gasificación de podas forestales y jardines en planta...

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Química

Autor: Miguel Cuenco Ruíz

Tutor: Alberto Gómez Barea

Gasificación de podas forestales y jardines en planta piloto

Dep. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Química


Autor:

Miguel Cuenco Ruíz

Tutor:

Alberto Gómez Barea Profesor titular

Dep. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla Sevilla, 2016

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Agradecimientos

A mis padres y familia, pues sin su paciencia no habría terminado esta aventura.

A mi tutor Alberto y al Grupo de Bioenergía, en especial a Israel, por su apoyo y su trato exquisito.

iv

Abstract / Resumen

The purpose of this paper is twofold : first , to develop a detailed description of the operation of the

bench gasification plant belonging to the Group of Bioenergy Department of Chemical and

Environmental Engineering at the School of Engineering at the University of Seville; on the other hand

, experiences accumulated in said gasification plant biomass with different analyzes .

The first objective is justified because , despite the numerous projects and experiences in the plant as

well as the fundamentals of gasification used and developed in the research group , there is still the

need to improve operational guidelines and describe ways of achieving results.

Within the second objective, the experiences and results from a total of 67 tests with 7 different

biomasses for 8 months (October 2014 / May 2015) are discussed.

a finalidad de presente trabajo es doble: por un lado, desarrollar una descripción detallada de la

operación de la planta bench de gasificación perteneciente al Grupo de Bioenergía del

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería la Universidad de Sevilla; por otro lado, se analizan las experiencias de gasificación acumuladas en dicha

planta con diferentes biomasas.

El primero de los objetivos se justifica porque, a pesar de los numerosos proyectos y experiencias realizadas en dicha planta, así como los fundamentos de gasificación utilizados y desarrollados en el

grupo de investigación, aún existe la necesidad de mejorar las pautas operacionales y describir distintas

formas de obtención de resultados.

Dentro del segundo objetivo, se discuten las experiencias y resultados obtenidos en un total de 67

pruebas con 7 biomasas diferentes durante 8 meses (Octubre 2014/Mayo 2015).

L

v

Índice

Agradecimientos……………………………………………………………………………………………………………………………….iii

Resumen…………………………………………………………………………………………………………………………………………..iv

Índice…………………………………………………………………………………………………………………………………………………v

Índice de figuras y tablas…………………………………………………………………………………………………………………..vi

1 Introducción 1.1 Alcance y objetivo……………………………………………………………………………………………………………………. 9 1.2 Resumen capitular…………………………………………………………………………………………………………………… 9

2 Fundamentos teóricos 2.1 Biomasa………………………………………………………………………………………………………………………………...11

2.1.1 Tipos de biomasa………………………………………………………………………………………………………12 2.1.2 Sistemas de aprovechamiento energético………………………………………………………………..15 2.1.3 Ventajas de la biomasa……………………………………………………………………………………………..16

2.2 Gasificación…………………………………………………………………………………………………………………………..17 2.1.1 Gasificadores……………………………………………………………………………………………………………..18 2.1.2 Procesos de conversión…………………………………………………………………………………………….22

3 Materiales y equipos 3.1 Acondicionamiento de gases…………………………………………………………………………………………….27

3.2 Sistema del gasificador………………………………………………………………………………………………………..28 3.3 Depuración de gases de salida…………………………………………………………………………………………….31 3.4 Biomasa utilizada………………………………………………………………………………………………………………….32 3.5 Alimentación de biomasa…………………………………………………………………………………………………….34 3.6 Equipos auxiliares………………………………………………………………………………………………………………..35 3.7 Adquisición de datos…………………………………………………………………………………………………………36

4 Metodología 4.1 Puesta en marcha, operación y parada de la planta………………………………………………………………38 4.2 Procesamiento y tratamiento de datos………………………………………………………………………………….45 4.3 Obtención de N2 como base de cálculo………………………………………………………………………………….49 4.4 Plan de pruebas.…………………………………………………………………………………………………………………. 52

5 Resultados 5.1 Generación de gas pobre……………………………………………………………………………………………………….55 5.2 Efecto de la temperatura……………………………………………………………………………………………………….57 5.3 Efecto del caudal de alimentación de biomasa………………………………………………………………….……60 5.4 Efecto de la relación estequiométrica.....………………………………………………………………………………..62

6 Conclusión………………………………………………………………………………………………………………………..64

7 Bibliografía………………………………………………………..................................................66

vi

Índice de Figuras y Tablas

Ilustración 1. Biomasa natural…………………………………………………………………………………………………………………….12

Ilustración 2. Biomasa residual seca……………………………………………………………………………………………………………12

Ilustración 3. Biomasa residual húmeda………………………………………………………………………………………………………13

Ilustración 4. Cultivo energético………………………………………………………………………………………………………………….13

Ilustración 5. Tipología de gasificadores………………………………………………………………………………………………………18

Ilustración 6. Gasificadores de lecho fijo. A) Tiro directo. B) Tiro invertido. C) Tiro cruzado…………………………19

Ilustración 7. Planta de gasificación con lecho fluido burbujeante………………………………………………………………20

Ilustración 8. Gasificadores de lecho fluido. A) Burbujeante. B) Circulante…………………………………………………..21

Ilustración 9. Esquema general de los procesos de conversión de biomasa durante la gasificación……………..22

Ilustración 10. Pirolisis…………………………………………………………………………………………………………………………………23

Ilustración 11. Conversión del carbonizado y alquitranes…………………………………………………………………………….25

Ilustración 12 Esquema general de la planta piloto…………………………………………………………………………………….27

Ilustración 13. Planta Bench de gasificación de biomasa…………………………………………………………………………….27

Ilustración 14. Horno y reactor del sistema de gasificación…………………………………………………………………………29

Ilustración 55. Plano del cuerpo del reactor del sistema de gasificación………………………………………………………31

Ilustración 16. Diagrama de Puesta en Marcha…………………………………………………………………………………..………39

Ilustración 17. Diagrama de Operación………………………………………………………………………………………………….…...41

Ilustración 18. Diagrama de Parada……………………………………………………………………………………………………………44

Ilustración 19. Ventana de inicio de PicoLog Recorder…………………………………………………………………………………45

Ilustración 20. Gráficos y Hoja de cálculo de PicoLog Recorder…………………………………………………………………...46

Ilustración 21. Correlación de la concentración de N2 entre ambos métodos para Pino Pinaster…………………50

Ilustración 22. Correlación de la concentración de N2 entre ambos métodos para podas de Jardines 2……….50

Ilustración 23. Óptimos experimentales………………………………………………………………………………………………………56

vii

Ilustración 24. PCI vs Temperatura………………………………………………………………………………………………………………58

Ilustración 25. PCI vs Caudal de biomasa…………………………………………………………………………………………………….61

Ilustración 66. PCI vs ER………………………………………………………………………………………………………………………………63

Tabla 1. Clasificación de alquitranes……………..……………………………………………………………………………………………24

Tabla 2. Granulometría y caudales utilizados para las diferentes biomasas estudiadas………………………..…...32

Tabla 3. Análisis elemental de materias primas ……..……………………………………………………………………………………..32 Tabla 4. Incidencias comunes………………………………………………………………………………………………………………………42

Tabla 5. Hoja de cálculo y balance para valorización…………………………………………………………………………………..48

Tabla 6. Variación N2 analizado……………………………………………………………………………………………………………..…..50

Tabla 7. Plan de pruebas……………………………………………………………………………………………………………………..………51

Tabla 8. Resumen del calibrado del tornillo de alimentación para diferentes biomasas………………………………53

Tabla 9. Resultados de gasificación para distintas biomasas...........................................................................56

1. INTRODUCCIÓN

“Vendo lo que todo el mundo desea tener: energía”

James Watt (1736-1819)

l presente proyecto trata sobre la valorización de biomasa de origen forestal y agrícola mediante su gasificación para la obtención de un gas de síntesis o gas pobre (ya que el poder calorífico del

gas resultante es inferior a otros hidrocarburos refinados) aprovechable en la industria química y

energética.

La motivación para la realización de este trabajo no es otra que contribuir al aporte en el sistema

energético de esta fuente renovable que a su vez supone la divulgación y fomento de tecnologías que se

están asentando como verdaderas alternativas a los combustibles fósiles, además de muchas ventajas más que serán expuestas en el contenido de este trabajo.

El documento que nos ocupa ha sido desarrollado a partir de la experimentación durante seis meses en

la planta piloto de gasificación de biomasa perteneciente al Departamento de Química Ambiental de la

ETSI de Sevilla y operada por el Grupo de Bioenergía.

En la actualidad es necesario el estudio de diferentes biomasas dado que el origen y naturaleza de éstas

las hace diferentes a la hora de ser tratadas y transformadas para una tecnología definida, como es

nuestro caso.

E

Capítulo 1 Introducción


9

1.1 Alcance y objetivo

El alcance del proyecto se centra en las técnicas operacionales realizadas en la planta de gasificación de

lecho fluido a fin de contribuir para su uso en la valorización de posteriores biomasas a investigar.

En este marco, el trabajo se ha realizado en una planta piloto con el objeto de valorizar diferentes

residuos forestales y agrícolas. Concretamente podas de pino (pinaster y piñonero), eucalipto, chopo, jardines de parques urbanos y residuos de invernadero.

El objetivo de estos ensayos es el estudio de la concentración de los distintos componentes del gas de

síntesis variando las condiciones de operación, obtenido. Los parámetros que se modifican son: temperatura, porcentaje del agente gasificante en la corriente de alimentación, caudal de biomasa

alimentada y granulometría de la biomasa. Con los datos obtenidos es posible determinar la influencia

de dichas variables sobre los parámetros claves de proceso, entre otras, el poder calorífico del gas,

eficiencia de gasificación

1.2 Resumen capitular

Este primer capítulo consta de la introducción y ubicación en el contexto del trabajo realizado. En el segundo capítulo se exponen los fundamentos teóricos necesarios para la comprensión y

desarrollo de la experimentación en una planta industrial a escala piloto de gasificación de biomasa.

Estos son: definición, tipología y usos de la gasificación y biomasa, además de la tecnología existente. Posteriormente, en el tercer capítulo, se citan y describen los materiales y equipos usados en los ensayos

de gasificación y la tecnología utilizada tanto en la gasificación en sí como en los tratamientos y acondicionamientos de reactivos y productos. Aquí se describirá el acondicionamiento de gases de

entrada, depuración de gases de salida, la alimentación de biomasa, el sistema del gasificador, los

equipos auxiliares (medidores e indicadores), así como los equipos de adquisición de datos. El cuarto capítulo abarca la metodología y las pautas operacionales necesarias para la obtención de

resultados fiables y contrastables. Para ello se comienza describiendo la puesta en marcha, operación y

parada de la planta piloto, continuando con la obtención y procesamiento de los datos selectivos (concentración de componentes, presiones y temperaturas), así como la justificación del método de

obtención de la concentración de nitrógeno que se utilizará como base de cálculo para cuantificar las

concentraciones de los productos de la gasificación de biomasa. Además se muestran las incidencias

más comunes en los ensayos de gasificación. Por último en este capítulo se expone el plan de pruebas realizado durante seis meses que duró la experimentación. En el quinto capítulo se presentan los resultados más significativos en la gasificación de diferentes biomasas y según las variables utilizadas, así como los óptimos experimentales obtenidos. Dichas

variables son temperatura (800-900ºC), caudal de alimentación de biomasa acondicionada (0.54-0.95

Kg/h) y relación estequiométrica (0.16-0.34) El sexto y último capítulo muestra las conclusiones de los resultados obtenidos.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

“Toda la materia posee energía y toda la energía está asociada a la materia.”

Murray Gell-Mann (1929-…)

ara una correcta comprensión del trabajo realizado, se procede a exponer la información y los fundamentos que utiliza el ingeniero para transformar la materia en energía. En este caso, la

materia prima es biomasa sólida y el proceso de transformación y tecnología utilizada, la

gasificación.

P

Capítulo 2 Fundamentos teóricos


11

2.1 Biomasa

Desde el descubrimiento del fuego, la biomasa ha sido la fuente de energía más importante para la

humanidad. A mediados del siglo XIX se impone el uso de combustibles fósiles, por lo que la biomasa

es sustituida por el carbón y más tarde por otras fuentes energéticas como el petróleo. El

aprovechamiento de la biomasa decrece de forma progresiva presentando en la actualidad un reparto desigual como fuente de energía primaria.

La biomasa es uno de los pilares fundamentales para alcanzar niveles aceptables de producción de

energía procedente de fuentes renovables. El aprovechamiento y la mejora del uso eficiente de la biomasa conducen a la generación de empleo, beneficios medioambientales y favorece el desarrollo en

zonas rurales. Se podría considerar que el uso eficaz de esta fuente de energía permitiría el avance y

progreso de los países y zonas subdesarrolladas, garantizando la sostenibilidad del medio ambiente, así

como, la seguridad del abastecimiento energético de nuestra sociedad.

Los elementos básicos que integran los materiales biomásicos y los productos derivados, que

constituyen una fase del ciclo biológico, son fundamentalmente carbono, oxígeno, hidrógeno y

nitrógeno.

Generalmente, la biomasa se presenta como material sólido aunque también lo hace en forma líquida.

Los recursos biomásicos, tal y como se obtienen en origen, no suelen presentar las características

adecuadas para su aplicación energética directa, por lo que han de someterse a procesos intermedios de adecuación para su posterior conversión en energía aprovechable.

En los últimos años el panorama energético mundial ha variado notablemente. El elevado coste de los

combustibles fósiles y los avances técnicos, han posibilitado la aparición de sistemas de

aprovechamiento de la biomasa cada vez más eficientes, fiables y limpios.

La biomasa ostenta la máxima responsabilidad en el incremento del peso de las energías renovables en

el futuro desarrollo europeo. Si todas estas buenas intenciones se concretan, la contribución de la

biomasa a finales del siglo XXI podría alcanzar la cuarta parte de la producción mundial de energía.

España reúne condiciones adecuadas para el aprovechamiento biomásico, con diversas fuentes y tipos

de biomasa, recursos, posibilidades y tecnologías apropiadas. El mayor potencial de la biomasa está en

las áreas rurales (agrícolas y forestales)

El concepto de biomasa ha sido definido de diferentes formas. A continuación se exponen algunas:

El Consejo Mundial de la Energía define biomasa como la masa de materia orgánica, no fósil,

de origen biológico.

La Unión Europea en sus diversas directivas de fomento de las energías renovables define

biomasa como la fracción biodegradable de los productos, residuos de la agricultura y ganadería, residuos forestales incluidos sus industrias, así como la fracción biodegradable de

los residuos industriales y municipales.

La definición propuesta por la Especificación Técnica Europea CEN TS 14588 es la de todo

material de origen biológico excluyendo la materia incluida en las formaciones geológicas y transformadas fósiles.



12

Los factores que condicionan el consumo y el aprovechamiento de la biomasa como fuente energética se pueden dividir en cuatro grupos:

Disponibilidad del recurso: Es el más importante ya que hace referencia a la posibilidad de

acceso al recurso y la garantía de su existencia.

Factores geográficos: básicamente las características climáticas de la zona.

Factores energéticos: dependiendo fundamentalmente de los precios de otros combustibles o

fuentes de energía, y de las necesidades de consumo.

Tecnología y recursos técnicos disponibles: dependen del nivel técnico y económico del país o

región donde se pretende aprovechar la biomasa.

2.1.1 Tipos de biomasa

Existen diferentes tipos de biomasa que pueden ser utilizados como recurso energético. Atendiendo a su

origen la biomasa se puede clasificar en:

Biomasa natural

Se produce de forma espontánea por la naturaleza

sin intervención humana, por ejemplo, la biomasa

que se genera por las podas naturales de los árboles.

La utilización de estos recursos requiere de su

adquisición y transporte hasta la planta de

tratamiento, por lo que se hace imprescindible un estudio exhaustivo que garantice la viabilidad

económica.

Biomasa residual seca

Se incluyen en este grupo los residuos generados

en las actividades agrícolas y forestales, y en los procesos de transformación de la madera y las

industrias agroalimentarias. El orujillo, las podas

de frutales, del olivo, el serrín, etc., son algunos ejemplos de este tipo de biomasa.

Ilustración 7. Biomasa natural

Ilustración 2. Biomasa residual seca



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Biomasa residual húmeda

En este grupo se integran los vertidos

biodegradables, es decir, las aguas residuales

urbanas e industriales, residuos ganaderos, etc.

Cultivos energéticos

El único objetivo de estos cultivos es la producción de biomasa transformable en

combustible. Ejemplo de cultivos energéticos son

la colza, el cardo, el girasol, el miscanto, etc.

2.1.3 Sistemas de aprovechamiento energético

El potencial energético de la biomasa, como el de cualquier otro combustible, se mide en función del

poder calorífico del recurso, o bien, en función del poder calorífico del producto energético resultante de

su tratamiento.

Hablando en términos medios, el poder calorífico inferior (PCI) de la biomasa permite obtener

aproximadamente 15 MJ/kg (equivalente a poco más de 3500 kcal/kg y a 4 kWh/kg), el PCI del gasóleo

es de 42 MJ/kg y el de la gasolina es de aproximadamente 44 MJ/kg. Es decir, por cada tres kilogramos que no se aprovechan de biomasa, se desperdicia el equivalente a un kilogramo de gasolina. En la

actualidad esto ocurre muy a menudo, la biomasa se elimina sin aprovechamiento por las molestias que

produce y los obstáculos que ocasiona en las labores en las que se genera.

Existen diferentes sistemas tecnológicos para generar energía a partir de la biomasa. La elección entre

uno u otro depende de las características de los recursos, cantidad disponible y del tipo de la demanda

energética requerida. La mayoría de ellos son procesos mediante los cuales se obtienen hidrógeno e

hidrocarburos. Los sistemas que utilizan la biomasa residual como recurso energético se clasifican en:

Ilustración 3. Biomasa residual húmeda

Ilustración 4. Cultivo energético



14

Sistemas basados en la combustión

Los equipos de combustión de biomasa actuales son tan eficientes, cómodos y competitivos como los

que utilizan combustibles fósiles. Además, con tecnologías muy parecidas.

Sistemas basados en la gasificación

La acción del calor y la carencia de oxígeno producen, mediante la descomposición térmica del recurso,

un gas combustible similar al gas natural u otros combustibles gaseosos convencionales. Estos sistemas

se describen en el siguiente apartado.

Sistemas basados en la digestión anaerobia

En este proceso la materia orgánica del residuo húmedo, en ausencia de oxígeno, se degrada o

descompone por la actividad de unos microorganismos, transformándose principalmente en un gas de

alto contenido energético, biogás, cuyos componentes principales son el metano y el dióxido de carbono.

Sistemas basados en la pirolisis

La pirolisis se considera un proceso de descomposición térmica de la biomasa en ausencia de oxígeno.

Mediante este sistema de aprovechamiento se obtiene carbón, hidrocarburos e hidrógeno.

La pirólisis lenta es estudiada desde el punto de vista de la optimización de la producción de carbón

vegetal y líquido pirolítico. Se cuenta con modelos matemáticos que describen la obtención de estos

productos a partir de diferentes tipos de residuos vegetales. Los carbones vegetales obtenidos han sido caracterizados y a partir de ellos fueron preparado carbones activados con diferentes propiedades. Los líquidos pirolíticos fraccionados se evalúan como fuentes potenciales de reactivos químicos. La pirólisis rápida realizada en lecho fluidizado ha sido dirigida hacia la obtención de carbón vegetal y

como fuente directa de energía.

Sistemas productores de biocarburantes

Los biocarburantes se obtienen mediante transformaciones biológicas, físico- químicas y

termoquímicas, o una combinación de ellas, según el tipo de biomasa considerada. La primera generación está basada en cultivos energéticos, especies vegetales oleaginosas y ricas en azúcares

(girasol, colza, trigo, caña de azúcar…). La segunda generación pretender extender la biomasa tratada a

otros tipos de materiales, incluidos residuos lignocelulósicos. Se habla incluso de la tercera generación basada en el tratamiento de algas. La segunda y la tercera generación son más interesantes que la

primera ya que permitirían procesar biomasas que no compiten con otras que pueden utilizarse en el

mercado alimenticio. Sin embargos existen retos a superar y están en la actualidad en fase de desarrollo.



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2.1.4 Ventajas de la biomasa

El uso de la biomasa acarrea grandes ventajas sociales, económicas y medioambientales. A continuación se detallan las más importantes:

El dióxido de carbono emitido en el aprovechamiento energético de la biomasa es el que se ha

necesitado para el crecimiento de la materia vegetal que la había generado. Las emisiones de óxidos de azufre y de nitrógeno, partículas y otras sustancias contaminantes

son mínimas. El aprovechamiento energético de la biomasa contribuye a la diversificación energética. La implantación de cultivos energéticos en tierras abandonadas evita la erosión y degradación

del suelo. El aprovechamiento de la biomasa forestal reduce el riesgo de incendios forestales y de plagas

de insectos. Aumenta la seguridad energética y económica por la independencia de las fluctuaciones de los

precios de los combustibles provenientes del exterior. El aprovechamiento de algunos tipos de biomasa contribuyen a la creación de puestos de

trabajo y mejora socioeconómica del medio rural.



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2.2 GASIFICACIÓN

La gasificación es una tecnología del siglo pasado que tuvo un desarrollo considerable antes y durante la

II Guerra Mundial. Perdió importancia después de la guerra ocasionada por las ventajas y disponibilidad

de los combustibles líquidos, derivados del petróleo. Es una tecnología que ha sufrido muchos altibajos

a lo largo de su historia propiciados por su necesidad.

En la actualidad, retoma de nuevo su importancia por los elevados precios del petróleo, la

contaminación medioambiental y los problemas que ocasionan la dependencia energética exterior. Esta

tecnología contribuye al aprovechamiento y conversión de energía descentralizada y a pequeña escala.

Se trata de un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso es transformado en un gas

combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura

determinada en presencia de un agente gasificante (aire, oxígeno, dióxido de carbono y/o vapor de

agua). Al ser un proceso de oxidación parcial, la cantidad empleada de oxidante es inferior a la de un proceso de combustión completa. Se obtiene un gas combustible que se utiliza para la generación de

energía mecánica, eléctrica o calorífica. El gas resultante a partir de la gasificación de los residuos

orgánicos está compuesto por dióxido y monóxido de carbono, hidrógeno, metano y en menor proporción por otros compuestos como etano y acetileno.

El diseño de un gasificador depende básicamente del combustible utilizado y de su destino, ya sean

aplicaciones móviles (en sistemas de tracción) o estacionarias (generación de energía eléctrica). El sistema completo de gasificación consta, además del gasificador, de la unidad de purificación de los

gases de salida y los quemadores.

La elección del método para llevar a cabo el proceso de gasificación depende de varios factores como el

tamaño, forma y características del residuo, el aprovechamiento de la energía del gas producido que vaya a hacerse y de las restricciones económicas. En principio, cualquier tipo de biomasa puede ser

gasificada si su contenido de humedad es inferior al 35%.

El gas producido es más versátil que la biomasa original pudiéndose utilizar con los mismos propósitos que, por ejemplo, el gas natural. Se considera un combustible relativamente libre de impurezas y, por

consiguiente, emite menos contaminantes a la atmósfera en su utilización. El aprovechamiento

energético de este gas pobre se puede realizar en los siguientes sistemas: pila de combustible, turbina de gas, turbina de vapor, motor de combustión interna, generadores de calor, etc.

El agente gasificante puede ser tanto aire, aire enriquecido con oxígeno, vapor de agua, hidrógeno o

dióxido de carbono, de modo que se obtienen diferentes mezclas de gases que a su vez pueden tener

diferentes utilidades.

La utilización del aire enriquecido con oxígeno o vapor de agua como agente gasificante proporciona

un gas de síntesis con mayor cantidad de hidrógeno que el que se obtiene con aire. Sin embargo, el uso

de aire supone la opción más económica.



17

2.2.1 Gasificadores

Los reactores o gasificadores que normalmente se utilizan para estos procesos son variados, y su

elección depende de varios factores como pueden ser la granulometría del residuo, la humedad de este o la limpieza del gas requerida. Las principales ventajas que presenta la gasificación frente a la

combustión directa del recurso biomásico son el aprovechamiento versátil del residuo gasificado, en

forma de calor, electricidad o como gas de síntesis, una eficiencia superior y la reducción del impacto ambiental.

Existen diferentes tipos de gasificadores. Su principio de funcionamiento es aplicable tanto a

combustibles convencionales como para la biomasa. No obstante, la capacidad de procesamiento, el

tamaño del sistema de generación de energía en su conjunto, la calidad deseada del gas a obtener y el tipo y las características del recurso biomásico empleado son factores que deciden su elección.

Todos los gasificadores pueden trabajar a presión atmosférica o por encima de ésta. Si bien, el tamaño

se reduce cuando funcionan a presión, el gasto energético es mayor para conseguir la compresión de los gases.

Ilustración 5. Tipología de gasificadores



18

Los gasificadores más comunes que se suelen emplear en la gasificación de biomasa son los de lecho fijo (de tiro directo o invertido) y de lecho fluido (burbujeante o circulante). A continuación se describen

dichos reactores.

Existen tres tipos de gasificadores de lecho fijo:

Lecho fijo de flujo ascendente en contracorriente o de tiro directo Es una tecnología simple y muy usada. El sólido que es introducido por la parte superior, desciende

lentamente en contracorriente con la corriente del agente gasicante. A medida que la alimentación

desciende por el reactor, ésta se va convirtiendo en un gas de síntesis de poder calorífico medio, con un alto contenido en alquitrán (10-20%), pero con bajo contenido en partículas. Debido al alto contenido en

alquitrán del gas de síntesis obtenido, se requiere una limpieza exhaustiva de éste para poder utilizarlo

en equipos de recuperación energética. La temperatura de operación del reactor está condicionada por la temperatura de fusión de las cenizas y la regulación de la temperatura del lecho se realiza mediante la

inyección de vapor.

Lecho fijo de flujo descendente en equicorriente o de tiro invertido Al igual que los gasificadores de lecho fijo de flujo ascendente en contracorriente, éstos también son una tecnología simple y muy usada. En este caso el agente gasificante y la biomasa se mueven en la

misma dirección. Se obtiene un gas de síntesis de poder calorífico moderado, con bajo contenido en

alquitrán (0.1%) a 900-1000 ºC, pero con alto contenido en partículas. Este tipo de reactor es adecuado para la obtención de un gas de síntesis relativamente limpio, por lo que requerirá menor tratamiento de

limpieza.

Lecho fijo en corrientes cruzadas Combina las ventajas e inconvenientes de los dos modelos anteriores. Mientras que la alimentación se mueve en flujo descendente, el agente oxidante se mueve de lado a lado del gasificador. Se obtiene un

gas de síntesis con alto contenido en alquitrán a 800-900 ºC

Ilustración 6. Gasificadores de lecho fijo. A) Tiro directo. B) Tiro invertido. C) Tiro cruzado



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Los gasificadores de lecho fluidizado fueron desarrollados para arreglar los problemas operacionales de los reactores de lecho fijo, ya que éstos tenían problemas cuando trataban cargas con alto contenido en

cenizas. A diferencia de los lechos fijos, éstos necesitan un material inerte que conforme el lecho,

siendo el material más utilizado la arena de sílice. Se diferencian cuatro tipos de gasificadores de lecho fluidizado:

Lecho fluido burbujeante

Es una tecnología de gran flexibilidad, admite materias primas variadas y de distintos tamaños, y de

fácil operación. La temperatura permanece uniforme a lo largo del reactor y depende de las

características del solido a gasificar. Habitualmente operan aproximadamente a 900 ºC para evitar la fusión y sinterización de cenizas que pueden perjudicar la fluidización. La velocidad del agente

fluidizante tiene que ser superior a la velocidad mínima de fluidización del lecho y suele ser de 1-3 m/s.

En este tipo de lechos la transferencia de calor y de materia es buena, obteniéndose un gas de síntesis de

poder calorífico moderado con bajo contenido en alquitrán pero con muchas partículas.

Ilustración 7. Planta de gasificación con lecho fluido burbujeante

El combustible se introduce por la parte inferior del gasificador, se mezcla con el lecho calentándose hasta alcanzar la temperatura del lecho. Como consecuencia, el combustible se piroliza obteniéndose

una mezcla elevada en gases.

En la siguiente fase se producen reacciones para la transformación de los alquitranes producidos previamente. Se suele disponer de un ciclón que mediante su acción centrífuga separa las partículas

suspendidas en el gas reduciendo el escape de alquitrán.

En el gasificador de lecho de fluido no se producen variaciones internas de temperatura evitando la

formación de productos líquidos, se obtiene un gas con pocas impurezas y con una composición de salida controlada.



20

Lecho fluido circulante

Al igual que los lechos fluidizados burbujeantes, ésta es una tecnología de gran flexibilidad, admite

materias primas variadas y de distintos tamaños, y de fácil operación.. El concepto de flujo circulante

hace referencia a la separación de las partículas del lecho mediante el uso de un ciclón y el retorno de éstas al reactor. La temperatura permanece uniforme a lo largo del reactor, alcanzando como mucho los

900 ºC. La velocidad del agente gasificante es superior a la de los lechos fluidizados burbujeantes (5-10

m/s), obteniéndose una mayor eficiencia. El gas de síntesis obtenido tiene pocas partículas, pero alto contenido en alquitrán

Ilustración 8. Gasificadores de lecho fluido. A) Burbujeante. B) Circulante



21

2.2.2 Procesos/etapas de conversión en un gasificador

Este apartado describe las transformaciones que ocurren en el reactor durante la operación de gasificación. A continuación se muestra un esquema de las diferentes etapas.

Ilustración 9. Esquema general de los procesos de conversión de biomasa durante la gasificación

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

Es la descomposición térmica de la biomasa en ausencia de oxígeno. Se forman char y volátiles; los

volátiles pueden ser:

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

hidrocarburos ligeros.

- Volátiles condensables: alquitrán

- Agua libre o no.

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



22

Ilustración 10. Pirolisis

El contenido en char se reduce cuando se aumenta la temperatura, esto podría deberse a una mayor

descomposición primaria de la biomasa o a una descomposición secundaria del residuo de char. Al contrario, el contenido en producto gaseoso aumenta con la temperatura debido al cracking secundario

de los vapores y a la descomposición secundaria del char.

Biomasa + gasificante + calor char + alquitrán + H2O + gas ligero (CO + CO2 + H2 + CH4 + C2 + N2)

Tras la descomposición primaria pueden darse reacciones gas-gas o gas-sólido.

Oxidación de volátiles

Los hidrocarburos ligeros y otros gases combustibles como el CO y el H2 se transforman según las

siguientes reacciones:

- Oxidación de CO: 222/1 COOCO

- Oxidación de H2: OHOH 222 2/1

- Oxidación de CH4: OHCOOCH 2224 22

Una reacción muy importante es 222 HCOOHCO ; la importancia de esta reacción se basa

en que su constante de equilibrio determina la composición de salida del gas.

Reacciones del char

El char formado durante la etapa de pirolisis puede sufrir reacciones de gasificación o de combustión.

Las reacciones de combustión son:

- Combustión parcial COOC 22/1

- Combustión completa 22 COOC



23

La gasificación del char puede darse de las siguientes formas:

- Con CO2,reacción de Boudard COCOC 22

- Con vapor, reacción “water gas shift” 22 HCOOHC

- Con H2 422 CHHC

La conversión química del char está influenciada por:

- Temperatura

- Presión parcial de los reactivos y productos en el gasificador

- Tamaño de partícula

- Porosidad

- Contenido mineral del char

Algunas de estas variables cambian con el tiempo debido a la conversión química y a la atrición. La

temperatura afecta a todas las reacciones químicas que tienen lugar en el sistema de gasificación. Las reacciones de gasificación con vapor y la de Boudard son endotérmicas, mientras que la de gasificación

con H2 es exotérmica; por tanto al aumentar la temperatura tenemos que se produce más H2 y CO, el

CH4 y C2Hn apenas varía y el CO2 disminuye.

Reacciones del alquitrán

El alquitrán engloba un gran número de especies de hidrocarburos más pesados que el benceno, cuyas

propiedades son muy distintas entre ellos. La composición y cantidad del alquitrán obtenido está

afectado, al igual que los otros componentes del gas, por varios factores:

- Temperatura/tiempo de residencia 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.

- Geometría del lecho.



24

Y según dicha composición, se clasifican como:

Familia Descripción Compuestos representativos

Clase 1 No detectables por cromatografía gaseosa Compustos polares, compuestos orgánicos muy pesados

Clase 2 Compuestos heteroatómicos Fenol, cresoles

Clase 3 Aromáticos de 1 anillo (excluyendo al benceno)

Tolueno, indeno

Clase 4 Aromáticos de 2-3 anillos Naftaleno, fenantreno

Clase 5 Aromáticos de 4-7 anillos Pireno, criseno

Tabla 1. Clasificación de alquitranes

El contenido en alquitrán del gas producto tiene que ser controlado para prevenir una serie de problemas en los equipos aguas abajo: ensuciamiento y obstrucción debido a la condensación y formación de

cenizas, dificultades en el manejo de las mezclas alquitrán-agua y contaminación de las aguas

residuales.

El alquitrán formado en la pirolisis primaria puede sufrir procesos de conversión que pueden ser homogéneos o heterogéneos y que pueden ocurrir tanto dentro como fuera de la partícula.

Además esta conversión está catalizada por la superficie carbonosa de la partícula devolatilizada.

Las reacciones del alquitrán son:

- Oxidación parcial: 22 )2/()2/( HmnCOOnHC mn

- Reformado seco: 222 )2()2/( COnHmnCOHC mn

- Reformado con vapor: 222 )2/( nCOHnmOnHHC mn

- Hidrogenación: 42)2/2( nCHHmnHC mn

- Cracking térmico: CmnCHmHC mn )4/()4/( 4

Ilustración 11. Conversión del carbonizado y alquitranes

3. MATERIALES Y EQUIPOS

¿Debo rechazar mi cena porque no entiendo completamente

el proceso de digestión?

Wilfred Batten Lewis Trotter (1872-1939)

n este capítulo se describe la planta piloto con la que se ha trabajado para la generación de gas

pobre a través de la gasificación de biomasa, así como su operación, gestión y el

procesamiento de datos obtenidos.

La instalación está situada en el edificio de Talleres y Laboratorios de la Escuela Superior de

Ingenieros de Sevilla, L5, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.

Las características básicas de la planta piloto son las que se describen a continuación:

- Tiene una capacidad nominal para tratar 0.7 kg/h de biomasa, pero puede operar en el rango

de operación de 0.3 kg/h – 1.8 kg/h.

- Los gases de alimentación al reactor son aire y/o nitrógeno, aunque también se podrían

utilizar otro tipo de gases (CO2, CO).

- El rango de Temperatura de operación del gasificador se encuentra entre los 700-900 ºC,

dependiendo del tipo de experiencia a realizar.

- Se utilizó bauxita como agente fluidizante.

- Los combustibles empleados fueron diversas podas forestales (pino pinaster, pino piñonero,

eucalipto y chopo), podas de jardines y residuos de invernadero.

E

Capítulo 3 Materiales y equipos


26

Ilustración 12. Esquema general de la planta piloto

Ilustración 83. Planta Bench de gasificación de biomasa



27

3.1 ACONDICIONAMIENTO DE GASES

El sistema de alimentación de gases de entrada se compone de una serie de instrumentación que se

describe a continuación:

Manorreductor de aire de entrada La instalación se alimenta con aire procedente del sistema de alta presión disponible en la planta

piloto. La línea está a 8 bar y es necesario disminuir la presión a la de trabajo. Dicha presión es de

unos 3 bar, que es lo que necesitan los controladores de flujo másico para poder alimentar el caudal

deseado. Para ello disponemos de un manorreductor de la marca Joucomatic, modelo modular 112,

soporta hasta 10 bar y es capaz por medio de un pomo de regulación, ajustarla presión a 3 bar. Posee

un filtro previo para evitar corrosión por condensación de agua.

Suministro de gases Es necesaria la disponibilidad de nitrógeno para su uso como gas inerte ante un aumento brusco de la

temperatura del reactor. Para ello se disponen de bombonas individuales. El nitrógeno es el gas que

más se consume, por ello las bombonas de este gas van colocadas en una pequeña instalación justo

detrás de la estructura del sistema. Dicha instalación, la compone un manorreductor en 3 etapas. Las

presiones intermedias son 200, 10 y 4 bar. Tiene una capacidad para dos bombonas, de modo que se

puede trabajar en continuo en el caso que una de las bombonas se agote.

Sistema de calentamiento de gases. Los cables calefactores elevan la temperatura de entrada de los gases de alimentación. Por su

disposición a lo largo del tubo de alimentación y el tiempo de contacto en este, son capaces de subir

dicha temperatura hasta los 300 ºC justo antes del precalentador. También se encuentran a la salida

del reactor para mantener la temperatura de salida y evitar la condensación de los alquitranes

originados. Son de la marca AKO electrónica y dependiendo de las longitudes, 1, 3 y 5 m poseen

distintas potencias, 170, 500, 850 W. Estos cables son controlados por un PID todo o nada.



28

3.2 GASIFICADOR

Es el sistema de reacción de la planta y lo constituyen el horno y el reactor, los cuales se describen a

continuación.

Ilustración 94. Horno y reactor del sistema de gasificación

Horno del reactor Es el encargado de aportar el calor necesario para que se den las reacciones dentro del reactor. Es de

tipo vertical tubular (Split) fabricado por la marca Termolab. Su potencia de 10 kW repartida en dos

zonas de resistencias, es capaz de elevar la temperatura en el interior hasta 1000 ºC.

El control se realiza desde un cuadro eléctrico, por medio de dos PID. También se dispone de otros

dos controladores que funcionan a modo de alarma.

Zona de precalentamiento de gas de entrada. El gas de entrada antes de introducirse en la cámara de reacción pasa por un cilindro de 31 mm de

diámetro con el único fin de homogeneizar la mezcla de gas y aumentar la temperatura de los gases

de alimentación. Esta zona tiene una longitud de 123 mm y está unida al cuerpo del reactor por

medio de una brida atornillada con una junta de alta temperatura, como se detallará más adelante.



29

Distribuidor de gases. El gas una vez se ha elevado su temperatura tiene que seguir su camino hacia el reactor. Para ello es

necesario disponer de un flujo homogéneo y distribuido. Esto se consigue gracias a una placa

distribuidora alojada entre las bridas de unión del precalentador y el cuerpo del reactor. De esta

forma evitamos posibles caminos preferenciales del gas. La placa tiene 57 agujeros de 0.75 mm y

con un espesor 4 mm.

En las uniones brida-placa, placa-precalentador se colocan unas juntas de alta temperatura. La junta

de alta temperatura se encarga de dar estanqueidad a la unión entre el precalentador y la placa

distribuidora. Así mismo también se coloca otra junta entre la placa distribuidora (o plato) y el

reactor. Está diseñada para soportar altas temperaturas, hasta 950 ºC, aunque su resistencia mecánica

es baja tras varios ensayos. La junta está fabricada en mica con un refuerzo de acero en su interior.

Posee un espesor de 1.3 mm.

Cuerpo del reactor Todo el sistema reactor está fabricado en acero AISI 316. Este acero reúne excelente resistencia a la

oxidación, corrosión y a la temperatura. El sistema se divide en dos zonas bien diferenciadas

elreactor, de menor diámetro y una cámara de mayor diámetro, denominada freeboard,

Una vez salvamos la brida de unión entre el precalentador y el cuerpo del reactor, la primera zona es

la de reacción. En esta es donde se encontrará el lecho en estado de fluidización, y es donde se

producen las reacciones principales de la gasificación. Tiene una altura de 200 mm y un diámetro de

53 mm.

Seguido a este cilindro la sección aumenta hasta un diámetro de unos 81 mm. Nos encontramos en el

freeboard. Con una altura de 162 mm hasta la salida de gases de combustión. Su misión es disminuir

la velocidad para poder retener posibles partículas que salgan del lecho. En esta zona se siguen

dando reacciones secundarias. Como nuevos caminos de investigación, dispone de tres entradas para

aire secundario repartidos uniformemente a lo largo de su longitud, con el fin de poder ver el efecto

de la inserción de aire en esta zona para una posible eliminación de los alquitranes producidos.

Además de lo comentado anteriormente, existen dos tomas para medir presión antes y después de la

placa así como tres entradas más para poder medir temperaturas a lo largo de todo el cuerpo del

reactor. También es posible la recogida de lecho gracias a un rebosadero colocado en la zona de

reacción. Por último, podemos alimentar en continuo el lecho de forma lateral por medio del

alimentador continuo, como se aprecia en la ilustración 15.



30

Ilustración 105. Plano del cuerpo del reactor del sistema de gasificación



31

3.3 DEPURACIÓN DE GASES DE SALIDA

El gas de salida del reactor, es un gas que contiene partículas, alquitranes, humedad, y otros

contaminantes inorgánicos. Este gas hay que limpiarlo antes de introducirlo en el analizador, ya que

este equipo sólo puede tratar un gas puro. Para ello se diseña una línea con la cual se pueda eliminar

las impurezas anteriormente comentadas.

Ciclón El primer sistema para abatir las impurezas del gas, es un ciclón de alta eficiencia. Colocado justo en

la salida del reactor, el ciclón es el encargado de separar de la corriente todas las partículas que

puedan escapar del interior del lecho. Está construido en acero AISI-316 y tiene una longitud de 115

mm. Las partículas que entran en el ciclón son recogidas en su parte inferior en un recipiente

colector.

Borboteadores Tras el ciclón nos encontramos con un sistema de tres borboteadotes. Su función es retener los

alquitranes que se encuentren en el gas en una separación gas-líquido, así como la mínima cantidad

de partículas que escapan al ciclón. El disolvente usado es aceite de girasol.

Torre de refrigeración El objetivo de este equipo es eliminar los posibles alquitranes que hayan podido quedar tras los

borboteadores, retener el agua y contaminantes inorgánicos (HCl, NH3, H2S y HCN entre otros) que

lleve el gas.

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, el alquitrán

y los contaminantes inorgánicos contenidos en el gas condensan dentro de la columna debido al

enfriamiento del gas y se recogen en un matraz.

Filtros Los filtros son los encargados de retener principalmente aquellas partículas que todavía no se han

eliminado. Estos filtros también tienen una cierta capacidad para capturar parte de la humedad y los

alquitranes que pueda contener aún el gas. Están construidos en microfibra de vidrio y pueden

soportar temperaturas de hasta 500 ºC. Están montados en el interior de unos portafiltros de acero.

Para poder operar en continuo se dispone de dos sistemas de portafiltros, compuestos cada uno por

dos filtros en serie, de acero colocados en paralelo. Por medio de unas válvulas de bola se puede

cambiar el filtro que esté obstruido, mientras el otro sigue en operación.



32

3.4 BIOMASA UTILIZADA

Como ya se ha mencionado anteriormente la biomasa utilizada en este trabajo es podas forestales y

de jardines, así como residuos de invernadero. Dicha biomasa se recibe húmeda y de granulometría dispar, por lo que es necesario realizar procesos previos de limpieza, secado, triturado y tamizado

para operar correctamente en la planta piloto.

La granulometría del combustible es un factor muy importante en la operación de gasificación. En nuestro caso dicha granulometría viene fijada por el óptimo caudal continuo que ofrece el sistema de

alimentación, es decir, la granulometría que permite el mejor flujo continuo del sistema de

alimentación. Es fundamental mantener una alimentación continua para no obtener datos erróneos o incongruentes de los procesos.

A continuación se muestran las características principales de los combustibles empleados.

Tabla 2. Granulometría y caudales utilizados para las diferentes biomasas estudiadas

Tabla 3. Análisis elemental e inmediato de materias primas

La selección del tipo de biomasa se debe a la facilidad de captación y aprovechamiento de dicho

recurso.

Para tener una visión más amplia de estos recursos biológicos se describen seguidamente otros datos de interés.

BIOMASA PINO PINASTER PINO PIÑONERO EUCALIPTO CHOPO JARDINES 1 JARDINES 2 RESIDUO INVERNADERO

GRANULOMETRÍA (mm) 1-5 1-5 1-5 1-5 1-5 1-5 1-5

0,613 0,54 0,7

0,825 0,75

0,94 0,87

0,77Q (Kg/h) 0,75 0,6550,946

0,711

PINO PINASTER PINO PIÑONERO EUCALIPTO CHOPO PODA JARDINES 1 PODA JARDINES 2RESIDUO

INVERNADERO

(% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p)

HUMEDAD 7,63 9,56 9,37 8,39 8,54 7,57 8,79

Base Seca Base Seca Base seca Base Seca Base Seca Base Seca Base Seca

PCS (MJ/kg) 21,02 20,61 19,79 19,74 19,48 19,26 15,91

(% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p) (% p/p)

CENIZAS 1,45 2,52 1,87 1,18 6,3 7,18 19,45

VOLÁTILES 88,26 90,04 89,71 93,77 84,77 83,2 66,45

C FIJO 10,29 7,44 8,42 5,05 8,93 9,62 14,1

Carbono 53,91 53,77 53,01 51,75 51,02 50,38 41,45

Hidrógeno 6,53 6,01 6,47 6,09 6,41 6,2 5,66

Nitrógeno 0,16 0,23 0,26 0,14 0,64 0,86 2,26

Azufre ---- ---- ---- ---- ---- ---- 0,73

Oxígeno 39,4 39,99 40,26 42,02 41,93 42,56 50,63



33

Pino Pinaster

Originario del oeste de la región mediterránea. Se encuentra distribuido por casi toda la Península

Ibérica (aunque es introducido en la mayor parte del norte atlántico).

Es un pino muy longevo (puede llegar a vivir hasta 200 o 300 años), y el de más rápido crecimiento

de los que habitan en la Península Ibérica.

Se ha utilizado mucho en repoblaciones forestales. Se aprovecha su madera y su resina o trementina.

Por destilación de esta resina se obtienen la esencia de trementina o aguarrás, y la colofonia, ambas

de gran interés para las industrias químicas.

Pino Piñonero

Originario del sur de Europa y oeste de Asia. En España ocupa zonas costeras y del interior.

Además de su valor ornamental y como árbol de sombra, se aprovechan sus piñones (los de mayor

tamaño y los únicos no alados de entre los pinos ibéricos) comestibles, muy nutritivos (ricos en

grasas insaturadas y proteínas) y apreciados sobre todo en confitería.

Eucalipto

Este género comprende un gran número de especies distintas, la mayoría originarias de Australia. En

la actualidad se encuentran distribuidos por gran parte del mundo.

En la Península Ibérica se ha utilizado mucho como especie para el cultivo debido a su rápido

crecimiento frecuentemente se emplean en plantaciones forestales para la industria papelera,

maderera o para la obtención de productos químicos.

Chopo

Originario de Europa, Asia y norte de África. Se emplea con frecuencia en el arbolado de calles,

parques y jardines. La calidad de su madera es notablemente inferior a los anteriormente

mencionados.

Jardines

Compuesto por un mix de árboles, arbustos, setos y plantas ornamentales, se encuentran allá donde

habite el ser humano. La composición de cada jardín es única, así como cada poda recogida.

Residuos de invernadero

Son residuos orgánicos de la agricultura intensiva, generalmente restos de plantas, frutas y hortalizas,

que poseen un contenido en nitrógeno apreciable. Su valorización trata además de solucionar un

problema de vertidos que en zonas muy explotadas se convierte en un serio problema. Los residuos

de invernadero tratados provienen del levante almeriense.



34

3.5 ALIMENTACIÓN DE BIOMASA

El sistema para la alimentación en continuo es un equipo independiente que se une al reactor por el

lateral a la altura del lecho. Las partes que lo componen son:

Estructura Soporte Todo el peso del equipo está sustentado por una estructura fabricada en perfiles LPN y UPN

soldados en acero inoxidable. Consta de cuatro patas que terminan en ruedas para un mejor manejo,

puesto que el equipo es desmontable de la planta principal cuando este no está en uso.

Tolva

La tolva está montada sobre el tornillo dosificador. Posee un cierre hermético compuesto de una

plancha de acero con juntas de goma y 12 tornillos ajustables manualmente. Su capacidad es de 25

litros. La tolva está atravesada en su parte inferior por el tornillo dosificador que se encarga de sacar

por medio de unas paletas el sólido contenido en ella.

Tornillo dosificador

Como se ha comentado es el encargado de proporcionar el caudal de sólido contenido en la tolva. Se

trata de un eje de unos 693 mm de largo y 50 mm de diámetro, con unos álabes dispuestos en ángulo

y separados entre sí 13 mm en su primer tramo. A los 313 mm que le corresponde a esta primera

sección, el ángulo cambia teniendo una separación entre álabes de 35 mm y por último de 40 mm

consiguiendo en esta última zona incrementar la velocidad de paso. El giro del tornillo es accionado

por un motor eléctrico conectado en un extremo y soportado sobre la estructura. El motor del tornillo

es de la marca Nord, tiene una potencia de 0.18 kW, posee un variador de frecuencia de la marca

Omron,cuya finalidad es variar la velocidad del motor y con ello establecer el caudal de

alimentación de biomasa, además de proteger el motor de sobre intensidades provocadas por

atascamientos en la hélice del tornillo.

Tornillo de paso rápido

El tornillo de paso rápido tiene como misión reducir el tiempo de residencia de la biomasa en el

interior del alimentador, puesto que se encarga de introducir el material en el reactor. Debido a las

condiciones de alta temperatura es necesario que el caudal de biomasa se introduzca de forma rápida

en el lecho para evitar que el material se pirolice antes de entrar en el reactor. El tornillo es una

hélice de 834 mm, con un diámetro de 35 mm con un paso de 50 mm. El tramo final está descubierto

entrando en el reactor de forma lateral y sellando el conjunto con una brida atornillada. El motor del

tornillo es de la marca NORD, tiene una potencia de 0.25 kW, también posee un variador de

frecuencia de la marca Omron de las mismas características que el del dosificador.

Junto con la alimentación de biomasa se introduce un pequeño caudal de aire secundario de 1-2

Nl/min para mantener el sistema de alimentación bien presurizado.



35

3.6 EQUIPOS AUXILIARES

En todo proceso resulta fundamental estar al corriente de su desarrollo, para ello nos servimos de

elementos de medida de parámetros tan importantes como son la presión, temperatura y caudal.

Medida de Presión Es el sistema de control principal que se encuentra instalado en la planta de gasificación. Con las

variaciones de presión registradas de manera continua se realiza un seguimiento en la operación de

la planta, reflejándose en pantalla si está teniendo lugar algún problema en el sistema (atascos, fugas,

problemas de alimentación). Hay varios puntos donde se registra la presión de manera continua.

El primero de ellos es la presión de entrada que nos da idea de la caída total de presión que tenemos

en el sistema. Así mismo también permite la corrección del caudal de entrada en caso de atasco en

algún punto de la instalación, principalmente el tubo flexible y los borboteadores. Para su medida se

usa un manómetro de la marca Magnehelic. Dicho equipo posee dos entradas una de alta y otra de

baja presión. La toma de alta presión se conectará en la parte superior del mismo y la de baja en la

inferior, si lo que se desea es medir presión diferencial. Si queremos medir presión con respecto a la

atmosférica, como en este caso, dejamos libre la toma de baja presión.

Otro punto interesante para medir presión es en el lecho. Aquí se conecta un medidor entre la

entrada al reactor, justo antes de la placa distribuidora y en el tramo final del reactor justo antes

freeboard. El medidor de presión diferencial es online de la marca Yokogawa. Está conectado a la

tarjeta de adquisición permitiendo la recogida en continuo de los valores. Esta medida es

fundamental para obtener otros datos procesados como es la velocidad de entrada del gas y como

indicador de obstrucción en los orificios del plato distribuidor.

Medida de caudal. Los caudales de aire y nitrógeno de entrada a la planta son regulados por medidores de flujo másico

(mass flow). A su vez, para comprobar que el caudal alimentado es el correcto, se instalan en serie

dos rotámetros de la marca Tecfluid, con un rango de 4 a 40 Nl/min, para aire a 25ºC y 1,3 bar.

Medida de temperatura La medida y el control de esta variable son fundamentales para los ensayos. Existen termopares

repartidos por la planta con distintas funciones. Estos termopares son de la marca TC-Direct de tipo

K . Son capaces de medir en un rango de 20 a 1100 ºC estando dentro de nuestro campo de

aplicación. La temperatura en el reactor está controlada con la inserción de un termopar en el lecho

y otro en el freeboard. El gas de entrada al reactor se precalienta en el tubo previo a este gracias a los

cables calefactores que están colocados en su exterior. Estos cables se controlan con un PID cuya

lectura de temperatura se la proporciona un termopar situado justo antes del precalentador. Por

último existen dos termopares más colocados a la salida del freeboard. Su misión es proporcionar

datos de la temperatura de salida del gas con el fin de evitar posibles condensaciones de alquitranes.



36

3.7 SISTEMA DE ANÁLISIS DEL GAS Y ADQUISICIÓN DE DATOS

Una vez tenemos un gas limpio podemos introducirlo en el analizador de gases. Dicho analizador es

de la marca Siemens. Es un equipo independiente de la planta que sólo es capaz de procesar un

caudal de 3.5-4 ml/min, el resto se dirige por medio de tubería hacia el exterior. Tiene la capacidad

de analizar hasta cuatro compuestos gaseosos por medio de tres módulos de medición. Para ello hace

uso de técnicas de análisis como NDIR (infrarrojo no dispersivo) y el NDUV (ultravioleta no

dispersivo). Estos módulos son Ultramat, que mide la concentración de CO, CO2, CH4 y Calomat,

que mide la concentración de H2 corregida por el valor del Ultramat. Hay otro módulo, el Oxymat

que se utiliza para medir Oxígeno, pero en estos momentos se encuentra fuera de servicio.

Además la planta dispone de un micro-cromatógrafo que se utiliza para comprobar que el analizador

mide correctamente, así como, idealmente, calcular el porcentaje de N2 en la salida.

Los datos de temperatura, presión y concentración se registran de forma independiente por medio de

diversas tarjetas de adquisición de datos especialmente programadas para este fin.

Estas tarjetas, son de la marca Pico Technology, modelo TC-08, es capaz de registrar hasta 8 canales

en continuo con termopares tipo B, E, J, K, N, R, S y T, y las salidas se pueden ver en grados Celsius

o en milivoltios (mV). Posee su propio software donde queda almacenado todos los datos

compatibles con archivos Excel.

4. METODOLOGÍA

“Para el optimista, el vaso está medio lleno. Para el pesimista, el vaso está medio vacío. Para el ingeniero, el vaso es el doble

de grande de lo que debería ser”

Anónimo

Capítulo 4 Metodología


38

4.1 OPERACIÓN EN PLANTA PILOTO

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

operación en planta piloto requiere una gran responsabilidad por parte del técnico o ingeniero que la

manipule. Es necesario conocer bien los protocolos de actuación para operar de forma segura y sin

incidencias, o en el caso de haberlas, corregirlas de la mejor y más rápida manera posible. Siempre de

acuerdo a los parámetros de seguridad.

La operación en planta piloto consta de tres fases. Lo primero es la puesta en marcha o el arranque de la

planta, en el cuál mediante una serie de pautas operacionales alcanzaremos los parámetros de presión y

temperatura requeridos en la siguiente fase de operación de la planta piloto. Ésta se centra en la

manipulación del sistema para llevar a cabo las experiencias de forma segura y satisfactoria. Por último

es necesaria la parada de la planta piloto, en la que mediante una serie de pasos conseguiremos apagar

los equipos de una forma segura y dejarla lista para su uso en sucesivas ocasiones.

4.1.1 Puesta en marcha Antes de comenzar el ensayo en concreto, es necesario realizar unas tareas de acondicionamiento y

mantenimiento en la planta.

El lecho introducido debe 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.

En primer lugar se enciende el ordenador y el sistema de los mass flow, a continuación se regula la línea

de aire a la presión requerida y se abre el programa flow DDE, una vez conectado también se abre el

programa flow view.

Es fundamental 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. Para ello realizamos una

prueba de presurización cerrando el sistema e inyectando un caudal de aire de 0,35 Nl/min. El medidor

de presión se conecta al tubo de salida del reactor. Si la presión en el sistema cerrado no alcanza los 200

mbar significa que hay alguna fuga en la planta. Para localizarlas aplicamos una mezcla de agua y jabón

en las uniones y cierres para observar si hay aparición de burbujas.

Una vez realizadas las comprobaciones anteriores se puede comenzar con el calentamiento de la planta.

Es necesario realizar un calentamiento continuo a fin de no producir roturas o daños en los materiales

que constituyen la planta por dilataciones bruscas debidas a un gradiente alto de temperaturas, así como

evitar que salten los diferenciales eléctricos del horno del reactor.

Para ello se hace circular una corriente de aire en torno a 10- 15 Nl/min y se conectan los cables

calefactores de las líneas de entrada y salida del reactor. La temperatura del reactor se controla mediante

su cuadro eléctrico y las temperaturas de consigna introducidas deben ser escalonadas, 300 ºC, 500 ºC y

a partir de este valor aumentar de 100 en 100 ºC hasta la temperatura deseada. Se conectan los

borboteadores y el tubo flexible que hasta que no alcance los 250ºC no se debe comenzar con la

operación a fin de evitar condensaciones de alquitranes.

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

El filtro, que debe ser cambiado cuando deje de ser efectivo (se observa una bajada del caudal

de entrada al armario analizador)



39

El aceite de los borboteadores se cambia cada ocho pruebas aproximadamente. El 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 operación de gasificación en contínuo. Antes de comenzar, hay que crear el archivo PicoLog introduciendo el nombre de la prueba.

Ilustración 116. Diagrama de Puesta en Marcha



40

4.1.2 Operación

Se dispone de un Libro de Pruebas donde se anotan los datos iniciales y condiciones de operación, así

como el tiempo en el cuál se inicia el proceso, extracciones de lecho, ciclón y toma de muestra auxiliar

de gases de salida para analizar en cromatógrafo, además de otras posibles incidencias que puedan

ocurrir durante la prueba.

Una vez alcanzada una temperatura 100ºC inferior a la temperatura de operación se consigna el caudal

de aire según la prueba que se vaya a realizar. Ya sólo queda alimentar la biomasa para comenzar a

producir gas pobre. Es importante alimentar con una temperatura inferior al punto de operación (unos

100ºC) ya que al comenzar la alimentación tiene lugar la combustión con su correspondiente salto

térmico. De esta manera se alcanza el punto de operación de una forma más rápida y eficiente.

Mediante el variador de potencia del tornillo dosificador se selecciona el caudal de alimentación de la

biomasa a tratar. Se observará que la pérdida de carga aumenta hasta un valor fluctuante (característico

del lecho fluido) pero estable.

En la gráfica correspondiente a las concentraciones de componentes del gas de salida igualmente se

observa la generación de estos como la respuesta de un sistema de primer orden ante un escalón, ya que

se alcanzan cuotas estables de forma suave y sin sobreoscilaciones.

La duración de la prueba es de 1h a 1h30min dependiendo de las complicaciones que puedan surgir así

como del objetivo de esta. En el siguiente apartado se detallan las incidencias más comunes.

Durante la prueba se toman muestras de la descarga del ciclón, lecho y alquitranes. Así como de los

gases de salida para analizar con el micro-cromatógrafo y comprobar que el armario analizador

funciona correctamente. Dicha toma de muestra se realiza por succión con jeringa a través de una

membrana situada a continuación de la columna de refrigeración.

Para tomar las muestras del ciclón es necesario disminuir el caudal de aire para disminuir la pérdida de

carga en el momento de la extracción, pues al abrir la válvula del ciclón con una presión del sistema

superior a 60 mbar crea una succión del aceite de los borboteadores, anegando el tubo flexible, ciclón y

su descarga. El lecho se extrae a la temperatura de operación y es necesario dejarlo enfriar en su

depósito.

Cuando se realizan varias pruebas seguidas es necesario alimentar nitrógeno para evitar un aumento

brusco de la temperatura del reactor al finalizar una prueba y cesar de alimentar biomasa. Esto es debido

a la combustión del remanente de biomasa en el reactor, puesto que aumenta el ER si mantenemos el

caudal de aire y paramos de alimentar biomasa. Es necesario tener muy en cuenta este procedimiento ya

que la temperatura del reactor podría superar los 1000ºC, su temperatura máxima de diseño.

En las pruebas realizadas en este proyecto se realizó el procedimiento anteriormente mencionado

variando los caudales de aire y nitrógeno para consumir el remanente de una forma más rápida a fin de

realizar más pruebas al día. Si se necesitase realizar un estudio del char del remante es necesario

finalizar las pruebas con caudales de aire y nitrógeno constantes para poder procesar datos.

La generación de gas pobre cesa conforme se consume el remanente de char que queda en el lecho al

parar de alimentar. Cuando los valores caen a cero podemos iniciar la siguiente prueba de la misma

manera, se consignan temperatura de reacción y caudales de aire y biomasa.



41

Ilustración 127. Diagrama de Operación



42

4.1.3 Incidencias Durante la realización de una prueba suelen surgir incidentes que se deben anotar en el libro de pruebas

y solucionar el problema o abortar la prueba según el tipo de incidencia. El operador debe estar siempre

atento a los indicadores de concentración de gases, presión y temperatura de la planta, pues las posibles

incidencias se detectan y registran gracias a ellos.

Tabla 4. Incidencias comunes

Variación

Ninguna. Los valores recuperan sus cuotas al finalizar el

autocalibrado

Obstrucción del filtro

Abrir la l ínea del otro fi ltro, cerrar la l ínea del fi ltro

obstruido y realizar su recambio

Variable Acción a realizar

Autocalibrado del analizadorCaen las concentraciones a cero durante unos

minutos

Cuando empieza a colmarse el fi ltro se registra

una caída de la concentración de forma

continua. También cae el rotámetro del

analizador

Suceso Descripción

DisminuyeConcentración

Disminución o parada del caudal de

alimentación de biomasa

Aumenta

Al disminuir la alimentación de biomasa y

mantener el caudal de aire, aumenta el ER en el

reactor, y si alcanza la combustión, aumentará

también su temperatura

Frecuentemente se crean bolsas de aire en la

tolva de biomasa por una descarga irregular

que depende del tipo de biomasa y su

disposición en la tolva

Disminuye

Presión

Disminuye

Temperatura

Parar la alimentación de biomasa y reducir el caudal de aire.

Parar la prueba. Una vez se haya enfriado el sistema

desatascar y l impiar los elementos obstruidos. Aprovechar

para realizar el mantenimiento de la planta

La obstrucción del tubo flexible y el atasco de

los orificios del plato distribuidor se acentúa

en cada prueba. Llega un momento en que se

colman y se dispara la presión del sistemaAtasco u obstrucciónAumenta

Golpear los laterales de la tolva con un martil lo de pomo

sintético para, sin dañar su estructura, homogeneizar la

biomasa en su interior y permitir una descarga regular

Disminuir el caudal de aire. Revisar la l ínea de biomasa

(tolva, tornillo sin-fín y cuadro eléctrico del tornillo sin-fín).

Parar la prueba.

Saltan los interruptores de los elementos de

protección del cuadro eléctrico

Parar la prueba. Restablecer el cuadro eléctrico y disponer

una temperatura de consigna de los PIDs igual a la

alcanzada en la caída. A partir de ahí aumentar cada 50°C

hasta alcanzar de nuevo la temperatura de operaciónFallo en el cuadro eléctrico del horno

Aumento del caudal de alimentación

Este suceso se suele dar al no cambiar el punto

de operación del caudal de alimentación entre

una prueba y otra que requiera una menor

alimentación de biomasa

Fijar correctamente el caudal de alimentación para los

parámetros de operación de la prueba y esperar a que el

sistema alcance el equilibrio

Las fugas en operación suelen deberse a

válvulas mal cerradas después de realizar

extracciones de lecho o partículas del ciclón.

También es posible una pequeña rotura en el

cuerpo del reactor

Asegurarse que están bien cerradas las válvulas de descarga

del ciclón y del conducto de extracción del lecho. Las fugas

por rotura hay que detectarlas mediante la prueba de

presurizaciónFuga



43

4.1.4 Parada Al concluir las pruebas del día es necesario enfriar la planta antes de apagar los componentes y dejarla

lista para la siguiente ocasión.

Para ello lo primero es parar la alimentación de biomasa apagando los PIDs de los variadores de

frecuencia de los tornillos, así como los de potencia de las resistencias del horno eléctrico y de los

cables calefactores.

Al parar la alimentación de biomasa se cambia el aire por nitrógeno hasta que desciende la temperatura

unos 100-150 ºC, para evitar que al entrar en combustión se produzca un aumento brusco de la

temperatura. Posteriormente se vuelve a inyectar aire poco a poco controlando la temperatura.

Una vez que la temperatura está controlada y que no se registra CO2, se consigna un caudal de aire de

10-15Nl/min con el que se van enfriando los equipos y conductos interiormente. Posteriormente se

apaga el baño refrigerante.

Se cierra la botella de N2 y se deja la consigna de 10 NL/min de aire, que quedará circulando hasta el

uso de la planta al día siguiente.

Por último se cierran los programas Picolog, FlowVIEW, FlowDDE y se apaga y recoge el ordenador.

El “mass-flow” mantiene la última consigna realizada aun cerrando el software.



44

Ilustración 1813. Diagrama de Parada



45

4.2 OBTENCIÓN, PROCESAMIENTO Y TRATAMIENTO DE DATOS

Una vez que se ha realizado la prueba es necesario traducir e interpretar los datos obtenidos en la

realización de esta. La etapa de procesamiento y tratamiento de datos tiene dos fases. L a

primera es obtener los datos de concentración de los componentes de los gases. Se realiza con el

software PicoLog, que registra los datos de la tarjeta electronica. La segunda, el tratamiento de

estos datos mediante una hoja de balance para obtener los datos de rendimiento y conversión

necesarios.

4.2.1 Obtención de datos Para la recopilación de datos en el ordenador se usa el software PicoLog Recorder, el cual se ha descrito

en el capítulo anterior.

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

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

en la siguiente figura.

Ilustración 19. Ventana de inicio de PicoLog Recorder



46

2) Seleccionar Archivo-Datos nuevos, y aparece el siguiente cuadro de diálogo para introducir el

nombre y la ubicación del nuevo archivo.

Una vez creado el archivo se comienza la grabación pulsando la tecla PLAY y para finalizar

simplemente hay que marcar STOP. Una vez parada la grabación no se puede volver a poners en

marcha, habría que crear un nuevo archivo.

3) 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.

4) 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.



47

Ilustración 20. Gráficos y Hoja de cálculo de PicoLog Recorder



48

4.2.2 Procesamiento y tratamiento de datos

El método se basa en la obtención de la cantidad de gas de síntesis que se genera en referencia a la

cantidad de biomasa alimentada. En definitiva, se busca obtener las producciones específicas másicas o

“yields” (g de componente generado/g de biomasa seca alimentada) de CO2, CO, H2, CH4 y C2H4 que se

generan en la operación de gasificación. A su vez se lleva a cabo la valorización del combustible,

obteniendo el PCI del gas resultante.

Para ello, con la ayuda de una hoja de cálculo, realizamos los algoritmos necesarios para obtener los

parámetros de generación, yields de componentes y PCI del gas.

Los datos de que disponemos y que nos proporcionan los medidores e indicadores de la planta son:

Caudales de alimentación de aire y biomasa. Temperatura del reactor. Pérdidas de carga del sistema y del plato distribuidor. Dimensiones de los equipos. Propiedades de la biomasa. Concentración de los gases mayoritarios del gas generado

Un inconveniente que se presenta en la planta de gasificación es la ausencia de medidores de caudal del

gas de salida. Por este motivo, en principio, sólo dispondríamos de los datos de la proporción de los

distintos gases que se obtienen en el proceso. Para superar este inconveniente, se hace necesaria la

obtención de algún parámetro que pueda relacionar dichas proporciones de gases con la cantidad de gas

generado en el proceso.

Para ello se utilizará la concentración de Nitrógeno en el gas de salida, al ser este un gas inerte en el

proceso, por lo que la cantidad de este que se introduce en el sistema debe de ser igual a la cantidad que

se obtiene a la salida. Para realizar este cálculo -. se dispone de dos métodos que se explicarán en el

siguiente apartado.

Tabla 5. Hoja de cálculo y balance para valorización

Qbio (Kg/h) Top (°C) AR Plinea (mbar) %Humedad %Cenizas Qbio seco (Kg/min)

127-1 0,613 800 17 65 7,63 1,34 0,009300232

BIOMASAPrueba

PUNTO DE OPERACIÓN

Qaire (Nl/min) Qe(l/min) Aplato(m2) Ve (m/s) QN2 (Nl/min) %N2 salida Qs (Nl/min) Qs(l/min) Afreeboard(m2) Vs (m/s)

8,36 34,99 0,002206 0,264 8,18 51,43 15,91 66,61 0,0052 0,214

GAS ENTRADA GAS SALIDA

CO2 CO H2 CH4 C2H4 CO2 CO H2 CH4 C2H4

15,15 16,78 11,05 4,22 1,37 4,725 3,338 0,157 0,480 0,273

Cuota del componente a la salida (%) Cantidad de componente a la salida (g/min)

CO2 CO H2 CH4 C2H4

508,095 358,904 16,885 51,579 29,303

Yields (g componente/Kg biomasa seca)



49

4.3 OBTENCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE N2 COMO BASE DE CÁLCULO Como se ha comentado en el apartado anterior, la concentración de nitrógeno es un dato fundamental para realizar los balances de materia. Al ser un gas inerte en el proceso es la variable ideal para su uso como base de cálculo para obtener el caudal de gas de síntesis generado. Se dispone de dos métodos para obtener concentraciones a la salida del sistema. El analizador se encarga de medir las concentraciones de CO2, CO, H2, CH4, mientras que el micro-cromatógrafo mide la concentración de N2 así como de los elementos mayoritarios del gas y a su vez detecta trazas de otros

compuestos (acetileno, etileno, propano). Otro parámetro que se puede obtener es la concentración de oxígeno en el gas de salida. Esto sirve para

verificar que las condiciones de operación son las adecuadas, consumiéndose toda la cantidad de

oxígeno que se introduce en el sistema. Durante la realización de este proyecto no se pudo disponer del

módulo Oximat del analizador de gases que es el que mide la concentración de oxígeno debido a que se encontraba fuera de servicio, aunque con el microcromatógrafo se pudo chequear, de manera más

discontinua, que el gas de salida no contenía oxígeno . En todo caso durante la operación de gasificación

se asume que todo el oxígeno se transforma a CO2 y CO. Así pues, basándonos en los datos del analizador obtenemos la concentración de N2 como:

%𝑁2 = 100 −%(𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂 +𝐻2 + 𝐶𝐻4 + 𝐶2𝐻4) Con este método se obvian las trazas de otros componentes, que en ningún caso, la suma de éstas, alcanzan una cuota del 1%. Por lo que el error en la concentración de N2 es mínimo en base al analizador (N2 analizador) Si se toma como dato la concentración de N2 medida directamente con el cromatógrafo (N2 croma) en algunos casos resulta incongruente su suma con el resto de los componentes registrados por el analizador, pues en unos casos suman más del 100% y en otros ni se acercan. Esto sucede al tener que usar los datos de dos equipos con el consiguiente aumento del error en la concentración de N2. Es posible que en la extracción de gases para la muestra del cromatógrafo se aspire aire atmosférico por cimbreo de la jeringa durante la succión.



50

Tabla 6. Variación N2 analizado

Como se puede observar en las ilustraciones 21 y 22, según el tipo de biomasa, el %N2 obtenido por el cromatógrafo suele ser superior al %N2 hallado a partir de los datos del analizador y por consiguiente resultaría una mayor generación de gas de síntesis al obtener un mayor caudal de gases de salida. Además del inconveniente, anteriormente descrito, de usar los datos de ambos equipos, durante la realización del proyecto no se pudo contar con el análisis cromatográfico para las pruebas correspondientes a las siguientes biomasas: Pino Piñonero, Jardines 1 y Chopo, por lo que se decantó por usar el método de obtención de la concentración de N2 exclusivamente con los datos del analizador.

Biomasa %N2 analiz %N2 croma % error

51,43 50,61 -0,80

47,09 43,73 -3,70

43,43 39,17 -5,16

57,35 53,61 -3,37

53,02 46,28 -6,79

47,61 40,86 -7,63

51,21 53,42 2,11

45,49 41,54 -4,54

43,69 36,67 -8,74

50,95 47,42 -3,59

45,05 40,77 -4,99

40,34 33,42 -9,38

45,95 38,52 -8,80

49,13 32,56 -20,28

34,47 29,95 -7,02

66,12 56,85 -7,54

63,12 52,12 -9,54

67,81 66,27 -1,15

63,59 53,39 -8,72

59,60 45,36 -13,57

59,42 49,52 -9,09

57,26 47,09 -9,75

59,42 56,81 -2,25

52,85 42,39 -10,98

49,26 48,11 -1,18

55,73 56,12 0,35

Eucalipto

Jardines 2

Pino

Pinaster



51

Ilustración 21. Correlación de la concentración de N2 entre ambos métodos para Pino Pinaster

Ilustración 22. Correlación de la concentración de N2 entre ambos métodos para podas de Jardines 2



52

4.4 PLAN DE PRUEBAS

Muestra las pruebas realizadas para cada biomasa y condiciones de operación. En total 67 pruebas para 7 biomasas. Sobre él se trabaja para realizar comparaciones y buscar los óptimos experimentales en la gasificación entre las distintas biomasas estudiadas.

Tabla 7. Plan de pruebas

Biomasa Qbio (kg/h) AR ER 800oC 850oC 900oC

25 0,31 -------- 123-1 --------

21 0,26 -------- 123-2 --------

17 0,21 127-1 123-3 126-3

13 0,17 -------- 239 --------

25 -- -------- -------- --------

21 0,26 -------- 122-1 --------

17 0,21 -------- 122-2 --------

13 0,17 127-2 124-4 125-1, 126-1

25 -- -------- -------- --------

21 0,26 -------- 124-1 --------

17 0,21 -------- 124-2 --------

13 0,17 127-3 124-3 126-2

23 0,27 129-1 128-1 130-1

18 0,21 129-2 128-2 130-2

15 0,18 -------- 128-3 --------

23 0,27 -------- -------- 131-1

18 0,21 132-1 -------- 131-2

15 0,18 132-2 -------- --------

21 0,26 -------- 118-1 --------

17 0,21 -------- 118-2 --------

13 0,17 -------- 118-3 --------

24 0,32 -------- 116 --------

20 0,27 -------- 117-1 --------

16 0,21 -------- 117-2 --------

12 0,16 -------- 117-3 --------

17 0,23 -------- 121-1 --------

13 0,17 -------- 121-2 --------

23 0,27 134-1 133-1 137-1

18 0,21 134-2 133-2 137-2

15 0,18 -------- 135-1 --------

0,946 15 0,18 -------- 136-1 --------

23 0,27 -------- 138-1 139-1

18 0,21 -------- 138-2 --------

15 0,18 -------- 138-3 --------

23 0,34 257 258 259

18 0,26 262 261 260

Jardines 2

Pino pinaster

0,613

0,825

0,94

Eucalipto

0,75

0,711

0,655

0,87

Pino piñonero

Jardines 10,7

Res. Invernadero 0,77

Chopo

0,54

0,75



53

Con respecto al caudal de biomasa alimentado, se presenta en la Tabla 4 la calibración del tornillo de paso rápido para cada una de las biomasas utilizadas.

Tabla 8. Resumen del calibrado del tornillo de alimentación para diferentes biomasas

5. RESULTADOS

La verdad en ciencia puede ser definida como la hipótesis de trabajo que mejor se ajusta para abrir el camino a la siguiente mejor ajustada.

Konrad Lorenz (1903-1989)

Capítulo 5 Resultados


55

5.1 Generación de gas pobre

Se muestran las pruebas realizadas (Tabla 9) para cada biomasa y condiciones de operación. En total 67 pruebas. En los siguientes gráficos (Ilustraciones 22, 23, 24 y 25) se puede apreciar la obtención o variación del PCI del gas resultante.

Las comparaciones en la gasificación de las diferentes biomasas se realizan según la disponibilidad de datos referentes al plan de pruebas.

Como se ha detallado anteriormente, cada prueba consta de temperatura de operación, caudal de biomasa alimentada y ER. Estas condiciones de operación junto con la biomasa seleccionada determinarán la concentración de gases de síntesis y su PCI (Tabla 9)

En la ilustración 23 se pueden apreciar los óptimos exprimentales para cada biomasa, es decir, las condiciones de operación en las cuales cada biomasa se transformará en el gas con mayor PCI posible.

Posteriormente se muestras las variaciones en el PCI resultante del gas obtenido por gasificación para varias biomasas (Ilustraciones 24, 25 y 26). Teniendo en cuenta las tres condiciones básicas de operación (Tª, Qbio y ER), se realiza la variación de uno de los parámetros mientras los otros dos se mantienen constantes. En la comparación de diferentes biomasas se seleccionan rangos iguales en la variable e iguales o muy parecidos en las constantes.

Ilustración23. Óptimos experimentales



56

Tabla 9. Resultados de gasificación para distintas biomasas

T operación Q biomasa CO2 CO H2 CH4 C2H4

°C Kg/h MJ/Kg MJ/Nm3

1 800 0,613 0,21 0,508 0,359 0,017 0,052 0,029 9,75 8,43

2 800 0,825 0,17 0,414 0,316 0,018 0,045 0,022 8,73 7,22

3 800 0,94 0,17 0,462 0,364 0,020 0,057 0,029 10,52 8,73

4 850 0,613 0,31 0,624 0,441 0,017 0,063 0,042 11,82 10,72

5 850 0,613 0,26 0,576 0,446 0,018 0,063 0,036 11,75 10,40

6 850 0,613 0,21 0,494 0,455 0,021 0,062 0,033 11,97 10,29

7 850 0,825 0,26 0,630 0,499 0,018 0,069 0,040 12,77 11,54

8 850 0,825 0,21 0,551 0,506 0,022 0,071 0,039 13,28 11,64

9 850 0,825 0,17 0,403 0,400 0,020 0,055 0,028 10,66 9,01

10 850 0,94 0,26 0,620 0,500 0,019 0,069 0,039 12,82 11,48

11 850 0,94 0,21 0,555 0,507 0,023 0,072 0,040 13,48 11,76

12 850 0,94 0,17 0,452 0,455 0,023 0,065 0,038 12,60 10,75

13 900 0,613 0,21 0,353 0,527 0,031 0,049 0,019 12,53 9,97

14 900 0,825 0,17 0,328 0,379 0,012 0,047 0,018 8,55 7,75

15 900 0,94 0,17 0,432 0,624 0,037 0,071 0,028 15,78 12,62

16 800 0,67 0,17 0,495 0,307 0,016 0,046 0,003 7,46 5,91

17 850 0,85 0,21 0,468 0,346 0,016 0,049 0,002 8,03 6,42

18 850 0,85 0,16 0,355 0,309 0,017 0,041 0,002 7,30 5,65

19 800 0,655 0,3 0,496 0,241 0,010 0,036 0,020 6,46 5,70

20 800 0,655 0,24 0,415 0,216 0,011 0,035 0,019 6,22 5,31

21 850 0,655 0,3 0,474 0,230 0,008 0,035 0,014 5,80 5,13

22 850 0,655 0,24 0,392 0,228 0,011 0,034 0,012 5,89 4,95

23 850 0,655 0,2 0,332 0,232 0,012 0,033 0,015 6,29 5,24

24 900 0,655 0,3 0,488 0,367 0,021 0,032 0,007 8,27 6,46

25 900 0,655 0,24 0,393 0,319 0,019 0,036 0,006 7,70 5,93

26 800 0,705 0,24 0,515 0,279 0,016 0,042 0,003 7,00 5,39

27 850 0,705 0,24 0,572 0,387 0,021 0,056 0,002 9,35 7,25

28 900 0,705 0,24 0,541 0,481 0,025 0,055 0,000 10,64 8,36

29 800 0,75 0,24 0,467 0,347 0,018 0,050 0,031 9,81 8,33

30 800 0,75 0,2 0,382 0,304 0,016 0,043 0,026 8,56 7,22

31 900 0,75 0,3 0,535 0,624 0,031 0,052 0,021 13,72 11,42

32 900 0,75 0,24 0,425 0,519 0,028 0,053 0,017 12,13 9,87

33 800 0,78 0,3 0,671 0,400 0,015 0,063 0,004 9,24 7,75

34 800 0,78 0,24 0,445 0,290 0,016 0,042 0,003 7,13 5,51

35 850 0,78 0,24 0,550 0,455 0,025 0,061 0,002 10,77 8,35

36 850 0,78 0,3 0,641 0,420 0,020 0,057 0,002 9,60 7,71

37 850 0,75 0,32 0,722 0,257 0,011 0,040 0,025 7,17 6,41

38 850 0,75 0,27 0,639 0,285 0,013 0,043 0,027 8,03 7,02

39 850 0,75 0,21 0,546 0,290 0,015 0,043 0,027 8,31 7,12

40 850 0,75 0,16 0,460 0,291 0,016 0,045 0,029 8,61 7,28

41 850 0,54 0,26 0,664 0,313 0,014 0,052 0,033 9,25 8,12

42 850 0,54 0,21 0,435 0,275 0,013 0,045 0,029 8,15 7,08

43 850 0,54 0,17 0,407 0,181 0,007 0,031 0,020 5,28 4,75

44 850 0,87 0,21 0,518 0,259 0,011 0,042 0,027 7,40 6,59

45 850 0,87 0,17 0,348 0,235 0,011 0,040 0,025 6,95 6,10

46 800 0,7 0,32 0,607 0,451 0,024 0,065 0,041 12,81 10,91

47 800 0,7 0,25 0,469 0,372 0,020 0,053 0,034 10,58 8,96

48 850 0,7 0,32 0,553 0,315 0,012 0,045 0,029 8,36 7,57

49 850 0,7 0,25 0,428 0,310 0,015 0,041 0,026 8,37 7,23

50 850 0,7 0,21 0,505 0,382 0,019 0,055 0,035 10,71 9,21

51 850 0,95 0,21 0,533 0,417 0,020 0,059 0,038 11,53 9,99

52 900 0,7 0,32 0,736 0,495 0,020 0,065 0,042 12,85 11,45

53 900 0,7 0,25 0,523 0,484 0,024 0,056 0,036 12,42 10,64

54 800 0,72 0,3 0,623 0,237 0,013 0,038 0,003 6,00 4,68

55 850 0,72 0,25 0,699 0,386 0,025 0,052 0,002 9,62 7,16

56 850 0,72 0,21 0,543 0,395 0,022 0,045 0,000 8,96 6,84

57 850 0,71 0,33 0,649 0,335 0,015 0,055 0,033 9,67 8,49

58 850 0,71 0,26 0,553 0,371 0,019 0,056 0,038 10,80 9,29

59 850 0,71 0,22 0,469 0,363 0,021 0,052 0,035 10,68 8,94

60 900 0,71 0,33 0,674 0,419 0,019 0,062 0,037 11,61 10,12

61 800 0,77 0,34 0,720 0,420 0,029 0,034 0,020 10,48 8,11

62 800 0,77 0,26 0,670 0,350 0,025 0,034 0,022 9,39 7,31

63 850 0,77 0,34 0,730 0,420 0,022 0,043 0,031 10,64 9,06

64 850 0,77 0,26 0,680 0,680 0,036 0,058 0,022 15,26 12,46

65 850 0,77 0,26 0,580 0,310 0,023 0,036 0,024 8,94 6,98

66 900 0,77 0,34 0,890 0,570 0,032 0,058 0,033 14,22 11,73

67 900 0,77 0,26 0,540 0,410 0,022 0,039 0,017 9,63 7,90

Jardines2

Pino Pinaster

Eucalipto

Pino Piñonero

Chopo

Jardines 1

Biomasa Prueba ERPCI

Yields (g componente/g biomasa)

Res. Invernadero



57

5.2 Efecto de la temperatura

En los siguientes gráficos (ilustración 24) se puede observar el efecto de la temperatura en el PCI del gas producido para diferentes biomasas. El primer gráfico consta de varias biomasas con un caudal de alimentación y ER parecidos a fin de realizar una comparación con parámetros similares. En dicho gráfico se puede apreciar que Pino Pinaster, Eucalipto y residuos de invernadero aumentan el PCI del gas resultante conforme aumenta la temperatura (máximo PCI a 900ºC), mientras que Pino Piñonero se mantiene prácticamente constante en el rango de temperaturas de operación y Jardines 1, sin embargo, disminuye su PCI al aumentar T (máximo PCI a 800ºC)

También se presentan para una cierta biomasa la variación del PCI en función de la variación de la temperatura, caudal de alimentación y/o ER.

En el caso del Pino Pinaster se obtiene mayor PCI a mayor temperatura para un ER bajo (0,17) y un caudal de alimentación alto. Parecida es la situación del Eucalipto solo que el mayor PCI se dá para mayor temperatura y menor caudal de alimentación.



58



59

Ilustración24. PCI vs Temperatura



60

5.3 Efecto del caudal de alimentación de biomasa

En relación a la variación de PCI respecto a la variación del caudal de biomasa con temperatura (850ºC) y ER (0,21) fijos, se observa un aumento de éste al aumentar el caudal de alimentación para Pino Pinaster y Jardines 1. Con el chopo sucede lo contrario.

Además en el caso del Pino Pinaster al mantener la temperatura fija y variar ER y caudal de alimentación también se produce mayor PCI al aumentar estos dos parámetros.



61

Ilustración 25. PCI vs Caudal de biomasa



62

5.4 Efecto de la relación estequiométrica En este apartado igualmente se realizan comparaciones en la producción de gas pobre según su PCI para las diferentes biomasas estudiadas con una temperatura fija (850ºC), caudal de alimentación parecido y variación de la relación estequiométrica (ER). Como se puede apreciar en el primer gráfico de la ilustración 26, cada biomasa tiene su máximo característico y diferente a las demás, ER óptimo para cada biomasa.



63

Ilustración 26. PCI vs ER

6. CONCLUSIONES

“Descubrir algo significa mirar lo mismo que está viendo todo el mundo y percibirlo de manera diferente”

Albert Szent-Györgi (1893-1986)

Capítulo 6 Conclusión


65

En el presente proyecto se han realizado 67 pruebas de gasificación de distintas biomasas (pino pinaster, pino piñonero, eucalipto, chopo, podas de jardines y residuos de invernadero) estudiando la variación de diversas condiciones de operación (temperatura, caudal de alimentación de biomasa y relación estequiométrica) y presentándose los resultados obtenidos. A la vista de estos resultados se puede deducir que tanto Pino pinaster y piñonero, podas de jardines y residuos de invernadero son perfectamente gasificables. Sin embargo en el caso de Chopo y Eucalipto los gases de síntesis obtenidos tienen un PCI bastante pobre, además de originar problemas e incidencias en su gasificación debido a su textura física, que provoca aglomeraciones en el tornillo dosificador y una descarga de biomasa discontinua. Como se puede apreciar en el anterior capítulo, cada biomasa se comporta de manera diferente ante los parámetros de gasificación, por ello es necesario el estudio de cualquier biomasa que se quiera valorizar. En relación a la variación de la temperatura es claro que se obtiene mayor composición a mayor temperatura (900ºC) exceptuando al Chopo cuya máximo PCI del gas se obtiene a 850ºC. Respecto al caudal de biomasa alimentado sucede lo mismo, se obtiene un gas más rico en productos de síntesis a mayor caudal de biomasa alimentado, excepto en el caso del Chopo. En cambio la variación del PCI del gas en función de la relación estequiométrica (ER) es diferente según la biomasa gasificada. En el caso del Pino pinaster deducimos que la mejor relación estequiométrica para su gasificación es de 0,17 mientras que para residuos de invernadero se obtendrán mejores resultados con un ER de 0,34. La gasificación de las podas de jardines se ven favorecidas por un ER en torno a 0,22, disminuyendo el PCI del gas obtenido conforme la relación estequiométrica aumenta. En el caso del chopo y eucalipto ocurre algo parecido, aunque no tan pronunciado; para ambas biomasas encontramos su máximo PCI a una relación estequiométrica alrededor de 0.17, disminuyendo suavemente su PCI al aumentar la relación estequiométrica. Se puede concluir que excepto los residuos de invernadero, las demás biomasas se gasifican bien con una relación estequiométrica en torno a 0,2. Hay que tener en cuenta que los resultados de gasificación obtenidos, así como la metodología son exclusivos de la planta piloto operada y definida por su diseño. Además los experimentos realizados son alotérmicos, es decir, se suministra calor con un horno, y más importante, la cantidad de calor que el sistema recibe depende del ensayo. Es por ello que los ensayos se pudieron hacer modificando ER y T de forma independiente. En general, al aumentar el ER a temperatura constante se quema más gas y, salvo que la temperatura sea muy pequeña, las características del gas suelen empeorar, ya que el gas tiene menor poder calorífico. Este análisis es muy importante para poder escalar los presentes resultados a otros sistemas de gasificación, pero queda fuera de los objetivos del presente proyecto. Cabe recordar que dependiendo de la metodología aplicada obtendremos mínimas variaciones en los resultados, ya que al no disponer de caudalímetro ni de medidor de oxígeno en la salida de los gases producidos, todos los cálculos se basan en balances de materia, asumiendo las hipótesis de que todo el oxígeno que entra al sistema reacciona y que el porcentaje de nitrógeno en los gases de salida se obtiene por diferencia con los demás gases mayoritarios de salida y obviando las trazas de otros gases. La viabilidad económica, en la producción de gas de síntesis a partir de biomasa y su posterior uso, es la que determinará si es rentable gasificar una determinada biomasa. Para ello es necesario definir los costes de operación y materias primas, así como el uso y coste del gas de síntesis resultante de la gasificación.

7. BIBLIOGRAFÍA

Gasificación de char de lodo en condiciones de lecho fluidizado.

E. López García. Proyecto Fin de Carrera. Universidad de Sevilla, 2013.

Gasificación de biomasa y residuos en lecho fluidizado: estudios en planta piloto.

M. Campoy Naranjo. Tesis doctoral. Universidad de Sevilla, 2009.

Gasification and co-gasification of biomass wastes Effect of the biomass origin and

the gasifier operating conditions.

Magín Lapuerta, Juan J. Hernández, Amparo Pazo, Julio López. Universidad de Castilla-

La Mancha.

Artículo de ciencia y tecnología. Revista Elsevier. 4/2/2008

Planta piloto de gasificación de biomasa: diseño y operación.

E. García Domínguez. Proyecto Fin de Carrera. Universidad de Sevilla, 2003.

Biomasa: experiencias con biomasa agrícola y forestal para uso energético.

Escan S.A. Madrid, Mayo 2008.

Biomasa: Gasificación.

Besel S.A. Madrid, Octubre 2007.

IDAE (Instituto para la diversificación y ahorro de energía)

http://www.idae.es/index.php/idpag.895/relmenu.321/mod.pags/mem.detalle

La biomasa forestal.

Agenex (Agencia extremeña de la energía). Cáceres, 2013.

http://www.agenex.net/images/stories/deptos/la-biomas-forestal.pdf

gasificación de podas forestales y jardines en planta...

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