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
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
1
GASIFICACION DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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
2
INDICE
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
3
RESUMEN
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.
5
ABSTRACT
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.
6
CAPITULO I
INTRODUCCION
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
7
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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:
8
CAPITULO I
INTRODUCCION
- 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.
9
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
10
CAPITULO I
INTRODUCCION
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
11
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
- 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.
12
CAPITULO I
-
INTRODUCCION
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.
13
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
14
CAPITULO I
INTRODUCCION
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.
15
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
16
CAPITULO I
INTRODUCCION
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,
17
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
18
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
19
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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
Gases entrada
Aire
Nitrógeno
Dióxido de carbono
Vapor
Hasta 1000 ºC
Temperatura
Tabla 2.1. Características de la planta
20
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
21
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
12
y = 0,3399x - 5,7172
10
8
Qagua
ml/min
1,6 mm
5 mm
6
Lineal (1,6 mm)
y = 0,09x - 1,3833
Lineal (5 mm)
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Velocidad de giro%
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.
22
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
23
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
Imagen 2.2. Manoreductor en 3 etapas de nitrógeno
Las características de las botellas se recogen en la tabla 2.2.
GAS
NITRÓGENO
CONTENIDO DE
LA BOTELLA
N2 industrial,
Pureza del 99,5%
TAMAÑO
PRESIÓN
ESTÁNDAR A 15 ºC (bares)
B-50
200
B-50
49,5
CO2, impurezas:
CO2
O2<10ppm
CnHm<5ppm
H2O<10ppm
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.
24
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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).
25
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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 calefactada
650 mm
Resistencias
12
Voltaje
400 V / 50 Hz
Tabla 2.3. Dimensiones horno
26
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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
27
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
28
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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
29
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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
30
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
31
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
32
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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
33
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
34
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
35
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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
36
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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
37
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
38
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
39
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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 massflow. 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.
40
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
41
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
42
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
43
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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
44
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
45
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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
46
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
47
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
48
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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
49
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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:
Qi 
Qtot %i
· ·(ti 1  ti )
60 100
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.
50
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
Las columnas n presentan los moles de cada componente, para ello se aplica la
definición de gas ideal:
ni 
Qi ·P
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:
Qtot 
QN2
 (%
i
/100)
i
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.
51
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
52
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
53
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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:
dCO
dt
dCO2
 CO2   ·
dt
COcalc  CO   ·
CO2 calc
54
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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:
Q
QN2
(%COcal  %CO2 cal  % H 2 ) /100
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:
nC 
nCO
2
nCH 4  0
nC 
nCO
2
55
 nCH 4
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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:
i
Xi 
n
t 0
C
nCchar
Xi: grado de conversión en el instante i
i
n
t 0
C
: 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:
ri 
dx xi 1  xi

dt ti 1  ti
56
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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 1015 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.
57
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
58
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES
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.
59
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
60
CAPITULO 3
EXPERIENCIAS Y RESULTADOS
CAPÍTULO 3
RESULTADOS EXPERIMENTALES
61
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
62
CAPITULO 3
EXPERIENCIAS Y RESULTADOS
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.
0,70
0,60
0,50
0,40
x
sin enfriar
enfriado
0,30
0,20
0,10
0,00
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
t
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.
0,7
0,6
0,5
0,4
sin enf riar
enf riado
0,3
0,2
0,1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
t
Figura 3.2. Influencia de la preparación del char con vapor a 800 ºC
63
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
0,8
0,7
0,6
0,5
sin enfriar
enfriado
x0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
50
100
150
200
250
300
t
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
Vapor
800
4,2 * 10-4
2,1 * 10-4
800
1,4 * 10-3
0,5 * 10-3
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.
64
CAPITULO 3
EXPERIENCIAS Y RESULTADOS
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.
1,5
r, s-1*103
1
2-2,8
1-1,4
0,5
0
0
0,2
0,4
x
Figura 3.4. Efecto del tamaño con CO2 a 850 ºC
65
0,6
0,8
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
2,5
2
r, s-1*103
1,5
2-2,8
1-1,4
4,5
1
0,5
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
x
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
66
CAPITULO 3
EXPERIENCIAS Y RESULTADOS
transferencia de masa, en especial, para conversiones bajas porque es cuando la reacción
es más rápida.
6
5
r, s-1*103
4
2-2,8
3
2,8-4
1-1,4
2
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
x
Figura 3.6. Efecto del tamaño con vapor a 850 ºC
10
8
r, s-1*103
6
2-2,8
1-1,4
2,8-4
4
2
0
0
0,2
0,4
x
Figura 3.7. Efecto del tamaño con vapor a 900 ºC
67
0,6
0,8
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
0,8
0,7
0,6
0,5
x
800ºC
0,4
850ºC
900ºC
0,3
0,2
0,1
0,0
0
500
1000
1500
2000
t(s)
Figura 3.8. Evolución de la conversión con la Tª para CO2
68
2500
3000
CAPITULO 3
EXPERIENCIAS Y RESULTADOS
0,8
0,7
0,6
0,5
x
800 ºC
0,4
850 ºC
900 ºC
0,3
0,2
0,1
0
0
200
400
600
800
t (s)
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:
69
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
6
5
r30,s-1*103
4
CO2
3
vapor
2
1
0
800
850
900
Temperatura, ºC
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.
70
CAPITULO 3
EXPERIENCIAS Y RESULTADOS
0,6
0,5
0,4
x
10%
0,3
20%
30%
0,2
0,1
0,0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
t
Figura 3.11. Evolución de la conversión con el % CO2
0,8
0,7
0,6
0,5
x
10%
0,4
20%
30%
0,3
0,2
0,1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
t
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.
71
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
1,6
1,4
r30,s-1*103
1,2
1
CO2
0,8
vapor
0,6
0,4
0,2
0
10
20
30
%
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.
72
CAPITULO 4
OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA
CAPÍTULO 4
OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA
73
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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:
r
1 dmc dx
·

mc 0 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.
74
CAPITULO 4
OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA
4.1. Determinación de rx
Las reacciones de gasificación están gobernadas por procesos de LangmuirHinshelwood, 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,
  Ea  n
rx  k0 ·exp 
·PCO / H O
 RT  2 2
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
75
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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:
K  k0 ·e
siendo K 

Ea
RT
rx
.
Pn
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:
ln K  ln k0 
Ea
RT
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.
76
CAPITULO 4
OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA
1/T*104
-4
8,5
8,7
8,9
9,1
9,3
-5
CO2
-6
LnK
H20
-7
-8
-9
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.
77
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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:
F ( x) 

1
r
 (1  x)(ax  b) exp cx 2
r30

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.
78
CAPITULO 4
OBTENCIÓN DE LA CINÉTICA
2,5
2
1,5
800 ºC
r/r30
850 ºC
900 ºC
modelo
1
0,5
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
x
Figura 4.2. Reactividad normalizada experimental y teórica para CO2
3
2,5
2
r/r30
800 ºC
850 ºC
1,5
900 ºC
modelo
1
0,5
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
x
Figura 4.3. Reactividad normalizada experimental y teórica para vapor
79
0,8
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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.
80
CAPITULO 5
CONCLUSIONES
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
81
GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO
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 insitu 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.
82
BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFÍA
J.S. Dennis, R.J. Lambert, A.J. Milne, S.A. Scott, A.N. Hayhurst. The kinetics of
combustion of chars derived from sewage sludge. Fuel. 2005. 84. 117-126.
Dong Kyun Seo, Sun Ki Lee, Min Woong Kang, Jungho Hwang, Tae-U. Yu.
Gasification reactivity of biomass chars with CO2. Biomass and bioenergy. 2010. 34.
1946-1953
Thilakavathi Mani, Nader Mahinpey, Pulikesi Muruguan. Reaction kinetics and mass
transfer studies of biomass char gasification with CO2. Chemical Engineering Science.
2011. 66. 36-41.
Susanna Nilsson, Alberto Gómez-Barea, Diego Fuentes Cano. Gasification reactivity of
char from dried sewage sludge in a fluidized bed. Fuel 92 (2012) pp.346-353
Rafaela Mª Contreras González. Gasificación de char de orujillo en un reactor
discontinuo de lecho fluido. 2006. Proyecto fin de carrera, Universidad de Sevilla.
M. Campoy N. Gasificación de biomasa y residuos en lecho fluidizado: estudios en
planta piloto. 2009. Tesis doctoral, Universidad de Sevilla.
83