06 CAPITULO IV - Diseño de experiencias en reactor de...

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CAPÍTULO IV

DISEÑO DE EXPERIENCIAS

EN REACTOR DE LECHO FLUIDO

4.1 INTRODUCCIÓN

El presente capítulo tiene la finalidad de exponer los ensayos termoquímicos para los

cuales la planta está diseñada, por tanto, se detalla los objetivos, procedimientos

experimentales, mediciones y cálculos y tratamiento de los datos obtenidos para las

experiencias de pirólisis, reactividad de char y gasificación.

4.2 ENSAYOS DE PIRÓLISIS

4.2.1 Objetivo

La pirólisis es un paso muy importante, como ya se ha adelantado anteriormente,

dentro de la gasificación de biomasa y residuos, ya que esas materias contienen entre un

40 y un 85 % de materia volátil que se libera durante la devolatilización.

Mediante los ensayos de pirólisis se puede determinar las cantidades de CO, CO2,

CH4, H2, H2O, alquitranes y carbonizado que se producen, así como el tiempo que se

tarda en obtener una conversión determinada. También se puede ver como diferentes

parámetros como temperatura, tamaño de partícula, velocidad de fluidización, cantidad

de biomasa etc. afectan a estas cantidades. Esta información es necesaria para cualquier

DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDO DE LABORATORIO PARA EL ESTUDIO DE LA CONVERSIÓN TERMOQUÍMICA DE BIOMASA

72

modelo de gasificación, los cuales permiten optimizar las condiciones de operación de

un gasificador.

4.2.2 Procedimiento experimental

Los ensayos de pirólisis se efectúan con diversas biomasas como, pellets de madera

con una densidad de partícula de 1300 kg/m3 y una densidad aparente de 600 kg/m3,

lodos de depuradoras con una densidad de partícula de 1100 kg/m3 y una densidad

aparente de 825 kg/m3, se reciben en esferas con un tamaño entre 2.8 y 1 mm y orujillo.

El material inerte que se usa es bauxita con una densidad de 3350 kg/m3 y un tamaño

de partícula entre 250 y 500 micras. La velocidad mínima de fluidización se determinó

experimentalmente resultando ser 0,15 m/s (anexo II)

Al reactor se le podrá montar la placa distribuidora de 21, 37 o 51 agujeros, la

elección en este caso del plato de 21 agujeros se detalla en el capítulo 7. Para esta placa

distribuidora el diámetro de agujeros es de 0,75 mm cada uno.

Antes de cada operación hay que comprobar fugas en la línea y calibrar los valores

mínimos del analizador.

El procedimiento para cada ensayo es el siguiente.

1. Se introduce 300 gramos de inerte.

2. Se ajusta el horno a la temperatura deseada mediante la asignación de un set point

en el PID y se hace pasar una corriente de aire hasta que se alcance la temperatura

deseada. La línea de limpieza de gases debe estar desconectada durante el

calentamiento.

3. Se establece una velocidad en el lecho y en base a esto se ajusta el caudal de

nitrógeno puro en el rotámetro teniendo en cuenta las correcciones pertinentes.

Habrá que asegurar que la línea está purgada totalmente de aire.

CAPÍTULO IV DISEÑO DE EXPERIENCIAS EN REACTOR DE LECHO FLUIDO

73

4. Se introduce una cantidad de biomasa de forma que las concentraciones de CO y

CO2 a la salida sean inferiores al 1%. De esta forma, se puede asumir que la

concentración de CO2 y H2O es constante a lo largo del reactor, e igual a la

concentración de entrada. La cantidad normal de biomasa suele estar comprendida

entre 3 y 10 gramos en ensayos discontinuos.

5. Se monitoriza online las concentraciones relativas de los productos, así como la

temperatura en distintos puntos, y presión en el lecho. Se anotará la hora del ensayo

así como los datos de concentraciones necesarios en el cuaderno de ensayo. Es

importante anotar junto a estos datos la hora exacta a la que se recogieron.

6. Al final del ensayo se hace pasar aire para quemar el char restante, se supone que el

ensayo termina cuando las concentraciones de CO, CO2, CH4, H2 son cero. La

corriente de aire debe ser constante durante la combustión

4.2.3 Mediciones y cálculos

Durante la pirólisis las medidas que se toman en la planta y posteriores cálculos son,

presión de entrada, temperatura en el lecho y freeboard, caudal de nitrógeno de entrada,

caudal de gases de salida, concentraciones relativas del gas, cantidad de agua, cantidad

de alquitranes, cantidad de char.

Presión de entrada

Con la presión de entrada corregimos el caudal que introducimos por densidad. Los

rotámetros están calibrados para aire a 1,3 bar y 25ºC, por tanto para la corrección se

usa la siguiente expresión:

2

2

25º ,1.325º , ( )

aireN rotámetro

N

C barQ Q

C P bar

(4.1)


74

Temperatura del lecho y freeboard

Las temperaturas en el interior del lecho y freeboard están controladas en dos zonas

con termopares conectados a un PID. Para los ensayos de pirólisis esta temperatura

puede variar desde 700 a 900ºC.

Caudal de Nitrógeno de entrada

El caudal de Nitrógeno tiene que ser tal que garantice el estado de mínima

fluidización en el lecho. Para las pruebas se estimó por medio de experimentación

previa que esta velocidad debe ser entorno a 0,3 m/s. Para ello, tendremos que tener en

cuenta la temperatura dentro del lecho, así como su diámetro para poder corregir esta

velocidad.

Para un valor v (m/s) en el lecho el caudal fijado debe ser:

2( ) ( )a a

N Lecho LechoQ T v T A (4.2)

2 2

273 25(25º ) ( )273

aN N Lecho a

Lecho

Q C Q TT

(4.3)

2

2

1/225º ,1.3

(25º )25º , ( )

airerotámetro N

N

C barQ Q C

C P bar

(4.4)

De esta forma obtenemos el caudal necesario en el rotámetro para obtener una

velocidad dada en el lecho a la temperatura de operación.

Para las pruebas se establecerá un rango de velocidad de 0.5 a 1 m/s que para distintas

temperaturas será traducido en un rango de caudales de 16 a 36 Nl/min. Este rango se

eligió al ser interesante en reactores de lecho burbujeante, la velocidad es mayor a la de

fluidización y suficiente para no producir arrastres.


75

Caudal de salida de gases

El caudal de salida se puede obtener por dos caminos:

Registrando el valor con el rotámetro transmisor, tan sólo se registran los valores en

una tabla excel fijando un tiempo de muestreo igual al tiempo de muestreo del

analizador, que en este caso es de 1 segundo, posteriormente esta columna se añade en

la hoja de balance. Hay que tener en cuenta que el analizador tiene un tiempo de retardo

y que los tiempos de caudal y de concentraciones de los componentes del gas no se

corresponderán.

La segunda de las opciones se usa cuando la lectura del rotámetro transmisor no sea

fiable o se quiera comparar el resultado, el método que se desarrolla a continuación

permite calcular el caudal de gases total a la salida.

Se impone la hipótesis de que el nitrógeno que entra es el mismo que sale puesto que

no reacciona y se supone que en el sistema se cumple la hipótesis de flujo pistón, es

decir no hay retromezcla. Por lo que el caudal de salida se calcularía con la siguiente

expresión:

3 100( / )100S E

i

Q Nm s Qy

(4.5)

Concentraciones relativas del gas

Las concentraciones del gas se obtienen del analizador, este proporciona el valor de

las distintas especies en tanto por ciento volumétrico. Con este dato junto con el caudal

de salida podemos hallar el volumen de cada componente, y por consiguiente la masa

total en el periodo del ensayo. Las expresiones usadas son.

1( / min)( ) ( )

60 100S i

i i iQ l yV l t t (4.6)


76

( )ii

V l PnR T

(4.7)

Siendo Vi(l) el volumen de cada componente en el tiempo de muestreo (1s). Los

moles detectados de cada componente durante cada tiempo de muestreo son sumados y

se obtiene la cantidad total de moles que multiplicado por su peso molecular obtenemos

la masa de CO, CO2, H2 y CH4. La suma total de estas masas nos da la cantidad total de

gases ligeros producidos durante la devolatilización de la muestra.

Cantidad de agua

La cantidad total de agua que se recoge incluye tanto el agua producida durante la

devolatilización como la humedad contenida en la biomasa. Se supone que el agua

contenida inicialmente se evapora y abandona el reactor sin reaccionar con otras

especies debido a que las concentraciones de estas son pequeñas. Además se asume que

el secado del combustible se puede considerar que ocurre con anterioridad a la pirólisis

ya que ocurre a temperatura alrededor de los 100ºC y la pirólisis alrededor de los 400

ºC. Para calcular la cantidad de agua formada durante la pirólisis se le resta la humedad

inicial de la biomasa a la cantidad de agua medida. Se suele ajustar la cantidad total de

biomasa empleada durante el ensayo para que la concentración de H2O en el IPA sea

como mínimo un 1% aproximadamente. Así se limita el efecto de pequeños errores

experimentales.

Para la medición de esta agua, se hace pasar el gas generado durante la pirólisis por

unos borboteadotes que contienen IPA. Este paso se hace a través de un tubo

calefactado en cuyo interior está montado un filtro, de este modo limpiamos el gas de

partículas. Estos recipientes están sumergidos en un baño térmico que mantiene el

líquido refrigerante a -20ºC. Al mismo tiempo hay que tomar precauciones para que no

condense humedad del ambiente en los borboteadores. Por este hecho es importante

introducir el tren de borboteadores con IPA en el baño con líquido refrigerante y

conectarlo antes de empezar a enfriar el líquido del baño.

Posteriormente se enrasa el volumen de IPA recogido de los borboteadores a un

volumen conocido mediante un matraz. La cantidad de IPA es tal que el volumen total


77

de muestra no exceda los 100 ml. De esta forma nos aseguramos que la cantidad es

suficientemente pequeña para que el agua pueda determinarse con exactitud. Después se

realiza tres medidas de la concentración de agua en el IPA mediante valorización Carl

Fisher. También se mide la concentración inicial de agua en el IPA empleado en el

muestreo para restar este valor a la concentración medida después de este. La cantidad

final de agua será (la concentración de agua en el IPA menos la concentración inicial) *

volumen total de IPA. El Carl Fisher nos proporciona el valor de la concentración en

base másica.

Cantidad de alquitranes

El procedimiento de toma de muestra para hallar la masa total de alquitranes es

análogo que para la obtención de agua. La diferencia está en los métodos de análisis

usados para dicha evaluación. Una vez que el IPA ha captado el agua y los alquitranes

del gas de pirólisis, se enrasa hasta un volumen de 100 ml. Este volumen se divide en,

30 ml se llevan a análisis por cromatografía de gases, 30 ml para determinar el agua

contenida. El resto se destila a vacio para la determinación del tar gravimétrico.

Cantidad de char

El char es el residuo carbonoso que nos queda al final de la pirólisis. La detección del

final de la devolatilización se observa en la caída a cero de las concentraciones relativas

de las especies gaseosas. Para calcular su cantidad se hace pasar aire ó una mezcla de

aire y nitrógeno al 50/50 para poder quemarlo. Para determinar la cantidad de

carbonizado suponemos que aparte de las cenizas solo contiene carbono. La cantidad de

carbonizado se determina mediante las cantidades totales de CO y CO2 detectados por el

analizador durante su combustión.

Las reacciones que se dan y los cálculos efectuados son:

2 2

2

2 2

0,50,5

C O COC O COCO O CO


78

2generadoC CO COn n n

2CHAR C CO C COm PM n PM n

Todas las correcciones de caudal por temperatura y presión anteriormente comentadas

son análogas para esta fase del ensayo.

4.2.4 Tratamiento de datos

Los datos obtenidos durante la experimentación nos ayudarán a la hora de diseñar

gasificadores más eficientes y condiciones de operación óptimas. Algunas gráficas

generadas son las siguientes.

4.2.4.1 Concentraciones relativas vs tiempo

El analizador registra en voltajes la composición de salida del gas, posteriormente

mediante ajuste lineal se relaciona dichos voltajes con el valor real de concentración. El

procedimiento se detalla en el anexo III. De esta forma representamos la evolución en el

tiempo de las concentraciones relativas del gas. Un ejemplo de esto se observa en la

figura 1.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 50 100 150 200

t (s)

y (%

)

0

1

2

3

4

5

6

7

CO

CO2

CH4

H2

O2

Figura 4.1: Concentraciones relativas del gas

En este gráfico podemos observar cuál es la evolución temporal de la formación de

los principales compuestos del gas, así como los máximos alcanzados por cada uno de


79

ellos. De esta forma podemos comparar ensayos de una forma rápida para detectar

posibles errores en la experimentación.

4.2.4.2 Conversión vs tiempo

La gráfica conversión vs tiempo calculada en la fase de pirólisis hace referencia a la

cantidad total de gases ligeros que se han formado hasta un momento dado.

El cálculo de la conversión en cada instante se halla:

(4.8)

Un ejemplo de esta gráfica se presenta a continuación:

0102030405060708090

100

0 20 40 60 80 100

t (s)

y (%

)

Figura 4.2: Conversión alcanzada en el tiempo

La gráfica permite ver el tiempo que se tarda en alcanzar una conversión determinada.

Con frecuencia el tiempo de devolatilización se suele definir como el tiempo que se

tarda en alcanzar una conversión del 90% o del 95% ya que el error en la determinación

de las concentraciones al final del ensayo es mayor dado que las concentraciones son

muy pequeñas.

En resumen de este ensayo obtenemos las cantidades absolutas de gases ligeros, agua,

tar , char y algunos contaminantes de la muestra. Así mismo se determina el tiempo de

devolatilización.

4

1 04

1 0

( )( )

( )f

t

i ii t

t

i ii t

n t PMy t

n t PM


80

4.3 ENSAYOS DE REACTIVIDAD DEL CHAR

4.3.1 Objetivo

En la introducción teórica, se expuso dos modos para realizar este tipo de ensayo. El

primero, en discontinuo, donde el char se genera externamente, para posteriormente

introducirlo por la parte superior (la tolva de alimentación). La cantidad dependerá del

ensayo que se quiera realizar, o en una etapa previa a la gasificación del char, este

ensayo perseguirá obtener un char sin tener que enfriarlo, puesto que el enfriamiento

podría afectar a la estructura del char y por lo tanto a la reactividad.

Un segundo tipo en continuo, donde se hará uso del alimentador. Para ello,

previamente, habrá que calibrar el equipo haciendo pasar el char con el que se va a

experimentar a distintas revoluciones con el fin de poder ajustar una recta de

calibración. El procedimiento se detalla en los anexos.

Es importante comentar que el objetivo de estos ensayos es aislar los efectos que

pueden darse durante la gasificación de un char ya generado. De este modo nos

aseguramos que los datos y reflexiones obtenidas son debidos a esta fase

exclusivamente del ensayo. La gasificación del char es un proceso que ocurre durante el

proceso de gasificación de biomasa. Este, es mucho más lento que la pirólisis y la

oxidación parcial y en consecuencia, en muchos gasificadores, la conversión del char

que se obtiene es pequeña. Esto hace que el estudio de la cinética de la gasificación del

char, al estar influenciado por diferentes factores y condiciones de operación, sea muy

importante.

Una vez elegido el tipo de ensayo que se quiere hacer, existen una serie de pasos

comunes que se explican a continuación.


El material inerte que se usa es el mismo que para la pirólisis y los ensayos de

gasificación de biomasa, bauxita con una densidad de 3350 kg/m3 y un tamaño de

partícula entre 250 y 500 micras. Este inerte es el que se usó durante las primeras


81

pruebas de fluidización, pero podrían buscarse otras alternativas. La velocidad mínima

de fluidización se determinará previamente experimentalmente.

Los ensayos pueden variar según se quiera estudiar distintos efectos. De este modo

podremos variar la velocidad de fluidización (0.5 – 1 m/s), la temperatura (800-950ºC),

la concentración de CO2 en la alimentación (10-40 %), también podremos operar con

vapor en lugar de CO2, mezclas de ambos o también introducir H2 y CO para observar

el efecto inhibidor de estos compuestos.

El reactor está montado con la placa distribuidora de 21 agujeros, con un diámetro de

0,75 mm cada uno.

Antes de cada operación hay que comprobar fugas en la línea y calibrar los valores

mínimos del analizador.

El procedimiento para cada ensayo es el siguiente.

1. Se introduce 300 gramos de inerte.




calentamiento. Las temperaturas estarán comprendidas entre 800 y 950 ºC

3. Una vez alcanzada la temperatura deseada en el lecho se conecta la línea de limpieza

de gases y se establece el caudal de nitrógeno para purgar la línea de oxígeno. A

continuación se ajustan los caudales de los demás gases.

4. Se introduce entre 5-20 gramos de char para ensayos en discontinuos tipo 2 o el char

generado a partir de los 10 gramos de biomasa durante la pirólisis en discontinuo en

los ensayos tipo 1.


82

5. Se establece una velocidad en el lecho y en base a esto se ajusta el porcentaje

deseado de CO2 (o vapor) en el rotámetro que se pretende estudiar. Este porcentaje

oscilará entre un 10-40%. Habrá que tener en cuenta las correcciones pertinentes.

6. Si la prueba a realizar pretende estudiar el efecto de inhibición por parte del CO, o

H2, se impondrá un caudal de entrada según se requiera.




importante anotar junto a estos datos la hora exacta a la que se recogieron. En este

tipo de ensayo el valor más importante es el máximo que alcanza el CO.

8. Al final del ensayo se hace pasar aire para quemar el char restante, se supone que el

ensayo termina cuando la concentracion de CO, CO2 son cero. El caudal de aire

debe ser constante durante la combustión.


Las medidas que se toman en la planta y posteriores cálculos son, presión de entrada,

temperatura en el lecho y freeboard, caudal de gases de entrada, caudal de gases de

salida, concentraciones relativas del gas, cantidad del char sin reaccionar.

Presión de entrada

Con la presión de entrada corregimos el caudal que introducimos por densidad. Los

rotámetros están calibrados para aire a 1,3 bar y 25ºC, por tanto para la corrección se

usa la siguiente expresión:

25º ,1.325º , ( )

airei rotámetro

i

C barQ Q

C P bar

(4.9)


83


Para los ensayos de reactividad del char esta temperatura puede variar desde 800 a

950ºC.

Caudal de Gases de entrada

El caudal de gases de entrada tiene que ser tal que garantice el estado de mínima

fluidización en el lecho. El caudal de entrada estará compuesto por Nitrógeno en su gran

mayoría, y dióxido de carbono (o vapor de agua). Este porcentaje en dióxido de carbono

será objeto de estudio y oscilará según el ensayo para ver el efecto en la reactividad.

Además habrá que tener en cuenta el caudal de H2 y CO para pruebas en la que se

pretende estudiar el efecto inhibidor.

Dependiendo de la mezcla de gases de entrada, corregimos en consecuencia según la

siguiente expresión.

Para un valor v (m/s) en el lecho el caudal fijado debe ser:

( ) ( )a amezcla Lecho LechoQ T v T A (4.10)

5 5

1 1( ) ( ) ( )a a a

mezcla Lecho i mezcla Lecho i Lechoi i

Q T y Q T Q T

(4.11)

273 25(25º ) ( )273

ai i Lecho a

Lecho

Q C Q TT

(4.12)

1/225º ,1.3

(25º )25º , ( )

airerotámetro i

i

C barQ Q C

C P bar

(4.13)


84

De esta forma obtenemos el caudal necesario en el rotámetro para obtener una

velocidad dada en el lecho a la temperatura de operación.

Para las pruebas se establecerá un rango de velocidad de 0.5 a 1 m/s que para distintas

temperaturas será traducido en un rango de caudales de 16 a 36 Nl/min.

Caudal gases de salida

El caudal de salida se obtiene del mismo modo que se detalló en los ensayos de

pirólisis.


Las concentraciones relativas del gas se obtienen del mismo modo que se detalló en

los ensayos de pirólisis. En este tipo de ensayos es importante hallar el valor máximo de

concentración que alcanza el CO, puesto que será un dato clave a la hora de determinar

la cantidad de CO que se produce en cada momento y posteriormente el carbono

contenido en el char gasificado por medio de un ajuste lineal entre concentraciones y

voltajes (detallado en anexos).

Cantidad del char sin reaccionar

El char restante tras la gasificación se determina de forma análoga a como se obtenía

en los ensayos de pirólisis.


85


0

5

10

15

20

25

50 550 1050 1550 2050t (s)

vol (

%)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

CO2 CH4 H2 O2 CO Figura 4.3: Concentraciones relativas del gas de gasificación

En este ejemplo se observa la gasificación de char de madera con pirólisis previa. Para

un 20% de CO2 en la entrada vemos como el componente que se forma es CO durante la

etapa de gasificación. Este gráfico nos ayuda a ver como el CO alcanza su máximo al

poco tiempo para luego caer hasta cero. Los ensayos son más largos que los de pirólisis.

Conversión vs tiempo

El cálculo de la conversión del char en cada instante se determina:

( )( ) o

o

C C tX tC

(4.14)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500t (s)

X (%

)

Figura 4.4: Conversión alcanzada en el tiempo


86

La figura 4.4 permite ver el tiempo que se tarda en alcanzar una conversión

determinada.

Se pueden calcular dos tipos de conversión, una al comparar los moles de char que han

reaccionado, con los moles iniciales, esto será lo más habitual. Y otra en la que

calculamos la conversión de los gases que alimentamos, es decir, comparando los moles

que salen con los que entran de CO2 ó agua, por ejemplo.

Para hallar la cantidad de char que se convierte habrá que distinguir entre el caso en que

usemos CO2 y el caso con agua.

Las reacciones principales que tienen lugar son:

Sin vapor:

(1) C + CO2 2 CO

Con vapor:

(1) C + CO2 2 CO

(2) CO + H2O CO2 + H2

Los moles totales de CO, para el caso sin vapor, se obtienen del analizador y el caudal

de gases de salida. El número de moles totales de carbono lo calculamos a partir de la

expresión estequiométrica, por tanto multiplicando por el peso molecular del carbono se

obtiene la masa de char inicial.

2CO Cn n (4.15)

Para la gasificación con vapor, también se tendrá en cuenta la reacción 2. La

determinación del número de moles totales en este caso será.

(1) 2CO Cn n

(2) 2CO COn n

Los moles totales serán la suma de los moles del CO generado en la reacción 1 y los

moles generados en la reacción 2.

21 2COT CO COn n n (4.16)


87

Multiplicando los moles totales de carbono por el peso molecular del carbono se obtiene

la masa de char inicial.

o ochar C Cm PM n (4.17)

Velocidad de reacción vs tiempo

El cálculo de la velocidad de reacción en cada instante se determina:

1

1

( ) ( )( ) i i

i i

X t X tdX tdt t t

(4.18)

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

t (s)

dX/d

t

Figura 4.5: Velocidad de reacción en el tiempo

Podemos observar como la velocidad de reacción disminuye a medida que el ensayo

evoluciona.


88

Velocidad de reacción vs conversión

Los cálculos de velocidad y conversión están descritos en los apartados anteriores.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0 10 20 30 40 50 60 70

X (%)

dx/d

t

Figura 4.6: Velocidad de reacción frente a conversión

En este gráfico podemos concluir que a medida que la partícula se va consumiendo la

velocidad de reacción va disminuyendo, esto es lógico puesto que cada vez la superficie

disponible para la reacción es menor.


89

4.4 ENSAYOS DE GASIFICACIÓN EN CONTÍNUO

4.4.1 Objetivo

En los ensayos de gasificación se llevará a cabo todas las etapas en continuo que

ocurren en un proceso de gasificación de biomasa como ya se comentó en la parte

teórica. El objetivo de estos ensayos, no es analizar con detalle cada etapa sino el

proceso global. De este modo se sacarán conclusiones de cómo se comporta el proceso

real y si sigue el comportamiento que se observa en cada etapa por separado.

Al ser un procedimiento en contínuo, todas las etapas que se explicaron en el

capítulo de teoría, ocurren a la vez. Por tanto es importante tener en cuenta los tiempos

de residencia del sólido a lo largo del ensayo. La biomasa se alimenta de forma

continua, por tanto en el lecho habrá partículas que se estén pirolizando mientras otras

habrán alcanzado lo que hemos denominado char, que comenzarán a gasificarse. La

pírolisis transcurre en un periodo relativamente corto (unos 5 minutos), mientras que la

gasificación del char es mucho más lenta. Para conseguir la conversión completa del

char se necesitarían tiempos de residencia del sólido muy grandes, de hasta más de 1

hora. Esto no es factible, así que el reactor se diseñó para dar tiempos de residencia de

aproximadamente 15 minutos. La cantidad de char sin convertir se obtiene por balance

con la combustión total del mismo como ya se explicó anteriormente.

Lo más importante en los ensayos de gasificación es el estudio de las variables que

afectan a la calidad y cantidad del gas generado en el proceso. Es por ello que estos

ensayos están orientados a obtener aquellas condiciones de operación donde el proceso

trabaje en un buen régimen y que el gas producto cumpla unos mínimos de calidad. Por

tanto se diseñarán experiencias que nos permitan ver el efecto de estos parámetros que

afectan al proceso. Estos parámetros son:

a. Tipo de biomasa: es importante, ya que la biomasa tiene un carácter

heterogéneo, siendo muy distintas entre si a la hora de operar. Se usará pellets de

madera, orujillo, compost, lodos de depuradora y residuos sólidos urbanos.

b. Agente gasificante: Se trabajará con Aire, Vapor, O2, CO2 o una mezcla de ellos.


90

c. La velocidad en el lecho es otro parámetro clave. Estará comprendida entre 0.5-1

m/s para asegurarnos el estado de mínima fluidización.

d. Caudal de sólidos.

e. Temperatura: de 700 a 900ºC

f. Aire secundario: en determinados ensayos se estudiará el efecto de introducir de

manera estratificada, aire en la zona del freeboard.

g. Diferentes aditivos en el lecho y su efecto sobre el abatimiento de alquitranes.

Por tanto para cada tipo de biomasa se tendrá 6 parámetros que podremos modificar

con el fin de ver el efecto en el gas producto.

La velocidad del gas (o caudal de entrada) y el caudal de sólido se agrupa en el factor,

relación de equivalencia (RE), ya comentado en capítulos anteriores, definido por el

cociente (en %) de dos factores:

aire alimentado / biomasa secaaire estequiom trico / biomasa seca

REé

(4.19)

El denominador, es un dato que se obtiene de forma teórica con las reacciones que se

dan en un proceso de combustión completa y el análisis elemental de una muestra de

biomasa dada. Un ejemplo de este parámetro calculado, para madera es, 6.095 g aire/g

biomasa seca

Una vez se desarrolle un programa de pruebas el procedimiento generalizado será el

siguiente.


91


1. Se llenará la tolva del alimentador con la biomasa objeto de estudio. Previamente se

habrá obtenido la recta de calibración, que relaciona la velocidad del alimentador en

Hz con el caudal de la biomasa alimentado.

2. Se introduce entre 300 y 400 gramos de inerte.




calentamiento.

4. Cuando se llegue a la temperatura de ensayo, se establece una velocidad en el lecho

y en base a esto se ajusta el caudal de aire (o agente gasificante elegido en el

ensayo) en el rotámetro teniendo en cuenta las correcciones pertinentes.

5. Si se va a estudiar el efecto de la inserción de aire secundario en el freeboard, se

ajusta el caudal de aire que se requiera y el punto de inserción elegido. Y se conecta

el traceado de entrada.

6. Una vez se tenga la temperatura de operación y el caudal de agente gasificante,

ponemos en funcionamiento el software Virtual Bench y Pico Logger para registrar

todos los datos del ensayo.

7. Se empezará a introducir en el reactor la biomasa por medio del alimentador, en este

momento el ensayo comenzará. Es importante anotar la hora de comienzo en el

cuaderno de ensayo.




importante anotar junto a estos datos la hora exacta a la que se recogieron.


92

Al comienzo, al ser un ensayo en continuo, tendremos un régimen transitorio hasta

que lleguemos al estacionario. Este tiempo transitorio será difícil de intuir y sólo se

determinará por medio de la experimentación. Aún así podremos comprobar que las

concentraciones del gas producto son estables, cuando esto ocurra y transcurrido un

cierto tiempo, podremos asegurarnos que nos encontramos en régimen estacionario.

Para mantener una altura del lecho constante habrá que ir sacando de vez en cuando

material del lecho. Esto se hace por el rebosadero. Puesto que los sólidos en el lecho

están mezclados, no solo se sacará char, sino también material inerte y biomasa que no

haya terminado de devolatilizarse. Hay que tener en cuenta que si no se añade material

inerte al reactor durante el ensayo, la relación másica material inerte/char irá

disminuyendo durante el ensayo.

El ensayo llegará a su fin cuando se termine la biomasa en el alimentador, por que

se haya tomado todas las medidas necesarias o cuando se detecte una incidencia.

Para la parada, el método más aconsejable, será cortando la alimentación y

enfriando el lecho con nitrógeno. Así evitamos una subida de la temperatura o la

formación de aglomeraciones.


Las medidas que se toman en la planta y posteriores cálculos son, presión de entrada,

temperatura en el lecho y freeboard, caudal de gases de entrada, caudal de gases de

salida, concentraciones relativas del gas, caída de Presión en el lecho.

Presión de entrada

Se toma para la corrección comentada anteriormente. Además también es un

indicador de posibles fugas importantes en el sistema.


Para los ensayos gasificación esta temperatura puede variar desde 700 a 950ºC.


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Caudal de Gases de entrada

Hay que hacer distinción entre los gases que se van a introducir en el. Cada uno de

ellos tendremos que corregir su caudal con las expresiones anteriormente comentadas.

Para las pruebas se establecerá un rango de velocidad de 0.5 a 1 m/s.

Caudal gases de salida

El caudal de salida se obtiene del mismo modo que se detalló en los ensayos de

pirólisis.


Las concentraciones relativas del gas se obtienen del mismo modo que se detalló en

los ensayos de pirólisis. Las concentraciones se obtienen del analizador, si se mide el

alquitrán y el agua se podrán dar las concentraciones en base húmeda.

Caída de presión en el lecho

Es importante para saber que el lecho se está fluidizando bien. Si ocurre una

desfluidización debido a alguna sinterizacion, la ∆P bajará.


Para el análisis de la influencia de las condiciones de operación sobre la cantidad y

calidad del gas obtenido. El PCI se calculará a partir del CO, CH4 y H2 que son las

especies medidas en el analizador.

Efecto de la temperatura sobre el PCI

Se analizarán los efectos de la temperatura sobre la cantidad y calidad del gas

producido y sobre su PCI (poder calorífico inferior). Un aumento de la temperatura de

gasificación debe producir un incremento de la producción de gas debido al craqueo de


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alquitranes. Así mismo, un aumento en la temperatura tiene el mismo efecto sobre el

PCI, incrementa con esta. La causa de este aumento es la misma.

Efecto de la temperatura sobre la composición del gas

La composición del gas también se ve afectada por la temperatura. Un aumento de

la temperatura produce un ligero aumento de los niveles de H2 y CO y disminuye la

cantidad de CO2 y CH4 producidos.

Efecto de la relación de equivalencia (RE) sobre el PCI

El PCI tiende a disminuir con RE. Esto puede deberse a una disminución de CH4

que no se compensa con la producción de H2, además de la dilución del gas por parte

del N2.

06 CAPITULO IV - Diseño de experiencias en reactor de...

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