PLANTA DE COGENERACIÓN MEDIANTE GASIFICACIÓN DE BIOMASA RESIDUAL Verónica del Val Gento(1), Gregorio Antolín Giraldo(2)
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PLANTA DE COGENERACIÓN MEDIANTE GASIFICACIÓN DE BIOMASA RESIDUAL Verónica del Val Gento(1), Gregorio Antolín Giraldo(2) (1)
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Paseo del Cauce s/n, 47011, Valladolid.
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Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Paseo del Cauce s/n, 47011, Valladolid. [email protected]
Resumen El objetivo de este proyecto es la producción de 1440 kWe de electricidad mediante un proceso de gasificación de biomasa utilizando un motor de combustión interna. Se ha seleccionado el gasificador de lecho fluido burbujeante debido a las grandes ventajas que presenta, como el excelente contacto sólido-gas o las altas velocidades de reacción. El acondicionamiento del gas es muy importante, aunque los motores se consideran menos sensibles a los contaminantes que las turbinas de gas. El rendimiento eléctrico de la instalación es del 31 %. Se producen tres tipos de emisiones: sólidos, líquidos y gases. Los sólidos corresponden a las cenizas recogidas en el multiciclón, que son utilizadas como abono. Los líquidos son corrientes de condensados y biodiesel que se utilizará en el proceso como líquido de lavado del condensador de alquitranes y si fuera preciso como combustible. Los gases se deben a la salida de los humos del motor. Palabras Clave: biomasa, gasificación, residuo, motor de combustión interna.
Abstract The overall project objective is to produce 1440 kWe of electricity with gasification process of biomass with internal combustion engine. It has selected bubbling fluid bed gasifier because it is a more recent development that takes advantage of the excellent mixing characteristics and high reaction rates of this method of gas-solid contacting. Gas cleaning is very important, though engines are considered to be less sensitive to contaminants than gas turbines. The process has four stages: the conditioning of the raw material, the gasification, the conditioning of gas and the energy production. The electricity performance of this plant is the 31%. There are three types of emissions: solids, liquids, and gases. The solids are ashes of cyclone to use used like a fertilizer. Liquids emissions are condensates waste water and biodiesel used in the process. Biodiesel can be used like a combustible. And the gaseous emissions are due to internal combustion engine. Keywords: biomass, gasification, waste, internal combustion engine.
1. Introducción El desarrollo de la Sociedad actual tiene como base la energía, siendo necesaria su aportación en cualquier actividad humana.
Esto plantea un grave problema, ya que los consumos energéticos se ven incrementados continuamente debido al aumento de las necesidades energéticas de la población, la industria y el transporte. Con esta situación de partida es imprescindible encontrar nuevas fuentes que garanticen el suministro de energía a la población en un futuro. Las fuentes renovables, en cuanto a su uso, aún se encuentran en posiciones muy alejadas de los combustibles fósiles. Actualmente, las principales fuentes de energía son los combustibles fósiles (a partir de ellos se obtiene el 80% de la energía producida), que son carbón (23% de la energía producida), gas natural (21%) y petróleo (36%). Dada esta problemática surgió la necesidad de diseñar una planta de cogeneración eléctrica de 1.440 kWe, mediante gasificación de biomasa lignocelulósica. Para ello se necesita una cantidad de combustible de 11.214 t/año de biomasa residual, de diferente origen: forestal (30%), paja y henificado de cereales (40%) y biomasa procedente de las industrias madereras vinculadas a la zona de Arévalo (30%). En el dimensionado se ha buscado obtener el máximo rendimiento posible en la producción eléctrica, de modo que la rentabilidad de la planta sea la mayor posible. Por otra parte, la energía térmica residual generada se venderá para su aprovechamiento en las proximidades de la instalación de la planta y el resto se aprovecha en el proceso de secado de la biomasa húmeda que llega a la central. Además de maximizar la rentabilidad se ha tenido en cuenta otro aspecto fundamental de la planta, que es la revalorización (eliminación) de residuos lignocelulósicos, contribuyendo a su mejor gestión y reduciendo su impacto medioambiental. Los tratamientos silvícolas de los montes son necesarios ya que presentan problemas medioambientales, porque aumentan el riesgo de incendio y de transmisión de plagas y enfermedades. Para los residuos agrícolas está prohibida su incineración en las fincas de cultivo por la Unión Europea y los residuos industriales del sector de la madera tienen un coste de gestión. Las ventajas y desventajas de la utilización de la biomasa se explican detalladamente a continuación. Aspectos positivos:
El uso de la biomasa como fuente de energía alternativa, renovable y limpia evitaría la dependencia exterior en el suministro de energía de terceros países.
Ventajas medioambientales: -
Su utilización no contribuye al aumento del efecto invernadero, ya que el CO2 emitido está en las mismas cantidades que con anterioridad había sido fijado para el crecimiento de la biomasa.
-
Ausencia de emisiones de azufre e hidrocarburos policíclicos altamente contaminantes e iniciadores de la lluvia ácida.
-
Se utiliza un recurso renovable en periodos cortos de tiempo.
-
Obtención de productos biodegradables.
-
Si se usa como aditivo o sustituto de carburantes fósiles, participa en la reducción de GEI.
-
Eliminan residuos como la biomasa húmeda (purines), evitando la contaminación de los suelos y los malos olores.
-
Los residuos agrícolas: su aprovechamiento evita incendios forestales y que al ser materiales residuales se gestiona de forma adecuada. En España destacan la paja de los cereales, residuos de almazara, y podas de árboles.
Ventajas socioeconómicas: -
Diversificación energética.
-
La implantación de cultivos energéticos en tierras abandonadas evita la erosión del suelo. - Generación de recursos a partir de residuos agrícolas que en algún caso pueden generar problemas como los purines. - Permite, en general, un incremento de la actividad agrícola y económica.
-
Creación de puestos de trabajo en el aprovechamiento de algunos tipos de biomasa.
-
Canaliza los excedentes agrícolas alimentarios.
Aspectos negativos:
Baja densidad energética.
Problemas en la disposición y abastecimiento de la materia prima con continuidad, de calidad suficiente y en cantidad.
Menor rendimiento de los combustibles derivados de la biomasa.
Altos costes de recolección, transporte y almacenamiento por su baja densidad.
Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.
Estas ventajas convierten a la biomasa en una de las fuentes potenciales de empleo en el futuro, siendo un elemento de gran importancia para el equilibrio territorial, en especial en las zonas rurales. La materia prima es uno de los factores más importantes que determinan la ubicación de una planta de estas características, debido al gran coste económico que supone el desplazamiento de la materia prima. Según los estudios publicados del potencial energético de residuos forestales, Galicia y Castilla y León acumulan más del 40% del potencial total del país. Para poder seleccionar las posibles ubicaciones de la planta de generación eléctrica se han tenido en cuenta los siguientes factores: −
Existencia de biomasa de diversas fuentes.
−
Disponibilidad de suelo apropiado.
−
Adecuada infraestructura energética para evacuación de energía eléctrica producida.
Una vez evaluado todo lo anterior se ha optado por localizar la planta en el término de Arévalo (Ávila) en base a un estudio sobre el potencial de aprovechamiento de biomasa en la provincia de Ávila, realizado por la Fundación Biodiversidad y la Diputación de Ávila. Este estudio refleja que en las proximidades de la ubicación seleccionada están disponibles 29.913 t/año de biomasa forestal, 3.000-4.000 t/año de residuos agrícolas y
de 15.184 t/año de residuos generados en las industrias de primera transformación de la madera.
1.1. Objetivos y Justificación El objetivo de este proyecto es la producción 1440 kW eléctricos, es decir, 11518 MWh/año, siendo necesaria una cantidad de biomasa de 11214 t/año. Para ello se ha seleccionado el proceso de gasificación de la biomasa con motor de combustión interna por las múltiples ventajas que presenta. Los objetivos principales de control son la seguridad, la estabilidad del proceso y el mantenimiento de la producción de electricidad y la protección de los equipos. La planta de gasificación de biomasa se ha dimensionado para tratar una cantidad de 11.214 t/año de biomasa de tres precedencias distintas: paja y henificado de cereales (40%), biomasa procedente de las plantas madereras vinculadas en la zona de de la instalación (30%) y restos de podas de las zonas forestales aledañas (30%). La planta operará en un régimen de 8.000 h/año. Se ha considerado, además, que en el parque de combustible se almacene una cantidad de biomasa que permita operar a la planta sin suministro externo durante un total de 50 días, y, por tanto, ésta sería la autonomía de la planta. Será necesaria una gestión adecuada del combustible, para optimizar los costes de almacenamiento y garantizar el suministro a la planta de forma continua. Las operaciones de mantenimiento de los bosques se realizan de forma periódica y no de forma continua, así como la recolección de los productos agrícolas, generadores de los residuos previstos, también se hace en épocas determinadas, por lo que si no se realizan una adecuada planificación de suministro (logística de suministro) puede suceder que en un momento no exista suficiente combustible en la planta para abordar la operación hasta la llegada de nueva biomasa. El combustible de uso inmediato en la planta se almacenará en una nave que la proteja de los agentes atmosféricos. No precisa de paredes y con una cubierta de tejado será suficiente.
Puesto que la biomasa tiene una densidad aproximada de 222 kg/m3, en la nave se almacena un total de 758 m3, correspondientes a las 168 t (50 días de autonomía). Para una altura de los montones de biomasa de 5 m, se obtiene una superficie para la zona de almacenamiento de: 150 m2 y de 500 m2 para la nave. El resto de la biomasa, antes de traerse a la campa de combustible de la planta, estará recogida, desde su generación hasta su transporte a la planta en los Centro de Recogida y Abastecimiento de Biomasa (CRABs), que serán centros de recogida temporal para optimizar la logística de suministro de biomasa a la planta. A estos CRABs se hará llegar la biomasa de diferentes formas, desde los propios productores con sus maquinarias agrícolas o forestales (remolques de los agricultores) hasta por empresas de servicio de recogida de los residuos. En los CRABs se preparará para su transporte en vehículos de mayor capacidad y se adecuará la instalación para que durante su estancia temporal se produzca en gran medida un secado parcial de forma natural, que contribuya a una reducción del peso de transporte y a una reducción de gastos de secado en la instalación principal. Se ha considerado que todos los silos y depósitos de almacenamiento se encuentren al 80% de su capacidad, de modo que si se produjera un aumento en el volumen del sólido o de líquido, exista un margen de seguridad y puedan actuar los sistemas de control de nivel. Se ha supuesto unas pérdidas de calor por radiación hacia el exterior para el gasificador de lecho fluidizado del 9%, el 3% para los intercambiadores de calor y el 7% para el secadero. Se debe llevar a cabo una explotación responsable de los recursos, evitando entrar en competencia con otros tipos de usos y aprovechamientos de la biomasa, puesto que no se trata de realizar una explotación masiva, sino de realizar un aprovechamiento de una biomasa que, de otro modo, no tendría aplicación y además podría ocasionar problemas medioambientales y de acumulación de residuos. De este modo, se tendrá especial cuidado en reponer una parte de la biomasa en el suelo del propio monte, puesto que es el principal aporte de nutrientes a las plantas que crecen en el mismo. No obstante, durante la recogida en la finca de la biomasa, su empacado y/o trituración, transporte, etc. hasta alcanzar el lugar de consumo se producen pérdidas
de parte de los residuos (hojas, ramas pequeñas, etc.) que servirán de aporte de materia orgánica al suelo. Igualmente, las cenizas generadas en el proceso de aprovechamiento térmico de la biomasa se reintegrarán a los suelos de cultivo y/o forestales para contribuir a su fertilización. También se prestará especial atención para no emplear en este tipo de plantas de aprovechamiento térmico de biomasa lignocelulósica, el material susceptible de ser usado por fabricantes de tableros aglomerados, así como en otras aplicaciones. Este tipo de biomasa será solo utilizada en la planta térmica al final de su vida útil.
2. Caracterización energética del residuo generado La caracterización de la biomasa que va a ser utilizada como combustible es fundamental para elegir el sistema más adecuado de aprovechamiento energético de la misma, ya que algunos de los parámetros físico-químicos son limitantes a la hora de seleccionar la tecnología a emplear. Para conseguir un rendimiento adecuado de la planta, así como una vida útil de la instalación elevada, se debe realizar una correcta caracterización de los residuos biomásicos. Un aspecto fundamental de la biomasa, son las variaciones en su composición, debido a que repercuten en gran medida en la calidad de la misma y como consecuencia, en el rendimiento del proceso y en las pérdidas de eficiencia energética. Por eso, si se conoce su composición se podrá evitar esa variación mediante mezclas de diferentes tipos de biomasa que proporcionen una biomasa tipo y que evite esas desviaciones en la forma de operar de la planta. Por tanto, la caracterización de un combustible es esencial debido a: −
La existencia de toda una serie de normativas sobre el cálculo de sus características físicas y químicas más representativas, lo cual asegura tener una seguridad en las características de los combustibles que se están utilizando.
−
La necesidad de conocer la caracterización del combustible para el diseño de la planta puesto que hay parámetros que van a determinar los rangos de trabajo del proceso.
−
La posibilidad de agrupar a las diferentes clases de biomasa en tipos para que de forma totalmente automática se pueda operar de forma óptima en el proceso de gasificación.
−
Conocer el tipo de gas sintético que se generará en cada caso para adecuar la instalación de generación eléctrica a cada tipo.
Para que el análisis sea correcto, se debe tomar una muestra representativa de la biomasa para su caracterización. La muestra no debe estar sujeta a ningún cambio por influencia externa, principalmente es necesario tomar precauciones contra humedad, descomposición, calor y fuego. Las normas de referencia para el muestreo y preparación de la muestra, son: ISO 1998:"Hard Coal. Sampling” y DIN 5.860: "Testing of solid fuels. Sampling and sample preparation". A continuación, será necesario realizar la preparación de la muestra, mediante secado y molienda del material hasta un tamaño de partícula menor o igual a 500 µm. Se homogeneiza la muestra y se reduce su cantidad hasta 500 g. Las normas de referencia para la preparación de la muestra: ASTM D 2013-86: "Standard method of preparing coal simples for analysis".
2.1. Tipo de residuo El tipo de residuo que se debe gestionar en la planta de gasificación estará formado principalmente por paja y henificado de cereales, restos de podas de las zonas forestales aledañas y biomasa procedente de las plantas madereras vinculadas a Arévalo.
2.2. Caracterización del residuo como combustible Se ha realizado un primer análisis de los residuos generados en el proceso.
2.2.1. Análisis de componentes El análisis de componentes es un ensayo rápido que permite predecir el contenido de las fracciones de compuestos del combustible. Consiste en una separación de los
compuestos de la muestra de combustible en función de sus diferentes volatilidades al calentar éste de forma gradual, proporcionando los contenidos en peso de las fracciones de cada componente. El calentamiento del combustible se llevará a cabo en atmósfera inerte y oxidante, variando las condiciones estequiométricas en este último caso, midiéndose la composición en humedad, cenizas, materias volátiles y carbono fijo. Tabla 1. Análisis de componentes de los residuos húmedos TIPO DE BIOMASA Industria maderera Paja cereal Restos poda Mezcla
Humedad (%masa) 12,00 12,00 12,00 12,00
Volátiles (%masa) 71,23 66,92 63,08 67,06
Cenizas (%masa) 0,40 5,17 7,32 4,38
Carbono fijo (%masa) 16,37 15,91 17,60 16,56
2.2.2. Análisis elemental El análisis elemental consiste en la determinación de la composición química de la muestra. Se determina el contenido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre, y por diferencia a 100 del resto de los elementos, el contenido de oxígeno. Se obtiene así, información sobre los compuestos que se desprenderán en el proceso de combustión. Tabla 2. Análisis de elemental de los residuos con 12% humedad Biomasa C (% m) H (% m) N (% m) S (% m) O (% m) Cl (% m) F (% m) Industria maderera 44,45 5,26 0,18 0,00 37,70 0,02 0,00 Paja cereal 40,67 4,97 0,53 0,07 36,29 0,24 0,00 Restos poda 42,35 5,06 0,56 0,09 32,54 0,09 0,00 Mezcla 42,31 5,08 0,43 0,05 35,59 0,13 0,00
2.2.3. Poder calorífico El poder calorífico de un combustible es el calor que se desprende por unidad de masa de combustible en un proceso de combustión completa. En el caso de la biomasa, el poder calorífico aumenta con el contenido en carbono o hidrógeno y disminuye con el de oxígeno. Tabla 3. Poderes caloríficos de los residuos con humedad Biomasa %Humedad Industria maderera 12 Paja cereal 12 Restos poda 12 Mezcla 12
PCS (kJ/kg) 17.421 16.507 16.049 16.644
PCI (kJ/kg) 15.891 15.044 14.564 15.154
El poder calorífico de este tipo de residuos es elevado, lo cual hace que sea un residuo apto para su aprovechamiento energético.
3. Técnicas de aprovechamiento energético Existen tres técnicas de aprovechamiento energético de la biomasa mediante procesos termoquímicos: pirólisis, combustión y gasificación. La pirólisis, que consiste en la descomposición termoquímica de la biomasa a temperaturas comprendidas entre 200 y 1.100º C en atmósfera exenta de oxígeno. Cuando se realiza a baja temperatura, conduce a la carbonización. Como productos finales de pirólisis se obtiene un sólido (carbón vegetal), un producto pastoso o líquido muy viscoso (alquitranes), un líquido procedente de gases condensables (jugo piroleñoso) y gases incondensables (volátiles). La combustión que consiste en la descomposición de la biomasa cuando es sometida a temperaturas de 500 a 800º C en una atmósfera rica en oxígeno. Como resultado de la combustión se produce una oxidación completa de los elementos constituyentes de la biomasa, para dar CO2 y H2O, fundamentalmente, y una liberación de energía calorífica, que puede ser utilizada para calentar o vaporizar agua o para en última instancia generar electricidad. La gasificación consta un conjunto de reacciones termoquímicas, que se producen en un ambiente pobre de oxígeno, y que da como resultado la transformación de un sólido en una serie de gases susceptibles de ser utilizados en una caldera, en una turbina o en un motor, tras ser debidamente acondicionados. En el proceso de gasificación, la celulosa se transforma en hidrocarburos más ligeros, incluso en CO2 y H2. Esta mezcla de gases, llamada gas de síntesis o "syngas", tiene un poder calorífico inferior (PCI) equivalente a la sexta parte del poder calorífico inferior del gas natural, cuando se emplea aire como agente gasificante, por el N2 que contiene. El rendimiento del proceso de gasificación varía dependiendo de la tecnología, el combustible y el agente gasificante que se utilice, en el rango de 70-80%. El resto de la energía introducida en el combustible se invierte en las reacciones endotérmicas, en las pérdidas de calor de los reactores, en el enfriamiento del syngas, necesario para su
secado (eliminación de vapor de agua), filtración, y en el lavado (cuando es necesario eliminar alquitranes). Además de sustituir a combustibles ligeros de origen fósil, la gasificación permite obtener altos rendimientos eléctricos a partir de biomasa, cuestión ésta muy difícil mediante combustión directa para generación de vapor y posterior expansión de éste en un turbo alternador. Mediante gasificación se pueden alcanzar rendimientos eléctricos de hasta el 30 - 35% mediante el uso de moto-generadores accionados por syngas, mientras con un ciclo Rankine convencional simple (ORC), las cifras rondan un 22% de rendimiento eléctrico. Las etapas que sufre la biomasa son tres:
Una primera etapa de calentamiento hasta 100º C, que provoca el secado de la biomasa por evaporación del agua contenida en la misma, y que absorbe el calor sensible para elevar la temperatura, además del necesario para la evaporación del agua.
La segunda etapa, que también absorbe calor, es la de pirólisis (ruptura por calor o descomposición térmica en ausencia de oxígeno), en la que se rompen las moléculas grandes dando lugar a otras de cadena más corta que, a la temperatura del reactor, están en fase gaseosa. Ocurre a unos 300-500º C y se desprenden los componentes más volátiles, pero debido a que la cantidad de O2 en el interior del reactor es insuficiente, algunos de estos volátiles no se podrán quemar, dando lugar a alquitranes contaminantes.
La última etapa es la oxidación parcial de la fracción más pesada (carbonosa) de la biomasa al entrar en contacto con el agente gasificante. Ocurre a unos 600 – 1.100º C.
El proceso descrito es endotérmico, por lo que es necesario aportar energía al sistema. Dado que en el reactor tienen lugar reacciones tanto endotérmicas como exotérmicas, es importante controlar la relación sólido/aire para conseguir que el calor aportado por unas sea igual al absorbido por las otras, manteniéndose la temperatura del reactor constante. Este proceso recibe el nombre de autotérmico.
Las tecnologías comerciales de gasificación permiten procesar prácticamente todo tipo de combustibles de origen biomásico, con una limitación de su densidad mínima de 200 kg/m3. Densidades menores crean problemas en el manejo de la biomasa en los conductos verticales. Asimismo, complican la gasificación en lecho fluidizado, pues la biomasa es arrastrada por el gas de síntesis, con la consecuente pérdida de eficiencia y disponibilidad. Otro aspecto importante respecto a la biomasa es que su tamaño sea homogéneo (y estable en el tiempo) y lo suficientemente pequeño para que las reacciones se produzcan a una velocidad adecuada, y en un volumen razonablemente pequeño. Un tamaño de partícula pequeño permite aumentar la calidad del syngas, reducir el tamaño del reactor o bien aumentar el tiempo de permanencia para el craqueo de las fracciones más pesadas y condensables (alquitranes). Un tamaño excesivamente pequeño puede hacer que la biomasa se atasque en los conductos o que sea arrastrada junto con las cenizas volantes al exterior del reactor antes de tiempo. Se puede concluir que en cada gasificador se precisa de un tamaño de partícula determinado, que en la mayoría de los casos no debe ser menor de 2 - 3 mm de diámetro de partícula. En cuanto a la humedad de la materia a gasificar, valores de 10 - 15% son los más adecuados. Secar más la biomasa presenta dos inconvenientes. El primero es que, a medida que se seca más, es más costoso en términos energéticos y económicos. En segundo lugar, una biomasa secada más allá de su punto de equilibrio recupera la humedad al entrar en contacto con el aire ambiente. En general, la humedad facilita la formación de hidrógeno, pero reduce la eficiencia térmica.
3.1. Técnica seleccionada La técnica de aprovechamiento energético de la biomasa seleccionada es la gasificación debido a las ventajas que presenta: − El gas presenta mejores propiedades de combustión respecto al sólido. − El gas producido es más versátil y se puede usar para los mismos propósitos que el gas natural.
− Necesita una menor cantidad de aire. − Menor emisión de partículas. − Menor contaminación ambiental. − El gas producido es fácil de almacenar y puede ser utilizado para alimentar motores de combustión interna. Sin embargo, presenta las siguientes desventajas: −
Se exige una mejor calidad del combustible.
−
Los sistemas deben estar suficientemente sellados para evitar la fuga de gases que tienen características tóxicas por contener CO.
−
Peligros de explosiones.
−
Se produce alquitrán.
4. Gasificador Los tipos de reactores utilizados en la gasificación de biomasa son los de lecho móvil (en contracorriente y corrientes paralelas), rotatorios y los de lecho fluidizado (burbujeante y circulante). Cada uno de estos reactores presenta una serie de ventajas e inconvenientes, lo que hace que su elección dependa de diversos factores. Los principales criterios de elección son el tamaño y la densidad del combustible a procesar, la capacidad de procesamiento y la calidad deseada del gas que se va a obtener. Los gasificadores de lecho fluidizado se pueden clasificar atendiendo a la variable de operación ‘velocidad de fluidización’, en lecho fluidizado burbujeante (velocidad de fluidización de 1-2 m/s) y lecho fluidizado circulante (velocidad de fluidización mayor de 5 m/s). La velocidad del gas en los CFC (circulating fluidized bed), lecho fluidizado circulante, es suficientemente grande como para arrastrar el sólido. Estos sistemas se desarrollaron de forma que ese sólido es retornado al lecho mejorando la eficacia respecto al BFB (bubling fluidized bed), lecho fluidizado burbujeante.
Figura 1. Gasificador de lecho fluidizado burbujeante
El tipo de gasificador seleccionado es el de lecho fluidizado burbujeante debido a las ventajas que presenta frente al de lecho móvil, como son: -
La posibilidad de trabajar con diferentes tipos de biomasa.
-
El gran rendimiento termodinámico.
-
La gran facilidad y seguridad en la operación y mantenimiento, al tener muy poco combustible acumulado en el interior del gasificador.
-
La gran fiabilidad mecánica, al no haber equipos mecánicos móviles en el interior del gasificador.
-
Permite un arranque/paro muy corto, pudiendo incluso parar y arrancar cada día.
El sólido triturado se introduce por un lateral del gasificador, donde la temperatura es uniforme (para biomasa se opera a unos 800 - 900º C). Se puede alimentar en uno o en varios puntos del lecho. Los agentes gasificantes, que se introducen por la parte inferior a una velocidad alta, mantienen en suspensión las partículas de la biomasa y del sólido inerte (lecho de partículas de arena) si se utiliza, formando un lecho fluido que se comporta de manera análoga a un líquido. Las cenizas se extraen por la parte inferior, mientras el gas suele arrastrar partículas de sólido sin quemar, que en gasificadores de diseño más avanzado, suelen recogerse y recirculares al lecho. La conversión del carbono contenido en la biomasa suele alcanzar valores próximos al 100% si se recirculan las cenizas volantes, lo que no suele ser económico a pequeña escala. El volumen de gas producido por unidad de volumen del reactor es superior al de los gasificadores de lecho móvil, lo que se traduce en un menor precio. La composición del
gas es muy uniforme, variando muy poco con las condiciones de operación debido a las buenas condiciones de transferencia de calor y materia que proporciona el lecho fluidizado. El gas de proceso contiene pequeñas cantidades de tar y grandes cantidades de partículas y cenizas. Este tipo de lecho es adecuado y se aplica para gasificar biomasas de dimensiones inferiores a 1 cm. El tener flexibilidad con las características del combustible es especialmente importante cuando se quiere operar con sistemas a escala mayor de planta piloto (>10MWt).
5. Modelo matemático para el gasificador Existen dos planteamientos matemáticos para describir el proceso de gasificación de biomasa, que transforman las variables físicas de entrada para obtener unas variables o parámetros físicos deseados a la salida; los modelos que describen este tipo de fenómenos se denominan modelos Cero-dimensional (0-D) y modelos Dimensionales (1-D, 2-D, 3-D), dependiendo del número de coordenadas espaciales considerado. Entre las variables de entrada y salida más comunes se encuentran: flujos másicos, composiciones, temperaturas, presiones, etc. La gasificación de combustibles sólidos se puede simular bajo cualquiera de estos parámetros. Los modelos 0-D del proceso de gasificación de biomasa, se basan en el equilibrio químico y/o termodinámico, relacionan las variables de entrada con las de salida, y predicen la composición final del gas y la temperatura de equilibrio, en función del tipo de biomasa, la humedad, la relación combustible/aire y la temperatura. Sin embargo, bajo este planteamiento no es posible evaluar la distribución de ningún parámetro a lo largo del gasificador. Los modelos dimensionales, consideran la variación de todas las propiedades en el interior del gasificador en una, dos o tres coordenadas espaciales, según el caso. Este planteamiento requiere del acoplamiento de la cinética química y los fenómenos de transporte (conservación de masa, energía y momento), para estudiar la evolución de las especies, el estado térmico y dinámico del proceso en las coordenadas espaciales elegidas.
5.1. Modelo seleccionado Se escoge el modelo 0-Dimensional debido a las ventajas que presentan. Con los modelos 0-Dimensionales se puede concluir en líneas generales que:
Los modelos adimensionales se plantean mediante ecuaciones de conservación de masa, energía y reacciones auxiliares para cerrar el sistema. Estos modelos son útiles para determinar hasta donde es posible llegar termodinámicamente en el proceso de gasificación; para predecir el comportamiento de las plantas de gasificación y optimizarlo, mediante la modificación de los parámetros de entrada, buscando maximizar el rendimiento.
Son versátiles, ya que permiten evaluar diferentes parámetros de entrada, como tipo de combustible (análisis elemental), contenido de humedad, relación combustible/aire, e intercambios de calor del proceso (pérdidas de energía, precalentamientos y caso adiabático).
Estos modelos destacan por su sencillez, facilidad de implementación y bajo tiempo computacional para el cálculo.
5.2. Modelado del gasificador de lecho fluidizado El cálculo del gasificador de lecho fluidizado se realiza a través del modelo 0dimensional que a continuación se detalla. Con las fracciones másicas del análisis elemental de la biomasa, se determinan los coeficientes de la fórmula de sustitución de la misma, asumiendo que esta posee un átomo de carbono, n =1. Los resultados se muestran en la Tabla 4. m=
%H n·Pm H
p=
%O2 n·PmO2
(1)
Tabla 4. Resultados fórmula empírica de la biomasa seca
Biomasa
%C
%H
%O
n
m
p
PmBMS
w
%H2O
Seca
42.49
5.10
35.51
1
1.45
0.63
23.56
0.17
12
Con la fórmula de sustitución se calcula el peso molecular de combustible sólido seco, PmBMS y con éste los moles de agua por mol de biomasa seca que se introducen en el gasificador. El algoritmo que estima la composición final del gas pobre a la salida del gasificador, está basado en el equilibrio químico de las diferentes especies, considerando, además unos contenidos en alquitrán y char típicos para este proceso y tipo de gasificador. La reacción global del proceso de gasificación de biomasa en un gasificador de lecho fluidizado es:
C n H m O p + wH 2 O + x(O 2 + 3.76 N 2 ) → aCO + bCO2 + cH 2 + dCH 4 + eH 2 O + fN 2 + gTar (C 6 H 6.2 O0.2 ) + hC Los balances atómicos (conservación de la masa) se obtiene respectivamente para los componentes C, H y O: (2)
1 = a + b + d + 6g + h m + 2 w = 2 c + 4 d + 2 e + 6 .2 g p + w + 2 x = a + 2b + e + 0.2 g
f = 3.76 x La variable x corresponde a la cantidad molar de aire que se utiliza durante el proceso
de gasificación. El proceso de gasificación suele utilizar entre el 20% y el 40% del aire estequiométrico, por lo cual se considera que no quedan moléculas de oxígenos en el gas pobre. La reacción de combustión completa de cualquier combustible es: C n H m O p + wH 2 O + x (O 2 + 3.76 N 2 ) → aCO 2 + bH 2 O + fN 2
El oxígeno estequiométrico se calcula a partir de los balances atómicos: a = n =1 b= x stq
m + w = 0 .9 2 1⎛ ⎛m⎞ = ·⎜⎜ 2n + ⎜ ⎟ − w − 2⎝ ⎝2⎠
1 f = ·2·(3.75)·x = 3,94 2 w = 0,17
(3)
⎞ p ⎟⎟ = 1,05 ⎠
En este caso se ha utilizado el porcentaje de aire estequiométrico como variable a determinar para cerrar el algoritmo planteado para el cálculo del balance de materia y energía. Las reacciones de equilibrio que determinan la composición final del gas pobre son dos. 1) La reducción de hidrógeno a metano
C + 2 H 2 ↔ CH 4 La constante de equilibrio, K1, relaciona las presiones parciales de la reacción de la siguiente manera:
⎛ PCH 4 ⎞ ⎜ Po ⎟⎠ ⎝ K1 = 2 ⎛ PH 2 ⎞ ⎜ Po ⎟⎠ ⎝
(4)
En términos de la composición molar del gas, suponiendo el comportamiento del gas pobre como ideal, debido a que el gasificador trabaja a presiones bajas: K1 =
d c2
(5)
2) Reacción agua-gas:
CO + H 2 O ↔ CO2 + H 2 Con el mismo procedimiento de la reducción del hidrógeno se define la constante de equilibrio K2. ⎛ PCO 2 ⎞⎛ PH 2 ⎞ ⎜ Po ⎟⎠⎜⎝ Po ⎟⎠ ⎝ K2 = ⎛ PCO ⎞⎛ PH 2O ⎞ ⎜ Po ⎟⎠⎜⎝ Po ⎟⎠ ⎝ Y en términos de la composición molar del gas asumiendo gas ideal, se tiene: K2 =
b·c a·e
(6)
(7)
El valor de las constantes de equilibrio K1 y K2 se pueden calcular a partir de la energía libre de Gibbs.
(
K p = exp − ΔG 0 T / Ru ΔS 0
)
(8)
Donde ΔG0T es la diferencia de la energía libre de Gibbs entre los productos y los reactantes. ΔG 0 T = ΔH 0 − TΔS 0
(9)
Las ecuaciones generales para ln K1 y ln K2 por Zainal et. al.2001[10] son los siguientes: ln K1 =[ 7082.848/T – 6.567 ln T + 7.466E-3 T/2 – 2.164E-6 T2/6 + 0.701E-5/(2 T2)+32.541 ln K2 = [ 5870.53/T +1.86 ln T – 2.7E-4 T -58200/(T2)-18.007}
(10)
El sistema de ecuaciones propuesto es un sistema no lineal, por lo que se resuelve por el método de Newton-Rapson, cuya solución inicial son los coeficientes estequiométricos de la combustión de la biomasa. Con la composición del gas pobre se calcula el balance energético del gasificador, con el cual se obtiene el porcentaje de oxígeno que debe introducirse a una temperatura de salida de gases dada inicialmente. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la entalpía de los productos a la temperatura de reacción es igual a la entalpía total (sensible y de formación) de la biomasa, la humedad y el aire, más las pérdidas de calor (Qout