Tecnología de Gasificación de Biomasa

Ingeniería,
Tecnología y Consultoría
Tecnología de Gasificación
de Biomasa
Datos del Ponente
Ponente:
Ocupación:
Empresa:
Dirección:
Teléfono:
E-mail:
Pedro Rodríguez Muñoz
Director de la División de Ingeniería
INERCO Ingeniería, Tecnología y Consultoría
Parque Tecnológico de La Cartuja
Thomas Alva Edison, 2
41092 Sevilla
95 446 8100
[email protected]
Fundada en 1984
Capital social privado e independiente
ACTIVIDADES DE INERCO
Ingeniería y optimización de
procesos
Tecnologías energéticas
Consultoría en Medio Ambiente,
Prevención de Riesgos y
Seguridad Industrial
Con un profundo conocimiento de la realidad industrial
Químico, Petroquímico y Refino
Electricidad y Gas
Cemento y Siderúrgico
En España
Tarragona
Madrid
Sevilla
En el mundo
Polonia
ESPAÑA
Líbano
Egipto
México
Venezuela
Nicaragua
Venezuela
Colombia
Marruecos
Costa de Marfil
Ecuador
Perú
Chile
Brasil
Argentina
International
División de Ingeniería
PRESENTACIÓN DIVISIÓN INGENIERÍA
División de Ingeniería
División de Ingeniería
SECTORES
Refino de Petróleo
Industria Química
Industria Petroquímica
Generación Eléctrica
Combustibles Alternativos
Energías Renovables
Nuevos Procesos, Plantas Piloto y Escalado Industrial
División de Ingeniería
SECTORES: ENERGÍAS RENOVABLES
BIOMASA
- Gasificación
- Co-Combustión
- Preparación y Alimentación de Combustibles
SOLAR
- Generación Solar Térmica
BIOCOMBUSTIBLES
- Bioetanol
- Biodiesel
EÓLICA
- Parques Eólicos
HIDROGENO
- Generación y Almacenamiento a partir de Renovables
División de Ingeniería
TIPOLOGÍA DE PROYECTOS
Plantas de Proceso
Plantas de Generación Eléctrica
Servicios Auxiliares, OSBL´s, BOP´s
Parques de Almacenamiento
Estaciones de Carga y Descarga de CC.CC y FF.CC
Instalaciones Específicas: PCI, Vapor, Condensado,
Torres de Refrigeración, etc
Ingeniería Específica de alguna especialidad
División de Ingeniería
ALCANCE DE LOS SERVICIOS
- Ejecución de Proyectos Llave en Mano ó EPCM´s
- Ingeniería Conceptual, Básica y de Detalle
- Ingeniería de la Propiedad. Dirección de Proyectos
- Ingeniería de Integración
- Gestión de Autorizaciones Sustantivas (Permitting)
- Anteproyectos: Centrales Térmicas y Refinerías de Petróleo
- Ingeniería por especialidades
- Ingeniería de Procesos
- Ingeniería Eléctrica
- Ingeniería Mecánica
- Ingeniería de Instrumentación
- Ingeniería de Obra Civil
- Dirección y Supervisión de Obras
- Ingeniería de Tuberías
- Gestión de Compras
Revamping de la Planta H3 de Refinería La Rábida
División de Ingeniería
Planta Desulfuración de Fuel Gas de ASESA (Tarragona)
División de Ingeniería
Planta Llenado de Botellas de Butano. CEPSA GL (Cádiz)
División de Ingeniería
AMPLIACIÓN CLH MALAGA
División de Ingeniería
AMPLIACIÓN CLH BARCELONA
División de Ingeniería
Planta de Fraccionamiento de Aire de MESSER. Tarragona
División de Ingeniería
Almacenamiento de Ácido Sulfúrico Atlantic Copper
División de Ingeniería
Combustibles Alternativos. Lafarge Sagunto
División de Ingeniería
Planta de BioEtOH de BCL en Babilafuente (Salamanca)
División de Ingeniería
Interconexión BD San Roque Refinería Gibraltar
División de Ingeniería
REPOW PS10 SOLUCAR SOLAR
División de Ingeniería
PROYECTO EUREKA 5 SOLUCAR SOLAR
División de Ingeniería
Parque Eólico Casares
División de Ingeniería
III Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética. Univ. De Huelva
Tecnología de Gasificación de Biomasa
Biomasa y los Procesos
Termoquímicos
para su Aprovechamiento
División de Ingeniería
III Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética. Univ. De Huelva
Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
QUÉ ES BIOMASA?
BIOMASA: conjunto de materia orgánica de origen vegetal o animal o
procedente de la transformación de la misma.
De su uso se deriva:
 Balance neto de CO2 nulo
 Emisiones de SO2 bajas
 Combustible autóctono
 Revalorización residuo
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
PROCEDENCIA DE LA BIOMASA
BIOMASA
NATURAL
MADERA
INDUSTRIALES
AGROALIMENTARIA
LODOS
AGROGANADEROS
FORESTALES
SÓLIDOS URBANOS
CULTIVOS
RESIDUOS
AGRICOLAS
Papel
Mueble
Cáscaras
Huesos
Desechos
HERBACEOS
Podas
Paja
Cascarilla
Cereales
Cardo
Pataca
Sorgo
GANADEROS
Poda
Entresaca
LEÑOSOS
Sauces
Chopos
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
POSIBILIDADES DE APROVECHAMIENTO
BIOMASA
APROV. DIRECTO
COMBUSTIÓN BIOMASA
(Caldera, hornos, etc.)
Energía Térmica
APROV. INDIRECTO
GASIFICACIÓN
Energía Eléctrica
PIRÓLISIS
Otros Productos Químicos
DIGESTIÓN
Combustibles Líquidos
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
PROCESOS TERMOQUÍMICOS
Aporte de O2:
Proceso
Aporte de O2
(sobre teórico)
Combustión
> 100 %
Gasificación
20 – 40 %
Pirolisis
0
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
Tecnología de Gasificación
de Biomasa
División de Ingeniería
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
GASIFICACIÓN DE BIOMASA
GASIFICACIÓN: proceso termoquímico en el que un solido es
transformado en un gas combustible mediante una serie de reacciones a
alta temperatura y cantidad limitada de agente oxidante.
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
GASIFICACIÓN DE BIOMASA
Fases:
Fase de secado:
Biomasa húmeda + Calor ->Biomasa seca + vapor de agua
Fase de pirolisis (descomposición térmica):
Biomasa seca+ Calor-> Char+CO+CO2+C2H4+Alquitrán
Fase de oxidación (gasificación char):
Char+O2+H2O(v)->CO2+Calor
Char+CO2+Calor->2CO
Char +H2O(v)+Calor->CO+H2
División de Ingeniería
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
GASIFICACIÓN DE BIOMASA
Reacciones más importantes :
Descomposición de la biomasa
(1) Biomasa + calor => Char + Líquidos + Gases (endotérmica)
Craqueo de los hidrocarburos
(2) Líquidos + calor => Gases (endotérmica)
Gasificación del char
(3) C + H2O => CO + H2 (endotérmica)
(4) C + CO2 => 2 CO (endotérmica)
Reformado de hidrocarburos en fase gas
(5) CnHm + nH2O => n CO + (n+
) H2 (endotérmica)
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GASIFICACIÓN DE BIOMASA
Reacciones más importantes :
Oxidación del char e hidrocarburos
(6) C + O2 > CO2 (endotérmica)
(7) CnHm + (2n+
) O2 > n CO2 +
H2O (exotérmica)
Reacción de intercambio
(8) CO + H2O > CO2 + H2 (ligeramente exotérmica)
División de Ingeniería
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
GASIFICACIÓN DE BIOMASA
Agentes Oxidantes:
El agente oxidante utilizado juega un papel relevante en la calidad del
gas generado.
Agente gasificante
PCS
(MJ/m3)
Composición del gas obtenido (% en volumen)
Uso
H2
CO
CO2
CH4
N2
C
<6
9-20
14-24
9-20
1-7
48-53
-
Combustible
Oxígeno
10-20
32
48
15
2
3
-
Combustible
Gas de síntesis
Vapor de agua
10-20
50
20
22
6
-
2
Combustible
Gas de síntesis
Aire
Gas natural
42
70-100
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División de Ingeniería
GASIFICACIÓN DE BIOMASA
Tipos de Reactores:
En función de agente
gasificante
Aire
Oxígeno
Vapor
En función de aporte térmico
Directos (Autotérmicos)
Indirectos
En función de Presión
Atmosféricos
Presurizados
En función del diseño
Lecho fijo
Lecho Fluido
Entrained Flow
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GASIFICACIÓN DE BIOMASA
Tipos de Reactores:
Reactores extendidos comercialmente
Lecho Fijo
 Downdraft (en contra corriente)
Updraft (en iso corriente)
Crossdraft (fluju cruzado)
Lecho Fluidizado  Bubbling Fluidized Bed (BFB)
Circulating Fluidized Bed (CFB)
Twin-bed
División de Ingeniería
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División de Ingeniería
REACTORES DE LECHO FIJO
Downdraft:
LECHO FIJO DOWN-DRAFT
LECHO FIJO 'DOWN-DRAFT'
- Construcción y operación relativamente sencilla.
- Se requiere baja humedad en los combustibles.
- Se produce un gas relativamente limpio.
- Gases de salida a alta temperatura.
- Posible fusión de cenizas y formación de escorias.
- Baja capacidad específica(1).
- Alto tiempo de residencia de los sólidos.
- Elevada conversión de la biomasa.
- Bajos niveles de partículas.
- Potencial de escalado muy limitado con tamaño máximo pequeño.
(1) Kg de sólido/ m3 de reactor.
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División de Ingeniería
REACTORES DE LECHO FIJO
Updraft:
LECHO FIJO UP-DRAFT
LECHO FIJO 'UP-DRAFT'
- Construcción simple y robusta.
- Alta eficacia térmica.
- Gas con alto contenido en alquitranes.
- Baja temperatura del gas de salida.
- El gas producido es apto para su combustión directa.
- Facilidad de operación a bajo régimen.
- Elevados tiempos de residencia del sólido.
- Elevada conversión de la biomasa(1).
- Altos niveles de partículas.
- Fácil escalado hasta tamaños medios.
(1) Referido al grado de conversión al carbono
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REACTORES DE LECHO FIJO
Crossdraft:
LECHO FIJO CROSS-DRAFT
LECHO FIJO ‘CROSS-DRAFT'
- Adecuado para carbón vegetal.
- Problemas en materiales por altas temperaturas en oxidación.
- El combustible sirve de aislamiento contra altas temperaturas.
- Capacidad mínima de transformar al alquitrán.
- Pueden funcionar a pequeña escala < 10 KW.
- Gran sencillez del conjunto de depuración (ciclón + filtro).
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REACTORES DE LECHO FLUIDO
Burbujeante:
LECHO FLUIDO BURBUJEANTE
- Se permiten variaciones en la calidad de los combustibles.
- Buen control de la temperatura y altas velocidades de reacción de sólido.
- Buen contacto y mezcla de gas-sólido.
- Moderado nivel de alquitranes en el gas producto.
- Elevada conversión de la biomasa.
- Temperatura salida reactor relativamente altas.
- Limitaciones a operar a bajas cargas.
- Alta capacidad especifica.
- Posibilidad de operar a carga parcial.
- Posible proceso catalítico en el lecho.
- Mayor cantidad de partículas en el gas de salida que en un lecho fijo.
- Fácilmente escalable.
BUBBLING FLUIDIZED BED
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REACTORES DE LECHO FLUIDO
Circulante:
LECHO FLUIDO CIRCULANTE
- Mayor dificultad de operación que un lecho fijo.
- Buen control de la temperatura y elevadas velocidades de reacción del sólido.
- Buen contacto y mezcla de gas-sólido.
- Gas de salida con niveles moderados de alquitranes.
- Alta conversión.
- Temperatura salida reactor relativamente altas.
- Limitaciones a operar a bajas cargas.
- Alta capacidad especifica.
- Buen contacto gas sólido.
- Mayor cantidad de partículas en el gas de salida que en un lecho fijo.
- Fácilmente escalable.
CIRCULATING FLUIDIZED BED
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División de Ingeniería
REACTORES DE LECHO FLUIDO
Twin-bed:
LECHO FLUIDO TWIN-BED
LECHO FLUIDO TWIN-BED
- Temperatura baja en el lecho: 580 ºC.
- Las partículas finas son transferidas a la cámara de combustión del ciclón.
- Temperatura alta en la cámara de combustión del ciclón: 1350-1450 ºC.
- Deposición de cenizas en las paredes de la cámara de combustión del ciclón.
- Comerciales a gran escala.
- Tecnología probada para RDF, residuos plásticos, lodos depuradora, etc.
- Consigue destrucción completa de los contaminantes orgánicos.
- Flexibilidad para cambiar la composición del combustible.
- Económica y medioambiente atractivo para gran escala.
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REACTORES DE LECHO FLUIDO
De Arrastre:
ENTRAINED FLOW
ARRASTRE DE FLUJO
- Adecuado para la mayoría de los carbones.
-
Altas temperaturas: 1300-1600 ºC.
- Altas presiones: 25-60 bar.
- Mayor necesidad de oxígeno.
- Menor cantidad de alquitranes.
- Partículas de alimentación muy finas (< 100 μm).
- La reacción tiene lugar en una nube de partículas muy fina.
- Mayor rendimiento (alta T y P).
-
Menor eficiencia térmica (enfriar antes de depurar el syngas).
- Utilizado para grandes capacidades > 100 MW.
- Control de operación complejo.
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División de Ingeniería
CONDICIONES DE OPERACIÓN
Downdraft
Updraft
BFB
CFB
1
1
1-1,35
1-1,19
Temp. Operación reactor (ºC)
700-1.200
700-900
650-950
800-1.000
Reactante
O2 o Aire
O2 o Aire
O2 o Aire
Aire
4,5-5,0
5,0-6,0
4-15
4-7,5
Potencia
<5 MWth
<20 MWth
3-100 MW
20-100 MW
Alquitranes (g/Nm3)
0,015-0,5
30-150
10-50
10-30
Contenido en polvo
Bajo
(bajas velocidades)
Bajo
(bajas velocidades)
Muy bajo
(tras paso por ciclón)
Muy bajo
(tras paso por ciclón)
Presión (bar)
PCI (MJ/m3)
Nota: “Handbook Biomasa Gasification”.
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División de Ingeniería
TAMAÑOS ÓPTIMOS
BFB or CFB
BFB or CFB
La elección del sistema de gasificación dependerá del uso final del gas
producto.
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División de Ingeniería
APLICACIONES
Producción de Energía Térmica
 Combustión gas pobre
(Horno, calderas,
secaderos, etc.)
Producción de Energía Eléctrica
 Combustión gas pobre
+
MCIA, Turbina Vapor, CC
Producción de Energía Térmica y Eléctrica 
Cogeneración
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División de Ingeniería
APLICACIONES
La gasificación de biomasa tiene un extraordinario potencial
de aplicación:
 Producción de electricidad:
· Una adecuada política de incentivos y primas
· Desarrollar y optimizar nuevas tecnologías de limpieza del gas
 Producción de calor:
· Desarrollar y optimizar equipos adaptados a cada necesidad
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División de Ingeniería
APLICACIONES
GASIFICACIÓN
VAPOR/OXÍGENO
AIRE
UHG
Síntesis
Combustibles
Líquidos
Conversión
LHG
Fuel-Cell
Petroquímicos
Amoniacos y
Fertilizantes
Turbinas
Motores
Electricidad
Calderas
Calor
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
LIMPIEZA DEL GAS
Contaminante
Sistemas de eliminación
Alquitrán
Craqueo térmico
Reformado catalítico (steam reforming)
Lavadores (scrubbers)
Partículas
Ciclones
Precipitadores electrostáticos
Filtros de mangas
Lavadores (scrubbers)
Álcalis /Amoniaco/Cloro
Enfriamiento + Filtrado
Lavadores (scrubbers)
Azufre (H2S, COS)
Lavadores (scrubbers)
División de Ingeniería
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
CO-COMBUSTIÓN
Directa:
 Dificultades en los sistemas de alimentación y en granulometría
 La humedad del combustible se incrementa
 El ensuciamiento en la caldera se puede acelerar. Es necesario ser
cuidadoso si se alimenta biomasa con elevados contenidos en álcalis
y/o cloro
 El contenido en inquemados en las cenizas puede crecer por encima
de la especificación de los fabricantes de hormigón
 Se debe mantener la proporción de biomasa por debajo del 10% en
peso (por debajo del 5% del aporte energético a la caldera)
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División de Ingeniería
CO-COMBUSTIÓN
Indirecta con Gasificación:
 Disminuyen las emisiones de partículas, NOx y SO2
 Las dificultades asociadas al empleo de biomasa se trasladan al
gasificador, más flexible que la caldera y que admite variaciones en
las características de la biomasa
 Las cenizas de ambos procesos se obtienen de forma separada
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
GASIFICACIÓN COMO MTD
 Incluida en el BREF para Grandes Instalaciones de Combustión
 Posibilidades de comercialización de los derechos de CO2
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
ESTADO DE DESARROLLO
Europa:
 Gasificación para aprovechamiento térmico y eléctrico avanzada
 Existen grandes instalaciones de co-combustión
 Primeros pasos en la síntesis de combustibles líquidos
 Proyectos de I+D para producción de hidrogeno
España:
 No desarrollada comercialmente para aprovechamiento eléctrico
 Proyectos de I+D para producción de hidrogeno
 Centro de I+D para integración en Oxigasificación y captura de CO2
 Centros de Investigación para síntesis de combustibles
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
Tecnología de Gasificación
de Biomasa de INERCO en
Lecho Fluido Burbujeante
División de Ingeniería
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Antecedentes:
 Amplia experiencia de DIQMA en proyectos de I+D de gasificación
 Planta piloto de 150 kw de gasificación en lecho fluido burbujeante
 Gran colaboración entre INERCO y DIQMA en proyectos I+D
Proyecto parcialmente subvencionado por Organismos públicos y
Entidades privadas:
-
Agencia IDEA (Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa)
-
Corporación Tecnológica de Andalucía
-
Agencia Andaluza de la Energía (Consejería de Innovación,
Ciencia y Empresa)
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Colaboradores:
 DIQMA Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla
Asistencia técnica diseño conceptual y planificación pruebas
Análisis de resultados
Medida de contaminantes
 ABORGASE
Localización planta demostración
Apoyo en construcción y apoyo en operación.
Colaboración en proyecto FORSU
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Planta de Demostración:
Tipo reactor de gasificación
Lecho Fluido Burbujeante
Potencia térmica
3 MWth
Aprovechamiento energético
Térmico
Agente oxidante
Aire
Presión/Temperatura de operación
0,3 barg / 800 ºC
Capacidad de tratamiento de Biomasa
15 t/día
Superficie ocupada
90 m2
Rendimiento térmico (sobre gas frío)
98% (75%)
Planta de Gasificación de Biomasa. INERCO
División de Ingeniería
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Biomasas Probadas:
 Pellets de madera
 Hueso /orujillo
 Pellets de colza
 FORSU
 Lodos de depuradora
LHV
> 14,50 MJ/Kg
Tamaño
< 20 mm
Contenido humedad
< 10 %
Contenido cenizas
< 3%
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Calidad del Gas:
 Buena calidad del gas
CO2 (%v/v)
14-17
CO (%v/v)
11-20
CH4 (%v/v)
2-4
H2 (%v/v)
4-12
LHV(MJ/Nm3)
4,2-5,5
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Estabilidad del Proceso:
 La combustión del gas estable, alcanzándose en pocos
instantes la operación a régimen
EVOLUCION TEMPERATURA ANTORCHA EN OPERACION
1000
900
800
TEMPERATURA (ºC)
700
600
500
400
300
200
100
0
16:48
21:36
2:24
7:12
12:00
HORA
16:48
21:36
2:24
7:12
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Resultados Obtenidos:
 Calidad del gas muy buena
 La combustión del gas estable, alcanzándose en pocos
instantes la operación a régimen
 Rendimiento de la planta en torno a 98% (75% sobre gas frío)
 Más de 1.000 horas acumuladas en primeros Test-Run
 Gran estabilidad de la planta
ESTADO ACTUAL:
Fase Avanzada de Desarrollo de un sistema de
limpieza del gas para el uso en motores para
producción de Energía Eléctrica
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Proyecto DOTGe:
PROYECTO:
Demostración y Optimización de la Tecnología de
gasificación de biomasa para generación de energía
eléctrica.
OBJETIVOS: Optimizar y demostrar el proceso completo desde
un punto de vista técnico, económico y ambiental.
Optimización del sistema de alimentación de biomasas
heterogéneas y de baja densidad.
Evaluación de la Oxigasificación (Gasificación con
mezclas de O2 – CO2) para diferentes aplicaciones.
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Tecnología de Gasificación de Biomasa
División de Ingeniería
TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN DE INERCO
Proyecto DOTGe:
OBJETIVOS: Evaluación de la co-Combustion indirecta de biomasa
Evaluación de la Gasificación con O2 y vapor.
PARTNERS:
CIUDEN, CIEMAT E INERCO
Proyecto parcialmente subvencionado por el Ministerio de Ciencia e
Innovación (Plan E y FEDER).
Sede central
Parque Tecnológico de la Cartuja
C/ Tomás Alba Edison, 2. Edificio INERCO
41092 Sevilla (España)
Tel.: +34 954 468 100
Fax: + 34 954 461 329
Tarragona
Avenida de Roma, 7 – 2ª planta
43005 Tarragona (España)
Tel.: +34 977 24 99 30
Fax: +34 977 21 87 05
Madrid
C/ Jorge Juan, 50. Bajo Izq.
28001 Madrid (España)
Tel.: +34 91 001 1252
e-mail: [email protected]
http://www.inerco.com