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Timestamp: 2019-03-22 00:45:19+00:00

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El Microlibro de Las Energias Renovables y La Tecnologia Ambiental
Memoria - Alejandro Fernandez N.
Lab Secado
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA TERMICA Y DE FLUIDOS
SIMULACIÓN DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA EN
AUTOR: FRANCISCO JAVIER MORENO GONZÁLEZ FEBRERO 2010
TUTOR: ALBERTO GÓMEZ GARCÍA
A mi madre, mi mejor referencia de lucha y superación. Sin ti no hubiera llegado
A mi padre, por estar siempre cuando te necesito.
A mi hermano, por ser una razón para que yo luche por mantenernos unidos
A Nerea, gracias por todos los momentos compartidos ypor tu cariño.
A mis compañeros de piso, amigos de la residencia, siempre recordaré estos años
convivencia como los mejores momentos de mi vida. Víctor, Moya, Pablo, Nico,
Andrés, Javi, Fran, Alberto... cada día me siento mejor persona gracias a
A mis amigos de El Puerto, por brindarme los mejores veranos que uno pudiera
Sobretodo tú, Pablo. No todos los días uno conoce a su mejor amigo.
A Alberto, por tus ideas aportadas para elproyecto y tu constante atención. Ha
placer trabajar contigo.
Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj cante
Biomasa ........................................................................
.................................. .. 10
Fluidización ...................................................................
.................................. .. 15
4.2.1 Comportamiento de un lecho
ﬂuidizado ................................................ .. 18
Gasificación ...................................................................
.................................. .. 24
4.3.1 Etapas de la
...... .. 25
4.3.2 Tipos de
gasificadores ..................................................................
.......... .. 27
4.3.3 ¿Gasificación de biomasa ó
carbón? ...................................................... .. 34
4.3.4 Aplicaciones comerciales de la gasificación de
biomasa ....................... .. 35
4.3.5 Estado actual y previsión del futuro de la
gasificación .......................... .. 40
Modelo de simulación 41
5.1 Desarrollo del
modelo .........................................................................
............ .. 41
generales ......................................................................
.......... .. 44
5.1.2 Ecuaciones de
conservación ...................................................................
5.1.3 Término de ﬂujo
neto ...........................................................................
5.1.4 Régimen de
ﬂuidización ....................................................................
..... .. 53
5.1.5 Solución
numérica .......................................................................
........... .. 55
Simulaciones ...................................................................
................................. .. 57
5.2.1 Análisis
comparativo ....................................................................
.......... .. 58
5.2.2 Análisis de
sensibilidad ...................................................................
....... .. 60
Resultados y 63
................... .. 65
6.2 Análisis de
................ .. 77
futuros ........................................................................
....................... .. 87
10.1 Diagrama de ﬂujo: resolución del modelo
cinético ....................................... .. 94
10.2 Implementación del código en
MATLAB ..................................................... .. 95
10.3 Condiciones experimentales de los modelos de Yan y Avdhesh ................
El autor pretende dar una Visión global sobre el estado del arte de la
de gasiﬁcación de biomasa, guardando un enfoque orientado a la importancia que
está atribuyendo al sector energético sostenible en la primera década del siglo
XXI. El
capítulo 2 trata de justificar el estudio realizado mediante datos contrastados
situación actual de la demanda energética mundial.
El capítulo 3 resume los principales objetivos a tener en cuenta, atribuyendo
mayor importancia a la programación de un modelo cinético de gasificación de
bajo unos criterios aplicados. La plataforma de trabajo será MATLAB, software
utilizado tanto por estudiantes como por empresas de ingenieria, debido a
tales como su potencia de cálculo y facilidad de resolución de problemas
La parte conceptual del proyecto se trata de cubrir en el capitulo 4, donde se
explican los conceptos necesarios para entender el proceso de gasiﬁcación de
El tema central del proyecto se describe en el capitulo 5, ya que trata de
la metodologia seguida para el desarrollo del modelo propuesto. El modelo se
una instalación comercial, de tal forma que se aprecie su funcionamiento. Se
aplicación de tipo práctica al modelo desarrollado; por ello, se realizarán
comparativos entre dos cinéticas diferentes, analizando el comportamiento de los
diferentes parámetros que justifican las Variaciones en los resultados. De las
empleadas, la más compleja será objeto de un estudio en mayor profundidad,
procediendo a realizar diferentes análisis de sensibilidad con los que obtener
increased.496 in 2008.7% to 311. It was the weakest year since 2001 . carbón y gas natural) supone más del 85% del consumo de las fuentes de energia utilizadas en la actualidad. sin considerar el impacto ocasionado en el entorno. [7] . o" ICÜCIJ E-J E-J B3 8d 85 86 E? EE 89 93 9| 92 93 911 ﬁ % 9? ﬁ 99 DO Ül EQ D3 D11 O5 C8 D? C6 World primary ene ¡gy consumption grew by ‘I .las mejores condiciones de funcionamiento del gasificador a simular. while natural gas and CDEI consumption. el autor ha considerado la realización de un interesante capitulo final que comente las conclusiones y los diversos estudios futuros que quedan abiertos tras el desarrollo del modelo. la industria se ha establecido como motor de la economia. La Figura I muestra el consumo mundial de energia en el año 2008. Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 2. below the 1Ü-year average. Üil consumption and nuclear power generation dedined last year. El capítulo 6 recopilará los resultados obtenidos en la simulación de los diferentes parámetros aplicados al modelo. Se volverá a los objetivos anteriormente establecidos justificando el grado de cumplimiento de cada uno de ellos. Puede observarse cómo la utilización de los combustibles fósiles (petróleo.303 I Nudearenergy I Natural gas M . No sin terminar el proyecto.89€. animando al lector a la continuación de cualquiera de las lineas propuestas. basando su desarrollo en una explotación indiscriminada de los recursos. World consumption nnrizmmm: zileqihslerk IZ-Jc-J Coal I Hwlroelectricáty “. Oil remains the world's dominant fuel. though it has staeadily lost market share to CDEI and naturalgas in recent years. Figura l. OiI's share of the world total has fallen from 13. as well as hydroelectric generation. puesto que en el Anexo 2 se expondrá integramente el código de la resolución del modelo de simulación. Consumo mundial de energía primaria. MOTIVACIÓN Desde el siglo XIX hasta la actualidad. over the past decade.
justificación de su uso. de entre las cuales se ha considerado para este proyecto la elección de un proceso de gasificación mediante lecho ﬂuidizado burbujeante. tipología. fases en que se desarrolla. 3. Por ello. ventajas de su uso y contaminantes. ventajas e inconvenientes y procesos de conversión. 2.2. Una vez establecidos los conceptos básicos. Se comenzó a buscar alternativas para un desarrollo energético sostenible. El Protocolo de Kyoto[6] estableció un acuerdo entre numerosos paises para la reducción de emisiones en los gases de efecto invernadero. sistemas que se comercializan junto con las aplicaciones de estos. Comentar la importancia del proceso de ﬂuidización. Se tratará de explicar el proceso de gasificación.Los niveles de CO2 procedentes de la quema de combustibles fósiles se han incrementado de tal forma que los cientificos le atribuyen un aumento de las temperaturas promedio del planeta. 4. El capítulo 4. explicando su significado e implicaciones. en los últimos años se ha incrementado la utilización de fuentes de energias renovable. con el consiguiente crecimiento del nivel del mar. debido a la concienciación de la humanidad en lo referente al calentamiento global y al intento de cubrir la demanda Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante mundial de energia mientras se pretende disminuir la dependencia energética con los paises productores de petróleo. Realizar una descripción resumida de la biomasa. tipología y los parámetros que la caracterizan.] justifica la elección de este sistema frente a un lecho fijo o arrastrado. De entre las soluciones existentes. OBJETIVOS El proyecto tiene varios objetivos listados a continuación: l. se explicará el proceso de creación . Existen diversas opciones para convertir la biomasa en gases de sintesis (syngas). clasificación de los distintos tipos existentes. composición. la biomasa es una de las fuentes de energia renovable a la que se le está prestando mayor atención a medida que se ha ido incrementando el conocimiento sobre las energias sostenibles. incluyendo: definición. entre un 5 y un 8 % para el 2012 con respecto a las emisiones de 1990. teniendo en cuenta su definición. Las ventajas que presenta se comentarán con mayor detalle en el capítulo 4. Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 3.
Principalmente. madera.de un modelo cinético que en etapas posteriores servirá como herramienta de simulación para analizar distintos casos prácticos de utilidad en la investigación y a nivel comercial. hemicelulosa (polímero ramificado) y lignina (adhesivo resinoso que mantiene unidas a las células de la madera). la biomasa lignocelulósica (utilizada para procesos de gasiﬁcación) contiene celulosa (polímero lineal de D-glucosa). Aplicación para el modelo anteriormente creado: se realizará una simulación del modelo cinético con un enfoque práctico. 6. Su origen puede ser animal. Validación de resultados: para poder tener credibilidad sobre los resultados obtenidos del modelo cinético. 5. Estudio comparativo: se analizarán los resultados obtenidos para ambas cinéticas. . justificando el funcionamiento del modelo para ambas. cebada). además de elegir razonadarnente la que más representativa para un posterior análisis de sensibilidad. vegetal o bien procedente de una transformación natural o artificial producida tras un proceso biológico. utilizando como fuentes publicaciones de editoriales de reconocido prestigio. 8. pasto y papel de oficina. tomando como referencia una instalación de gasificación a escala comercial. con leves variaciones en la proporción C/H y C/O. Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 4. 7. formando parte de este grupo materiales como ﬁbra de n1aíz. realizando una interpretación con una orientación final que busque la optimización de los parámetros sobre los que se tiene control en una instalación de gasiﬁcación. 4. INTRODUCCIÓN A continuación se explican en términos generales los conceptos básicos asociados a la gasificación que llevarán al lector a un mejor entendimiento del modelo y a las conclusiones posteriormente desarrolladas. Estudio de sensibilidad: mediante la variación de distintos parámetros se aportará valor a los resultados obtenidos. La utilidad de esta fuente de energía radica en la obtención de energía en forma de calor o electricidad. se establecerán unos puntos de control que guarden coherencia con la experimentación y las tendencias generales.1 Biomasa La biomasa es un conjunto de materia orgánica que acumula energía solar en forma de energía química mediante el proceso de fotosíntesis en presencia de luz solar. paja (de trigo. teniendo una composición estándar de C5H1OO5. la Figura 2 da una idea de la composición genérica de la biomasa lignocelulósica.
poca. haciendo hincapié en los pasos intermedios referentes a la fabricación y transporte de los componentes y equipos asociados a la biomasa. etc. Previamente al uso de la biomasa. poniendo como ejemplos la caña y los bosques de eucalipto (cultivos energéticos). papel y cartón (Residuos Sólidos Urbanos). Hay que tener en cuenta la utilización de fuentes de energía no renovable en alguna etapa. muebles rotos. Biomasa I lr lr Cullivns nanarnálzl-ms Blmnusu ïenalzl Cultivo-a Cuh‘.c lu mu" m” Blmnnsu Earn-adulta tlïldlﬂl-ün-BÍE fra-mientas ruislual culinarias I: I I lItruiduas ¡sir ri-cnlas ¡asiduos “EME _ Industriales r Faraanles urbanas urﬁgﬁ‘ I nnlrnal “ﬁlm” n Irrciiainlaaﬂus “ﬂrïmhs ¿ﬁjo? ÏÏÏEÏÉÏLÏ’ Figura 3. se debe considerar el proceso productivo en su corgunto. desde su origen. ya que existe una amplia variedad de productos o aplicaciones y es de fácil almacenamiento. serrín (residuos forestales). [18] l0 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante De forma general. sirviendo para poder hacer una valoración del uso de esta fuente de . cajas de embalaje. En la Tabla I se pueden apreciar las ventajas e inconvenientes del uso de la biomasa. contribuyendo de forma negativa al proceso renovable que conlleva la utilización de la biomasa. Composición genérica de la biomasa lignocelulósica. Clasiﬁcación de los diferentes tipos de biomasa[8]. La elección de la biomasa se justifica por estar considerada como un vector energético universal. la Figura 3 muestra una clasificación de las posibles fuentes de la biomasa.aplicando previamente unos procesos de conversión para la adecuación a la instalación y medioambiental. lignln [phErI-nllul 16% {ellulnse {glucosa} 44% Figura 2.
puesto que el CO2 emitido en el aprovechamiento energético de la biomasa es el que se ha necesitado para el crecimiento de la materia vegetal. Socioeconómicas o Diversificación energética. o Baja densidad energética. o Prevención de contaminación de suelos y malos olores mediante la eliminación de residuos. Ventajas e inconvenientes de la utilización de la biomasa [1.3] Existen diversas formas de aprovechamiento de la biomasa. de mediante el o Prevención incendios aprovechamiento de residuos agrícolas. o Necesidad de procesos de transformación para su uso. comúnmente . o Puede formar parte de un proceso de reducción de Gases de Efecto Invernadero (GEI) si se emplea en procesos con combustibles fósiles (como aditivos o sustitutos). o Prevención de la erosión del suelo mediante la implantación de cultivos energéticos. o Promoción de actividad agrícola y económica. o Los productos obtenidos son biodegradables. o No emite azufre ni hidrocarburos policíclicos de alto poder contaminante y proclives a producir lluvia ácida. o Peor rendimiento comparado con los procesos que involucran combustibles fósiles.energía. Tabla l. lo que ocasiona elevados costes en la manipulación. ll Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Medioambientales o No contribuye al aumento del efecto invernadero. o Uso de recurso renovable en corto período de tiempo. o Peor disposición y abastecimiento.
clasificado como un proceso de conversión termoquímica. En el capítulo 4. La Figura 4 muestra una clasificación general de los principales procesos de conversión de la biomasa. facilitando conversiones como las comentadas anteriormente. mediante la hidrólisis de la biomasa se obtiene metanol. se están empezando a introducir en el mercado sistemas más 12 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante eficientes y avanzados orientados a hibridar los ciclos combinados con la gasificación de biomasa (IGCC: Integrated Gasiﬁcation Combined Cycle). CONVERSION TERIIIOQUIMIGA CONVERSION BIOQUIMICA CONVERSION FISICO-QUIMICA Combustión Gasiﬁcación Pirolisis Digestión Fennentación Extracción Vaart Ga Gas Bi) Czhmizadn Biagas amb Tirbina Turhina H¡ IIIeOH Iihtnr Desﬂaciñn Esterïnracih vapor CC Dixel FI Molar! DME 1: | . Existen diversas opciones de obtener combustible a partir de la biomasa. por otra parte. a través de la cual se puede conseguir la obtención de biogás o etanol. en centrales azucareras). El proceso que más se lleva a cabo de forma tradicional es la quema directa en plantas con ciclos de vapor (por ejemplo. donde se aprovechan los gases de escape de las turbinas de gas para alimentar un generador y producir energía eléctrica. Desnxigenación Pilas oornbuslible Dre-sel 53ml Bbdiesel ELECTRICIDAD . Esta última es la vía más eficiente de aprovechamiento de la biomasa y la que tiene un futuro más prometedor [1]. La Figura 5 da una visión general de los procesos de conversión de la biomasa. como Brasil. La composición que presenta la biomasa determina sus propiedades de aprovechamiento temuco. así como se obtiene biodiesel en la extracción de aceites vegetales. como muestra la Figura 5.denominadas procesos de conversión.3 se profundizará en la gasiﬁcación. aplicable en los motores de combustión interna en países que tradicionalmente utilizan esta técnica. El tipo de biomasa a utilizar en un proceso de gasificación será lignocelulósica. como la fermentación.
provocando una expansión en el lecho. mostrando un resumen de los procesos que se dan en la Figura 7. proceso que permite la obtención de electricidad mediante pilas de combustible.2 F luidización El fenómeno de la ﬂuidización consiste en la adquisición de un comportamiento ﬂuido por unas partículas sólidas (inicialmente en reposo) cuando una corriente ascendente de un ﬂuido (gas o líquido) incide sobre éstas al alcanzar una velocidad bajo determinadas condiciones. o bien la obtención de combustible almacenable para una aplicación posterior. Al introducir un caudal bajo de ﬂuido. y Levenspiel O. Se añade la posibilidad de producir H2 mediante la síntesis de Fischer-Tropsch. éste se filtra a través de los huecos del lecho. 7b) tiene lugar cuando el caudal del ﬂuido que pasa a través del lecho contribuye a que las fuerzas de fricción entre el ﬂuido y las partículas se igualen al peso de las partículas del lecho. Figura 5. 5 r r I] j r r r rr r r r b Fixed bed 4. 7a). [18] l4 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 4. sin afectar signiﬁcativamente el movimiento de las partículas.Flurdízed bed | “ ------.¡ —'. Este fenómeno puede apreciarse en la Figura 6. A medida que se aumenta el caudal de ﬂuido. se consigue crecimiento en el movimiento y la vibración de las partículas del lecho. Procesos de conversión de la biomasa y aplicaciones[35]. Este estado describe el comportamiento de un lecho fijo (Fig. Kunii D. Iii-unless Feerzlstrnrzlr. 13 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante El proceso de la gasificación de biomasa posibilita la obtención de energía en forma de calor o electricidad si el gas de síntesis se utiliza para mover el eje de una turbina. igualando la pérdida de carga a través de cualquier sección del lecho con el peso del ﬂuido y las partículas.--5-¡'--' ¿Pmax .Figura 4. La n1ír1in1a ﬂuidización (F ig. Procesos globales de conversión de biomasa. o se quema como combustible para accionar un motor. Se consigue así anular la componente vertical de las fuerzas de compresión. [4] clasifican el comportamiento de un lecho en función del caudal de ﬂuido introducido y el diámetro de las partículas del lecho.
En caso de partículas gruesas. A caudales mayores. 7e). [4] l5 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Una vez alcanzada la velocidad de n1ír1in1a ﬂuidización. Si se continúa aumentando el caudal de gas en un lecho burbujeante. Este estado se denomina slugging con slugs de pared (Fig. dando lugar a la formación de burbujas y canalizaciones (Fig. un aumento de caudal aplicado a sistemas líquido-sólido repercute en una expansión progresiva del lecho. La utilidad de este fenómeno radica en que las burbujas provocan un aumento de la superficie de contacto y de reacción entre el aire y las partículas del lecho. el piso desaparece. coalescen formando “pisos” de lecho a lo largo de la zona de reacción. 7c). al aumentar el caudal existen dos comportamientos asociados al tipo de ﬂuido utilizado: . F ig. descienden suavemente por la cara interna del reactor. 7ﬂ. mientras las burbujas crecen con la altura. rodeando la zona de crecimiento burbujas (slugs axiales. existirá un exceso de gas alimentado sobre la n1ír1in1a ﬂuidización. favoreciendo así las reacciones químicas que tengan lugar en él.fs W i’ 9/ I I ‘. En esta situación si el lecho lo forman partículas finas.A‘ '-' I A ¡ S‘ j lnitiation of u entralnment 1 mi‘ l I I J_ [ [ l li L I J l 5 10 5o no (cm/s) Figura 6. denominado lecho ﬂuidizado “homogéneo”. provocando turbulencias en el movimiento del . hasta que llegada una altura. estado denominado slugging. “particulado” o “no burbujeante” (F ig. Inﬂuencia de la velocidad superﬁcial del gas en la pérdida de carga.En condiciones normales de operación. repitiendo la secuencia. 7d). . existe una velocidad terminal a partir de la cual las partículas empiezan a ser arrastradas.Si se sobrepasa la velocidad de mínima ﬂuidización en sistemas gas-sólido. la zona superior al burbujeo se desplaza en ﬂujo pistón hacia arriba. Se considera que el lecho está bajo condiciones de ﬂuidización burbujeante. a medida que se crea otro piso en la zona superior al burbujeo.
. 16 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante pum. ' L Gan.. . rs? -r‘ ' ' ..-. 7h).'|L. _ | * 1..:dn I . ‘l-E. requieren el uso de ciclones que atrapen las partículas ..'L'. ur ':q-. . o. a "’—--t.--.' ¡J u ..“ ¡“d Hrﬂrñum Ermua-ln E-Jbbllﬂl] !--. ' . w-:.[Fiat mas: llulﬁlaallcn .' ¿‘r-LI r.=__J' ¡-1 ‘+13. J .. TUÉi-‘¡HEI Lean phase fﬁxia ¿IL-¿sl._ E" s“ Gas ur r-cild ‘l-"Iih ‘ﬂlïücïlïj [ti lll III] lhi Figura 7. turbulento o en fase diluida. 1 3/ “¡í r/ .‘ ¡"Ï-" '". A una velocidad superior. + -I......1._. F ig.‘ r ¡'ï-J. 7g).'¡d Gas.-¡-_'I ¿anna fiundltlt-on..-I...'r pnauvnr-t _. __ _ _ .--.Ilurdizahqn .'.¿. i.. las partículas del lecho se desplazan junto con el gas al exterior del reactor (transporte neumático con un lecho ﬂuidizado en fase dispersa.lecho (lecho ﬂuidizado turbulento. i?‘ ¿g _¡_ ¿ I gti E‘ _ _ _ _ _ __ r g a i._ I-r _ Jï .". Etapas de un lecho ﬂuidizado en un reactor [4] Los sistemas que operan en régimen de ﬂuidización altamente inestable.:d|zi‘.'. es decir.’ r:.| n-f _ .-‘ '!_¡l F 1'. F ig.l Lransnael -.I l i .‘ l-üL i! Lqurd rluw vulva-cris:IIZI Ibi ii] id} Eiuqguﬁg Sin-mm..
1 Comportamiento de un lecho ﬂuidizado Un lecho ﬂuidizado y un líquido comparten características que hacen que sea ventajosa su utilización en determinados procesos. por estar conectados físicamente (Figura 9( d) ). o El lecho mantiene su nivel horizontal aunque se incline el recipiente que 10 contiene (Figura 9(b)). ubicados en la zona exterior del gasificador (Figura 8(b)). La Figura 9 muestra propiedades que ambos comparten: o Los objetos ﬂotan en el lecho (Figura 9(a)). of L" ed flurdrzed bed D. . ﬂujo en fase diluida) se necesitan ciclones de mayores tamaños. l7 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Bubbling. turbulent Fast ll ‘d b .arrastradas y las devuelvan al lecho. se igualan los niveles de dos lechos a diferentes alturas. (b) Interno. o Al practicar un orificio al recipiente las partículas salen en forma de chorro (Figura 9(c)). Ciclones de captura de partículas en gasiﬁcadores. ¡’a ‘Gﬁ. (a) Externo. Para arrastres mayores (transporte neumático. [4] 4.2. basta con utilizar un ciclón interior al gasificador para la recolección (Figura 8( a )). Si el arrastre de partículas es moderado (ﬂujo turbulento). 18 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Lavela equallza Surface ¡a horizontal . Fairly higlh Very h¡gh 939 VWOCJÍY gas Velocity (a) (b) Figura 8. o Por el principio de los vasos comunicantes." I-i.
La Tabla 2 muestra un resumen de los parámetros que tienen más relevancia en el proceso de ﬂuidización [15]. Características de los lechos ﬂuidizados. Las partículas del lecho presentan diferentes geometrías. En un proceso de ﬂuidización es importante conocer las características del gas a inyectar. Se tendrá un control sobre la geometría del reactor a través de la relación de belleza o esbeltez. El amplio rango de tamaños de sólidos que se puede utilizar es una ventaja añadida. partículas del lecho. parámetro adimensional que representa la relación entre la altura y el diámetro de lecho (H/D). ya que se obtiene un producto uniforme y existe la posibilidad de operación continua. encontrando unas condiciones homogéneas de temperatura. la temperatura de reacción se puede controlar mediante el intercambio de calor o la propia alimentación al lecho y la eliminación de sólidos. Diámetro (dp) Esfericidad (os) Porosidad del lecho (Smf) Clasiﬁcación de los sólidos umf 11o Presión (P) Temperatura (T) Equivalence Ratio (ER) Caudal (Q) Aporte de energía Tabla 2. l9 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante La geometría del reactor de gasificación y el caudal de agente ﬂuidizante inyectado determinarán el tiempo de residencia de las distintas reacciones que tendrán lugar durante el proceso. utilizando un factor de forma (a5) para aproximar la geometría de las partículas a la de una esfera. Este hecho diferencia a los sistemas de lecho ﬂuidizado de los sistemas de lecho fijo o de transporte neumático. lo que . La posibilidad de controlar la temperatura con facilidad permite que los sistemas de lecho ﬂuidizado sean de utilidad a gran escala. Parámetros fundamentales de la ﬂuidización.Figura 9. [7] Debido al comportamiento que presenta. así como las condiciones del proceso y geometría del reactor.
0.36‘ Nilda ílakes 0. Se suelen utilizar valores comprendidos entre 0. = lÜnÏ ÜES Disks F: = a’ l] T6 h = (156 0. jagged 065 Llclgnetitc.3 Cual anthrzaciïe 0 63 bitrrrrzrnnus Ü E3‘ natural dust Ü 55 ¡irllverized 4173 Cork 0. estando en función del tipo de partícula y de su relación de belleza o esbeltez (H/D).5 y l [4].66‘ old each as high 1: 0. _ Superficie de la esfera de igual volumen que la partícula (1) (Á Superﬁcie de la partícula La Tabla 3 se utiliza para la elección del factor de forma. La ecuación I define la esfericidad o factor de forma de una partícula. [ox-v as 05. Fischor-Iropich Catalyst 0.81 Cylinder ll : a’ 0. cmshed.3 Tungsten powtler 0.937 l: : 3d ÜÍÏÜ i‘. Spliericrrg Type of Pamela ¡ﬁx Sphere l 0G Cube 0.36 young river a.60 h=d'.posibilita utilizar para los cálculos el diámetro medio (dp).r'il) (HT shlu-‘Lated carbon and sillas gel: OÏÏLCI 90 Broken SOildS .28 Sand round 0.59 Glass.0 6.539 sha.89 “lïeat Ü 85 .
48 0.59 0. traducida a 2l .07 0.61 0. se requiere una velocidad de n1ír1in1a ﬂuidización. Para que se alcance un estado de ﬂuidización. Tipo de partícula 0. mientras que WenYang[16] limita superiormente la velocidad del gas.57 0. Esfericidad en función del tipo de partícula.49 Round sand.55 — Carborundum — 0.4 Sharp sand.56 — Anthracite Coal.48 — — Tabla 5.67 — 0. [20] Debido a la dificultad de medir con elevada precisión el valor de porosidad del lecho.67 0.59 0. dp > 5 Directo: calibre digital o micrómetro 0.1 0. se utiliza la Tabla 5 para seleccionar el parámetro.62 0.58 0.74 0. en función del tipo de material y el diámetro medio de partícula. para alcanzar un estado bubbling se requiere no > umf . Al pretender un régimen de bubbling. <f>S : 0.44 0.69 — — — Fischer-Tropsch Catalyst ó. habrá que superar esta velocidad.56 0.3 0. 72 0.56 0. aunque se puede determinar experimentalmente.53 0.72 0.66D.4 < dp < 5 Tamizado dp < 0. según Kunii [4].52 0.02 0. l/imf.5 0.54 0.56 0.61 0.86 — 0. smf. S : 0.05 0.58 — _ — 0.6 0.2 0. Porosidad del lecho en función de la forma y diámetro de las partículas del lecho.51 Absorption carbón 0. esta condición.63 — 0. : 0.64 0.42 0. Métodos de cálculo del diámetro medio de partícula de lecho.42 — Mixed round sand — — 0.56 0.42 0.4 Indirecto: Sistemas electrónicos Tabla 4.62 0. [4] Anteriormente se comentó que los distintos regímenes de ﬂuidización vienen definidos principalmente por la velocidad del gas inyectado en el distribuidor.58 0.6 0. estableciendo una velocidad mír1in1a a la que empieza a aparecer slugging tal que DB < 0.Tabla 3.41 — — Coal and glass powder 0.71 0. Se muestran en la Tabla 4 los métodos comúnmente empleados para determinar el diámetro medio de las partículas. [4] 20 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Las partículas del lecho en un gasificador presentan un intervalo de tamaños que hay que tener en cuenta para el cálculo de su diámetro medio (dp). ¿S : 0.
Por otra parte.gmf )L AP gás2dp2grïrf géïdpgﬁïf (2) . o Adecuadas para lecho ﬂuidizado burbujeante. obteniendo resultados que difieren en gran medida. valores obtenidos por Ergun utilizando el método de mínimos cuadrados en más de 640 experimentos. Se ha comprobado experimentalmente la elevada precisión de la ecuación al calcular la pérdida de carga en el punto de mír1in1a ﬂuidización[36].1. La Figura 10 muestra la clasificación. hasta un tamaño menor que lO cm. _ klumf/uf (1. aplicable a cualquier tamaño de partículas del lecho.gmf )2L + k2pgumf2 (1.3). existiendo una pequeña zona de transición en la que los términos son comparables. o Aparece alta circulación de sólidos. Existen diversos autores que calculan la velocidad de mír1in1a ﬂuidización. 22 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante o Grupo B (los n1ás comunes). esta ecuación cubre todo el rango de velocidades. para una escala comercial. supone uo<6umf.Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante velocidades y aplicando la teoría hidrodinámica de Wen y Mori[9] (explicada en detalle en el capítulo 5. donde k1=l50 y k2=75. por su facilidad de ﬂuidizar con corrientes a baja velocidad. o Grupo A. separados en función de su densidad frente al diámetro de partículas que presentan. . cuya suma de términos se iguala a la pérdida de carga en un lecho fijo (ecuación 2). 2) y energía cinética (segundo término de la derecha. o El lecho se expande considerablemente antes de que aparezcan las burbujas. Se ha escogido el modelo de Ergun and Orning[10]. en función del diámetro de partícula y la diferencia de densidad relativa entre la fase ﬂuida y las partículas sólidas. 2). ec. puesto que para régimen turbulento (umf >> o) el término viscoso es despreciable frente al cinético. ya que utiliza una ecuación que tiene en cuenta las pérdidas por viscosidad/rozamiento (primer término de la derecha. ec. Geldart[4] identiﬁcó cuatro tipos de partículas del lecho con propiedades determinantes del tipo de ﬂuidización más adecuada.
o Forman burbujas que coalescen rápidamente. aunque crecen n1ás lentamente que el resto de la fase gaseosa.‘ _ Gcneslve 44/ _ / DJ r r lill'li .5 D 94/ ‘u. puesto que se necesitarían grandes corrientes con velocidades muy elevadas. “"'| _ C a. afectando a la densidad y la viscosidad del gas. Diagrama de Geldart [4] Una variación de presión y temperatura suponen un cambio en el proceso de ﬂuidización. : 5 _ d _ _ á D _ a’ É“ — á E Spoutabla . : Í I l I I I | r r I r r r j I : _ .'rl=-rri 10 5D 100 500 ‘¡OCU dp (Pm) Figura l0.9 y. Un aumento de la temperatura del sistema origina una disminución de la densidad y un aumento de la viscosidad del gas[22].9 a. o Forman burbujas al superar levemente umf. o Grupo C o Presentan dificultad para ﬂuidizar y tienden a crecer como pisos de sólidos (tipo ﬂujo pistón). Hacer un seguimiento de los efectos que producen una variación 23 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante . Sand-like E r . f : l — // r A’ _ ’J'I __ Ó) r _ Q 0. formando canalizaciones en grandes lechos sin ﬂuidizar. 2a ‘l —— “Ï ‘f’ \‘ —— ‘1 : “á. con tamaños independientes del tamaño de partícula del lecho.o Las partículas son n1ás gruesas y densas (arenosas) que las del grupo A. por lo que son difíciles de ﬂuidizar. o Cohesivos o Grupo D o Partículas densas y de gran tamaño.
pudiendo ser el agente gasificante oxígeno puro. Este último cumple la función de moderador del proceso. utilizando H2 (> 30 MJ/m3). o Clasificación mecánica de partículas en base a su tamaño. A diferencia del proceso de combustión. puesto que existen numerosas interrelaciones entre la cinética. la hidrodinámica y los parámetros de operación. aplicaciones comunes y energía obtenida de la gasificación de biomasa en función del agente gasificante utilizado. cubre la conversión de un sustrato carbonoso (residuo orgánico) en un combustible gaseoso. o Combustión e incineración. calcinación y carbonatación..) en diferentes proporciones.3 Gasificación La gasificación[12] en su sentido más amplio. como el “cracking” del petróleo. o Reacciones de síntesis. CO. Muchos autores[20] coinciden en un aumento de ¿mg y una disminución de l/imf al aumentar la presión. estando en contacto con un medio gasificante.. CO2. y residuos (en forma de alquitrán.en la temperatura y la presión es complejo. además de una posible sinterización de las partículas sólidas del lecho si se aumenta la temperatura. cenizas. La Figura I] muestra los resultados. o Biorreactores. o Intercambio de calor. forma o densidad. 24 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Gasiﬁcación GAS POBRE Courbustión EÑERGIA m“ “em (¡O9 H2’ x2 NIECAXICÏA i: 6 killing Turbina m de gas ‘ ‘ o: (¿S DE M. CH4 y N. aire y/o vapor de agua. y el de mayor energía. 4. o Adsorción e intercambio iónico. la ﬂuidización de un lecho tiene numerosas aplicaciones. ELECTRIC IDAD .. El producto que tiene menor energía aprovechable se obtiene gasificando con aire (< 6 MJ/m3). Además de la gasificación. o Cristalización. las citadas a continuación: o Secado/lavado de partículas sólidas. o Reacciones catalíticas heterogéneas. en la gasificación tiene lugar una oxidación parcial del combustible que produce un gas de síntesis (syngas) formado por H2. partículas sólidas. pudiendo hacer uso a escala industrial.
A medida que la temperatura va aumentando. .BIOMASA<> GASIFICADOR 4' SINTESIS NIETANOL . obteniendo pequeñas diferencias.3. se volatilizan los compuestos de bajo peso molecular. Se muestra un adelanto de las reacciones que se comentarán . [17] 4. se produce un proceso de evaporación física. char (residuo sólido carbonoso) y compuestos orgánicos condensables (alquitranes ó “tars”).2 Pirólisis Consiste en la primera etapa de la degradación de la biomasa. La evolución de esta etapa está inﬂuenciada por el tamaño de partícula del lecho y su naturaleza.1. 1. [31] 4. Pirólisis > 250 3. comentadas a continuación.1 Etapas de la gasificación La Tabla 6 muestra las temperaturas a las que aplican cada una de las fases de un proceso de gasificación.900 Tabla 6. aplicable a la gasificación de carbón y biomasa. las condiciones de operación (T. Etapas de la gasiﬁcación. Secado > 100 2. en los resultados con respecto a considerar la cinética de volatilización a lo largo del lecho.1. La Figura 12 muestra el proceso completo. P.203-1151113 Turbina H3 GAS ALTO CONTENIDO de gas ENERGETICO m’ ELECTRICIDAD Sólidos carbonosos (‘H-V CO’ H2 Alquíïranes := 30 11151113 Figura ll.3. 25 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 4. En ausencia de O2. la estructura molecular de la biomasa se descompone generando gases de síntesis. Gasiﬁcación de biomasa en función del agente gasiﬁcante empleado. Gasiﬁcación (oxidación + Reducción) 750 . tiempo de calentamiento y tiempo de residencia). ¡ ETANOL lO .1 Secado/Volatilización Cuando la biomasa de alimentación entra en el gasificador y se eleva la temperatura. algunos autores [11] suponen la volatilización a la entrada del reactor. asumibles. liberando agua hasta los 200°C.3. Para poder desarrollar un modelo de simulación.
Incluye las reacciones de oxidación y reducción. cracking product Corn pomdsll Dh teneis. aunque cada caso dependerá de la cinética tenida en cuenta. para formar gas de síntesis) se transforma mediante reacciones diferentes (heterogéneas) a las del resto de componentes generados en una primera etapa (homogéneas).3 Gasiﬁcación Esta etapa incluye reacciones endotérmicas que pueden darse gracias al calor producido por las reacciones de combustión existentes (exotérmicas). En la etapa de reducción se tienen en cuenta las reacciones Water-gas. además de los n1ás adecuados para aplicaciones a pequeña y mediana escala con requerimientos térmicos de hasta pocos MW. Pueden ser diseñados en configuración updraft o downdraft. HZCHJ. [12] 4. Pyrolysis ga se: Solid ¿rca HZCH-LHEÜ) Calbünamüus . aunque los diseños soplados por oxígeno han sido probados como n1ás eficientes. 26 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 4. Subproductos de gasiﬁcación de biomasa.3. El capitulo 5.1. los gasificadores de lecho fijo pueden encontrar problemas con la alimentación de biomasa.1. shift f. por lo que conseguir temperaturas uniformes a lo largo del gasificador puede ser difícil debido a la ausencia de mezclado en la zona de reacción. Algunos autores tienen en cuenta la oxidación por separado de la reducción. material T30 ¿”L WPW co. Boudouard.2 Tipos de gasificadores Lecho fi ¿"o Tienen una zona de reacción estacionaria típicamente soportada por una rejilla y se alimentan por la parte superior del reactor. Son los n1ás sencillos de diseñar y operar.posteriormente. pudiendo observar cómo el char (parte sólida de la biomasa que reacciona con los componentes gaseosos.1 incluye las reacciones elegidas para la simulación de cada uno de los modelos cinéticos a desarrollar. La mayoría de los gasificadores de lecho fijo son soplados por aire y producen gases de baja energía. shift) CÜZLHEO Figura l2. . T“ Gas phase reaction CÜ. Shift y Methanation [17]. acid} ‘Íühar (Shar-gas phase reactions F GQ H2’c¡_¡_4_ (gasiﬁnati org-zx: mbustio n. ¡i ¿“EL ÜÏÜVÑÉÉÉÏI oxygenated combustion. A grandes escalas. Esto conlleva un ﬂujo irregular de gas. Hggg.3.
La Figura 13 muestra un gasiﬁcador típico de lecho fijo en configuración downdraft. [21] 27 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante La mayoría del alquitrán en el syngas es destmido por craqueo térmico mientras pasa a través de la zona de reacción. mediante un ﬂujo en contracorriente.. Fuel i‘ ll _. teniendo lugar en el lecho conducen el proceso de gasificación. el agente gasificante (aire u oxígeno) desciende a través del gasificador.Lecho Fijo: downdraﬁ Con gasificadores de lecho fijo downdraft.| ¡l . Gasiﬁcador de lecho ﬁjo “updraft”. Lecho ﬁjo: updraft El agente gasificante asciende a través de la zona caliente del reactor.. Las l-o l-D Syugas Figura 13. Reacciones exotérmicas entre aire/oxígeno y el char. cerca de la parte baja del gasificador. La gasificación ocurre cerca en la zona inferior del gasificador. mientras los gases calientes ascienden. Gasiﬁcador de lecho ﬁjo “downdraft”. en una zona de reacción caliente poco profunda que consta de una capa de carbonilla.. pero el gas puede contener componentes álcali mientras sale de la zona caliente del reactor. en dirección contracorriente al ﬂujo de material sólido como muestra la Figura 14. El principal inconveniente de los gasificadores downdraft es el alto contenido en cenizas arrastradas junto con el gas producido. La oxidación de la biomasa genera calor para mantener el proceso de gasiﬁcación. y la biomasa desciende a través del gasificador sufriendo . Figura l4. Este tipo de reactores requieren combustibles con un contenido en humedad bajo (< 25%). [21] El calor en el gas sin tratar es transferido a la biomasa de alimentación. Los niveles de partículas en el syngas son típicamente bajos debido a la ausencia de turbulencia en el gasificador.
La principal desventaja es el alto contenido en alquitrán obtenido. Las concentraciones de alquitrán en el gas resultante son altas (principal desventaja) ya que los vapores formados en las reacciones de pirólisis son arrastrados hacia arriba a través del reactor con el gas resultante. característica que permite operar con reactores a pequeñas escalas. La ceniza es arrastrada junto con los sólidos en la dirección opuesta a la del ﬂujo de gas y es retirada de la parte inferior del gasificador. Las distintas etapas de gasificación ocurren concéntricas a la zona de inyección del agente oxidante. Gasiﬁcador de lecho ﬁjo “crossdraft”. Lecho ﬁjo: crossdraft En este caso. pirólisis y gasificación (reducción+oxidación) ﬁnalmente. propiciando un mejor mezclado. puesto que el movimiento de las partículas favorece un mejor contacto gas-sólido. puesto que en este caso pasa por una zona de secado. Los gasificadores de lecho ﬂuidizado pueden ser dimensionados para instalaciones de mediana y gran escala y son los más adecuados para situaciones donde hay una relativa demanda constante del 29 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante gas resultante. gas resultante de un reciclado. todas las instalaciones gasificadoras de grandes dimensiones construidas y probadas en la última década usan diseños de lecho ﬂuidizado. además de admitir combustible con alta humedad. o una combinación. oxígeno. saliendo el gas de síntesis por el lado diametralmente opuesto (Figura 15). Los niveles de partículas en el gas resultante a tratar (raw) son bajos a causa de las condiciones de no 28 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante turbulencia. Con este tipo de gasificador se consigue un buen intercambio de calor. Esencialmente.secado. vapor. [21] Lecho F luidizado Una de las ventajas n1ás importantes de la gasificación en lecho ﬂuidizado es la uniformidad conseguida en la distribución de temperatura en el lecho. el agente oxidante se introduce por un lateral del reactor. El gas resultante sale a baja temperatura. El gas utilizado para ﬂuidizar el material del lecho puede ser aire. Figura 15. El gas resultante existente del gasiﬁcador típicamente tiene altos niveles de .
mnmnr EN“ ""5 Iuidzrsr! bar: ' Aitzrnrwnl F d FL‘ """' .' ' ' ‘¡Cable l _ l‘ ' ' Das ¡Tasa _ ‘ I:-¡. ||'.1r¡.qu: " —'l E. -. .partículas como resultado de la turbulencia en el reactor.11" _-.1 no se distinguen.1. 1| h‘ ïﬁü Jun. Como consecuencia del mezclado. Gasiﬁcador de lecho ﬂuidizado burbujeante(a) y circulante(b). se pueden encontrar gasificadores de lecho ﬂuidizado burbujeante y de lecho ﬂuidizado circulante.m AJ-c uta-rr" ‘l L ﬁ-ÏÜ ' a Ham}. ¡"g Flazluzd [Id-d |-¡-_¡—_ o gq" I'!.-.' 'L_'=°=-"'!* .1nIi. En los gasificadores de lecho ﬂuidizado burbujeante (Figura I 3( a )) existe una interfase que divide la zona libre de reacción (freeboard) de la zona de reacción (lecho). ï“ -¡ (a) '.3. Las partículas consisten en cenizas originadas por la biomasa y partículas finas que escapan del lecho. 2:1 Eoïloñ asi a id 3 mñ|eÏlü: ‘ han Halen: -I . se obtienen gases de síntesis con un poder calorífico 3 veces superior al de los gasificadores convencionales (4-6 MJ/Nm3). las distintas etapas de la gasificación comentadas en el punto 4.ll Glste i i l‘ ¡l Fluidizrai c" Flunïualul ¡r WWIUII‘ rrcdlm "' -‘ Figura 16. Dentro de esta clasificación. como consecuencia de la recirculación.. La diferencia que suponen los gasificadores de lecho ﬂuidizado circulante (Figura I 3(b)) es la existencia de una tubería de retorno al reactor. ¿f _ [law r __ Han rias .! m. [21] . (b) _ Gynlcntr .
).30 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Lecho arrastrado En este tipo de gasificadores los sólidos son arrastrados en el ﬂujo de gas. Por otro lado. se requieren temperaturas de reacción de 1200 °C. 31 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Carbón Tahiti de alimentación ' da carbón ¡o Carbón. China y la antigua Yugoslavia operaban gasificadores Lurgi de diseño ruso. Para la obtención de buenas conversiones. ﬂuyendo en paralelo a altas velocidades (ver Figura 17). de fabricación alemana (Figura 18).3. Dentro de los de lecho fijo. reciclado . Estados Unidos (18 ud. Pekín y China (4 ud.1 Sistemas comerciales Los gasificadores comerciales se utilizan desde hace varias décadas.2.-" I-Ilwl Emi-l L Eau Figura l7. se suele operar en modo slagging (con cenizas fundidas) a elevadas presiones. Al operar con temperaturas tan altas. en Alemania.). Guild Ülurur Üïjljúﬁ I rated W-¿IÍH ' É 510ml De I 95. desde 1930 los n1ás utilizados en la producción de gas de síntesis a gran escala son los de tipo Lurgi. puesto que el tiempo de residencia de los sólidos es muy corto (del orden de segundos). Gasiﬁcador de lecho arrastrado [21] 4. En 2002 se encontraban operando en países como Sudáfrica (97 unidades instaladas).
Esp” Agua de enlriumienio
y lavada
Gﬁmﬁcﬂdur Dislrlbuidür 5
WWF Y Can-risa de agua
False de extracción
Figura 18. Gasiﬁcador Lurgi[37]
Los gasificadores de arrastre fueron desarrollados por Heinrich Koppers GMBH
(Alemania) en 1949. De los 50 gasificadores instalados, en 1993 se encontraban
operación. Los de la familia Texaco (Figura 19) operan en Alemania, Japón y
Unidos. La Tabla 7 muestra un cuadro resumen de los gasificadores, sus presiones
operación y el agente gasificante utilizado, clasificados por tipo.
Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante
Oxygen 1mm Air Coal
separation Plant Slurry
Blaclmfaier"
Hecycled
Figura 19. Gasiﬁcador Texaco[38].
Muchos de los primeros gasificadores de lecho ﬂuidizado que se fabricaron
cayeron en desuso (llegó a haber unos 70 funcionando) por su baja capacidad,
costes de operación y baja conversión de carbón. El tipo Winkler, operando a
atmosférica, fue superado por los Lurgi y Koppers-Totzek; pero el fabricante AG
Rheinbraun (Alemania) rediseñó Winkler para operar a mayores presiones (30 bar),
lecho circulante. Esta versión es capaz de operar a mayor temperatura (llamado
High Temperature Winkler): en el lecho ﬂuido, opera a 800 °C, pero se inyecta
oxidante en la parte superior del lecho, llegando a 900-950 °C. Para su
IGCC (Integrated Gasiﬁcation Combined Cycle, Gasificación integrada en Ciclo
Combinado) se añade a la salida del gasificador un quemador que aumente la
conversión por encima del 98%.
Los lechos ﬂuidizados se están desarrollando a nivel comercial n1ás lentamente
que los de arrastre y lecho fijo, pero debido a las ventajas que presentan en
ﬂexibilidad y homogeneidad en la producción a gran escala, se espera que sean
los n1ás
utilizados [27].
Lecho descendente (fijo)
Sin fusión de cenizas
Lurgi Atm - 85 bar Aire u oxígeno
Foster Wheeler Stoic Atm Aire
De dos etapas (Babcock W-D) Atm Aire u oxígeno
Con fusión de cenizas
Lurgi British Gas 25 bar Oxígeno
Lecho ﬂuidizado
Winkler Atm - 40 bar Aire u oxígeno
Westinghouse 30 bar Aire u oxígeno
Lecho de arrastre
KBW Atm Oxígeno
Shell 30 bar Aire u oxígeno
Combustion Engineering Atm Aire u oxígeno
Alimentación s/urry
Texaco 30 - 80 bar Aire u oxígeno
Medio de reacción fundido
Saarberg-Otto 25 bar Aire u oxígeno
Reactor rotativo
KILnGAS Atm - 8 bar Aire
Tabla 7. Tabla descriptiva de los tipos de gasificadores. [27]
4.3.3 ¿Gasificación de biomasa o’ carbón?
Para tener razones de peso en la elección de la biomasa en vez de carbón para
gasificar, es preciso hacer una comparativa sobre ventajas e inconvenientes. La
diferencia fundamental es la proporción de volátiles liberados durante el
pirólisis por unidad de n1asa de combustible. Un 50% en peso del carbón se
char, mientras que para la biomasa es menor, 15-20% [21]. Esto se debe al
volátiles de ambos, pudiendo llegar a tener un 30-45% n1ás de volátiles la
biomasa que
los carbones comunes.
Por otra parte, la biomasa es n1ás reactiva que el carbón, propiedad que le
confieren el contenido en celulosa y hemicelulosa. Esto posibilita la
gasificación de la
biomasa a temperaturas inferiores (750-900°C) que la del carbón (l200°C). Como
desventaja, el rango de temperaturas de gasiﬁcación de biomasa es propicio para
generen mayores cantidades de alquitranes (tars) en el gas de síntesis. Las
temperaturas en la gasificación de biomasa originan una mayor producción de
beneficioso para aplicaciones de calentamiento térmico y motores, y perjudicial
producción de combustibles. Además, se tendrá un mayor rendimiento energético
operando a menores temperaturas, puesto que se necesita generar menos energía
por la biomasa alimentada para llegar a las temperaturas requeridas, siendo
menores las
4.3.4 Aplicaciones comerciales de la gasificación de biomasa
Debido a la existencia de un amplio rango de procesos de conversión de la
biomasa, se pueden obtener diferentes productos finales. Las principales
o Generación de electricidad. Actualmente existe un amplio rango de
tecnologías de generación de electricidad de forma renovable que suponen
menores costes de generación que mediante la utilización de los gases
procedentes de un proceso de gasificación de biomasa, como son la energía
eólica, hidráulica y geotérmica. Únicamente hay plantas experimentales y se
pone en tela de juicio su rentabilidad.
o Producción de combustibles líquidos sintéticos procedentes de gases de
síntesis purificados (syngas). Los que n1ás aplicación tienen son los
combustibles producidos del proceso Fischer-Tropsch y el biometanol. Para
producir un combustible líquido de hidrocarburos similar a los combustibles
procedentes del petróleo a partir de la biomasa, el gas producido es convertido
en un gas de síntesis, haciéndolo pasar por una serie de procesos que mejoran su
rendimiento. Al no generar un gas de síntesis puramente formado por H2 y CO,
se deben eliminar los componentes adicionales (CH4, CO2, alquitrán e
hidrocarburos ligeros). A medida que se incremente el precio del petróleo, se
prevé un aumento mundial de la inversión en la optimización de la producción
o Uso de la energía térmica generada en procesos industriales y domésticos
mediante la combustión del gas producido, aplicando directamente los gases de
síntesis en hornos y calderas, ya que normalmente estos equipos tienen los
requerimientos n1ás bajos en la calidad del gas producido. Se puede utilizar
gas como sustituto del gas natural, incrementando su contenido en metano
mediante tratamientos previos.
o Producción de hidrógeno tras la separación del resto de componentes
gaseosos. El hidrógeno tiene multitud de aplicaciones, y se usa ampliamente en
refinerías de petróleo para craqueo térmico (romper cadenas de hidrocarburos
más pesados), industria de la alimentación y electrólisis del agua, entre otras
aplicaciones. En el futuro se estima un incremento de la producción de
hidrógeno utilizándolo como reactante para producción de electricidad en pilas
Estas características dan la oportunidad de limpiar y acondicionar el combustible gaseoso previo a su uso. los sistemas de gasiﬁcación ofrecen ventajas económicas sobre otras tecnologías de generación de energía. azufre. Las partículas incluyen materiales en fase sólida arrastrados en el gas de síntesis a la salida del gasificador. e hidrocarburos de bajo peso molecular.3. las emisiones generales de los 36 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante sistemas de potencia basados en la gasificación pueden ser reducidas. componentes álcali. puesto que no reaccionan y reducen la eficiencia general de conversión. especialmente las de NOx. Cuando se aplica en regiones que favorecen los productos agrarios y forestales.3. Sin embargo. Cuando se compara con los sistemas de combustión. no conviene tenerlo con los gases de síntesis.4. alquitranes. Estas se generan en gasificadores de gran tamaño. Los recursos de la biomasa son una importante estrategia para mitigar el cambio climático mundial. Consecuentemente.2 Contaminantes El biogas generado por la gasificación generalmente contendrá contaminantes que requieren su eliminación. compuestos con nitrógeno.4. Los hidrocarburos son beneficiosos para los gases combustibles dado que tienden a incrementar el poder calorífico del producto. la tecnología sirve como mecanismo para el desarrollo de la economía rural. Aumenta el reciclado de CO2 en la atmósfera. La combustión del biogas resultante puede ser controlada de forma más precisa que la combustión de biomasa sólida. los cuales .1 Ventajas de la tecnología El proceso de conversión de la biomasa en combustible gaseoso puede ser considerado una tecnología limpia debido a la reducción en emisiones de CO2.4. 4. y el uso de recursos de biomasa para resultados energéticos y químicos con bajas emisiones netas de CO2. y en áreas donde las fuentes de biomasa están disponibles a bajo precio. Como las emisiones de NOx y SOx de las instalaciones de biomasa son típicamente bajas. el combustible gaseoso producido por gasificadores presenta menor volumen y temperatura que los productos de combustión completa procedentes del combustor. Los principales tipos de contaminantes encontrados son partículas sólidas. hay una alta eficiencia térmica y un buen control del grado de la combustión. es una tecnología que ayuda a reducir la lluvia ácida.
El colectar este material y la consiguiente reinyección del char en el gasificador pueden incrementar las eficiencias generales de conversión. Formación de alquitranes Los alquitranes incluyen una variedad de aromáticos oxigenados formados en la etapa de pirólisis del proceso de gasificación. Las cenizas volantes resultantes consisten en material de pequeño diámetro que puede crear problemas de emisiones visuales y operacionales si no son eliminadas. las cenizas volantes n1ás finas se mantendrán en la corriente del gas. se considera que el alquitrán lo componen moléculas orgánicas con pesos moleculares mayores que el . Esto puede dar pie a tener que practicar un orificio al reactor ante la imposibilidad de extraerlos de otra forma. Mientras el material es gasificado. Generalmente. la materia inorgánica procedente de la alimentación puede ser retenida en el lecho del gasificador o arrastrada en el gas de síntesis y salir del reactor. disminuyendo su punto de fusión. El ciclón es una tecnología de eliminación inicial y/o recuperación de partículas sólidas. La necesidad de eliminar el material álcali de la corriente de biogas depende del uso final del gas. se incluyen ciclones para separar el material del lecho de los gases resultantes. los gasificadores de gran tamaño son capaces de conseguir entre 98 y 99% de eficiencia en la conversión del carbón. Por lo tanto. obligando a parar el proceso para extraer sólidos de gran tamaño. 37 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Una fuente potencial de partículas es el carbón formado cuando la biomasa de alimentación no se gasiﬁca por completo. Sin embargo. puede ocurrir que debido a las temperaturas de reacción sinterice el material del lecho junto con otras sustancias como las cenizas liberadas y aglomeraciones del propio lecho. Estás partículas sufren volatilización y reacciones subsiguientes a temperaturas de gasificación que las hace menos reactivas. un l-2% del carbón en la alimentación permanece como sólido. Como solución para los sistemas de lecho ﬂuidizado en ﬂujo turbulento. Todo esto se traduce en una parada del proceso. De retenerse. capturando la mayor parte. Generalmente.dependen de las configuraciones (lecho ﬂuidizado burbujeante o circulante) para asegurar condiciones uniformes del lecho durante la gasificación. costes de reparación y pérdidas económicas.
o pueden sufrir reacciones de deshidratación. como los residuos animales o la alfalfa producen grandes cantidades de NH3. y el contenido energético de los alquitranes se suma al valor calorífico del combustible. incluyendo la temperatura de gasificación. los alquitranes en gases resultantes sin tratar pueden crear problemas de n1ar1ipulación. La cantidad de alquitrán variará también significativamente dependiendo del diseño del gasificador. el tiempo de residencia en el reactor y la naturaleza/composición de la biomasa gasificada. Formación de NOx Habitualmente no se presenta en altas concentraciones para crear problemas. ya que podrían empeorar el comportamiento de estos sistemas. se puede evitar enfriar y condensar. ya que condensan en componentes fríos aguas abajo del gasiﬁcador. La limpieza del amoniaco es por consiguiente requerido para sistemas en ubicaciones con regulación estricta de las emisiones de NOx. condensación y polimerización que dan lugar a la formación de alquitrán. Algunos sistemas toleran los alquitranes en el biogas. La formación de alquitrán ocurre bajo las siguientes condiciones: mientras la biomasa de alimentación se calienta. donde el gas es usado como un combustible en aplicaciones acopladas y estancas. Algunos tipos de biomasa. En estas situaciones. Los volátiles pueden sufrir además descomposición para formar gases de síntesis. La composición actual del tar (alquitrán) es compleja y dependiente de la severidad de las condiciones de reacción. El amoniaco en la corriente del producto es indeseable porque puede dar lugar a la formación de emisiones de NOx cuando se quema el gas resultante.del benceno. al tiempo que aparecen volátiles. En aplicaciones de n1ás exigencia. se va deshidratando. taponando y contaminando tuberías y otros sistemas. Formación de amoniaco Se forma de la proteína y otros componentes que contienen nitrógeno en la alimentación de biomasa. Esta producción es más alta en gasiﬁcadores presurizados debido a consideraciones de equilibrio y en pirolíticos debido al entorno reducido en esos gasiﬁcadores. NOx es producido por la reacción de nitrógeno o moléculas que contienen . 38 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante La presencia de alquitrán en el gas de síntesis es altamente indeseable para aplicaciones de hidrógeno.
se produzcan emisiones de NOx y se necesite una tecnología de control apropiada. se espera un crecimiento en las industrias químicas. El azufre contenido en la biomasa puede convertirse a sulfuro de hidrógeno u óxidos de azufre durante la gasificación. de fertilizantes y de combustibles líquidos en China. Las temperaturas n1ás bajas en gasificación y la naturaleza del entorno reactivo limitan la producción de NOx.3. un 80% del total). pero su baja concentración ofrece ventajas potenciales para algunas aplicaciones. puede ocurrir que mientras el gas es quemado. generación de hidrógeno y sustitutos del gas natural en Estados Unidos. En la Figura 20 se puede apreciar un aumento de un 25% en la potencia instalada. ventaja y motivo inﬂuyente en su utilización sobre la del carbón para gasificar. Sin embargo. refinería en Europa. con el que potencialmente se tienen bajas emisiones de NOx.nitrógeno con oxígeno a temperaturas elevadas. Crecimiento de la potencia instalada para la tecnología de gasiﬁcación[29]. Azufre La mayoría de la biomasa existente contiene bajos porcentajes de azufre. Se estima un crecimiento del 70% en la potencia instalada para el 2015 (Asia. La gasificación ofrece ventajas en las emisiones del entorno potencial sobre alternativas de combustión. iomooo amooo amooo amooo zmooo II|IIIIII 2ooo 2oos zoio 2015 Figura 20. petrolífera y de los fertilizantes y 35 años en la industria eléctrica con resultados satisfactorios [29].5 Estado actual y previsión del futuro de la gasificación La tecnología de gasificación lleva 50 años funcionando en las industrias química. D . El uso del biogas en vez de la biomasa sólida da la oportunidad de un mejor control del proceso de combustión. 39 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 4. referido a la tecnología de gasificación entre 2010-20 l5.
estimando una producción de 15000 MWh anuales. pudiendo optimizar el proceso sin necesidad de experimentar. se procede a desarrollar una aplicación en MATLAB que permita la simulación de la zona de reacción (lecho) de un gasiﬁcador de lecho ﬂuidizado burbujeante. capacidad para cubrir la demanda de unos 4000 hogares. Se realizará un análisis de sensibilidad para una instalación comercial. teniendo como finalidad la obtención de conclusiones que permitan optimizar el proceso de gasiﬁcación de una planta comercial. en las que se han determinado las correlaciones por experimentación. o Cálculo de la composición de los gases a la salida del reactor. El modelo admitirá distintas cinéticas. siempre que se mantengan los parámetros cinéticos y de operación dentro de los rangos establecidos. utilizando biomasa como combustible y aire como agente oxidante. para cada grupo de condiciones de operación. La primera se construirá a principios de 2010 en Almonte (Huelva). en operación a nivel comercial hay una planta IGCC que utiliza carbón como combustible para producir energía eléctrica en Puertollano (587 . a utilizar las de las publicaciones de Yan[11] y Avdhesh[5]. 40 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 5. 4l Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante . 5. lo que conlleva un ahorro económico y de tiempo.1 Desarrollo del modelo Los modelos cinéticos dan una información esencial de los mecanismos cinéticos que describen la conversión del char durante la gasificación de la biomasa. El modelo tendrá la mayor versatilidad posible. variando diversos parámetros relevantes en la conversión de la biomasa. MoDELo DE SIMULACIÓN Sentadas las bases de los procesos de gasificación. ofreciendo la posibilidad de admitir distintas cinéticas. evaluación y optimización de los gasificadores. o Conocimiento de la variación en la composición de los gases de síntesis a cada altura de lecho del reactor. por ser la cinética de la primera referencia n1ás compleja que la segunda.8 MWht) y una planta de producción de monóxido de carbono a partir de gas natural en Cartagena. así como la conversión de carbón obtenida.En España. El desarrollo de un modelo de gasificación tiene por objetivos: o Establecer una herramienta de simulación para la reproducción de las condiciones de reacción del proceso de gasificación. Conocer estos mecanismos es fundamental para el diseño. Actualmente no existen plantas de gasificación de biomasa.
En las simulaciones a realizar el agente gasificante a utilizar será aire. y un análisis elemental (ultimate analysis). materia volátil.3. cuya función es favorecer las reacciones de combustión (por su contenido en O2).2.o La optimización de la energía (ligada a la conversión de carbón) en forma de calor de combustión de los productos gaseosos o bien. y a la conversión de char obtenida (las estimaciones realizadas se comentarán en detalle en el capítulo 5. .2. el agente gasificante es una mezcla de gases que contiene oxígeno. KuI1ii[4] y Yang[16]. sin tener en cuenta la ceniza. Estos parámetros se considerarán constantes para todas las simulaciones realizadas. Alternativamente. y/o dióxido de carbono. junto con el diámetro de partícula define los distintos regímenes de ﬂuidización comentados en el capítulo 4. según Yan[11]. y/o vapor de agua. Se considerarán una serie de parámetros para la validación del modelo. Lo normal es tener un único gasificador. evaluada mediante los órdenes de magnitud de sus velocidades de reacción. teniendo lugar procesos con menores eficiencias pero siendo ésta la opción n1ás económica. el modelo incorpora la posibilidad de utilizar un moderador (normalmente vapor de agua) mediante el cual se tiene un mayor control sobre la temperatura del proceso. Se define como el cociente entre la velocidad superficial del gas y la velocidad de n1ír1in1a ﬂuidización. el capítulo 6. x=:—°. humedad y cenizas. A continuación se exponen dichos parámetros: o Temperatura de reacción.2. Como se ha comentado en el apartado 4.2 expondrá los resultados obtenidos y tratará de justificarlos). El mf estado de ﬂuidización. para obtener: carbón fijo. experimentalmente se ha observado que basta con superar umf. esto es. Para alcanzar estado de bubbling (formación de burbujas). del gas de síntesis producido por unidad de combustible alimentado. utilizándolos como puntos de control para evaluar cómo afecta una variación de su valor a la composición del gas de síntesis resultante. Para la resolución del modelo. mediante variaciones de los parámetros que caracterizan un proceso de gasificación típico bajo condiciones determinadas [11]. o Establecimiento de puntos para el control de procesos: se compararán los resultados obtenidos en la simulación con la experimentación y otros modelos de simulación. obtenido quemando la muestra sin O2 y en presencia de O2. o Ver la inﬂuencia de cada reacción dentro del conjunto de reacciones que tienen lugar en el gasificador. por lo que modificando el estado de ﬂuidización se puede eliminar la inﬂuencia de las dimensiones de este. 42 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante o Estado de ﬂuidización (x). será fundamental conocer un análisis inmediato de la biomasa (proximate analysis).
Con esta definición se pretende conseguir superar el caudal de n1ír1in1a ﬂuidización del lecho. teoría l1idrodinán1ica. El cociente del numerador se calcula de la reacción de combustión completa de la biomasa. correlaciones. Cuando se aumenta el valor de x (estado de ﬂuidización). de modo que al introducir aire a alta temperatura se producirá un combustible gaseoso rico en H2 y CO. La biomasa alimentará de forma continua el reactor. el grado de combustión parcial que se está aplicando al combustible introducido. definido por la ecuación 3. es decir. para el desarrollo del modelo. hay que aumentar el caudal molar de biomasa a introducir. Se define como la relación altura/diámetro (H/D) existente en el lecho del reactor.. Es un parámetro que cuantifica la proporción de aire/biomasa a introducir en el reactor. se toman unos supuestos inicialmente.. Los parámetros estarán dentro de los rangos indicados para cada una de las referencias tomadas. puesto que en gasificación la entrada de aire es una fracción del aire estequiométrico para que exista combustión completa.1 Hipótesis generales Debido al amplio rango de posibilidades en la elección de parámetros de entrada. faire f biomasa ER _ estequiamétrica faire f biomasa (3) real Al utilizar valores por debajo de la unidad para ER.. se está restringiendo el proceso para que no exista combustión completa de la biomasa. Se controla variando el caudal de aire introducido en el reactor. habiéndose elegido una presión atmosférica de trabajo. definido por la ecuación 4. "¡f o Relación de belleza/esbeltez. faire real Z x. Un gasificador de lecho ﬂuidizado opera típicamente a temperaturas de 750-900 °C [11]. 43 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 5. La Figura 2] visualiza el proceso ocurrido dentro del reactor. teniendo en cuenta la contribución de las .o Equivalence Ratio (ER)[17].1. cinética.
se enumeran las hipótesis de partida que permitirán abordar el desarrollo de un modelo cinético de gasificación: l. 3-D). como consecuencia de la homogeneidad existente en un lecho ﬂuidizado (comentada en el capítulo 4.fases burbuja y emulsión. 2.2). ¡‘a Figura 2l. Representación de las dos fases de un lecho ﬂuidizado [11]. una. De forma esquemática. Los parámetros de velocidad y fracción de volumen son fundamentales para determinar la proporción de moles de cada fase que existe por piso de reactor. lo que reporta un beneficio a nivel de cálculo computerizado.. uﬁl-rs} cmulﬁlﬁn ' ga. La Figura 22 muestra una representación del lecho con esta hipótesis. 2.«JJ __ Hi 1* _ Hubbltpuiii: Espuma: ‘i. Sistema en estado estacionario e isoterrno. Jlilerïlul-rrrusltrnil-rr Par-things lnlrri-titiiil ¡n531d: z-Tﬁír dz’ 1T —_— cl: 1T 4. hlommmfu liiillwetﬁtháfiiïluﬂü Uni-Inﬂam- . phase gos ¡i-aniizlczi cniulirion phase I-E. habría que recurrir a la utilización de software CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). Evolución de las variables de operación en el lecho unidimensional. Para abordar un problema de mayor número de dimensiones (244 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante D. reduciendo los tiempos empleados de cada simulación.
=1—Zx. 4. Por otra parte.2.. .l1-a. lo que confiere al sistema homogeneidad en las condiciones de operación.241(xm. H2.906(xm.389Xm + 4. Se supondrá un régimen de lecho ﬂuidizado burbujeante. en un ﬂujo pistón las propiedades de los gases de síntesis varían con la altura del gasificador en la zona de reacción. +1.201 — 0. )2 (9) x“.. A diferencia de la mezcla perfecta.9xm. Los productos volátiles se distribuyen de forma uniforme dentro del gas en fase emulsión [14]. En el capítulo 4. Los gases en fases burbuja y emulsión tienen un régimen de ﬂuidización de tipo ﬂujo pistón. i.“ = 0. CO y HzO. )2 (6) xa. Diagrama esquemático de un lecho ﬂuidizado [11]. estando mezclados los sólidos en la fase emulsión. incluyéndola a la entrada del lecho.?i. El tamaño de burbuja en el lecho es variable con respecto a la altura de lecho.409 — 2. = 0. La volatilización de la biomasa se supondrá instantánea. + 0.554(xm. = 0. 6. = 0.Ïi.868Xm +l. CO2.Ïi.653XW + 4.135 — 0. Las ecuaciones 5-10 son las correlaciones empleadas para el cálculo de las fracciones másicas. (10) . Se toma 45 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante una velocidad n1ír1ima de ﬂuidización de la resolución de la ecuación de Ergun y Orr1ing[4].1 se utilizó la teoría que ha llevado a la hipótesis de limitar el rango del estado de ﬂuidización a l< x s 6 para un régimen de ﬂuidización burbujeante.428 — 2..157 — 0.ïi. La teoría de las dos fases de ﬂuidización de Kunii y Levenspiel [4] describe el comportamiento hidrodinámico del lecho. estando formados principalmente por CH4. 3. Para el cálculo de los parámetros del régimen de ﬂuidización se utiliza la teoría hidrodinámica de Wen y MOI‘l[9]. xH.)2 (8) XM.388(XmV)2 (5) x0.845(xm.469xm. ¡‘I-lFigura 22. Se supone para el modelado de los sólidos en fase emulsión un reactor de tanque continuamente agitado. la fase emulsión permanece en condiciones de ﬂuidización incipiente (n1íI1in1a ﬂuidización) y la totalidad del caudal de los gases en exceso ﬂuye a través del lecho en fase burbuja. las partículas del lecho se consideran esféricas y de tamaño uniforme. 5. = 0.. Las burbujas son uniformes en tamaño para cualquier diferencial de altura de lecho pero crecen por coalescencia con otras burbujas.ii. )2 (7) x60.
Esquema de reacciones: El modelo implementado introduce simultáneamente los procesos de secado. el tipo de reacción. La Figura 23 representa dicho rango válido de aplicación. es la fracción másica de materia volátil de la biomasa en base seca y libre de cenizas. El char se considera carbono (grafito) a efectos de cálculo[5].donde X m. La limitación de aplicación de las correlaciones arriba indicadas es: OOSSXW 50. explicados en el capítulo 4. y entre fases burbuja y emulsión.3. debido a difusividad molecular (conducida por diferencias de concentración) y convección (caudal de gas en exceso desde la fase emulsión a la burbuja). pirólisis y oxidación.— {CO _ L Tom y T co2 Figura 23. determinado por la condición: XTAR> 0.° Cinetica de Johnson [23] ’ Avdhesh hydrogasification R3 R4 R5 Homogénea Cinetica de Haslam [25] Yan R6 R7 Water-gas shift [24] R8 Heterogénea Combustión del carbón [32] . Se considera la transferencia de masa entre partículas y gas en fase emulsión. junto con el modelo implementado. 8. Valores de composición de volátiles VS fracción total de volátiles 7. la designación (si se ha obtenido la información) y la referencia 47 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante R1 Yan Water gas R2 R11 Yan’ Heterogenea M9”‘a“€“l°“.1.51. 46 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Composición . Las reacciones que se han tenido en cuenta se muestran en la Tabla 8.
o (R4) co +1/2o. (R5) CH. +1/2o. el tiempo de residencia y la n1asa del lecho. CXHHBODB + WHZO + y02 + 3. por lo que estas últimas las condicionan. 48 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 1) Cinética de Yan [11] El Anexo 2 recoge toda la información necesaria sobre la cinética utilizada para la resolución del modelo cinético utilizando la publicación de Yan.R9 Boudouard R10 Avdhesh [5] R12 Homogénea Steam reforming Tabla 8.76yN2 <—> nm C0 +nw2 C02 +nm H2 + nHZD HZO +nCH4CH4 +n¿ C(char) + nm N2 Volatilización de la biomasa Biomasa —C—O—H —>CO. Reacciones homogéneas Por otra parte. según la teoría de las dos fases de Kunii y Levenspiel[4]. Esto supone que el grado de gasificación general puede ser controlado por la zona de reducción del char. —> H. + 2o. Se toma como suposición que las reacciones homogéneas tienen lugar en las ambas fases (burbuja y emulsión). C+H2O=H2 +C0 (R1) c + 2H2 = CH4 (R2) C+l/2H2O+l/2H2=l/2C0+l/2CH4 (R3) C + po.H2. puesto que es un fenómeno que ocurre en la superficie de las burbujas[5].25 —1)Co. Estas reacciones se caracterizan por tener una cinética lenta (son las limitantes). (R7) La Tabla 9 muestra un cuadro resumen con las distintas contribuciones de cada reacción al proceso de gasificación. —> 2(1— meo + (2. siguiendo una cinética n1ás rápida que las reacciones heterogéneas. (R8) H.CO2. Las reacciones que . —> co.CH4. Cinética del modelo de simulación La reacción R0 representa el proceso general de pirólisis y oxidación de la biomasa. a través de la temperatura de reacción. + 2H2O (R6) CO+H2O=H2 +co. —> co. las reacciones homogéneas (gas-gas) se dan en fase burbuja y emulsión.H2O Reacciones heterogéneas Las reacciones heterogéneas (gas-sólido) tienen lugar la fase emulsión.
Las contribuciones n1ás importantes al ﬂujo neto a partir de la generación de gases son debidas a la volatilización de la biomasa. C + Co. las reacciones heterogéneas y las reacciones homogéneas en fase emulsión. Heterogéneas Homogeneas Volatilización de la ÜÍOmGSG R1 R2 R3 R8 R7 R4 R5 R6 Cambio de volumen de gas en el X X X X X lecho Burbuja Emubbn Flujo neto X Fase X X X X X X X X X X X X Tabla 9. 15) y las constantes de reacción asociadas.o =CO +H. Inﬂuencia de las reacciones que tienen lugar en el proceso de gasificación[ll]. ec. (R10) C+2H. (Rll) CH.o = Co + 3H. _ _ _. I 4[5]). (R12) La implementación del modelo cinético de Avdhesh será similar a la de Yan. =CH. + H. 49 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 2) Cinética de Avdhesh [5]: Las reacciones implementadas en este caso comprenden (R9)-(Rl2). Las velocidades de reacción (ec. = 2Co (R9) C+H. y no contribuyen al ﬂujo neto. 12) se obtienen a partir de un parámetro dependiente de la altura del lecho (C RF. las constantes de equilibrio (K ¿‘Li ’ ec. coincidiendo con el anterior modelo la reacción de Methanation (Rl l). las fracciones másicas de los compuestos que participan en la reacción. Estas . excepto en lo referente al cálculo de los parámetros cinéticos.tienen lugar en fase burbuja contribuyen únicamente al cambio de volumen en esta fase.
II). el último representa la cinética de las reacciones tenidas en cuenta (difusividad).).r.. Fase burbuja: d . lnTj (11) eq.<T>:EÏ.1. incorpora el término de ﬂujo neto.3..2 Ecuaciones de conservación Las ecuaciones 16 y I 7 forman un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO). NB i: = A-[a..E’ 13 ’_ _Rg-T ( ) CRF =4. gÍÏT) = R.1. +g.=e (15) EqJ 5. ec.(c. expuestos en el Anexo 2. T-[Agi + 3g.i k.constantes se calculan mediante la energía libre de Gibbs (EÏÏT).00l2 (14) X... el segundo. + Cg¿T2 + DgiT3 + EgiT4 +% + og. comentado en el capitulo 5. también mostrados en el mismo Anexo. dependiendo de la temperatura.)+AF.00l2(l0z) —3.. en función de la temperatura y unos valores constantes (Ag.¡] (16) j=1 Fase emulsión: N: . Las constantes de reacción siguen una evolución de tipo Arrhenius.za.k.CE n = CRF-krllIX (12) 50 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Z(EÏÏ. Ggl. puesto que la inﬂuencia la marcan las velocidades de reacción y los coeﬁcientes estequiométricos. y representan la conservación de la fase gas en un volumen de control para las fases de burbuja y emulsión. cada uno ejerciendo una inﬂuencia sobre la evolución de los componentes: el primero corresponde a la transferencia de materia entre fases burbuja y emulsión.<T>] M K . —C. Se componen de tres términos (dentro del paréntesis). respectivamente. la constante universal de los gases y la energía de activación.
Las posiciones de cada componente se muestran en la Tabla I 0. Relación entre componente de cada reacción y posición en los vectores utilizados. y HgO). + (l — 8. 02 N2 HgO Tabla l0. es el caudal molar.. Fase burbuja (z > 0): f3. Las ecuaciones expuestas a continuación establecen las relaciones entre las . C) que guardan una relación proporcional.) (19) Por lo tanto. f y concentración. y entrada de aire (O2 y N2). quedando un sistema de EDOs no lineales para su resolución por el método de Runge-Kutta 4.. es importante notar que inicialmente vienen en función de dos incógnitas (caudal molar. además de ser más intuitivo para el ﬁn propuesto al discretizar la altura del reactor. =CE. + z otljrEvj ¡:1 ¡:1 ¡:1 . CO2. las ecuaciones 18 y 19 se dejan en función de las concentraciones en fase burbuja y emulsión.) — AFE. y teniendo en cuenta volatilización (H2.. reﬂejada en las ecuaciones 18 y I 9.. humedad relativa de la biomasa (HR).nf. = CE. Las condiciones de contorno iniciales son: C =C. CO. (18) Fase emulsión (z > 0): fE. "E "i "V (l7) TZ = A' aBkBE¡(CB¡ — CEI. Este parámetro corresponde al vector de Ei concentración inicial de cada uno de los componentes existentes en las reacciones. CH4.donde f3.) ¿‘mfz otljrgj + (l — swf) z axotljrm + z otljrﬁg}. Para la resolución de las ecuaciones de conservación.= Cm. A-ub-e. La elección de este método para la resolución del problema propuesto frente a métodos como ODE45 se justifica por una mayor versatilidad de operación.-A"um¡-(l—e. eliminando las cenizas de la biomasa. 5l Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante CO H2 CO2 CH. a la entrada cuando z=0.
Caudal molar en fases burbuja y emulsión: fE<i>= (22) . Para que tenga lugar la ﬂuidización.517) gmf zaijrEj +(1’5mf) zasaijrEcj + ZaijrEgj + ZaijrEvj ZC)? ¡:1 ¡:1 ¡:1 ¡:1 ¡:1 :1 La teoria de las dos fases define el caudal de gas en exceso como: u“ = uo —umf (26) El ﬂujo neto es función de las Velocidades de reacción en la fase emulsión. se deﬁnen los terminos mediante las ecuaciones 24 y 25. 5. Teniendo en cuenta que las distintas especies contribuyen de forn1a individual al ﬂujo neto.3 Término deﬂujo neto Viene definido por la generación neta de gas en fase emulsión debido a las reacciones de Volatilización. NE AFEi ZAFEYEiZAFECEi/ZCEi (24) ¡:1 C NE NE N.1. l CETOTAL Z ¿m? Z mii: fs (l) Z fETOTAL (20) Z N f5 (i) Z 1 N . lo que conlleva una relación con la temperatura y la concentración de cada especie en cada fase (por definición de Velocidad de reacción).1. debe cumplirse que el peso de las particulas sólidas sea igual o menor a las fuerzas de arrastre del gas en 53 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante .4 Régimen de ﬂuidización Se considera un lecho de particulas descansando sobre un distribuidor diseñado para ﬂujo ascendente uniforme. Z 1 (21) CETOTAL A_umf _(1_8B) A_umf _(I_SB) f5 (l) ‘Amimf _(1_gB) fETDTAL 52 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj cante .concentraciones en ambas fases halladas anteriormente y los parámetros a calcular: . homogéneas y heterogéneas (incluyendo la combustión).Concentración total en fases burbuja y emulsión: N f3 l N . _ CEU) f”) ’ A-umfﬂ-Sb) m) 5. N3 NV 131 AFEi = N Z (1.
El tamaño de burbuja es uno de los parámetros mas críticos en el modelado de un lecho ﬂuidizado: afecta a la Velocidad de crecimiento de burbuja.100 2 — -100 °'4 D30 :0.935 0. A. 28) y crecimiento de las burbujas (ec.711(gd. 54 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante S u. :1—1/ B (31) El modelo hidrodinámico n1as ampliamente utilizado es empleado en el presente trabajo para determinar la Velocidad de crecimiento de burbuja ecuacion 32. H 109780! _um )0.1. a medida que se incrementa la altura del lecho.126 P (30) mf umf Pg s.3z/D¡) (29) El modelo incluye un gas en la región de entrada perfectamente mezclado (ec.(100% (a0 — umf )-100)°'4 /100 (28) d. la proporción de cada componente en fases burbuja y emulsión. : DEM —(DBM —DB0)eXp(—0. Para el presente trabajo se ha empleado la teoria hidrodinámica de Mori y Wen [9] para un distribuidor de plato perforado con nd orificios.)°-5 (32) La fracción de Vacio en el lecho Viene dada por la ecuación 29. 29) como función de la altura de lecho. Las correlaciones desarrolladas por Babu et al. como se expresa en las ecuaciones 27 — 29.738 ppsmdicos B Z Z L0 + o 0.5 Solución numérica .movimiento en ascenso a traves del lecho. 27).2. Muchas correlaciones han sido publicadas para predecir la distribución axial de los tamaños de burbuja. coalescencia de las burbujas (ec. : u.347[ ] /100 (27) d DEM = o_652(A. La coalescencia de burbujas da lugar a su crecimiento. mezclado de sólidos. — umf +0. umf . La Velocidad de n1imn1a ﬂuidización. [11] (ecuaciones 30 y 31) se utilizan para calcular la fracción de Volumen ocupada por las burbujas. se calcula mediante la resolución de la ecuación de Ergun y Oming (expuesta en el apartado 4. zgb +(l—gb)gmf (33) f 5. y la transferencia de n1asa entre fases.1).
El Anexo I muestra un diagrama de la metodologia seguida para la resolución
del modelo cinético.
l. Se supone un Valor inicial de la conversión total de carbón, XC, asumiendo
es constante a lo largo del lecho de acuerdo con la suposición de que los
estan perfectamente mezclados. Esta Variable depende de las Velocidades de
reacción de las reacciones heterogéneas que, a su Vez, son función de la
composición del gas, temperatura y presión de operación, etc.
2. La elección del número de pisos es de suma importancia, puesto que determina
la precisión del cálculo iteratiVo, pudiendo ser motivo de resultados erróneos
se hace correctamente. Se ha optado por elegir un número de pisos tal que las
composiciones resultantes no difieran mas de un 1% si se aumenta en 1000
umdades el número de pisos por los que se divide la altura del lecho. Bajo este
criterio, se ha estin1ado que n =20000, supomendo un paso (altura del
Volumen de control) igual a H / n Variable según el Valor de la altura de lecho.
3. Se consideran para el conjunto de reacciones 7 especies en estado gaseoso,
CO, CO2, CH4, H2, HzO, N; y O2. El punto de partida para la resolución del
sistema de 14 ecuaciones diferenciales para las especies consideradas es la zona
inferior del lecho, a una altura z = 0 (a la salida de la placa de orificios),
caudales de gases ﬂuidizados se calculan previamente. A la entrada del lecho, la
concentración de los gases en fases burbuja y emulsión es igual (por 5.1.2),
además, se ha temdo en cuenta la Velocidad superficial del gas, Ilo, para el
de la concentración en ambas fases:
CEi (z = o) = CEi (z = o) = (34)
4. Se calcula, para el piso k, el diametro de burbuja (db), velocidad de
crecimiento de burbuja (ub), ﬂujo neto (AFEi), fracciones másicas, transferencia
de n1asa y velocidades de reacción.
5. Uno de los puntos clave del modelo es la forn1a de relacionar el agotamiento
de la biomasa y la aparición de los gases a medida que se va desarrollando la
cinética de las reacciones gas-sólido y gas-gas. Se utiliza una adaptación de
fórmula que aparece en la publicación de AVdhesh[5]:
fm, (k +1) = fu“, (k) +Vvc (k)'Rïcia, (k) (35)
, donde Rich“, (k) tiene en cuenta las velocidades de reacción (en el piso k)
agotamiento de carbón en las reacciones heterogéneas.
6. Se resuelven los balances masicos del piso actual para la obtención de las
concentraciones de las fases burbuja y emulsión del piso siguiente. El metodo de
resolución RK4 (Runge-Kutta de orden 4) consiste en evaluar las funciones a 4
alturas diferentes dentro del elemento de control, calculando la solución
valores ponderados de la función evaluada en el piso k. Se obtienen los valores
concentración para las fases burbuja y emulsión (de todos los componentes) en
cada fracción de lecho.
7. Finalmente, la fracción de conversión de carbón/biomasa es calculada a partir
de los caudales molares de char a la entrada del lecho (ecuación 36), con
a la cantidad que queda a la salida del lecho. La conversión de carbón/biomasa
(XC) se define como:
XC : [1_
].100(%) (36)
f (z = 0)
8. El res11ltado de la conversión es comparado con el valor previamente
asun1ido.
Si el error (dado por la ecuación 37) es mayor que la tolerancia, la conversión
calculada pasa a ser el valor de conversión supuesto y se repiten los pasos 3-7,
hasta que se satisfacen todos los criterios de convergencia.
XC(ZïH)
Xc(Z:0)
Error = 1.1o0(%) (37)
5.2 Simulaciones
A continuación, se explicara detalladamente la forn1a de resolución del modelo
cinético de gasificación, junto con los valores elegidos para las simulaciones.
análisis comparativo se comprobará la validez de las cineticas implementadas,
comparando con los resultados experimentales. El analisis de sensibilidad se
para comprobar un comportamiento de las cineticas implementadas acorde a la
experimentación. Cualquier valor omitido en el desarrollo del capitulo, puede
encontrarse en el Anexo 2 para un mejor entendimiento de su funcionamiento.
Las referencias utilizadas para cada fragmento del modelo se pueden encontrar
en la Tabla I]. Para el desarrollo del modelo de Yan[11], se ha buscado el mejor
contraste posible de la información utilizando las referencias principales en
basa el paper. Las conclusiones de los resultados obtemdos en la simulación del
se atribuiran principalmente a la mezcla de las cineticas (sobretodo a los
magmtud de las velocidades de reacción), y a las condiciones de operación
Combustión del [1 1]
Reacciones Carbon
heterogéneas Ecuaciones de [23] Paper de Yan
Cinética _ WGSR [24]
Reacciones Ecuaciones de
homogeneas Haslam [25]
Reacciones heterogéneas Paper de
Reacciones homogéneas AVdhesh [5]
Datos de partida [11]
Hidrodinámica del lecho [9]
Agotamiento del char [5]
Definición de ER y valores característicos [17]
Composición de volátiles [1 1]
Limitaciones de U0 [11], [4], [16]
Tabla ll. Referencias utilizadas para la implementación del modelo cinético,
distinguiendo las cinéticas
5.2.1 Análisis comparativo
Se realizan simulaciones tomando como referencia las publicaciones de Yan[11]
y Avdhesh[5], utilizando los parámetros geométricos de una instalación a escala
comercial, proceso Winkler. Este proceso permite la operación con practicamente
cualquier combustible[12] que presente diámetros de partícula inferiores a lO
alimentación se transporta en una cinta hasta llegar a una tolva, conectada al
mediante dispositivo de tomillo sinfín (que regula el caudal de entrada de
Las paredes internas del reactor estan revestidas de n1aterial refractario, para
el calor se escape al exterior. En la Figura 24 se puede apreciar un esquema del
funcionamiento de esta instalación. Aguas abajo del gasificador, se introduce
corriente de agente gasificante, induciendo mediante un calentador una
superior a la de reacción, reduciendo el contemdo en alquitrán del syngas. Un
separara la corriente depurada de syngas y las cemzas, incrementando la
F E E Ü
‘ÍJAE-TE
ÜASIFIEH HEgT STEAM
BÜILER HA“;
HÜPPEFI ' Ski!“ GAS
CVC LÜNE
0. Gasificación en lecho ﬂuido: Winkler a presión atmosfé1ica[12]. El carbón (o biomasa) se introduce por la parte inferior del reactor.9 [11] Número de agujeros del distribuidor nd . una vez el medio está ﬂuidizado mediante aire entrante por el distribuidor.0. Las cenizas generadas caen por la parte inferior del reactor. . El modelo de Avdhesh utiliza parámetros termodinámicos (basados en la mimmización de la energia libre de Gibbs) propios de los modelos de equilibrio.1. La Figura 25 muestra el funcionamiento de este tipo de instalaciones. los órdenes de magmtud de las velocidades de reacción correspondientes determinarán el grado de conversión de char. una vez simulado el proceso. a la entrada del lecho.1. apartado de esquema de reacciones (8). Valores de estándar utilizados para las simulaciones.1.5 [11] Diámetro de las partículas dp m 1.3000 [11] Estado de ﬂuidización x=u0/umf .4 [11] .2 [16] Ratio de equivalencia ER .67710 í [26] g P Fracción másica de volátiles a la entrada del reactor Xmv . no se puede adelantar una estimación de la conversión hasta no obtener los valores de las velocidades de reacción. con las cineticas introducidas. para las n1isn1as condiciones de simulación. La diferencia entre ambos modelos radica en la cinética utilizada.0. . mientras que el gas de sintesis sale por la parte superior.25 [17] Temperatura del proceso T K 1173 [11] Relación longitud/diámetro H/D . junto con las referencias tomadas. 2 f5 T175 Difusividad del gas D m /s 8. como prueba de validación del modelo.25-1O'3 [11] Porosidad del lecho Emf . previamente mostrada en el capítulo 5.1.SCFIEVJ F ÉÉÜ E FI AIR ÜR sanear)! __________ _ _ ÏHÏÉÁÉ BÜI LÉFI Figura 24. al consumir carbón 3 de ellas (R9-RI I). . Se adelanta que de las 4 reacciones implementadas en el modelo de Avdhesh. Se compararán las distintas cineticas utilizadas con los resultados experimentales.45 [11] Tabla l2. La Tabla 12 muestra los valores estándar utilizados para las simulaciones. 58 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Diámetro del reactor D m 3.
«.5 < 3 s 1. Rangos seleccionados para las simulaciones de los parámetros en el análisis de sensibilidad Como punto de partida.2 Análisis de sensibilidad Se realizan simulaciones tomando como base comparativa los parámetros de la Tabla 12. se toman los resultados obtemdos en plantas de gasiﬁcación[30] que se encuentran en operación. "TE í-íSteam and atygenmﬂoﬁ [nal . .2 < ER s 0.'. I .. 60 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante o Temperatura: En la práctica. al aumentar la temperatura en un proceso de gasificación aumenta el consumo de O2. 5.2.3 [17] H Relación de belleza/esbeltez ( ) 0. Un aumento de temperatura en los rangos típicos de operación (750-900°C) favorece el enriquecimiento del gas .900 [11] Equivalence Ratio ( ) 0. La Tabla 13 muestra los rangos de variación de los parámetros n1ás inﬂuyentes en la composición de los gases de sintesis a la salida del lecho y en la conversión de la biomasa. É¡“.l . con objeto de adelantar los resultados de las simulaciones.’—É3* Steam and nrrgen Ash Figura 25. Instalación de gasiﬁcación Winkler[12].59 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante ___Produi:l gas '. produciéndose un mayor agotamiento de char (lo que conlleva un incremento de la conversión del n1ismo).5 Estado de ﬂuidización ( ) l < x s 6 [11] y [16] Tabla l3. _¡ 3 -._ .=”. Temperatura (°C) 750 .
llegando a un óptimo para ER=0. respectivamente). El aumento de temperatura favorece la destrucción de los alq11itranes (tars) generados en la volatilización. puesto que cualquier variación de uno de ellos modificaria el tiempo de residencia de las reacciones en el lecho. R11) tienden a un aumento de este. y una disminución de CH4 al crecer la temperatura. lo cierto es que un aumento de x supone la inyección de un mayor caudal de O2. dando lugar a mayor oxidación parcial del combustible (biomasa/carbón).2 Equivalence Ratio . Por lo tanto. Para las temperaturas 850-900°C se espera un dominio de las reacciones de Boudouard y Steam reforming (R9 y R12. permitiendo aumentar el rendimiento de conversión del char. disminuyendo el grado de conversión de biomasa. la naturaleza endotermica de las reacciones que producen H2 (Reacción “Steam reforming”. respecto al resto pertenecientes al gas de sintesis. aumentando el grado de conversión. En el rango 7 50-800 °C.de sintesis en CO y H2. Variación de la eﬁciencia de conversión con el ER para un gasiﬁcador de lecho ﬂuizado G.15 Figura 26. ER y el estado de ﬂuidización son proporcionales a un aumento de la velocidad superficial del gas. estado de ﬂ11idización y relación de belleza/esbeltez Estos parámetros van ligados. Aunque para realizar el análisis de sensibilidad para el estado de ﬂuidización se debe dejar como constante el termino de temperatura. La Figura 26 muestra un aumento del grado de conversión de carbón con el ER. A esto se le debe añadir que un aumento de la velocidad superficial del gas disminuye el tiempo de residencia.26. todo parece indicar que existirán determinadas condiciones de operación en las que se optimice el proceso. obtemendo la mejor calidad posible del syngas para una alta conversión de biomasa. El tiempo de residencia crece con la relación de belleza (H/D). o ER. e inversamente proporcional al estado de ﬂuidización (equivalente a una variación en la velocidad superficial de los gases). con motivo de mayores incrementos en las velocidades de reacción que favorecen la creación de estos compuestos. 61 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 100 QÜ SCI ÏlÜ 60 Carbon Conversion Effitáency [° b] 40 0. incrementando el contemdo en CO.
-o1°q] 16. l A.01 l 1.'ol° o] 9. se restringe el campo de aplicación a las astillas de eucalipto y los residuos forestales. pudiendo encontrar los necesarios (CO. H2.3 62 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 6.3 43 El _ 14.Ü [‘. Polish Colombian Eucalïprui Fale-st Natural (“nal (“di-nl Chin-s Residues Gas (‘Ü |_':nI°n] ‘Jñ Í 65 I"! i II R [I ('01 [ïc-I“ o] 11. _ [rulﬁu] 51.11 1. Introduciendo la lin1itación de utilizar biomasa como combustible. se ha seleccionado una que se adapta al modelo implementado.3 Ü (‘IL J [rul“o] 0.? 12. ya que los órdenes de magmtud son similares. CH4) para evaluar la eﬁciencia termica del proceso de conversión de biomasa.14. PCI = XCHA PCICHA + XH2PCIH2 + XCOPCICO (38) synga s 63 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Combustible GAS Lower heating value (NÏJ/NIÏIJ) Methane 33. Composición del gas experimental al gasiﬁcar distintos tipos de combustible.circulante [17].6 _ 31.35 9.3? H. [34] Por otra parte. por el tipo de gasificación utilizada (con aire) y la similitud de las condiciones de operación. Realmente se pueden comparar las primeras cuatro columnas (carbón polaco y colombiano.35 Tabla l4.3 10.01 _ 4. la Tabla 15 muestra el poder calorifico inferior (PCI) de gases combustibles tipicos producidos en procesos de gasificación.? 43.3 4. a utilizar para comparar los resultados de las simulaciones (Tabla 14).8 i189 H: ['. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Entre las numerosas fuentes existentes. Los resultados obtemdos de esta ecuación podrán ser comparados con los valores típicos que se obtienen experimentalmente en procesos de gasificación de biomasa: 4-7 MJ/Nm3[34].3 2. 0. mediante la ecuación 38.29 C:H« Rol” o] l) E Ü.3 l1 W 13 4 N.25 G.3 51.1 1-‘1. J 0.8 .3 18. astillas de eucalipto y residuos forestales) con los resultados obtemdos.
1 Análisis comparativa Es necesario comentar que un modelo de simulación no deja de ser la implementación de una serie de ecuaciones matemáticas. con 2 Gb de memoria RAM). para la precisión elegida (discretización del lecho: 20000 pisos). se ha considerado oportuno (para poder utilizar los mismos criterios de comparación) representar la variación de las fracciones molares y de la conversión a medida que se varia el parámetro seleccionado.8 Hytlrrsgen 5).4 ls-"thene lstlivlene 49.6 Tabla l5. Valores de PCI de gases combustibles formados comúnmente en procesos de gasiﬁcación.2 GHz de velocidad. poder calorifico del combustible y número de iteraciones realizadas hasta que el error en al calcular la conversión de char este por debajo de la tolerancia. por lo que cualquier diferencia en los resultados de la simulación respecto a los experimentales elegidos para comparar. cada simulación ha tardado en realizarse una media de 16 horas. Mediante variaciones de los parámetros de sensibilidad se comprobará el funcionamiento del modelo. aden1ás se expondrán gráficas que den una idea de los órdenes de magmtud en cuanto a concentraciones y fracciones molares (en fases burbuja. examinando las publicaciones utilizadas. En el caso del análisis de sensibilidad. A continuación exponen los resultados de las simulaciones: Simulación 1 Con los parámetros de la Tabla 12 como inputs. [21] Para el análisis comparativo. toma aproximadamente 50 n1inutos en ﬁnalizar (para un equipo de procesador Intel 3. servirán de puntos de control con los que se evaluará la eficiencia del modelo.Lthane 58. denominado parámetro de sensibilidad. Al elegir un rango de unos 20 valores de simulación. llevando a cabo la reproducción de un fenomeno bajo condiciones experimentales dadas. tomando como cinética de . será perfectamente discutible mediante la cinética elegida y las hipótesis aplicadas. caudales molares de char y sólidos. Cada simulación. emulsión y total) de los gases de sintesis a lo largo del lecho. es decir. se mostrará una tabla que contendrá los resultados siguientes (a la salida del lecho): composición de la biomasa en base húmeda y seca. 64 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 6. y velocidades de reacción (en ambas fases). partiendo de una conversión inicial del 50% en los cálculos a la entrada del lecho. conversión del char.‘) Carbon mnnoxide l [.
El análisis de sensibilidad (capítulo 6. o El PCI obtemdo es inferior a los rangos tipicos comentados anteriormente. Se produce el agotamiento del O2. otra posible solución es dividir por un factor de corrección la velocidad de reacción para las reacciones que inﬂuyen en la creación de CO (R5-R8). pudiendo ser objeto de un posterior aprovechamiento energetico a la salida del reactor.57 I 2. añadiendo las excepciones de la Tabla ll.8416 10. H2.referencia la propuesta por Yan[11]. junto con una conversión menor del 100%. 11.006l Tabla l6.2789 0 54. o bien agregar reacciones tipicas de procesos de gasificación que no se han temdo en cuenta. Resultados de simulación l. se realiza una simulación del modelo. CH4.2) estudiará cómo variaciones en los parámetros empleados afectan a la conversión de char. La solución pasa desde utilizar factores de corrección que multipliquen la velocidad de reacción de R2. correspondiente a la denominada reacción de “methanation” (creación de CH4) para acelerar este proceso. El res11ltado de la simulación entra dentro de los rangos tipicos de 65 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante eficiencia en la conversión (60-90%)[12].373062l I Iteraciones Error (%) 7 -0. como R12.9300 0. la biomasa se oxida parcialmente. comparando órdenes de magmtud de los resultados de la simulación l con la Tabla 12.7256 0 Base seca i 81.2544 0 49.7144 9.9219 8. utilizada . difiriendo menos de un 5% la composición de CO. obtemendo los resultados mostrados en la Tabla 16 y las Figuras 22-31 (excepto la Figura 26). puede apreciarse la similitud de estos. puesto que H2 y CO están n1ás cerca de sus rangos normales en las instalaciones experimentales.4015 19. Comentarios: o En lineas generales. caracteristica que presenta un proceso de gasificación tipico a escala comercial.3062 21. comparativa comúnmente encontrada en diversas publicaciones[17].7777 Basehúmeda 12. comentados a continuación.8478 0. por lo tanto. Esto puede deberse al poco CH4 obtemdo. o Un rasgo característico de la oxidación parcial es la obtención de una conversión de char menor del 100%. y llegando a alcanzar esta diferencia las composiciones de HgO y CO2.
R6 y R8 se anulan para la fase emulsión.4 186.8 0. puesto que inicialmente se produce una variación brusca en la composición.0465 48865. Cinetica Johnson [23] Haslam [25] WGSR [24] gáïïlïtggï] Reacción 1 2 3 4 5 6 7 8 0. El motivo de representar gráficas de concentraciones es únicamente cuantificar los resultados.4 186. R5. y examinar si los resultados son favorables. Los resultados indican una mayor inﬂuencia de las reacciones donde el O2 actúa como reactante. ya que se muestra como en el segundo piso de simulación del lecho. 66 .0798 0 Cinetica Haslam [25 WGSR [24] Reacción 4 5 6 7 5079.1394 Tabla l7.6 400.00094 0. continua) y emulsión (linea verde.0465 6134.00048 0. dando una idea de los órdenes de magmtud que representa cada componente. las velocidades de reacción de R4.131 5079. respectivamente. discontinua) de los compuestos que conforman el gas de sintesis. La Tabla 17 corrobora esta afirmación.5 0.6 0.5186.5 0.5 186.123 0 0 0.en el modelo de Avdhesh.1179 0. justo hasta que se agota por completo. o Las Figuras 27 y 28 muestran la concentración y fracción másica en fases burbuja (linea azul.6 400. Velocidades de reacción para los dos primeros pisos de la simulación l.0625 0.
0 0 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 z(m) z(m) H2O C(móI/m3) C(móI/m3) 50 45 40 0 1 2 3 4 5 6 z(m) N2 1 2 3 4 5 6 z(m) Figura 27. L f.Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante CO H2 10 B óB B óE í í 5 É É a 5 a É É o o 4 4 2 2 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 z(m) z(m) CH4 O2 1 15 0.6 E É É g 0.4 g o o 5 0. Simulación l: Evolución de las concentraciones en fases burbuja (bubble) y emulsión con la .8 A A 10 E 0.2 I.
08 0.15 0.14 0-12 Bubble Emulsión 0.1 >< 0.25 Bubble 0.06 0.15 0.2 0.CO 0.2 Emulsion 0.15 0.1 0.05 1 2 3 4 5 z(m) 0.04 0 1 2 3 4 5 z(m) CH4 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 z(m) N2 .25 Bubble 0.01 >< 0. H2 Bubble T Emulsión 0 1 2 3 4 5 6 z(m) O2 Bubble T Emulsión 0 1 2 3 4 5 6 z(m) CO2 0.1 0.015 Bubble Emulsión 0.1 0.2 Emulsión >< 0.05 altura de lecho.005 0 0 1 2 3 4 5 z(m) H2O 0.
de forma que no se aprecian una vez agotado el O2.0. las reacciones de gasiﬁcación de la biomasa (heterogéneas) y del CO y CH4 (homogeneas). representado mediante lineas prácticamente constantes de pendiente tendiendo a cero. una vez agotado el O2. e inversamente proporcional de CH4 y H2O con la altura. y 68 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante . son las que úmcamente inﬂuyen en pequeñas variaciones en la composición del gas de sintesis. Puede observarse como el N. En un estrecho rango de altura (a la entrada del reactor). se producen variaciones de la composición de mayores órdenes de magmtud que las posteriores.65 Bubble 0. se produce un descenso brusco del char a la entrada del lecho (provocado por las reacciones que tienen O2 como reactante).5 . Simulación l: Evolución de las fracciones másicas en fases burbuja (bubble) y emulsión con la altura de lecho. CO2. Simulación l: Evolución de las fracciones másicas totales con la altura de lecho. en la Figura 29 no se aprecia claramente la variación de las fracciones másicas de cada compuesto. H2. Fracciones másicas 0 7 — 06* 05— 03* 02— 01* Figura 29.45 0 1 2 3 4 5 6 z(m) Figura 28.— 0.6 Emulsión 0. se mantiene constante. al tener una cinética lenta. discontinua). 67 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante o Al variar la altura. o La Figura 30 puede aportar a los comentarios anteriores una visión sobre el agotamiento del char (linea azul. Haciendo zoom puede apreciarse levemente una variación proporcional de CO. A partir de este momento. lo que signiﬁca que no inﬂuye en las reacciones que tienen lugar (se supone un gas inerte).55 0.
posteriormente. referentes a los cambios bruscos en la composición a la entrada al lecho (coincidiendo con la variación en las curvas que se aprecia en los primeros cm de reactor para las Figuras 31 y 33. es necesario representar cada uno de los términos que conforman las ecuaciones de conservación. Por otra parte. a medida que se transforman moles de sólido en gas. o Llegados a este punto. La linea discontinua superior representa la suma del total de los caudales molares de los gases de sintesis. hasta que el gas de sintesis atraviesa completamente el lecho. un descenso n1ás leve. correspondientes a los términos de reacción de las fases burbuja y emulsión. Simulación l: Evolución de los caudales molares de productos en fase gaseosa y char con la altura de lecho. por mol de aire). la linea de color negro representa el caudal molar de N2. Para justificar los resultados obtemdos. al parecer. aumentando con la altura de lecho. Las Figuras 31-34 presentan coherencia con las afirmaciones de los puntos anteriores. se comenta un parámetro que hasta ahora se ha pasado por alto. aunque se ha temdo en cuenta en todo momento para las simulaciones: el ﬂujo 69 . muy elevado puesto que se está gasificando con aire (79% de N. 500 e Char CO 450 e í E: H2 CO2 400 e í N2 H2O 350 _ Total 250 e caudal mólar [móI/s] l00— SOÏLLL%LT Figura 30. n1ás inﬂuyentes que el resto). para ver la inﬂuencia relativa de sus parámetros cinéticos. una vez agotado el O2.
para aumentar la inﬂuencia del ﬂujo neto.30 _ ¡o l l l l l l 0 1 2 3 4 5 B Zlm) Figura 3l. con las condiciones impuestas. Ecuaciones de cansan/ación: Fase bubble‘ terminó de reacción 40 i co H2 co2 3° — CH4 N2 H2O 20— mól m-S s-i . Dados los resultados obtemdos.3. por lo que se puede concluir que para la cinética implementada en este modelo. seria necesario la implementación de una cinética que retrase el agotamiento de O2 (apenas hay información dispomble). el ﬂujo neto no afecta a los resultados una vez que se agota el O2. Una posible solución podria ser una reducción de la 70 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante . y otros lo utilizan de forma errónea.1.Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante neto. Este autor presenta una serie de tablas en las que muestra cómo la utilización del ﬂujo neto representa una diferencia de un 30% en la conversión del carbón (su combustible utilizado). puesto que a la entrada del reactor se aprecia un pico en el termino de ﬂujo neto. habiendo variaciones de orden del segundo decimal). se hace mención de que algunos autores no lo tienen en cuenta. En el paper de Yan[11]. Simulación l: Evolución del término de reacción de la fase burbuja (ecuaciones de conservación) con la altura. que rápidamente se va a valores que no inﬂuyen en la variación de la cinética. Las simulaciones realizadas en este modelo obtienen unos resultados muy similares utilizando el termino de ﬂujo neto y suprimiendolo (misma conversión y composición de los gases resultantes. frente a no utilizarlo. defimdo en el capítulo 5.20 7 . La Figura 35 justiﬁca esta afirmación.
Werther[39] introduce en su modelo dichos factores de corrección. adaptados a su cinética. x m‘ Ecuaciones de consenración.20 . Simulación l: Evolución del término de reacción de la fase emulsión (ecuaciones de conservación) con la altura. . obtemendo resultados acordes a la experimentación. De esta forma. 7l Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante mol m-S s-i mól m-B s-i Ecuaciones de consenracioni Fase emulsioni termino de reaccion CO H2 CO2 3° z CH4 O2 N2 H2O 20 e 10 0 . Término de transferencia 2 .5 : CO2 . para posteriormente comprobar resultados. . Fase emulsión.velocidad de reacción de la combustión del carbón mediante un factor de corrección que restara inﬂuencia a la reacción.40 l l l l l 0 l 2 3 4 S z(m) Figura 33. T co H2 1.10 .30 . . Ecuaciones de consenracioni Fase bubble: Termino de transferencia 600 i 400 i 200 — móIm-B s-i -400 Ñ ¿O0 l l l l l l Figura 32. Simulación l: Evolución del término de transferencia de la fase burbuja (ecuaciones de conservación) con la altura. se conseguiria ajustar el mecamsmo de reacción del conjunto de reacciones considerado como descriptivo del proceso de conversión q11in1ico en el lecho en base a los resultados experimentales.
los resultados obtemdos indican tendencia a formación de CO. Simulación l: Evolución del término de ﬂujo neto (ecuaciones de conservación) con la altura. H2 y CH4.25 l l l l 0 l 2 3 4 z(m) Figura 34.T CH4 T o2 N2 1 e H2O 0. Se utilizará la Tabla 18 como referencia del análisis .5 — .5 : .1 _ l . Simulación l: Evolución del término de transferencia de la fase emulsión (ecuaciones de conservación) con la altura. Comentarios: o Según la cinética implementada (R9-R12).5 — 0 -0. Simulación 2 Se implementa en el modelo de simulación la cinética de Avdhesh[5] para los valores de entrada mostrados en la Tabla 11. propia de un proceso de gasificación. comentando los resultados a continuación. 72 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Ecuaciones de conservacion: Fase emulsioni netllow 2000 — C0 H2 1800 * C02 CH4 1600 * N2 H2O 1400* 1200* 1000* mol m-3 s-1 B00 * 400 * 200 * Figura 35.2 _ . como puede observarse en las Figuras 36-38.
Resultados de simulación 2. por lo que podrian darse por válidos los resultados obtemdos.1. algunas comentan que los procesos de gasificación de biomasa producen gases de sintesis con PCI< 6 MJ/Nm3. los valores obtemdos de H2O y CH4 difieren de los valores normales de gasificación.6683 58.3754 15.1654 15. la utilidad de la Figura 36 es cuantificar los .3845%.2851 14. R6. los resultados de la simulación del modelo de Yan han demostrado que las reacciones comentadas son muy inﬂuyentes en la variación de la composición a la salida del lecho.0059 Tabla 18.4115 1. 7. Se puede concluir que bajo la cinética implementada. debiéndose agotar o tener un valor muy próximo a cero. o En este caso.6400 55. Pueden observarse fracciones másicas para N.1).64%.comparativo realizado.6295 14. R7 y R8 (ver capítulo 5.9427 Base seca 7.2. Dependiendo de la referencia elegida. o las utilizadas en la publicación de Haslam[25] para la cinética de Yan[11]. aunque superior al de la simulación 1. o Al igual que en la simulación anterior.5629 Basehúmeda 8. el PCI obtemdo también es inferior a los rangos tipicos que se obtienen en un proceso de gasificación. puesto que no se han incorporado reacciones en las que se consume O2. Para el caso del CO2. como la combustión del carbón.3845 1. como son R5.73 Iteraciones Error (%) 11 0. el modelo responde de forma coherente. y CO del orden de magnitud de un proceso de gasificación tipico. correspondientes a Haslam.4367 0. la reacción Water gas-shift y la combustión del O2. no se han llegado a 73 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante incluir las reacciones tipicas que forman este compuesto.4236 0. las fracciones que presentan mayor interes a la hora de comentar son las obtemdas para el CO2 (0. muy bajo) y el O2 (14.).09 2. o La conversión de char es muy inferior a los resultados esperados en un proceso tipico de gasificación de biomasa. pero al estar basado en los parámetros termodinámicos comúnmente utilizados en los modelos de equilibrio (comentados en el capítulo 5. La respuesta está en la cinética implementada. al ser un proceso de oxidación parcial del combustible en un lecho a escala comercial).0744 6. la conversión obtenida es elevada.
74 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante C0 H2 5 S S 1 45 S6 S4 C(mo|/m3) C(mo|/m3) C(mo|/m3) S2 Figura 36. temendo variaciones de orden umdad. y decreciente en COgy H2O.H2 y CH4. aunque es la Figura 37 (correspondiente a la variación de las fracciones másicas de los compuestos con la altura del lecho) la que presenta mayor interes para hacer comentarios. Aun asi. En estas gráﬁcas puede observarse como las variaciones de la composición inicial de todos los compuestos son muy pequeñas (orden de n1agr1itud: dos decimales). se observa una tendencia creciente en la formación de CO. comparado con las obtemdas en la primera simulación.resultados. H2 Bubble Bubble Emulsión Emulsión 014 >< Z >< \ 0005 0135 Z \ z(m) c144 0 0138 00136 Bubble Emulsión 00134 . Simulación 2: Evolución de las concentraciones en fases burbuja (bubble) y emulsión con la altura de lecho.
Es importante remarcar . Fracciones másicas Figura 38.i 00132 0013 00128 0 Figura 37. Este valor se justifica por la existencia de una cinética poco inﬂuyente en el agotamiento del char. corroborando el 7% de conversión presentado en la Tabla 18. El motivo está en la cinética implementada en cada modelo: entre pisos de simulación. Simulación 2: Evolución de las fracciones másicas en fases burbuja (bubble) y emulsión con la altura de lecho. H2 y levemente CH4. mientras que disminuyen el H2O y CO2. Esta 75 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante tendencia es propia de un proceso experimental de gasiﬁcación. Estos resultados se basan además en que el modelo de Avdhesh va soportado por conceptos cinéticos y termodinámicos. sino que es progresiva a medida que aumenta la altura. A esto hay que añadir lo comentado en el punto anterior acerca de diferencias en la base conceptual de cada modelo: Avdhesh[5] combina cinética y termodinámica. siendo úmcamente experimentos en base al carbón la base de la cinética de Yan. mientras que Yan[11] utiliza una cinética basada en sus experimentos. las velocidades de reacción del modelo cinético de Yan son varios órdenes de magmtud mayores que las de Avdhesh. o La Figura 39 es coherente con los comentarios del punto anterior. imcialmente no tiene lugar una variación brusca de las composiciones. o Una diferencia importante con la primera sim11lación se puede observar en la Figura 38: en este caso. las velocidades de reacción obtemdas para el modelo de Avdhesh son menos inﬂuyentes (de menor valor) que para el modelo de Yan. el pequeño descenso del char a lo largo del lecho. pudiendo apreciar además de la evolución de los caudales molares de los gases de sintesis. Puede verse como aumenta el contemdo en CO. dando lugar a variaciones n1ás suaves de la composición. ya que en proporción . por lo que presenta coherencia con la realidad en este caso. Simulación 2: Evolución de fracciones másicas totales con la altura de lecho.
variando en cada caso el parámetro de sensibilidad que aplica.8. El aumento de CO2 con la relación de belleza (H/D) se justifica por inducir un mayor tiempo de residencia . Relación de belleza H/D Equivalence ratio ER Temperatura T Estado de ﬂuidización x (BCD-FCO Tabla 19. además de la 76 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante naturaleza de cada uno de los combustibles utilizados. no se observan cambios sigmficativos en la composición de los gases de sintesis hasta llegar a H/D=0. valor a partir del cual disminuye la fracción molar de N2. Se puede encontrar un adelanto de las simulaciones previstas en la Tabla 19. aumentando la de CO2. Análisis de sensibilidad. Relación de belleza En la Figura 40 se muestra como. Resumen de simulaciones 77 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Simulación 3.2 Análisis de sensibilidad Las condiciones de simulación vienen dadas por las Tabla 12 y 13. 450 * 400 "f 350 Z 300 * 250 * caudal molar [mol/s] 150* 100* Figura 39. El Anexo 3 resume en una tabla las condiciones experimentales de simulación y los resultados obtenidos para las dos publicaciones. Simulación 2: Evolución de caudales molares con la altura de lecho.que las condiciones experimentales en ambos paper son diferentes. 6.
5. Composición de gases de sintesis a la salida del lecho 0 7 * *** C0 a H2 *><* C02 *><* CH4 +02 **N2 05* 04* 06* 03* 01 Relación de belleza (H/D) Figura 40. El valor de . Simulación 3: Evolución de la composición de los gases de sintesis a la salida del lecho con la relación de belleza. Cabe la posibilidad de la obtención de un valor óptimo de operación de aumentarse el rango de simulación de H/D. 78 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 09* Grado de conversión de biomasa Relacion de belleza (H/D) Figura 4l. mientras disminuyen el contemdo en H2 y CO. y pasa a convertir aproximadamente un 80% para una relación H/D=1. En la Figura 41 se observa un crecimiento de la conversión de char. Para una relación H/D=1. lo que supone el alcanzar una composición de equilibrio para las condiciones de operación.de los gases resultantes en el reactor. como muestra la Figura 42. Simulación 3: Evolución de la conversión de char a la salida del lecho con la relación de belleza. Simulación 4. Equivalence Ratio El significado de aumentar ER es hacer que las reacciones que se producen tiendan n1ás a combustión que a gasificación. al aumentar la relación de belleza. por lo que el contemdo en CO2 aumenta. convierte el char un 55%. pudiendo obtener un desplazamiento de las reacciones de equilibrio a la izquierda o a la derecha.
aunque se justifica una disminución de su valor por la inﬂuencia de las reacciones de equilibrio.7 * 0.5 * 0.2 0.26 0.2: 0-1 c 1 L i i i i 0.24 0.4: 0. 79 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Composición de gases de sírvtesis a la salida del lecho 0. 0.22 0.3 O. La conversión aumenta de forma proporcional con el aumento de ER (Figura 43).24 Eqjvalerne ratio Figura 43. con motivo de incrementar la tendencia a la reacción estequiometrica de combustión.4 * 03 l l l (126 0. Simulación 4: Evolución de la conversión de char a la salida del lecho con el ER.32 Eqiivaleme ratio Figura 42.5: "m CH4 —x— O2 a: N2 H4 H2O 05 0.28 0.H2O aumenta a priori. 2 0.8 * 0.3 0.7: *><* oo «s: l—l2 *><* 002 0.3: 0.6 * 0. . Simulación 4: Evolución de la composición de los gases de sintesis a la salida del lecho con el Gram de conversión de tiorresa ER.
y un descenso de CO2. H2 y CH4 con la temperatura. Simulación 5: Evolución de la composición de los gases de sintesis a la salida del lecho con la . por debajo de los rangos de operación (750 . con motivo del agotamiento del char. Los resultados obtenidos son contrarios a estas estimaciones. H2 y CH4 (productos tipicos de gasificación). cambia el comportamiento del CO y CH4. Esta temperatura puede ser considerada un óptimo.80 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Simulación 5.900 °C). Composición de gases de sinlesis a la salida del lecho +c0 +142 +c02 o G_ HK c144 +02 +412 +1420 O57 04* >< 03* 02* 01* o l l l l l 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 71K] Figura 44. a partir de esta temperatura dejan de tener lugar las 4 reacciones heterogéneas que se han temdo en cuenta para el modelo de Yan (reacciones de J ohnson[23] y reacción de combustión del carbón). Al sobrepasar esta temperatura. aumentando con la temperatura en el rango 1173-1243K (900-960°C). la Figura 45 muestra un crecimiento de la conversión del char desde los 750°C (aproximadamente un 63% de conversión). Temperatura Por debajo de la temperatura óptima de gasificación. pudiendo llegar al 100% de conversión si se sobrepasan los 960°C. Previsiblemente. puesto que se obtienen la composición más favorable del syngas. pasando por un 83% a los 900°C. observando en la Figura 44 un descenso leve de CO. se espera un crecimiento de CO. A partir de este punto. puesto que se deberian favorecer las cineticas de gasificación. descienden el contemdo en CO y H2. y volviendo a cambiar el comportamiento de forma drástica a los 960°C. Por lo tanto.
mostrada en la Figura 47. si T ebub. aumentar uo/umf. por lo tanto. se obtendrá mayor concentración e inﬂuencia de las . por lo que como consecuencia se espera una disminución en la conversión de biomasa. Estado de ﬂuidización La inﬂuencia de una variación del estado de ﬂuidización se traduce directamente en la inﬂuencia que ejerce una variación de la velocidad superficial en el aire sobre el modelo. provoca una disminución en el tiempo de residencia de los distintos componentes en la zona de reacción. Como se aprecia en la Figura 46. (puesto que hay 3. aumentar uo/umf supone un incremento en el contemdo de N. la turbulencia generada y el tiempo de residencia del gas en el interior del reactor (lecho+freeboard). 81 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 09* 08* 07* 06* Grado de conversion o m l 03* 02* 01* o 1 1 1 1 1 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 71K] Figura 45. Simulación 5: Evolución de la conversión de char a la salida del lecho con la temperatura en K. La inﬂuencia se puede relacionar con el contacto gas-sólido existente en las reacciones heterogéneas. Por otro lado. Se pueden justificar los resultados de aumentar el valor del estado de ﬂ11idización de la siguiente forn1a: Tuo /um¡ —>Tu0—>T ¿‘b Tuo /umf áluo-Ïidbo —>Tdbm —>Tdb —>Tub. la generación de las burbujas.temperatura en K. Simulación 6. por mol de aire). —>Tub 82 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante .76 moles de N.
Traducido a las reacciones. Al tener en cuenta una cinética que contiene reacciones de equilibrio.reacciones en fase burbuja. Compúslclón de gases de sín|es1s ala salida del lecho 0. Puesto que las reacciones heterogéneas son las úmcas que consumen carbón.3— 02* n. favoreciendo ese cambio de tendencia en ambas Figuras.75 y x=4 en el que se produce un crecimiento del grado de conversión de biomasa. es conocida la relación existente entre las reacciones heterogéneas y la fase emulsión. una disminución relativa de la inﬂuencia de estas con respecto a la fase homogénea repercute directamente en una menor conversión del carbón.5— n. 83 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Grado de conversion de biomasa o l l l l l l l l l l 3. Existe un tramo comprendido entre x=3.4+ n.6 * + O2 + N2 + 1420 n.7 * + c0 +><+ 142 + co2 + c144 0. se puede estar desplazando de derecha a izquierda la tendencia a formación de productos.5 4 Estado de 11111012210011 . Simulación 6: Evolución de la composición de los gases de sintesis a la salida del lecho con el estado de ﬂuidización.1— o 1 1 1 1 1 1 4 Eslado de ilu1d1zac1on=umumi Figura 46. por lo que quedan justificados los resultados.
Los parámetros seleccionados cumplen satisfactoriamente su función de actuar como puntos de control para una validación del modelo. temendo en cuenta que se trata de un modelo cinético que toma parámetros de cálculo de un modelo de equilibrio. 84 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 7. Se obtienen las siguientes conclusiones de las simulaciones realizadas: . salvo con las tendencias generales de las referencias utilizadas. La cinética de Avdhesh representa coherencia entre los resultados obtemdos y la cinética implementada. es importante remarcar que en este proyecto no se obtienen resultados experimentales. Para las cineticas implementadas. sólo se dispone de resultados teóricos. con los que poder deducir cuál de ellas es la mejor. Simulación 6: Evolución de la conversión de char a la salida del lecho con el estado de ﬂuidización. el modelo se basa en varias publicaciones que toman. las referencias “raiz”que mencionan. Esta cinética incluye la mayoria de las reacciones que inﬂuyen en cambiar la composición del gas de sintesis. Las publicaciones dispuestas carecen de la visibilidad necesaria para la correcta implementación de la cinética: muchas de las referencias encontradas presentan algunos errores muy dificiles de detectar. Las gráficas las velocidades de reacción han resultado decisivas para encontrar la coherencia en el modelo. en la medida de lo posible. siguiendo las tendencias generales de las referencias utilizadas. los resultados obtemdos para la conversión son un referente que representa la realidad en la práctica totalidad de los parámetros de sensibilidad seleccionados. En el caso del análisis de sensibilidad. puesto que no existe mucha información que guarde relación con un tema tan especifico. La evolución de los gases de sintesis a medida que avanzan por el lecho se asemeja a la de un proceso de gasificación. La cinética de Yan aplicada al modelo de simulación obtiene unos resultados similares a los obtemdos en una planta de gasificación de biomasa de lecho ﬂ11idizado. por lo que no se pueden contrastar.Figura 47. especialmente cuando se trata de utilizar una correlación cuya fuente principal está descatalogada. CONCLUSIONES El desarrollo de un modelo de simulación de gasificación es una tarea de elevada dificultad. Como causa del mal funcionamiento de un modelo basando la cinética y las hipótesis realizadas en una única publicación.
Asimismo. conversión de 97%. Se puede apreciar en los resultados de la simulación un aumento de la composición de N. Habria que realizar un posterior análisis de sensibilidad. se obtiene una mayor conversión del char con el aumento de ER. se deberia tener en cuenta posibles expansiones futuras. Los resultados de la sim11lación reﬂejan un empobrecimiento del gas de sintesis en los productos aprovechables de la gasificación (CO. CH4: 1%. H2O: 8. El estado de ﬂ11idización y la temperatura son las variables criticas en la optimización de las condiciones de trabajo: por una parte. H2 y CH4. ya que se disminuye el tiempo de residencia del gas en el lecho. puesto que se favorece la combustión de la biomasa. o Temperatura: Anteriormente se han obtemdo gráficas que favorecen la conversión de char al aumentar la temperatura. Una vez fabricado. este parámetro podria tener sentido utilizarlo para optimizar el diseño de un reactor.75mol/s a la salida del lecho) a la salida del lecho a una temperatura de 960°C.4 mol/s de char a la salida del lecho) y una composición del syngas a la salida del lecho (N2: 49. H2O: 8%. además. (como consecuencia de la introducción de más aire). CO: 11. para una temperatura de 900°C se obtiene una conversión del char del 81. y una disminución de CO. 86 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante CO2: 11.6 % (41. por lo que disminuye el contacto gas-sólido y con ello la conversión de char. se conoce que cuanto n1ás . Tambien se aprecia una menor conversión de char al aumentar x. CO: 16%. Por comparar. empobreciendo aún n1ás la mezcla aire/combustible. de 225mol/s de char inyectados a la entrada se obtienen 6. se obtiene un óptimo para la composición del syngas (N2: 47%.85 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante o Relación de belleza: Se ha analizado como un aumento de H/D induce un crecimiento de la conversión. CH4 y CO2. CO2: 19%. No obstante. — Un aumento del estado de ﬂudización (x) implica la inyección de mayor cantidad de aire por umdad másica de biomasa.7%.25%. obtemendo n1ás CO2 y menos CO. H2. — Un aumento de ER se traduce en aumentar la tendencia a combustión. nada más cerca de la realidad. H2 y CH4). H2: 9%.7%. o Equivalence Ratio y Estado de ﬂuidización: El caudal de entrada de agente gasiﬁcante (aire) controla de forma conjunta el valor de estos dos parámetros. temendo en cuenta los costes de fabricación e inmovilizado para diferentes capacidades de procesado de biomasa. Manteniendo las condiciones de simulación de la Tabla 12.8%) con menor contemdo en CO2 y CO. construcción y adaptación.4%. CH4: 0.9%. este parámetro se convierte en un valor constante. H2: 9. para ahorrar costes de diseño.
En el futuro. posibilitando una mejor conversión a combustibles y productos quimicos valorables desde el punto de vista de la industria. pero que no lo sobrepase en exceso. . denominada “freeboard”. . Aunque se ha comentado anteriormente. Para obtener mejores resultados. emulsión y del freeboard. Según las simulaciones de los análisis de sensibilidad. mejor conversión de char se obtiene y a la vez.temperatura de reacción exista. Se puede concluir un buen comportamiento del modelo de simulación.Ampliación del modelo cinético a la zona inmediatamente superior a la de reacción. el valor para el cual se obtiene una mayor conversión de char es x=1. el reto consistirá en incrementar la eficiencia energetica de los sistemas y en el desarrollo de tecnologias más eficientes para la limpieza de los gases de sintesis. 87 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante . con objeto de calcular la temperatura del lecho a la que tienen lugar las reacciones. es necesario que la velocidad de inyección del agente gasificante supere la velocidad de mimma ﬂ11idización para adquirir un regimen burbujeante.1. incluyendo mayor número de reacciones y evaluar los órdenes de magmtud de las velocidades de reacción para examinar la importancia relativa de cada una de ellas. para adaptarlo a reactores de menores . La mejor forma de optimizar estos parámetros será ir haciendo diversos experimentos una vez este la instalación en funcionamiento. Cabria la posibilidad de realizar una mejora del modelo. probablemente realizable en menor número de iteraciones. introduciendo un factor aplicable al distribuidor (entrada del reactor) que acelerase la cinética de las reacciones. 7. presentando coherencia con las cineticas implementadas.1 Estudios futuros . el propio proceso de gasificación en lecho burbujeante limita superiormente el estado de ﬂuidización (capítulo 4.Aplicación de un escalado del modelo. se necesitarán implementar cineticas n1ás complejas.2 (valor óptimo de la Figura 47). para la cinética implementada. por otro lado.Mejora del código para la convergencia de la solución.Balance de energia de la fase burbuja.2). es importante remarcar que la gasiﬁcación de biomasa es una tecnologia prometedora que desplaza el uso de combustibles fósiles y reduce las emisiones de CO2. ya que disminuye la conversión de char.
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A 3B as C CE D DB D130 DBM PCI PM Qmf Re rBj rEq 1'13]: GLOSARIO Área transversal del reactor (m3) Área interfacial entre fases burbuja y emulsión por umdad de volumen de lecho (m3) Área especifica de las particulas (m3) Concentración de gas (mol m3) Coeficiente estequiometrico Diámetro del reactor (m) Diámetro de burbuja formado a lo largo del lecho (m) Diámetro inicial de burbuja formado en la superficie del distribuidor (m) Diámetro máximo teórico de burbuja obtemdo por coalescencia completa de las burbujas (m) Difusividad del gas (m3 s3) Diámetro efectivo medio de burbuja (m) Diámetro medio de particula de biomasa (m) Equivalence Ratio Caudal molar (mol s”) Aceleración de la gravedad (m3 s3) Función de Gibbs del componente i (J/mol) Altura de lecho sobre el distribuidor (m) Relación de belleza o esbeltez del reactor Constante de equilibrio Coeficiente de transferencia de n1asa entre fases (m s”) .
Velocidad de transferencia de n1asa a la superficie de la particula (m s”) Caudal másico (kg s”) Número de especies gaseosas en el sistema Número de agujeros del distribuidor Poder Calorifico Inferior (MJ Nm'3) Peso molecular (kg mol”) Caudal volumetrico de n1ir1ima ﬂuidización (m3 s3) Número de Reynolds de las partic11las Velocidad de reacción homogénea j en fase burbuja (mol m'3 s”) Velocidad de reacción de combustión j en fase emulsión (mol m'3 s”) Velocidad de reacción homogénea j en fase emulsión (mol m'3 s”) 92 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Re R tchar Sc T 110 1115 llmf x=uo/umf €mf [if Pg Ds 4 Subindices Constante umversal de los gases (J mol” K3) Contribución neta de reacciones heterogéneas (mol m'3 s”) Número de Schmidt Temperatura de reacción (K) Velocidad Velocidad Velocidad Estado de superficial del gas (m s3) de crecimiento de burbuja (m s”) de mimma ﬂuidización (m s3) ﬂuidización Fracción de volatilización de biomasa Volumen de control (m3) .
HID Geometría reactor .1 Diagrama de ﬂujo: resolución del modelo cinético. “ufunn. ANEXOS 10. + MODELO CINÉTICO + suposición: Conversión de biomasa por piso l Hidrodinámica entrada al reactor Tlxnnr ER.Altura sobre el distribuidor de aire (m) Coeficiente estequiometrico del componente i para la reacción j Flujo neto total entre fases (mol m'3 s”) Flujo neto del componente i entre fases (mol m'3 s3) Perdida de carga (Pa) Fracción de volumen de las burbujas Porosidad del lecho Viscosidad del aire (kg m3 s3) Densidad del ﬂ11ido (kg m'3) Densidad de las particulas del lecho (kg m3) Esfericidad o factor de forma de las particulas del lecho Fase burbuja Fase emulsión Combustión Gasificación Número de especies gaseosas Número de piso perteneciente al elemento de control Número de reacciones Condiciones imciales (para una altura z=0) Productos Reactantes Área especiﬁca Volatilización 93 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 10.
.314. %Constante cinética de los gases [J/molK] D:3.2 Implementación del código en MAT LAB. P.. E: Fase Emulsión %Inputs g:9..l Calculo del caudal de aire de Inyeccion 0.8l. %Diámetro interno del reactor [m] nd:3000. %Numero de orificios del reactor H T:ll73. %Modelo de Simulación de Gasificación de Biomasa en lecho fluidizado %burbujeante %B: Fase Burbuja..9. 1. %Temperatura de reacción [K] . %Aceleración de la gravedad [m2/s] Rg:8. M.I r ldiar. ce=czl=ün suposición conversion de biomasa por piso Redeﬁnición parárneims iniciales: 1P Hidrodinamicaicinética elemento de control NO Net Flo-w Resolución de balance de materia [RK-¿l-J Ajuste del balance de materia Presentación de resultados 94 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 10. (Fases burbuja ¡r Entrada al reactor [z=0] emulsión] xl Toleramiaierror inicial Contador iteraciones ¡.
PM_devgases:[28 2 44 16 O O l8]*lE*3. Rango válido: 0. Xmv_CH4:O.469*Xmv+O.8lE*5.20l*O. %área especifica de las particulas [m*1] rhos:2650. a_s:6/dp. paso:H/npisos. %Altura del lecho zf:H.409*2. %Estado de fluidización Xmv:O. %H/D H:rel_H_D*D. %Humedad relativa de la biomasa ash:0.25.428*2.75/P. Xmv_H20:O.l35*O. Xtar:l*Xmv_CO*Xmv_H2*Xmv_CO2*Xmv_CH4*Xmv_H20. %diámetro de las particulas sólidas del lecho[m].2l. npisos:2000O.845*Xmv”2. Xmv_H2:O.05*O.24l*Xmv”2.906*Xmv”2. %Oxigeno [kg/mol] PM_hid:lE*3.2.677E*5*T”l. % densidad de las particulas sólidas del lecho [kg m*3] phis:O. 6 suposición inicial de conversión de carbón por piso dp:1. %Cárbón [kg/mol] PM_ox:l6E*3.389*Xmv+4.l57*O.868*Xmv+l. %Porosidad del lecho DG:8. %Equivalence Ratio x:1.5.653*Xmv+4. rel_H_D:l. %Presión atmosférica [Pa] A:pi*(D”2)/4. %Factor de forma epsmf:O.554*Xmv”2. Xmv_CO2:O.9*Xmv+l.P:lOl325. %[kg/mol] 95 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante %Pesos átómicos PM_cárb:l2E*3. %Frácción volumétrica de oxigeno en el aire rel_O2_steám:O. %nitrógeno [kg/mol] rel_áire_O2:O. % Fracción másica de materia volátil en el carbón.4. %Hidrógeno [kg/mol] PM_nit:l4E*3. %Proporción de cenizas %Composición de productos volátiles %[CO H2 CO2 CH4 O2 N2 H20] Xmv_CO:O.45.5l w:O.388*Xmv”2.z:zO.67. %Viscosidad dinámica del aire[kg/(m s)] ER:O. %Difusividad del aire [m2 s*l] rhog:l.2lOl.25E*3. Xmv_gas:[Xmv_CO Xmv_H2 Xmv_CO2 Xmv_CH4 O O Xmv_H20]. %Área interna del reactor (m2) zO:O. %paso [m] convsup:O.5/npisos.0467. %densidad del aire [kg m*3] mu_aire:l. %No hay moderador (H2O vapor) .
sin humedad ni cenizas 96 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante m_H20_humedad_biomasa:m_biomasa*w. fáire_reál:Qáire_reál*rhog/PM_áire.%[kg/s] m_N2_est:máire_est*PM_nit*2/PM_áire*(l*rel_áire_O2). %[kg/mol] PM_biomásá:f_C*PM_cárb+f(OB*PM_ox+f_OH*PM_hid. Bmf:l50*(l*epsmf)/((epsmf”3)*phis”2)*(rhog*dp/mu_áire). %[kg/s] m_O2:máire_reál*PM_ox*2/PM_áire*rel_áire_O2. cenizas y volátiles m_biomásá_secá:m_biomásá*(l*w)*(l*ásh).75/(phis*(epsmf”3))*(rhog*dp/mu_áire)”2. %[m3/s] Qáire_reál:x*Qmf. %mol/s fáire_est:f_O2/rel_áire_O2. %[kg/s] biomasa á lá entrada. umf:(*Bmf+sqrt(Bmf”2*4*Amf*Cmf))/(2*Amf). % [mol/s] de biomasa inyectádá á la entrada m_biomásá:f_biomásá*PM_biomásá. %[kg/s] m_N2:máire_reál*PM_nit*2/PM_áire*(l*rel_áire_O2).%mol/s f_OH:8.4.%mol/s rhochár:836.% [kg/m3] %Bálánces para cádá uno de los compuestos para una combustión completa de lá %biomásá f_CO2:f_C.%mol/s f_O2:(f_C*2+f_H20*f_OB)/2. %[kg/s] m_O2_est:máire_est*PM_ox*2/PM_áire*rel_áire_O2. Cmf:*(dp”3)*rhog*(rhos*rhog)*g/mu_áire”2. %[mol/s] f_biomásá:(l/ER)*(fáire_reál)/(fáire_est/fsol_est). %[m3/s] %Cálculo de velocidad de minima fluidizáción (Ergun ánd Orning) Amf:l. m_char:m_biomasa_seca*(l—Xmv). %[kg/s] biomasa á lá entrada. teniendo en cuenta lá humedad.%[kg/s] Qcomb:máire_est/rhog. %velocidád minima de fluidizáción Qmf:umf*A.%Composición de lá biomasa f_C:6.6.%mol/s f_H20:f(OH/2. %m H2O de lá corriente á lá entrada %[kg/s] fsol_est:1.%mol/s f_OB:3. %[kg/s] m_steám:rel_O2_steám*m_O2.%mol/s %Peso molecular PM_áire:28. eliminando a la biomasa introducida inicialmente los volátiles . %[mol/s] máire_reál:fáire_reál*PM_áire. %[kg/mol] máire_est:fáire_est*PM_áire. % kg/s de char a la entrada.96E*3.
7ll*(g*db)”O. ). %En las posiciones del O2 y N2 divide por cero f_devgases(5):O. %bed void fraction (fraccion de vacio en el lecho) [] eps_s:l—epsf. cDevol:f_devgases/(A*uO). . por compuesto f_charO:m_char/PM_carb.347*(A*(100”2)*(uO—umf)*100/nd)”O. % kg/s de volátiles totales a la entrada m_devgases:m_devgasestot*Xmv_gas.5. %Hidrodinámica del lecho (Wen and Mori) uO:x*umf. f_devgases:m_devgases.4)/100. %gas superficial velocity [m s—l] dbO:(O. % initial bubble diameter formed at the surface of the distributor [m] dbm:(O.006)/(((umf)”O.4)/100.652*(A*(100”2)*(uO—umf)*100)”O.3*z/D). %effective mean bubble diameter [m] ubr:O. %Fracción de volumen ocupada por las burbujas (Babu) epsb:l—l/B.376)*(dp”1.126))./PM_devgases. fH2_BO:cB(2)*A*ub*epsb. %single bubble rise velocity [m s—l] ub:uO—umf+ubr. %maximum theoretical bubble diameter obtained for complete coalescence of bubbles B:1+10. % kg/s de volátiles a la entrada. x] db:dbm—(dbm—dbO)*exp(—O. f_devgases(6):O. x] cBtot:cB(l)+cB(2)+cB(3)+cB(4)+cB(5)+cB(6)+cB( cEtot:cE(l)+cE(2)+cE(3)+cE(4)+cE(5)+cE(6)+cE( ).m_devgasestot:m_biomasa_seca*Xmv. %bubble rising velocity [m/s] o 6 Caudales molares en fase bubble fCO_BO:cB(l)*A*ub*epsb.937)*(rhog”O. %Fracción de volumen de las burbujas epsf:epsb+(l—epsb)*epsmf.978*(((uO— umf))”O. cE:cO. cO:cReac+cDevol. %Volume fraction occupied by solids %Parámetros iniciales: [CO H2 CO2 CH4 O2 N2 H20] %Concentraciones cReac:[O O O O m_O2/(PM_ox*2) m_N2/(PM_nit*2) (mfsteam+m_H20_humedad_biomasa)/PM_devgases(7)]/(A*uO).738)*(rhos”O. %incluyendo la devolatilización [mol/m3] cB:cO.
xO2_BO:cB(5)/cBtot. xH20_BO:cB(7)/cBtot. fCO2_EO:cE(3)*A*umf*(1—epsb). .49—7070/T). xCH4_BO:cB(4)/cBtot. fO2_BO:cB(5)*A*ub*epsb. xN2_EO:cE(6)/cEtot. fH2_EO:cE(2)*A*umf*(1—epsb). xCO_EO:cE(l)/cEtot. fCH4_EO:cE(4)*A*umf*(1—epsb) fO2_EO:cE(5)*A*umf*(1—epsb). xTOT_BO:xCO_BO+xH2_BO+xCO2»BO+xCH4_BO+xO2_BO+xN2_BO+xH20_BO.fCO2_BO:cB(3)*A*ub*epsb. fN2_BO:cB(6)*A*ub*epsb. r %Cálculo a partir de concentraciones xCO_BO:cB(l)/cBtot. 97 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 9/ o Caudales molares en fase bubble fCO_EO:cE(1)*A*umf*(1—epsb). xCO2_EO:cE(3)/cEtot. fCH4_BO:cB(4)*A*ub*epsb. fTOT_BO:fCO_BO+fH2_BO+fCO2>BO+fCH4_BO+fO2_BO+fN2_BO+fH20_BO. fH20_EO:cE(7)*A*umf*(1—epsb). Keq_Rl:lO”(7. xO2_EO:cE(5)/cEtot. fTOT_EO:fCO_EO+fH2_EO+fCO2>EO+fCH4_EO+fO2_EO+fN2_EO+fH20_EO. fH20_BO:cB(7)*A*ub*epsb. xCH4_EO:cE(4)/cEtot. xN2_BO:cB(6)/cBtot. fN2_EO:cE(6)*A*umf*(1—epsb). xTOT_EO:xCO_EO+xH2_EO+xCO2»EO+xCH4_EO+xO2_EO+xN2_EO+xH20_EO. xCO2_BO:cB(3)/cBtot. xH20_EO:cE(7)/cEtot. xH2_EO:cE(2)/cEtot. P_BO:[xCO_BO xH2_BO xCO2_BO xCH4_BO xO2_BO xN2_BO xH20_BO xTOT_BO]*P*(epsb)/lOl325. %Presiones parciales [atm] P_EO:[xCO_EO xH2_EO xCO2_EO xCH4_EO xO2_EO xN2_EO xH20_EO XTOTAEO]*P*(l—epsb)/lOl325. %Fracciones molares xH2_BO:cB(2)/cBtot.
Keq_R2:lO”(—5. gH2_BO:cB(2).373+47723/T). r 1) 2) (3 (4 5). 2_CO2. 6). ) . r gCO_EO:cE( gH2_EO:cE( gCO2_EO:cE gCH4_EO:cE gO2_EO:cE( gN2_EO:cE( gH20_EO:cE ). í Creación de variables de concentraciones iniciales para ambas fases gCO_BO:cB(l). 3_H2. 5_CH4. (7). Keq_R3:Keq_Rl*Keq_R2. 6_Char %Constant for temperature range from 300K to lOOOK o\° o\° o\° o\° í 9/ o 98 . 4_H20. gco2_Bo:cB( gcH4_Bo:cB( gO2_BO:cB(5 gN2_BO:cB(6 gH20_BO:cB( 3). %Tabla de constantes de reaccion if T<:lOOO Posiciones: l_CO. 7). 4)r )I ).
Gg:[—3. 4_H20.8502—>O.65l62OE—lO —5. 6.692982E—l3 —1.262451E+OO —2.O20795E+Ol]. Posiciones: l_CO.78l722E—l5 —2.7CO2 o\° o\° o\° o\° diff_Rl:go(l)+go(3)—go(4)—go(6). 4.426835E+O4 —4.l77647E—l3 2.l30684E—O7 9.l5l825E—l5 2.5922l8E+OO 7.683478E+OO —l.039885E—l2 6. co+1/2o2—>co2.O75733E—ll]. Bg:[—7.488l78E—l2 —1.3.02081lE+O4 — 9.298l24E+OO —3.528l47E—O3 5.O59ll6E—O6 — 5. Dg:[—8. Eg:[4.2l3443E—O4 —1.469592E—O7 l.025078E+OO —4.837314E+O4 —1.785248E—lO].ll86l8E—O3 —8.586446E+OO —7. 5.896195E—l2]. 3_H2. 7.458547E— O7 l.357l69E—O7 l. 5_CH4.ll4534E—O7].672l45E+OO — l.35034OE+O2 —2.275724E+OO —3.534222E—l5]. else %Constant for temperature range from lOOOK to 5000K Ag:[—3.734852E—O6 1.505705E—l5 l.9l2764E+OO 6.99l423E+OO —2.O6527OE—l5 7. Fg:[—l.96lO36E—O3 —4. cH4+2o2»>co2+2H2o.0l2521E+O3 —3. C+l/2H20+l/2H2:l/2CO+l/2CH4.73834OE—O3 —3.3lO628E—O4]. end % go(i) Funcion de Gibbs (J/mol) go:Rg*T*(Ag+Bg*T+Cg*TA2+Dg*T”3+Eg*T”4+Fg*T”—l+Gg*log(T)). CO+H20:H2+CO2.074018E+O2].272l6lE+OO].5288OOE—l3 —6.722238E—lO 7.l249l8E—l3 3. 2. Gg:[—3.OO8079E+O4 —7. %Energia libre de Gibbs para la reacción l.386842E+OO — 7.966lOOE—O1 — l.54l423E—O9 —l.453623E+OO «2.654654E—ll —l.3847l2E—O8 2. Bg:[—7. Cg:[9.722238E—lO 7.570084E—O3 —3. C+O.3897l3E—O9 1.947603E—l4]. Eg:[1.59075OE—O3].3CO+O.825229E+O3 —7. C+2H2:CH4.73749lE—O3 — 8. [J/molK] diff_R2:go(5)—2*go(3)—go(6). Dg:[—4. 8.989921E+O4 — l.4090l9E+OO 4.490l66E+OO].896696E+O4 —8.455043E—O7 6. H2+l/202—>H20.9399l7E+OO l.294345E+O1 —3.994997E—ll 7.896l95E—l2 —5.346533E+OO —4.Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante Ag:[—l. 2_CO2. C+H20:CO+H2.l90672E+OO — 7. 6_Char FILAS: 1. Fg:[—l.89l453E—l4 4.500322E—O4 —1.339498E+Ol].807l5lE—lO — 2.00083OE—ll — 5.083l39E+OO 5.96lO36E—O3 —l.70566lE—Ol].559705E—O4 —4.43lO54E+O4 —4. Cg:[6. .7874l5E—Ol 6.63792OE—l6 l.
5l7e4 4.5 0 0]. C+2H2:CH4. 2. % 4.%Cálculo de constante de reacción (Arrhenius) (Reacciones l. 5.7 (homogeneas) %Reacciones bubble: 4.5.5 0 0.15].3.7 (homogéneas) %COLUMNAS: [CO H2 CO2 CH4 O2 N2 H20] %FlLAS: 1.30le—2]. C+l/2H20+l/2H2:l/2CO+l/ZCH4. %rate constant reaction end 99 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante %Coeficientes estequiométricos %Reacciones emulsion: l. diff_R7:go(3)+go(2)’go(l)—go(4).5*go(4)—O. diff_R4:go(4)—go(3). C+O.5 0 1].5].6.5*go(3).72E—3)*exp(37737/(Rg*T)).4. % Cálculo de constantes de equilibrio para las reacciones Keq_R4:exp(—diff_R4/(Rg*T) Keq_R5:exp(—diff_R5/(Rg*T) Keq_R6:exp(—diff_R6/(Rg*T) Keq_R7:exp(—diff_R7/(Rg*T) )I ). alpha7:[—l 1 1 0 0 0 —1]. % 7.5 0 0 —o.5. diff_R6:go(2)+2*go(4)—go(5).(heterogeneas).2.2.8502—>O. co+1/2o2—>co2. ). cH4+2o2»>co2+2H2o.diff_R3:O.5*go(1)+O.39 121.21 36. 8. alpha2:[O —2 0 1 0 0 0].3.3) Er:(le3)*[77. CO+H20:H2+CO2.62 19.616e1 l.3CO+O. ) r r Ar:[3.5 —o. alpha4:[O —1 0 0 —o. C+H20:CO+H2.5*go(5)—go(6)—O. 6.7CO2 alphal:[l 1 0 0 0 0 —1].6. %J/mol for j:l:length(Ar) ki(j):Ar(j)*exp(—Er(j)/(Rg*T)). . diff_R5:go(2)—go(l).l89e—3 7. H2+1/2o2—>H2o. alpha5:[—l 0 1 0 —o. alpha3:[O. alpha6:[O 0 1 —1 —2 0 2]. f_T:(4.
'rl_E'.5)*P_EO(7)/(1+O .'A'.'r3_E'.'a lpha4'.'cE'.'alpha5'. 'cB'.'cB'. 'alpha6'.5e3/(Rg*T)).744l4))*T”3. %Constante de reaccion para reacciones homogéneas (4.0l.'z'.'cE'.3*P_EO(2))+O.97el2*exp(—274. % T en [K] k4_H2:k5/CO/0.5)*exp(—397. %Tolerancia:Error máximo admitido error:l.'epsb'. %Interstitial mass transfer rate to particle surface %Aplicación del RK4 para resolucion de sistema de EDOs. ReO2:rhog*umf*dp/mu_aire.5) k5_CO:(2.'alphal'.'net_flow').'alpha3'. while (abs(error)>:tol) i:O. ScO2:mu_aire/(rhog*DG).'r6_CH4 _E'.'z'.'r6_CH4_B'. iter:iter+1.4602E—l2)*(exp(—2ll37/T+24.'a_b'.69*ScO2”(l/3)*(ReO2/epsb)”O. Yc:Mc. mediante un balance %de masa xx:inline('((ub*epsb)”—l)*(kBE*a_b*(cE— CB)+net_flow+epsb*(alpha4*r4_H2_B+alpha5*r5_CO_B+alpha6*r6_CH4_B+alpha 7*r7_B))'.‘A’.'kBE'.'r4_H2_B'.'r5_CO_B'.'epsb'.'r2_E'.5*(P_EO(2)”O. WSGR.35.'epsmf'. Reacción 7 k7forward:7.5).'r8_E'. k7reverse:2.'alpha6'.7*P_EO(2)/(1+54.'alpha2'.707*P_EO(2)+O.0l”l.'alpha4'.5. %Contador de iteraciones if iter>1 .'a_b'.'alpha5'.'r5_CO_E'. %Error inicial para que entre en el bucle while iter:O.le3/(Rg*T))*0.'alpha7'.'a_s'.'net_flow').'r4_H2_E'. f_char:f_charO.'alpha7'. kg:DG/dp*(2*epsmf+O. % Velocidades de reaccion iniciales (Cinética de Johnson para gasificación % del char) %COLUMNAS: [CO H2 CO2 CH4 O2 N2 HZO] alpha_J:52.'r7_E'. %Emulsion phase 100 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante tol:0.'r7_B'.'umf'.alpha_comb:(l+2*f_T)/(l+f_T).l”l. alpha8:[2*(l—l/alpha_comb) O (2/alpha_comb—l) O —l/alpha_comb O O].5)*P_EO(7)). %Bubble phase yy:inline('((umf*(l—epsb))”—l)*(kBE*a_b*(cB—cE)—net_flow+(l— epsb)*(epsmf*(alpha4*r4_H2_E+alpha5*r5_CO_E+alpha6*r6_CH4_E+alpha7*r7_ E)+(1— epsmf)*(alpha8*r8_E+alphal*rl_E+alpha2*r2_E+alpha3*r34E)))'.3el6*(O.521*(PAEO(2)”O. %Medidas experimentales "Karim and Mohindra".'kBE'.'alpha8'.'ub'. %Caudal molar inicial de carbón Mc:m_char/m_biomasa.
cE:cO. fH2_B(i):cB(2)*A*epsb*ub. fH20_E(i):cE(7)*A*(l—epsb)*umf. fCO2_B(i):cB(3)*A*epsb*ub. % Caudales molares en fase bubble fCO_B(i):cB(l)*A*epsb*ub. cEtot(i):cE(1)+cE(2)+cE(3)+cE(4)+cE(5)+cE(6)+cE(7). end while(Z<Zf) z:z+paso.7ll*(g*db)”O. cB:cO. %interfacial area between bubble and emulsion phases per unit bed volume cBtot(i):cB(1)+cB(2)+cB(3)+cB(4)+cB(5)+cB(6)+cB(7). fCH4_E(i):cE(4)*A*(l—epsb)*umf.3*z/D). o 6 Caudales molares en fase emulsion fCO4E(i):cE(l)*A*(l—epsb)*umf.f_char:f_charO. %Ecuaciones de conservación a_b:6*epsb/db. fCO2_E(i):cE(3)*A*(l—epsb)*umf.5. %effective mean bubble diameter [m] ubr:O. convsup:(conv+convsup)/2. fCH4_B(i):cB(4)*A*epsb*ub. z:ZO. 101 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante %Fracciones molares en fase bubble xCO_B(i):cB(l)/cBtot(i). %bubble rising velocity [m/s] kBE:umf/3+ (4*DG*epsmf* (ub) / (pi*db) ) A0 . %Equivalencia de contador "i" con altura db:dbm—(dbm—dbO)*exp(—O. fO2_B(i):cB(5)*A*epsb*ub.5. %single bubble rise velocity [m s—l] ub:uO—umf+ubr. fTOT_E(i):fCO_E(i)+fH2_E(i)+fCO2_E(i)+fCH4_E(i)+fO2_E(i)+fN2_E(i)+fH2O 43(1). fTOT_B(i):fCO_B(i)+fH2_B(i)+fCO2_B(i)+fCH4_B(i)+fO2_B(i)+fN2_B(i)+fH2O 43(1). %h: salto i:i+l. fO2_E(i):cE(5)*A*(l—epsb)*umf. . altura(i):z. fH2_E(i):cE(2)*A*(l—epsb)*umf. fN2_B(i : B(6)*A*epsb*ub. kBEHongmin(i):kBE. fH20_B(i):cB(7)*A*epsb*ub. fN2_E(i):cE(6)*A*(l—epsb)*umf.
2)”l.xH2_B(i):cB(2)/cBtot(i).3*P_E(i.35*P_E(i.5)+O.2)*(exp(—lO.4)/Keq_R2)/(l+P_E(i. %STEAM CARBON REACTION 102 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante .2))+O.62*P_E(i.7)*(l+l6.2)+43.7)).5)*exp(l2.5)*P_E(i. %Fase Emulsion [atm] %Cinética de Johnson if (f_char>O) kl_E:exp(9.2)”O.5)*P_E(i.7)*Keq_Rl))/(l+(exp(— 22.l)/Keq_R3)/(P_E(i. xCH4_E(i):cE(4)/cEtot(i). rl_E:rJ_E(l). xH24E(i):cE(2)/cEtot(i). xCO2_E(i):cE(3)/cEtot(i).4663— 24746/T)*(P_E(i.:):[xCO_E(i) xH2_E(i) xCO2_E(i) xCH4_E(i) xO2_E(i) xN2_E(i) xH20_E(i) xTOT_E(i)]*P*(l—epsb)/lOl325. %Cálculo de presiones parciales P_B(i.020l—l76l3/T)*(l— P_E(i.5*P_E(i. xN2_E(i): E(6)/cEtot(i).l)*P_E(i.4)::O) %Condición que incluye procesos de combustion (no aparecerá NaN) k3_E:O.:):[xCO_B(i) xH2_B(i) xCO2_B(i) xCH4_B(i) xO2_B(i) xN2_B(i) xH20_B(i) xTOT_B(i)]*P*(epsb)/101325.2)”l.2)”O.85*P_E(i.674l—l8375/T)*(P_E(i. rJ_E:(eps_s*rhochar*(6. xO2_B(i):cB(5)/cBtot(i). xH20_E(i):cE(7)/cEtot(i).2*Yc*(l—Yc))/PM_carb)*((Mc)*((l— convsup)”(2/3))*exp(—alpha_J*(convsup)”2))*(exp(4704/T)/60)*[kl_E k2_E k3_E].2)/(l+54.7)—P_E(i. xH20_B(i):cB(7)/cBtot(i). xN2_B(i):cB(6)/cBtot(i). xO2_E(i):cE(5)/cEtot(i).2)”2— P_E(i.5*(P_E(i.4) ))”2i end alpha_J:52. k2_E:exp(2. xCH4_B(i):cB(4)/cBtot(i). else k3_E:(P_E(i.2)+O.52l*(P_E(i.443/T))*((P_E(i.2)+(exp(— 6.7)/ (l+O.l)))”2.2l6+2488l/T))/P_E(i.2)::O)&(P_E(i. xCO2_B(i):cB(3)/cBtot(i).452+llO97/T))).2)/(P_E(i. if (P_E(i.l)*P_E(i.2)*P_E(i.4)*P_E(i.7*P_E(i.6696+8.2)+l8. xTOT_B(i):xCO_B(i)+xH2_B(i)+xCO2_B(i)+xCH4_B(i)+xO2_B(i)+xN2_B(i)+xH2O iB(i).707*P_E(i. %Fracciones molares en fase emulsion xCO4E(i):cE(l)/cEtot(i). xTOT_E(i):xCO_E(i)+xH2_E(i)+xCO2_E(i)+xCH4_E(i)+xO2_E(i)+xN2_E(i)+xH2O iE(i). %Fase Bubble [atm] P_E(i.
end end %Cinetica de Haslam. %Combustion del char (g—s) agota el char a\° else if f_char:: %Se anulan las reacciones heterogéneas si se rl_E:O. %Condición de no negatividad para el char caud_char(i):O. end %Término de flujo neto suma_parcial:O. r5_CO_E:k5_CO*((cE(l))”2)*cE(5). else r6_CH4_B:r5_CO_B. r8_E:O. end U1 %WGSR r7_B:k7forward*cB(7)*cB(l)—k7reverse/Keq_R7*cB(3)*cB(2). if (cB(4):: ) r6_CH4_B:O.r2_E:rJ_E(2). else r6_CH4_E:r5_CO_E. r5_CO_B:k5_CO*((cB(1))”2)*cB(5). %Agotamiento del char f_char:f_char+A*paso*Rt_Char. %WATER—GAS REACTION r3_E:rJ_E(3). r2_E:O. Bubble r4_H2_B:k4_H2*((cB(2))”2)*cB(5). %Caudal molar de Carbón if f_char>O caud_char(i):f_char. else f_char:O. r3_E:O. if (cE(4):: ) r6_CH4_E:O. end %Fase emulsión r4_H2_E:k4_H2*((cE(2))”2)*cE( ). %Balance de solido Rt_Char:—rl_E—r2_E—r3_E—r8_E. . r7_E:k7forward*cE(7)*cE(l)—k7reverse/Keq_R7*cE(3)*cE(2). %METHANATlON r8_E:a_s*kg*cE(5).
alpha5.cE+v1/2.alpha5.a_s.r7_B.z+paso/2.alpha4.cEtotal:O.net_flow)').umf.alpha4.net_flow)').kBE.umf.alpha7. u2:paso*eval('xx(a_b.alpha4.epsb.alpha6.alpha3.A.alpha5.epsb.net_flow)').rl_E.Z.r6_CH4_B.epsb.al pha6. v3:paso*eval('yy(a_b.z+paso/2.z+paso/2.alpha4.alpha7 .A.alpha7.alpha6.r3_E.A. %condicion de no negatividad e implementacion de RK4 for r:l:7 if cB(r)>O %Únicamente realiza el cálculo de la nueva concentracion si el valor inicial es positivo cB(r):cB(r)+(l/6)*(ul(r)+2*u2(r)+2*u3(r)+u4(r)).cB. for k:l:7 suma_parcial:suma_parcial+(l— epsb)*(epsmf*(alpha4(k)*r4_H2_E+alpha5(k)*r5_CO_E+alpha6(k)*r6_CH4_E+a 103 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante lpha7(k)*r7_E)+(1— epsmf)*(alpha8(k)*r8_E+alphal(k)*rl_E+alpha2(k)*r2_E+alpha3(k)*r3_E)).cE.epsb.A.alpha7.rl_E.alp hal.ub.r5_CO_B.cE+v2/2.cE+v3.z+paso.z+paso. end .net_flow)').epsmf.r7_E.alpha3.alpha7.epsmf.r8_E.A.r5_CO_B.alpha7.rl_E.r5_CO_B.r2_E.alpha8.alpha3.z.cE+vl/2. vl:paso*eval('yy(a_b.kBE.r 6_CH4_E.alpha7.kBE.r2_E .r6_CH4_ E.alpha4.alpha4.cB+u2/2.alpha2.rl_E.r3_E.r4_H2_E.r7_E.alpha6.alpha5.r4_H2_E.r 6_CH4_E. v2:paso*eval('yy(a_b.alpha5.kBE.a_s.kBE.ub.alpha4.alp ha5.r8_E.r5_CO_B.al pha2.r7_E.r4_H2_B.alpha8. u4:paso*eval('xx(a_b.alpha5.epsb.a_s.net_flow)'). v4:paso*eval('yy(a_b.alpha8.alpha6.cB+u3.net_flow)').r6_CH4_E.r7_B.r7_B.kBE.cB+u3. fl_net_porpiso(i.r6_CH4_B.r8_E.r8_E.cB+ul/2.kBE.epsmf.cB+u1/2.umf. cEtotal:cEtotal+cE(k).r5_CO_E.r4_H2_E.r3_E.alpha6.alpha1.r2_E.r5_CO_E.alpha6.:):net_flow.r7_B.net_flow)').cB.ub.alpha4.alpha3 .alp hal.cB+u2/2.epsb.z+paso/2.alpha2.r6_CH4_B.epsmf.net_flow)').r6_CH4_B.alphal.r2_E.r5_CO_E.umf.r4_H2_B.r4_H2_E.alp ha5.cE+v2/2.r3_E.a_s.alpha6.cE+v3. end net_flow:cE/cEtotal*suma_parcial. %Se evalúan las ecuaciones de conservacion para los parámetros %calculados %u para fase bubble %v para fase emulsion ul:paso*eval('xx(a_b.r5_CO_E.ub.r4_H2_B.alpha7. end if cE(r)>O cE(r):cE(r)+(l/6)*(vl(r)+2*v2(r)+2*v3(r)+v4(r)).A.r4_H2_B.cE.A.r7_E.epsb.alpha2.alpha8.A.epsb. u3:paso*eval('xx(a_b.kBE.
gH2_E:[gH2_EO. gCH4_B(i):cB(4). FF(i. %Velocidades de reaccion.r6_CH4_B.:):net_flow.:):epsb*(alpha4*r4_H2_B+alpha5*r5_CO_B+alpha6*r6_CH4_B+alpha7*r7_ B). gCO_E:[gCO_EO. fases bubble y emulsion veloc_reac_B(i. gH2_B:[gH2_BO. gN2_E(i):cE(6).r8_E]. HH(i. gCO_E(i):cE(l). gO2_E(i):cE(5). %Términos de ecuaciones de conservacion AA(i.r4_H2_E. gO2_B(i):cB(5). GG(i. gH2_B(i):cB(2).r7_B].gCO_B]. CC(i. gH20_B(i):cB(7). gCO2 E(i):cE(3).:):ub*epsb. end %Cálculo de la conversion de char por piso y del error asociado conv:(l—caud_char(npisos)/f_charO)/npisos.r5_CO_B. .:):kBE*a_b*(cB—cE).:):[rl_E. %Definición de variables a representar gCO_B:[gCO_BO. BB(i.:):uO—umf.gH2_E].:):kBE*a_b*(cE—cB).:):(l— epsb)*(epsmf*(alpha4*r4_H2_E+alpha5*r5_CO_E+alpha6*r6_CH4_E+alpha7*r7_ E)+(l—epsmf)*(alpha8*r8_E+alphal*rl_E+alpha2*r2_E+alpha3*r3_E)). gH2_E(i):cE(2). 104 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante gCO2_B(i):cB(3).r2_E.r3_E. r7_E. gH2O E(i):cE(7).gH2_B].:):net_flow.gCO_E]. gCH4_E(i):cE(4). EE(i.r5_CO_E.:):[r4_H2_B. gN2_B(i):cB(6). end %Cálculo de la conversion de char total conversion:conv*npisos.% Creacion de vector de concentraciones para ambas fases gCO_B(i):cB(l). DD(i. veloc_reac_E(i. error:(convsup—conv)/convsup.r6_CH4_E.
xN2_B].gH20_B]. xH20:xH20_B*(epsb)+xH20_E*(1—epsb). fH2:[fH2_O. xH20_B:[xH20_BO. xCO:xCO_B*(epsb)+xCO_E*(1—epsb). gO2_E:[gO2_EO. xCO2_B:[xCO2_BO.xCH4_E. xCO:[xCO_B.gO2_B].xCO_E]. xO2_E:[xO2_EO.xO2_E.xCO2_B. xH2:xH2_B*(epsb)+xH2_E*(1—epsb).xCO2_E].xO2_E]. gH20_B:[gH20_BO. xH2:[xH2_B. xCH4_B:[xCH4_BO. xH2_E:[xH2_EO. xCH4:xCH4_B*(epsb)+xCH4_E*(1—epsb).xH2_E.xO2_B. xO2:[xO2_B. xN2_E:[xN2_EO. xCO2:xCO2_B*(epsb)+xCO2_E*(1—epsb). xCO2_E:[xCO2_EO. xO2:xO2_B*(epsb)+xO2_E*(1—epsb).xCH4_B].xCO2_E].xCH4_B.xH2_E].gO2_E].gCO2_E].xH20_B].gN2_E].gCO2_B].xTOT_B]. xTOT_E:[xTOT_EO. gCO2_E:[gCO2_EO.xN2_E].caud_char].xCO2_E. xO2_B:[xO2_BO. xH20_E:[xH20_EO. l l r gCH4_B:[gCH4_BO. gH20_E:[gH20_EO. xEmulsion:[xCO_E.xTOT_E]. fH2_O:fH2_BO+fH2_EO.gH20_E]. xCH4_E:[xCH4_EO. xBubble:[xCO_B.fCO_E+fCO>B]. xTOT_B:[xTOT_BO.gCH4_B gCH4_E:[gCH4_EO.xCO2_B]. 105 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante xCO_E:[xCO_EO. r xCO_B:[xCO_BO.xN2_B. . xN2_B:[xN2_BO.xTOT_B]. xH20:[xH20_B.xO2_E]. xTOT:[xTOT_B.fH2_E+fH2_B].xO2_B].xCO_E].gCO2_B:[gCO2_BO.xCO_B]. xN2:[xN2_B.xH2_B.xCH4_E].xN2_E. xH2_B:[xH2_BO.xH20_E.xH20_E].xCH4_E]. xN2:xN2_B*(epsb)+xN2_E*(1—epsb).xTOT_E].xTOT_E]. fCO:[fCO_O.xH20_E]. xCO2:[xCO2_B.xN2_E]. fchar:[f_charO.xH2_E]. gN2_B:[gN2_BO.gN2_B].gCH4_E gO2_B:[gO2_BO.xH20_B. gN2_E:[gN2_EO. fCO_O:fCO_BO+fCO_EO.xH2_B]. xCH4:[xCH4_B.
fTOT_E+fTOT_B]. fO2_O:fO2_BO+fO2_EO. fCH4:[fCH4_O.7 d mm 1. fCH4_O:fCH4_BO+fCH4_EO. fCO2:[fCO2_O.3 Condiciones experimentales de los modelos de Yan y Avdhesh Lecho ﬂuidizado burbujeante Proceso Winkler Com "ción Carbón rafito Biomasa C5Hg_4O3_5. fTOT: [ÍTOT_O.680 CO CO2 H2 CH4 N2 O2 Conversión de char % Composición 107 .25 330 nd 3000 D m 3. fH20_O:fH20_BO+fH20_EO.1030 580 . fTOT_O:fTOT_BO+fTOT_EO. fN2_O:fN2_BO+fN2_EO.fN2_E+fN2_B]. fH20:[fH20_O. fO2:[fO2_O. HR % 4.fCH4_E+fCH4_B].67 16 I C°mb“S“be Volátiles % 3o 80 Cenizas % 4. madera .fH20_E+fH20_B].55 Ti V deA ua Steam +02 Aire Tipo de proceso de gasificación Downdraft Agente gashﬁcante Ratio v r/O2=1-3.9 H m 5. 106 Simulación de gasiﬁcación de biomasa en lecho ﬂuidizado burbuj eante 10.67 0.fO2_E+fO2_B]. fN2:[fN2_O.85 0.7 aire/combustible ER =0.45 Estado de 7_1 2 _ ﬂuidización x Condiciones P bar 1 1 de operación T 9C 730 .fCO2_E+fCO2_B].fCO2_O:fCO2_BO+fCO2_EO.
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