tiempo para todo el ensayo o para una etapa en concreto.

También se puede calcular los moles totales obtenidos en la experiencia de cada

componente.

2.4.2.2. Hoja de balance

Una vez completada la hoja del ensayo, se pasa a la llamada hoja de balance, la

cual recibe este nombre debido a que en ella se realiza un balance de carbono,

hidrógeno y oxígeno en cada una de las fases del ensayo.

A continuación se muestra la estructura de dicha hoja.


52


53

En el apartado de parámetros de la prueba se introducen los datos relacionados con

el nombre, la temperatura y la composición del agente gasificante en cada ensayo

En los cálculos previos al ensayo se presenta el análisis inmediato y elemental del

lodo, así como la masa de material introducido.

Los datos que se presentan como “datos experimentales obtenidos durante el

ensayo” se consiguen de la hoja del ensayo. En este apartado aparecen los moles totales

obtenidos de cada componente (CO, CO2, CH4 y H2) durante cada etapa (pirólisis,

gasificación y combustión).

En la etapa de pirolisis se forman gases ligeros, char y alquitrán. Para calcular la

cantidad de char es necesario quemar lo quede.

Para realizar el balance en pirolisis, se compara el carbono, el oxígeno y el

hidrógeno en fase gas introducido y el generado. Los compuestos generados es

simplemente la suma de los moles de los gases de salida multiplicados por su peso

molecular para convertirlos en gramos.

A continuación se realiza el balance en combustión. Para calcular la masa

generada hay que tener en cuenta las siguientes reacciones:

C + O2 = CO2

C + ½ O2 = CO

Asumiendo que el char es sólo carbono y cenizas, la masa generada es la suma de

la masa de carbono en CO y CO2 del gas de salida en la etapa de combustión.

Por último se realiza el balance de la etapa de gasificación, cuya masa de entrada

se considera todo lo que no ha pirolizado ni combustionado. La masa generada vuelve a

ser la suma del CO y CO2 obtenido. Si el agente gasificante es CO2, el único producto

de la gasificación es el CO.


54

Una vez obtenido la masa obtenida en cada etapa, al compararla con la masa de

muestra introducida, se calcula la cantidad de lodo que no ha reaccionado en ninguna de

las tres etapas y esta cantidad se corresponde con el alquitrán más agua formada.

2.4.2.3. Hoja de gasificación

Debido a que el objetivo del proyecto es el estudio de la gasificación del lodo de

depuradora, esta etapa debe ser analizada en profundidad. Las columnas que aparecen

en esta hoja de cálculo son:

t %CO %CO2 dCco/dt dCco2/dt %CO calc %CO2 calc %H2 Q mol C x dx/dt r/r30

La columna t vuelve a corresponder al tiempo correspondiente a la etapa de

gasificación, comenzando en 0 y aumentando un segundo con cada dato registrado.

Las columnas %CO y %CO2 presentan los tanto por ciento de estos dos

compuestos recogidos por el PicoLog en el gas de salida. Sin embargo, este dato de

concentración debe ser corregido debido al efecto de dispersión del gas en la línea de

salida.

Para analizar dicho efecto, dos pruebas se realizaron: se inyectó una mezcla

conocida de CO2 en la línea de alimentación al reactor y en un punto en la parte superior

del lecho fluidizado. El efecto de la dispersión se ajustó con un modelo de primer orden

y se obtuvo como una constante de tiempo de 8,1 s para la línea de salida. La dispersión

en la línea de salida debe tenerse en cuenta y corregir los datos para calcular la

concentración que hay en cada instante en el interior del reactor.

Al ser un sistema de primer orden, la concentración de CO y CO2 queda:

22 2

·

·

calc

calc

dCOCO CO

dtdCO

CO COdt


55

COcalc, CO2 calc: concentraciones de los compuestos tras aplicar el efecto de la dispersión

CO, CO2: concentraciones obtenidas directamente del PicoLog

τ: constante de tiempo, en este caso, 8,1 segundos

dCO/dt; dCO2/dt: variación de la concentración respecto al tiempo. Para hallar esta

derivada, se ajusta la curva de concentración frente al tiempo con una función

polinómica de grado 6 y se deriva.

Con los pasos anteriores se pueden rellenar las columnas hasta llegar a la llamada

% H2, en la cual simplemente se introduce el porcentaje de este gas a la salida.

La columna Q se refiere al caudal total de gas a la salida y se calcula de la

siguiente forma:

2

2 2(% % % ) /100N

cal cal

QQ

CO CO H

Al calcular este caudal, se deben considerar los porcentajes de los gases ya

corregidos, no los registrados por el software.

La columna mol C, presenta los moles de carbono gasificados en cada instante

durante la gasificación. Para calcularlos hay que tener en cuenta el agente gasificante

utilizado y las reacciones que se producen.

Si se trata de gasificación con CO2, la reacción producida son:

C + CO2 = 2 CO

Al observar dichas reacciones, se obtiene que los moles de carbono generados se

corresponden con la mitad de los moles de CO, ya que la producción de CH4 es

despreciable:

4

4

20

2

COC CH

CH

COC

nn n

n

nn


56

Si el reactivo utilizado es vapor de agua, las reacciones que se dan son distintas y

la forma de calcular los moles de carbono cambia.

C + H2O = CO + H2

C + 2 H2 = CH4

C + 2 H2O = CO2 + 2 H2

CO + H2O = CO2 + H2

En la gasificación con vapor, los moles de carbono generados son la suma de los

moles de CO, CO2 y CH4. Los moles de CH4 se vuelve a considerar despreciable, y los

moles de CO y CO2 se suman tras aplicarles el efecto de la dispersión.

La siguiente columna es x, es decir, el grado de conversión para cada instante de

tiempo y se calcula como:

0

i

Ct

iCchar

nX

n

Xi: grado de conversión en el instante i

0

i

Ct

n : moles de carbono generados desde el instante 0 hasta el instante i

nchar: los moles de carbono en el char, se refieran tanto a los que se cuantifican durante

la gasificación como durante la combustión. Los de la combustión se toman de la hoja

de balance.

Como puede verse, el grado de conversión no es más que la comparación entre los

moles de C que contiene el char formado en la pirólisis, y los moles de C que

reaccionan durante la etapa de gasificación.

Otro parámetro importante es la reactividad o velocidad de conversión, que

consiste en la variación de la conversión respecto al tiempo:

1

1

i ii

i i

x xdxr

dt t t


57

Otro parámetro que será necesario calcular será la relación entre la reactividad a

cada instante y una reactividad de referencia, en este caso, r30. Este valor se refiera a la

reactividad para una conversión del 30 %. Se utilizará para calcular el modelo cinético.

2.5. Protocolo de operación.

En este apartado, se detallan los pasos a seguir para llevar a cabo los ensayos en la

planta piloto descrita en el punto 2.1.

2.5.1. Pasos previos

Antes de comenzar la prueba propiamente dicha, es necesario realizar unas tareas

de acondicionamiento y mantenimiento en la prueba. El lecho introducido debe de estar

en buenas condiciones y la cantidad de cenizas acumuladas en el reactor inferior a la

que afecte a la fluidodinámica del equipo, por lo que se cambia el lecho siempre que sea

necesario.

El primer paso es comprobar que no haya fugas en ningún punto del sistema, en

especial en el plato distribuidor del reactor y en las zonas de la planta que estén a mayor

presión. Esta comprobación se realiza con una mezcla de agua y jabón y pasando aire.

Las zonas de la planta que estén a depresión (línea que va al analizador) deben ser

analizadas alimentando nitrógeno y comprobando que el analizador no marque oxígeno.

Una vez hechas las comprobaciones anteriores se puede comenzar con el

calentamiento de la planta. Para ello se hace circular una corriente de aire en torno a 10-

15 Nl/min y se conectan los cables calefactores de las líneas de entrada y salida del

reactor; si la prueba es con vapor también es necesario el calentamiento del horno

eléctrico. La temperatura del reactor se controla mediante su cuadro eléctrico y las

temperaturas de consigna introducidas deben ser 300 ºC, 500 ºC y a partir de este valor

subirla de 100 en 100 ºC hasta la temperatura deseada. El calentamiento de la planta se

realiza sin conectar los borboteadores.


58

Mientras se realiza el calentamiento deben ser comprobadas otras partes de la

planta como:

- el filtro, debe ser cambiado cada 20 pruebas a menos que deje de ser efectivo

antes

- el aceite de los borboteadores, si las pruebas realizadas son todas con lodos de

depuradoras puede estar varios meses sin cambiarse

- analizador, debe ser calibrado una vez a la semana

Tras alcanzar la temperatura deseada en el sistema y comprobados todos los

posibles puntos de incidencia, se puede comenzar con la primera etapa de la prueba, es

decir, la pirólisis.

Antes de comenzar, hay que crear el archivo PicoLog introduciendo el nombre de

prueba que seguirá el siguiente método:

“Material-planta-tipo de prueba-agente-porcentaje-temperatura (número de prueba)”, así

por ejemplo, una prueba de gasificación de lodo con 20% de CO2 a 800 ºC se nombra:

lodPNGCO220%T800(nº).

2.5.2. Etapa de pirólisis

Tras alcanzar la temperatura deseada, se corta el caudal de aire, se conectan los

borboteadores y demás equipos y se comienza a pasar nitrógeno. Las pruebas se han

realizado con un caudal de 16 Nl/min de nitrógeno.

Una vez que el valor de oxígeno mostrado por el analizador sea negativo, se puede

afirmar que la planta está purgada y preparada para comenzar. No hay que olvidarse de

pulsar el PLAY del PicoLog para comenzar el registro de datos.

La cantidad de lodo que se quiere gasificar se pesa previamente; se introduce en la

tolva de alimentación, se abre la primera válvula pasando el material a la segunda tolva.

Al abrir la segunda válvula el material cae al reactor y la hora de ese instante debe ser

apuntada.


59

El analizador empezará a marcar las concentraciones de CO, CO2, H2 y CH4 en el

gas de salida. Cuando estas concentraciones sean nulas, la etapa de pirólisis habrá

finalizado.

Si la experiencia realizada es ex-situ, hay que enfriar y volver a calentar la planta

siempre circulando un pequeño caudal de nitrógeno. Si la experiencia es in-situ se pasa

directamente a la siguiente etapa.

2.5.3. Etapa de gasificación

Antes de comenzar esta etapa, hay que detener el caudal de nitrógeno y

desconectar los borboteadores, ya que debido a que en las siguientes etapas no se va a

generar gran cantidad de alquitrán, no son necesarios y se evita la gran dispersión que

producen en los gases de salida. Si se trata de una prueba con vapor, es necesario

colocar un borboteador de vidrio vacío y refrigerado y el condensador con líquido

refrigerante a 0 ºC para retener el agua.

Se vuelve a pasar nitrógeno para proceder a la purga, se ajusta su caudal y en el

instante que se empieza a pasar el agente (CO2 o vapor) se toma la hora.

Al igual que antes, el analizador marcará los valores de los gases y cuando el CO

obtenga un valor de aproximadamente 0,02 la etapa se da por terminada.

2.5.4. Etapa de combustión

Antes de quemar el char que no se haya gasificado, es necesario limpiar la línea

del agente gasificante introducido, para ello se pasa nitrógeno.

Tras el paso anterior, se corta el caudal de nitrógeno y se introducen 10 Nl/min de

aire, anotando el instante en que se comienza.


60

Una vez que el valor de CO2 sea cero y el del oxígeno en torno al 21%, la prueba

habrá finalizado. Se detiene la grabación del archivo PicoLog y ya se pueden tratar los

datos obtenidos.

2.5.5. Enfriamiento de la planta

Al final del día, la planta debe ser enfriada, para ello se pasa un caudal de aire y se

desconecta el cuadro eléctrico del horno y todos los cables calefactores.

Las botellas de gases deben quedar cerradas, los borboteadores desconectados y el

analizador encendido y recibiendo aire.

CAPITULO 3 EXPERIENCIAS Y RESULTADOS

61

CAPÍTULO 3

RESULTADOS EXPERIMENTALES


62

3. RESULTADOS EXPERIMENTALES

3.1. Introducción

En este capítulo se van a presentar los resultados obtenidos en las experiencias

realizadas. El primer parámetro a estudiar es el efecto de la preparación del char, es

decir, si la experiencia se llevó a cabo según el método in-situ o ex-situ.

El siguiente parámetro a estudiar es el tamaño de partícula de lodo de depuradora,

utilizando cuatro rangos de tamaño: 1-1,4 mm; 2-2,8 mm; 2,8-4 mm y 4-5 mm. Estos

rangos aportan más del 98 % del lodo tal como se recibe.

Estas experiencias fueron llevadas a cabo a tres temperaturas diferentes: 800, 850

y 900 ºC. Para estudiar el efecto de la composición del gas, el CO2 y el vapor fueron

introducidos en tres concentraciones distintas: 10, 20 y 30 %.

Durante todos los ensayos realizados, la presión dentro del reactor fue inferior a

1,05 bar y la velocidad del gas se fijó en tres veces la velocidad de mínima fluidización

de la bauxita. La masa de lodo tratada por prueba fue de 3 a 8 gramos, siempre

buscando que las concentraciones de los gases productos sean inferiores al 1 % y así

poder considerar la concentración de CO2 y H2O constantes.

3.2. Efecto del método de preparación del char.

Existen dos métodos de preparación del char: in-situ y ex-situ. Mediante el método

in-situ, el char generado en la pirólisis es sometido a gasificación inmediatamente

después, impidiendo que disminuya su temperatura.

Sin embargo, existe otra forma de realizar la gasificación que consiste en utilizar

un char que se ha generado en otro equipo. Para simular este tipo de prueba, el char

producido fue enfriado hasta temperatura ambiente antes de llevar a cabo la

gasificación. Al comparar ambos métodos se puede demostrar la influencia de la

devolatilización y de la historia térmica del char en los resultados obtenidos.


63

Las pruebas utilizando CO2 se han llevado a cabo a 800 ºC utilizando un 20 % de

agente en la alimentación. Los resultados obtenidos aparecen en la figura 3.1.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

t

x

sin enfriar

enfriado

Figura 3.1. Influencia de la preparación del char con CO2 a 800 ºC

En el caso del vapor, las temperaturas estudiadas son dos: 800 y 900 ºC. Los

resultados se muestran en las figuras 3.2 y 3.3.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500 600 700 800

t

sin enfriar

enfriado

Figura 3.2. Influencia de la preparación del char con vapor a 800 ºC


64

Figura 3.3. Influencia de la preparación del char con vapor a 900 ºC

Los gráficos anteriores muestran como la conversión disminuye y la reacción se

hace más lenta para ambos reactivos y a cualquier temperatura. Para mostrar más

claramente la pérdida de la reactividad al enfriar el char, se comparó la reactividad para

una conversión de referencia, en este caso x = 0,20, y los datos obtenidos se muestran

en la tabla 3.1.

Temperatura (ºC) In-situ (s-1) Ex-situ (s-1)

CO2 800 4,2 * 10-4 2,1 * 10-4

800 1,4 * 10-3 0,5 * 10-3 Vapor

900 6,9 * 10-3 3,5 * 10-3

Tabla 3.1. Efecto de la formación del char en r20

Los resultados obtenidos muestran que la reactividad es mucho mayor en el caso

del char obtenido in-situ, por lo tanto, la historia térmica del char es importante y,

siempre que sea posible, es preferible gasificar char que no haya sido enfriado tras su

generación.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 50 100 150 200 250 300

t

x sin enfriar

enfriado


65

3.3. Efecto del tamaño de partícula

Debido al amplio rango de tamaños de partículas que presenta el lodo de

depuradora seco, es necesario estudiar si es indiferente tomar un rango cualquiera o por

el contrario, la reactividad está influenciada por éste.

Se realizaron ensayos a dos temperaturas distintas: 850 y 900 ºC, siempre tomando

un porcentaje de agente gasificante en la alimentación del 20 %.

A continuación se detallan los resultados obtenidos para cada reactivo.

3.3.1. CO2

La gasificación de CO2 a 850 ºC se llevo a cabo con dos rangos de tamaño

diferentes: 1-1,4 mm y 2-2,8 mm. La variación de la reactividad respecto al grado de

conversión del proceso se representa en la figura 3.4.

0

0,5

1

1,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8

x

r, s

-1*1

03

2-2,8

1-1,4

Figura 3.4. Efecto del tamaño con CO2 a 850 ºC


66

En el caso de CO2 a 900 ºC, los rangos estudiados fueron tres: 1-1,4 mm, 2-2,8

mm y 4-5 mm. Los resultados se muestran en la figura 3.5.

Ambos gráficos muestran un efecto del tamaño de partícula prácticamente nulo a

850 ºC y despreciable a 900 ºC. Considerando estos resultados, a partir de este punto

todas las experiencias con CO2 se realizaran con un tamaño de partícula del rango 2-2,8

mm y 2,8-4 mm, ya que entre ellos se encuentra la mayor parte de la muestra.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8

x

r, s

-1*1

03 2-2,8

1-1,4

4,5

Figura 3.5. Efecto del tamaño con CO2 a 900 ºC

3.3.2. Vapor

El estudio de vapor se realizó con los tres mismos rangos de tamaño de partícula

para las dos temperaturas estudiadas: 1-1,4 mm, 2-2,8 mm y 2,8-4 mm. Los resultados

obtenidos se muestran en las figuras 3.6 y 3.7.

Al observar ambos gráficos, se llega a la conclusión de que el efecto del tamaño es

insignificante cuando operamos a 850 ºC, sin embargo, su influencia es importante en el

caso de las experiencias llevadas a cabo a 900 ºC. La reactividad disminuye

considerablemente al utilizar partículas de mayor tamaño debido a las limitaciones en la


67

transferencia de masa, en especial, para conversiones bajas porque es cuando la reacción

es más rápida.

0

1

2

3

4

5

6

0 0,2 0,4 0,6 0,8

x

r, s

-1*1

03 2-2,8

2,8-4

1-1,4

Figura 3.6. Efecto del tamaño con vapor a 850 ºC

0

2

4

6

8

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8

x

r, s

-1*1

03 2-2,8

1-1,4

2,8-4

Figura 3.7. Efecto del tamaño con vapor a 900 ºC


68

Debido a estos resultados, los ensayos con vapor se realizaron con rango de

tamaño entre 1-1,4 mm, ya que es tamaño de partícula mas pequeño del que se dispone

y se estima que las limitaciones por transporte de materia son pequeños.

3.4. Efecto de la temperatura

La temperatura es uno de los parámetros más importante de la gasificación, ya que

afecta a la conversión y reactividad del ensayo.

Para demostrar su influencia se operó a tres temperaturas diferentes: 800, 850 y

900 ºC, manteniendo constante el resto de condiciones. El agente reactivo se alimentó al

20 % en una mezcla con nitrógeno y el tamaño de partícula utilizado fue el acordado

según los resultados del apartado anterior.

La evolución del grado de conversión frente al tiempo para las tres temperaturas

estudiadas aparece en las figuras 3.8 y 3.9. El gráfico 3.8 muestra los resultados

obtenidos para la gasificación con un 20 % de CO2 y el gráfico 3.9 para el mismo

porcentaje de vapor de agua.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

t(s)

x

800ºC

850ºC

900ºC

Figura 3.8. Evolución de la conversión con la Tª para CO2


69

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 200 400 600 800

t (s)

x

800 ºC

850 ºC

900 ºC

Figura 3.9. Evolución de la conversión con la Tª para vapor

Al observar las gráficas anteriores, se puede concluir que el aumento de la

temperatura permite que se alcance el 80 % de la conversión del char más rápido para

ambos agentes reactivos.

Para comparar los agentes entre sí, se toma una reactividad de referencia, en este

caso r30 o reactividad para una conversión del 30 % y se representan los valores de CO2

y vapor a las tres temperaturas. Dichos resultados se muestran en la figura 3.10:


70

0

1

2

3

4

5

6

800 850 900

Temperatura, ºC

r 30,s

-1*1

03

CO2

vapor

Figura 3.10. Comparación entre CO2 y vapor

Este último gráfico demuestra que la velocidad de reacción del vapor es tres veces

mayor que la del CO2 para cualquiera de las temperaturas estudiadas.

3.5. Efecto del porcentaje de agente gasificante

Al igual que la temperatura, la presión parcial del reactivo en el gas alimentado es

un factor muy importante en la gasificación. Los ensayos se llevaron a cabo a tres

concentraciones distintas: 10, 20 y 30 % para cada reactivo. Para comparar los

resultados obtenidos variando el porcentaje de CO2 o vapor, se mantiene constante la

temperatura en 800 ºC.

La evolución del grado de conversión frente al tiempo para las tres

concentraciones estudiadas aparece en las figuras 3.11 y 3.12. El gráfico 11 muestra los

resultados obtenidos para la gasificación con CO2 y el gráfico 12 para el vapor de agua

ambos a 800 ºC.


71

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

t

x

10%

20%

30%

Figura 3.11. Evolución de la conversión con el % CO2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

t

x

10%

20%

30%

Figura 3.12. Evolución de la conversión con el % vapor

Los gráficos anteriores demuestran que al aumentar el porcentaje de CO2 o vapor,

la conversión del char se alcanza más rápido.


72

También es interesante comparar ambos reactivos entre sí, por lo que tomando la

reactividad para una conversión de referencia ( x = 0.30) se obtiene la figura 3.13.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

10 20 30

%

r 30,s

-1*1

03

CO2

vapor

Figura 3.13. Comparación entre CO2 y vapor

Al igual que pasaba al aumentar la temperatura, al aumentar la presión parcial del

reactivo la reactividad aumenta para ambos siendo siempre la de la gasificación con

vapor aproximadamente tres veces mayor que para CO2.

CAPITULO 4 OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA

73

CAPÍTULO 4

OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA


74

4. OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA

La gasificación de biomasa se puede dividir en tres procesos: secado, pirolisis y

gasificación. Si comparamos la velocidad de las reacciones de devolatilización con las

de gasificación del char con CO2 o vapor, resulta que estas últimas son mucho más

lentas, por lo que esta etapa se convierte en la etapa limitante del proceso.

Debido a la lentitud de las reacciones de gasificación, conocer la cinética de ella es

esencial para el diseño de gasificadores, ya que un mal diseño podría llevar a una

conversión incompleta del char y una pérdida de eficacia.

Obtener la cinética consiste en determinar la reactividad o velocidad de reacción,

la cual se define como:

0

1· c

c

dm dxr

m dt dt

r : reactividad

mc: masa de carbono en el char para una conversión dada

mc0 : masa de carbono inicial en el char

x : conversión

Como puede verse, la reactividad depende de la conversión, por lo que es

aconsejable descomponerla en dos factores para su determinación.

r = rx · F(x)

rx es la reactividad intrínseca a una conversión dada. Depende de la temperatura y

la presión parcial del agente gasificante en la alimentación.

F(x) es la función utilizada para describir la dependencia de la reactividad frente a

la conversión.


75

4.1. Determinación de rx

Las reacciones de gasificación están gobernadas por procesos de Langmuir-

Hinshelwood, sin embargo, debido a que los ensayos realizados han sido a baja presión

(en torno a 1 bar) y que las presiones parciales de los agentes gasificantes, CO2 y vapor,

son bajas, se puede tomar que la reactividad intrínseca rx se ajusta a un modelo cinético

de orden n, es decir,

2 20 /·exp · nx CO H O

Ear k P

RT

rx: reactividad intrínseca

k0: constante cinética

Ea: energía de activación

R: constante universal de los gases

T: temperatura

PCO2/H2O: presión parcial del CO2 o vapor

n: orden de la reacción

Para asegurar que el modelo tomado es válido, se estudia si el orden de reacción

n varía con la conversión. Para ello se toma una temperatura fija, 800 ºC, se representan

los valores de las reactividades frente a la presión parcial del agente gasificante para

varios grados de conversión y se realiza un ajuste potencial: rx = K·Pn.

Los valores de n obtenidos tras los ajustes se muestran en la tabla 4.1.

x n (CO2) n (H2O)

0,1 0,452 0,353

0,2 0,335 0,429

0,3 0,440 0,426

0,4 0,378 0,363

0,5 0,390 0,360

0,6 0,395 0,440

Tabla 4.1. Orden de reacción a diferentes conversiones


76

Como puede observarse en la tabla, las variaciones de n al aumentar el grado de

conversión se encuentran en un rango de (0,34-0,45) en el caso del CO2 y en un rango

de (0,35-0,44) en el caso del vapor, por lo que se pueden considerar poco significativas

y, por tanto, asumir el modelo n cinético presentado anteriormente.

El siguiente paso es obtener los valores de la energía de activación Ea y de la

constante cinética k0, para ello se utiliza la ecuación de Arrhenius:

0·Ea

RTK k e

siendo xn

rK

P .

El valor K se fija tomando una presión parcial de agente gasificante de 0,20 atm

y tomando la reactividad obtenida en esas pruebas a una conversión de referencia igual

a 0,30.

Variando la temperatura se puede hacer un ajuste lineal tomando logaritmos en

la ecuación:

0ln lnEa

K kRT

ajustando a un recta del tipo: y = a + bx, siendo:

y = ln K

a= ln k0

b = - Ea/R

x = 1/T

La representación gráfica de ambos ajustes para los dos reactivos aparece en la

figura 4.1. Las rectas de ajuste obtenidas permiten el cálculo tanto de Ea como de k0.


77

-9

-8

-7

-6

-5

-4

8,5 8,7 8,9 9,1 9,3

1/T*104

Ln

K

CO2

H20

Figura 4.1. Ecuación de Arrhenius

Los parámetros cinéticos obtenidos tanto para la gasificación con CO2 como con

vapor, se resumen en la tabla 4.2.

N Ea (KJ/mol) k0 (atm-n s-1)

CO2 0,40 166,3 8,16·10-4

H2O 0,39 167,7 2,94·10-3

Tabla 4.2. Parámetros cinéticos

La energía de activación es del mismo orden para ambos reactivos pero el vapor

tiene un factor preexponencial mayor, ese es el motivo por el cual el vapor es siempre

aproximadamente tres veces más reactivo que el CO2 para cualquier temperatura.


78

4.2. Cálculo de F(x)

El último paso para concluir el cálculo de la cinética, es obtener la influencia del

grado de conversión en la reactividad. Esto se consigue mediante la función F(x) la cual

se va a ajustar a un modelo empírico del tipo:

12

30

( ) (1 )( )expr

F x x ax b cxr

La función r/r30 se denomina reactividad normalizada y depende del grado de

conversión. Los parámetros a, b y c se calculan al minimizar la suma de los errores

acumulados de 1/r a una conversión dada para las tres temperaturas.. Esto se lleva a

cabo mediante el uso de la herramienta SOLVE de Excel. El parámetro b sirve para

representar la reactividad cuando la conversión toma valor 0.

Los valores obtenidos se muestran en la tabla 4.3 para los dos agentes reactivos.

A B c

CO2 73,5 2,72 5,23

H2O 2,49 4,60 2,57

Tabla 4.3. Valores de los parámetros a, b y c

Para comprobar si el ajuste del modelo es adecuado, es necesario representar los

valores de r/r30 obtenidos tanto experimentalmente como empíricamente usando el

modelo obtenido. Las representaciones de las comparaciones para el CO2 y el vapor se

muestran en las figuras 4.2 y 4.3 respectivamente.


79

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

x

r/r 3

0

800 ºC

850 ºC

900 ºC

modelo

Figura 4.2. Reactividad normalizada experimental y teórica para CO2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

x

r/r 3

0

800 ºC

850 ºC

900 ºC

modelo

Figura 4.3. Reactividad normalizada experimental y teórica para vapor


80

Las curvas representadas demuestran que el modelo obtenido se ajusta bien a los

resultados experimentales, sobre todo para conversiones mayores de 0,20, además a

partir de ese grado de conversión ambas curvas de ajustes tienen la misma tendencia por

lo que se podría utilizar una curva común para los dos reactivos.

CAPITULO 5 CONCLUSIONES

81

CAPÍTULO 5

CONCLUSIONES


82

5. CONCLUSIONES

Tras estudiar la gasificación del char del lodo de depuradora seco en lecho

fluidizado, usando nitrógeno para la devolatilización y gasificando con CO2 y con vapor

a distintas temperaturas y concentraciones de la mezcla, se ha llegado a las siguientes

conclusiones:

- Al comparar las pruebas realizadas in-situ y ex-situ, se demuestra que la

historia térmica es esencial en la reactividad del char, siendo el método in-

situ el más adecuado para obtener datos representativos para aplicaciones

de gasificación en lecho fluidizado.

- El tamaño de las partículas usadas apenas afecta en el caso de gasificar

usando CO2, pero sí a la mezcla con vapor a 900 ºC, debiéndose usar

partículas de pequeño tamaño (1-1,4 µm) siempre que sea posible para

evitar que fenómenos de transferencia de materia afecten a la reactividad.

- Al realizar experiencias a distintas temperaturas y presiones parciales de

agente gasificante en las mezclas alimentadas, se ha llegado a las

expresiones matemáticas que aparecen en el capítulo 4 para calcular la

reactividad de la reacción. Esta reactividad es aproximadamente tres veces

mayor en el caso de usar vapor comparado con CO2 para todas las

temperaturas estudiadas y son reacciones con cinética de orden de reacción

prácticamente constante con la conversión.

BIBLIOGRAFÍA

83

BIBLIOGRAFÍA

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planta piloto. 2009. Tesis doctoral, Universidad de Sevilla.

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