GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO

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1 PROYECTO FIN DE CARRERA GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO AUTORA: ELISA LÓPEZ GARCÍA TUTORES: ALBERTO GÓMEZ BAREA SUSANNA NILSSON ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS (UNIVERSIDAD DE SEVILLA) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL JULIO 2013

2 INDICE INDICE CAPÍTULO 1. Introducción Antecedentes Gasificación de char Objetivo Resumen capitular...17 CAPÍTULO 2. Fundamentos experimentales Descripción de la planta Sistema de alimentación y acondicionamiento de gases Bomba peristáltica Horno eléctrico de vapor Suministro de gases Manorreductor de aire Línea de calentamiento Sistema de aire secundario Reactor de lecho fluidizado Horno y sistema de control Reactor Sistema de alimentación de sólido Sistema de alimentación discontinuo Sistema de alimentación continuo Sistema de limpieza de gases de salida Ciclón Depósito antiretorno Borboteadores Refrigerante de reflujo Filtro 36 1

3 GASIFICACION DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 1.5. Sistema de análisis y adquisición de datos Analizador de gases Cromatógrafo Sistema de adquisición de datos Línea de muestreo de alquitranes Sonda de muestreo Tren de borboteadores Baño térmico Equipos auxiliares Medidores de caudal Medidores de temperatura Medidores de presión Tipos de experimentos Experimentos in-situ Experimentos ex-situ Material utilizado Combustible Inerte Procesamiento y tratamiento de datos Obtención de datos Tratamiento de datos Hoja del ensayo Hoja de balance Hoja de gasificación 54 2

4 INDICE 5. Protocolo de operación Pasos previos Etapa de pirólisis Etapa de gasificación Etapa de combustión Enfriamiento de la planta...60 CAPÍTULO 3. Resultados experimentales Introducción Efecto del método de preparación del char Efecto del tamaño de partícula CO Vapor Efecto de la temperatura Efecto del método porcentaje de agente gasificante CAPÍTULO 4. Obtención de la cinética Determinación de r x Determinación de F(x).78 CAPÍTULO 5. Conclusiones...81 BIBLIOGRAFÍA.83 3

5 RESUMEN El presente proyecto estudia la gasificación del char de lodo de depuradora seco usando CO 2 y vapor en un reactor de lecho fluidizado a escala de laboratorio. Se hace una descripción detallada del aparato experimental y el procedimiento y después se presentan los resultados obtenidos. En primer lugar, se estudió el efecto del metodo de preparación del char. Este factor tiene una gran influencia y el metodo in-situ es el más adecuado. Se llevaron a cabo pruebas a tres temperaturas diferentes entre 800 y 900 ºC y a tres concentraciones distintas de reactivo: 10, 20 y 30 %. Con estos experimentos se obtuvieron las expresiones cinéticas y se demostró que la reactividad con vapor de agua es aproximadamente tres veces mayor que con CO 2 a cualquier temperatura. Además se estudió el efecto del tamaño de la partícula de char y se demostró que para partículas de más de 1,2 mm, el tamaño de partícula afecta a la reactividad para la gasificación con vapor a 900 ºC. 5

6 ABSTRACT This proyect studies the gasification of char from dried sewage sludge with CO 2 and steam in a laboratory fluidized bed reactor. Experimental apparatus and procedure are detailed. In addition, experimental results are shown. First, the method of char preparation was studied. This factor has a great influence on reactivity and the in-situ generation is the most adequated method. Tests were carried out at three differents temperatures in the range of ºC and using volume fractions of CO 2 and steam in the fluidizing gas of 10, 20 and 30 %. With these tests, kinetics expressions were obteined and the reactivity with steam was almost three times faster than with CO 2 at all temperatures. In addition, the effect of char particle size was studied and particle size greater than 1,2 mm has a influence on the reactivity with steam above 850 ºC. 6

7 CAPITULO I INTRODUCCION CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 7

8 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes El recurso energético conocido como biomasa comprende a cualquier tipo de materia orgánica que haya tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico. El concepto de biomasa comprende tanto a los productos de origen vegetal como a los de origen animal. La biomasa tiene carácter de energía renovable ya que su contenido energético procede en última instancia de la energía solar fijada por los vegetales en el proceso fotosintético. En la actualidad existe gran interés en la generación de energía a partir de fuentes renovables para reducir tanto la emisión de gases de efecto invernadero como el consumo de combustibles fósiles. Entre estas fuentes, la biomasa y el lodo de depuradora son considerados buenos candidatos; de hecho, se calcula que la biomasa para el año 2020 podría suministrar hasta un 10,6% de la energía global. En el caso del lodo de depuradora, su utilización se está viendo incrementada debido a la introducción de una legislación europea que prohíbe el vertido de lodos al mar. El uso de la biomasa puede llevarse a cabo gracias a sus procesos de conversión termoquímicos, y entre ellos, los más favorables son la pirólisis y la gasificación. La gasificación de la biomasa comienza con la devolatilización, que produce principalmente char compuesto de carbono y cenizas. Entre las energías renovables, se espera que la biomasa sea una de las más importantes en un futuro cercano. Actualmente, la energía que procede de ella representa un 14% de la energía de consumo final en el mundo; una cifra mas elevado que la del carbón (12%) y comparable a la del gas (15%) y la electricidad (14%). Atendiendo al origen de la biomasa se puede hacer la siguiente clasificación: 8

9 CAPITULO I INTRODUCCION - Biomasa natural: es la producida en la naturaleza sin ningún tipo de intervención humana. Constituye la base del consumo energético en países en vía de desarrollo y a medida que aumenta la población y la demanda energética, mayor es la presión que se ejerce sobre los ecosistemas naturales, llegando a ocasiones de sobreconsumo, lo que produce zonas de desertización. - Biomasa residual: es la procedente del desarrollo de distintas actividades como agrícola (restos de cosechas y los residuos procedentes de las mismas, así como las industria procesadora de productos agrícolas), ganadera (deposiciones, deshechos, despojos, etc), forestales (restos procedentes de la primera - trabajos forestales - y segunda transformación de la madera industrias) y fracción biodegradable de los residuos municipales. - Cultivos energéticos: son aquellos cultivos cuyo único fin es la de producción de biomasa con fines energéticos. El presente proyecto se centra en la biomasa residual procedente de las aguas residuales urbanas. El lodo de depuradora es el residuo producido durante el proceso de tratamiento de aguas residuales, durante el cual sólidos y líquidos son separados. Este residuo es normalmente líquido o líquido semisólido cuya concentración es 0,25 12 % de sólidos. La fracción de sólidos varía dependiendo de los diferentes métodos de tratamiento del efluente. Para poder utilizarlo, el lodo debe ser previamente deshidratado y secado. Los métodos más comunes de tratamiento y/o eliminación del lodo son los vertederos, utilización en las tierras de cultivos y la incineración, métodos que conllevan bastantes inconvenientes. Por lo tanto, es importante desarrollar ciertas tecnologías que reduzcan los problemas ambientales y económicos asociados a dicho residuo. La gasificación es una adecuada tecnología, ya que permite aprovechar energéticamente el residuo. 9

10 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO El proceso de gasificación se define como el tratamiento termoquímico en el que se produce un gas a partir de un combustible sólido. Este proceso ha sido usado durante muchos años con carbón para la producción de gas ciudad y en la industria petroquímica. La gasificación ideal es aquella en la que todo el carbono se transforma en monóxido de carbono; esto, en general, no ocurre debido a que una parte del carbono se transforma en dióxido de carbono y una pequeña parte del combustible inicial permanece como sólido. El gas obtenido contiene principalmente CO y H 2 y puede ser utilizado en calderas de carbón pulverizado para su combustión directa o, si el gas es limpiado correctamente, en motores de combustión interna y turbinas de gas, además de cómo gas de síntesis para la obtención de combustibles y otros productos químicos. El proceso de la gasificación puede resumirse en una secuencia de etapas: Secado: consiste en la evaporación del agua contenida en la biomasa; en esta etapa se absorbe el calor sensible para elevar la temperatura además del necesario para la evaporación del agua. Pirólisis primaria o devolatilización inicial: es la descomposición térmica de la biomasa. Se forman char y volátiles; los volátiles pueden ser: Gases no condensables: CO 2, CO, H 2, CH 4, C 2 H 6 y pequeñas cantidades de hidrocarburos ligeros. Gases condensables: alquitrán Agua. Los gases ligeros y el alquitrán representa el % de la masa total, sólo el % es char. La producción de char se ve influenciada por las velocidades de calentamiento y por las reacciones secundarias de los volátiles dentro de la partícula. Por tanto, la temperatura y el tamaño de partícula afectan a la producción de char. 10

11 CAPITULO I INTRODUCCION Oxidación de volátiles y del char: Se trata de una combustión parcial en la cual el oxígeno introducido es consumido principalmente por los volátiles que se han formado durante la pirolisis, sobre todo, CO y H2, y también una parte por el char. La oxidación de los volátiles es más rápida que la del char. Estas reacciones son exotérmicas y proporcionan la energía necesaria para el secado, la pirolisis y las reacciones de gasificación y reformado. La cantidad de oxígeno añadido al reactor depende de la tecnología utilizada, pero en el caso de la gasificación directa suele estar entre el 15 y el 40% del oxígeno teórico necesario para la combustión completa. Se producen las siguientes reacciones: - Oxidación del CO: CO + ½ O 2 CO 2 ΔH = -283 kj/mol - Oxidación del H 2 : H 2 + ½ O 2 H 2 O ΔH = -242 kj/mol - Oxidación del CH 4 : CH O 2 CO H 2 O ΔH = -283 kj/mol - Oxidación del char: C + O 2 CO 2 ΔH = -390 kj/mol Hay una última reacción que es poco importante en el balance energético, pero es fundamental en el balance másico, ya que la constante de equilibrio de esta reacción determinará la composición del gas. Se trata de la reacción water-gas shift: CO + H 2 O CO 2 + H 2 ΔH = -41 kj/mol Para favorecer la descomposición del vapor de agua se debe operar a altas temperaturas (900 ºC). Gasificación del char: Consiste en la reacción del char con el agente gasificador que suele ser dióxido de carbono o vapor de agua. Durante esta etapa se aprovecha el calor sensible de los gases y del propio char para dar lugar a las reacciones de gasificación heterogéneas, que son endotérmicas. Dichas reacciones son las siguientes: - Reacción de Boudouard: C + CO 2 2 CO ΔH = +173 kj/mol - Gasificación con vapor: C + H 2 O CO + H 2 ΔH = +131 kj/mol 11

12 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO - Reacción de metanación: C + 2 H 2 CH 4 ΔH = -75 kj/mol Esta última reacción resulta significativa en procesos a alta presión. Adicionalmente también existen reacciones de conversión de alquitranes: - Oxidación parcial: C n H m + (n/2) O 2 n CO + m/2 H 2 - Reformado con CO 2 : C n H m + n CO 2 (m/2) H 2 + (2n) CO 2 - Reformado con vapor: C n H m + n H 2 O (m/2+n) H 2 + n CO 2 - Hidrogenación: C n H m + (2n-m/2) H 2 n CH 4 - Cracking térmico: C n H m (m/4) CH 4 + (n-m/4) C Si el gasificador utilizado se trata de un reactor de lecho fluidizado, todas las etapas descritas anteriormente se producen en el mismo espacio del reactor. Al utilizar aire como agente gasificante, se aporta el oxígeno necesario para llevar a cabo la operación autotérmica, sin embargo, al llevar nitrógeno se diluye el gas de salida, disminuyendo su poder calorífico ( 4-6 MJ/Nm 3 ) y la eficiencia global del proceso. El problema de la dilución se puede solucionar utilizando oxígeno puro, pero encarece el proceso por necesitar una separación mediante destilación o adsorción. La gasificación con aire es la más común debido a su sencillez y a su bajo precio. Si el agente utilizado es vapor se genera un gas de medio poder calorífico (10-14 MJ/Nm 3 ). Presenta como ventajas su reactividad y ser más barato que el oxígeno. El hidrógeno es el agente inhibidor de la reacción. Por el contrario, es necesario aportar calor de forma indirecta. Este calor se puede obtener por dos caminos: - Mezcla de vapor y oxígeno, usando este último gas para realizar la combustión parcial de biomasa. Presenta como ventajas el alto contenido en hidrógeno y la obtención del gas sin diluir. Sin embargo, se presenta de nuevo el problema de obtener oxígeno de alta pureza. 12

13 CAPITULO I INTRODUCCION - Gasificación indirecta: separación del proceso de combustión del char con aire y la gasificación de la biomasa con vapor. El proceso de gasificación con CO 2 se trata de un proceso menos reactivo que en el caso del vapor. El CO 2 suele producirse durante la pirolisis previa que sufre el combustible antes de la gasificación. Este compuesto favorece la reacción de Boudouard por lo que se obtiene una corriente de salida rica en CO, sin embargo, esta reacción es fuertemente endotérmica por lo que se necesita un aporte de calor. Uno de los principales problemas que se presentan en la gasificación es el alquitrán. El alquitrán engloba un gran número de especies de hidrocarburos, normalmente más pesados que el benceno, cuyas propiedades son muy distintas entre ellos. La composición y cantidad del alquitrán obtenido está afectado por varios factores: temperatura y tiempo de la partícula y del gas, punto de alimentación en los gasificadores de lecho fluido, circulación en los lechos fluidos, propiedades del lecho, tamaño de partícula, atmósfera gaseosa y geometría del lecho. Si se requiere un enfriamiento del gas, produce un impacto negativo en los equipos situados aguas abajo del proceso de gasificación ya que condensan, causando ensuciamiento y corrosión. Por tanto, si es necesaria una limpieza del gas, ésta afecta a la economía del proceso de gasificación. Para eliminar los alquitranes pueden utilizarse varias posibilidades: conversión mediante reformado/craqueo a gas aprovechando de esta forma su energía y eliminación de la corriente gaseosa mediante un lavado scrubber. Las técnicas de reformado/craqueo se llaman medidas primarias si se realizan en el propio gasificador o secundarias si se llevan a cabo aguas abajo. Las medidas primarias son más económicas aunque aún están en desarrollo. Estas medidas son principalmente: la adecuada selección de las condiciones de operación del gasificador, el uso de aditivos en el lecho y un diseño adecuado del reactor. 13

14 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Tipos de gasificadores Los gasificadores pueden clasificarse en función del tipo de contacto como lecho fijo, lecho fluidizado o de arrastre. El reactor en el que se centra el presente proyecto es un gasificador de lecho fluidizado. En estos gasificadores, el agente fluidizante circula por el interior a una velocidad ascensional tal que un lecho de sólido inerte, que se añade a su interior, se encuentra en un estado de fluidización, existiendo en el interior del gasificador una retromezcla que favorece la transferencia de materia y energía entre el combustible y el gas. Exige un tamaño de partículas fino, por lo que en muchas ocasiones se requiere una molienda del material con su correspondiente coste. Existen dos categorías de gasificadores de lecho fluidizado: de arrastre y de circulación de los sólidos. En los circulantes la velocidad del gas es mucho más elevada para producir la circulación del sólido. Mientras que en los burbujeantes la velocidad es de 0,5-2 m/s, en los circulantes esta cifra sube hasta el rango de 2-5 m/s. Las principales ventajas de los lechos fluidizados son su excelente control de la temperatura y las velocidades de reacción, su alta capacidad específica, un buen potencial de escalado a mayores tamaños y capacidad de adaptación a cambios de biomasa. La principal desventaja es la gran cantidad de impurezas que lleva el gas de salida. Hay que evitar altas temperaturas en el lecho para no tener problemas de aglomeración, pero sin disminuirlas demasiado porque, además de la perdida de eficiencia, se pueden producir alquitranes en exceso haciendo el proceso inviable. Otra de sus desventajas es que exige un tamaño de partículas más fino que el gasificador de lecho fijo, por lo que en muchas ocasiones se requiere una molienda del material con su correspondiente coste. 14

15 CAPITULO I INTRODUCCION Figura 1.1. Reactor de lecho fluidizado Según las actuales publicaciones, todo apunta a que el reactor de lecho fluidizado será el más usado en procesos de gasificación de biomasa y residuos a nivel de media y gran escala. Existen otras clasificaciones para definir un reactor, en función de: tipo de agente gasificante, presión de trabajo y forma de aportar el calor al reactor. Según su presión se puede trabajar a presión atmosférica o por encima de ésta. Al trabajar a presión se reduce el tamaño del reactor, pero la compresión conlleva un mayor gasto energético. La forma de aportar calor al reactor conlleva dos grupos de gasificadores: directos e indirectos. Los de tipo directo son aquellos en los que el calor necesario se consigue por combustión parcial de parte de la biomasa. En los de tipo indirecto el calor se suministra desde una fuente exterior al reactor o mediante recirculación de material del lecho. 15

16 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 1.2. Gasificación del char. Sobre la gasificación de char hay numerosos trabajos publicados, en especial para carbón y biomasa. En cambio, en el caso de la gasificación de char procedente de residuos y deshechos, los trabajos existentes son muchos menos, y de ellos, sólo unos pocos se refieren al char procedente del lodo de depuradora. El char que procede de la devolatilización del lodo de depuradora tiene un alto contenido en cenizas, lo que le da un poder calorífico inferior al del char procedente del carbón. Esta ceniza contiene grandes cantidades de especies metálicas, tales como, el hierro, y suele ir asociado con la alta reactividad de estos char en comparación con los del carbón. Además, los chars de biomasa y residuos tienen una superficie interna mayor que los del carbón, debido al alto contenido en volátiles de la materia prima. Todo ello hace que el lodo de depuradora sea muy reactivo durante la gasificación con CO 2. El método de generación y preparación del char influye en su reactividad. La distribución de los poros y la superficie interna afectan mucho a la reactividad del char, y en el caso de combustibles con alto contenido en volátiles, como el lodo de depuradora, la estructura del char esta fuertemente relacionada con las condiciones de la devolatilización. La velocidad de reacción varía con la conversión debido a variaciones de la superficie interna y actividad catalítica de especies inorgánicas. Los parámetros que más afectan al char resultante son la temperatura de la devolatilización y la velocidad de calentamiento de las partículas en el reactor. Estos parámetros afectan a la proporción de los compuestos obtenidos en la pirólisis. A altas velocidades de calentamiento y alta temperatura final, se produce mayoritariamente gases y disminuye la proporción de sólidos y alquitranes. La composición del gas no es un factor demasiado importante ya que durante la pirolisis, la salida del gas de devolatilización de la partícula impide el contacto partícula-gas. 16

17 CAPITULO I INTRODUCCION 1.3. Objetivo El objetivo del presente proyecto es la obtención de la reactividad de la gasificación del lodo de depuradora utilizando vapor y CO 2 como agentes gasificantes en un reactor de lecho fluidizado a escala de planta piloto. Para ello se estudia el efecto de la temperatura y de la presión parcial del agente gasificante en el gas alimentado, que son mezclas de nitrógeno-co 2 y nitrógeno-vapor por separado. Además, se comparan los resultados obtenidos con ambos reactivos. También se analiza la influencia del método de preparación del char en los resultados obtenidos, según el char haya sido obtenido en el reactor de lecho fluidizado justo antes de la medida de la reactividad o en una experiencia previa, y del tamaño de partícula utilizado. Debido a que a la hora de diseñar un reactor, la cinética de gasificación es importante por ser estas reacciones mucho más lentas que las de devolatilización, son obtenidos los parámetros cinéticos y la expresión cinética en función de la temperatura, la concentración del CO 2 y vapor y del grado de conversión Resumen capitular En el capítulo dos, se presenta la parte experimental del proyecto. En ella se describe la planta piloto de laboratorio utilizada en el proyecto, presentando todos los equipos y componentes que la conforman. También se explican los tipos de experimentos que se llevan a cabo así como los materiales utilizados (lodo e inerte) y el protocolo de operación. El procesamiento y el tratamiento de datos también están incluidos en dicho capítulo, detallando la hoja de Excel utilizada para dicho proceso. Se incluye un protocolo de operación a seguir para realizar las experiencias en la planta piloto. El capítulo tres se presentan los resultados obtenidos en los experimentos realizados. Se introduce el capítulo con los parámetros más destacados del proceso. Se analiza el efecto de la preparación del char (in-situ o ex-situ), el tamaño de las partículas de lodo, 17

18 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO la temperatura de gasificación y la presión parcial de agente gasificante tanto para CO 2 como para vapor, además de la comparación entre ambos. El capítulo cuatro consiste en la explicación del proceso de obtención de los parámetros y el modelo cinético de la gasificación del lodo para ambos agentes gasificantes utilizados. 18

19 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES 19

20 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 2. FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES 2.1. Descripción de la planta La instalación utilizada se encuentra situada en el edificio de Talleres de Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla, en la planta baja de los laboratorios L5. La figura 2.1 muestra un esquema del sistema. Figura 2.1. Esquema de la planta Las características de la planta se recogen en la tabla 2.1: Capacidad Kg/h Gases entrada Aire Nitrógeno Dióxido de carbono Vapor Temperatura Hasta 1000 ºC Tabla 2.1. Características de la planta 20

21 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES La instalación se puede dividir en las siguientes partes: 1. Sistema de alimentación y acondicionamiento de gases 2. Sistema de alimentación de sólidos 3. Reactor de lecho fluido 4. Sistema de limpieza de gases de salida 5. Sistema de análisis y toma de datos 6. Línea de muestreo 7. Equipos auxiliares Sistema de alimentación y acondicionamiento de gases. Los gases de entrada son aire, vapor, dióxido de carbono y nitrógeno. El aire viene de una línea de aire comprimido; para suministrar el vapor es necesaria una bomba peristáltica para introducir agua y un horno para producir el cambio de fase de agua a vapor; los otros gases son suministrados mediante sistema de bombona. También se posee una línea de calentamiento de dichos gases Bomba peristáltica La función de la bomba peristáltica es la de suministrar el caudal de agua líquida necesaria para la gasificación con vapor. Se trata del modelo D-25V de la marca Dinko. Su velocidad se regula mediante un sistema de control escalado entre 1 y 99%. El caudal aportado por la bomba puede ser modificado según el tubo colocado. También consta de un mando para elegir la dirección del flujo. La figura 2.2 muestra como según el grosor del tubo colocado en la bomba, obtenemos caudales distintos. 21

22 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 12 y = 0,3399x - 5, Qagua ml/min y = 0,09x - 1,3833 1,6 mm 5 mm Lineal (1,6 mm) Lineal (5 mm) Velocidad de giro% Figura 2.2. Curva calibración bomba peristáltica Antes de comenzar a utilizar la bomba, el primer paso es obtener su curva de calibración con un ajuste lineal Horno eléctrico de vapor La misión del horno eléctrico es la evaporación del agua introducida por la bomba peristáltica. Se trata de un horno tubular de 660 mm de la marca Carbolite. Es capaz de dar una temperatura hasta 1000 ºC. Su potencia máxima es 3000 W y la longitud de la zona calefactada es 550 mm. La imagen 2.1 muestra el horno tal y como se encuentra en la planta. 22

23 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Imagen 2.1. Horno eléctrico de vapor Suministro de gases. Los gases nitrógeno y dióxido de carbono se suministran en forma de botellas individuales. El consumo de nitrógeno es mucho mayor por lo que se dispone de 2 botellas en una instalación de la marca air liquide con un manoreductor en 3 etapas, para bajar la presión hasta 4 bar. El caudal máximo que puede suministrar el manoreductor es 50 Nm 3 /h. La figura 2.2. muestra dicho manoreductor en 3 etapas. La botella de dióxido de carbono también dispone de un manoreductor para bajar la presión de la botella hasta 3 bar. 23

24 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Imagen 2.2. Manoreductor en 3 etapas de nitrógeno Las características de las botellas se recogen en la tabla 2.2. GAS NITRÓGENO CO 2 CONTENIDO DE LA BOTELLA TAMAÑO ESTÁNDAR PRESIÓN A 15 ºC (bares) N 2 industrial, Pureza del 99,5% B CO 2, impurezas: O 2 <10ppm C n H m <5ppm B-50 49,5 H 2 O<10ppm Tabla 2.2. Características gases de entrada Manoreductor de aire El aire se obtiene de la línea de aire de alta presión disponible en los laboratorios de la Escuela Superior de Ingenieros. 24

25 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Esta línea esta a 6 bar y es necesario bajar esta presión a la presión de trabajo, que es de 1,3 bar. Esto se consigue mediante un manoreductor de la marca Joucomatic, modelo modulor 112 que regula la presión. Posee un filtro previo para retener el agua que pueda llevar el aire de la línea. Imagen 2.3. Manoreductor de aire Línea de calentamiento El sistema de calentamiento de los gases de reacción consiste en unos cables calefactores que se encuentran a lo largo de la línea que va desde la entrada de los gases hasta la entrada al reactor. También se encuentran cables calefactores a la salida del reactor para evitar que condensen los alquitranes. Estos cables son de la marca AKO electrónica y tienen distinta potencia (170, 500 y 850 W) según la longitud del mismo (1, 3 y 5 m). 25

26 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Para controlar la temperatura se conecta el cable calefactor a un PID en el que la temperatura de consigna es 300 ºC tanto para la línea de entrada como para la de salida Sistema de aire secundario Además de la entrada principal de gases por la zona inferior del reactor, hay tres entradas secundarias que desembocan en el freeboard. El propósito de estas entradas es introducir aire para producir el abatimiento de los alquitranes formados mediante la combustión o craqueo. El aire que circula por estas entradas, procede de la misma línea que el principal, el cual se divide tras su paso por el manoreductor Reactor de lecho fluidizado Horno y sistema de control La función del horno es calefactar al reactor alojado en su interior, para que se den las reacciones, y controlar la temperatura del sistema. Su potencia es de 10 kw y esta repartida en varias resistencias agrupadas en dos zonas que corresponden al lecho y al freeboard, capaces de elevar la temperatura hasta 1000 ºC. Es un horno de tipo tubular de la marca Termolab y sus dimensiones se recogen en la tabla 3. Diámetro 90 mm Longitud de la zona calefactada 650 mm Resistencias 12 Voltaje 400 V / 50 Hz Tabla 2.3. Dimensiones horno 26

27 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES El control de la temperatura del horno se realiza con un cuadro eléctrico en el que hay 4 PID: dos de ellos tienen función reguladora y los otros dos tienen función de alarma. Los PID controladores estan conectados a 2 termopares tipo K, uno esta introducido en el lecho y el otro en el freeboard. Su misión es mantener la temperatura establecida con el set point., abriendo y cerrando el circuito eléctrico asociado a las resistencias del horno. Los PID de alarma también van asociados a dos termopares tipo K y su función es desconectar el circuito en caso de que se alcance a la temperatura límite fijada Reactor El reactor se compone de las siguientes partes: la zona de precalentamiento, el plato distribuidor, el lecho fluido, el freeboard y el sistema de descarga de cenizas. Imagen 2.4. Reactor de lecho fluidizado 27

28 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 1. Zona de precalentamiento Se trata de un cilindro colocado justo antes de la zona de reaccion, tiene un diámetro de 31 mm y esta lleno de piedras. Su función es homogeneizar el gas y aumentar la temperatura de entrada. Su longitud es 123 mm y está unida al reactor mediante una brida con tornillos para facilitar su desmonte. 2. Plato distribuidor El plato distribuidor consiste en una placa de acero de 4 mm que tiene 21 agujeros de 0,75 mm de diámetro. Su misión es conseguir un flujo de gas homogéneo y bien distribuido. Va unido al reactor y al precalentador mediante tornillos, para poder desmontar y limpiar con aire, evitando atascos en los agujeros que afectan a la operación. En cada unión se colocan juntas de alta temperatura. 3. Zona de reacción En esta zona es donde se encuentra el lecho fluidizado y es donde tienen lugar las reacciones. Se trata de un cilindro de 53 mm de diámetro y 200 mm de altura. 4. Freeboard Comienza al final de la zona de reacción donde el diámetro de la sección aumenta hasta 81 mm. Su misión es disminuir la velocidad de los gases para evitar que las partículas salgan del lecho por la salida del gas. En el freeboard también se pueden dar reacciones secundarias y a él desembocan las entradas de aire secundaria destinadas al abatimiento de alquitranes. 28

29 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Esta sección tiene una altura de 162 mm y de él parte el tubo de salida de gases. 5. Sistema de descarga de cenizas Se trata de dos tornillos que regulan la apertura y cierre de dos semiconos sobre un rebosadero interior. La cenizas caen a un tubo de acero de media pulgada que desemboca en un recipiente también de acero donde se recogen dichas cenizas. Este recipiente es desmontable para poder proceder a su vaciado, y éste puede hacerse incluso durante una prueba en continuo. Está conectado por un tubo al reactor para que pase el gas y arrastre los sólidos. Imagen 2.5. Sistema de descarga de cenizas 29

30 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Sistema de alimentación de sólido La biomasa sólida puede introducirse por dos sistemas distintos según el tipo de prueba realizada: prueba continua o prueba discontinua Sistema de alimentación discontinuo. Cuando se realiza una prueba en discontinuo la biomasa se introduce por la parte superior del reactor. Se trata de una tolva de alimentación en acero 316L con una entrada roscada. Una vez introducida la biomasa en ella, se procede a abrir la válvula de bola que hay a continuación, pasando el sólido a una segunda tolva cerrada por otra válvula de bola. Cuando la biomasa se encuentra en la segunda tolva el conjunto es estanco y sin riesgo de fugas. Para proceder a la alimentación al reactor, sólo hay que abrir la segunda válvula y todo el sólido caerá por gravedad. Todo este sistema de alimentación está unido al reactor por una brida que permite su desmonte y limpieza en caso de atasco Sistema de alimentación continuo El alimentador continuo es un complejo sistema formado por una tolva, un tornillo de dosificación y un tornillo de paso rápido. Ambos tornillos controlados por un cuadro eléctrico independiente. La tolva de alimentación tiene una capacidad de 25 litros y está cerrada por su parte superior por una placa de metacrilato desmontable para su carga que evita la entrada de aire en el sistema. Esta tolva esta sustentada en una estructura metálica de cuatro patas con ruedas que permite mover la tolva y conectarla al sistema. En la parte inferior de la tolva se encuentra el tornillo dosificador, que consisten en un eje de 693 mm de largo y 50 mm de diámetro con unos álabes que van cambiando 30

31 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES su inclinación para ir aumentando la velocidad de paso. El giro del eje lo produce un motor eléctrico que está unido a la misma estructura metálica de la tolva. Imagen 2.6. Alimentador en continuo El caudal de sólido se introduce en el reactor por el tornillo de paso rápido, el cual entra hasta el propio lecho. Se trata de una hélice de 834 mm, con un diámetro de 35 mm y un paso de 50 mm. Es necesario que el caudal de sólido sea introducido lo más rápido posible debido a las altas temperaturas, ya que puede reaccionar en el tornillo o pegarse a la pared de éste. Al igual que el tornillo dosificador, el de paso rápido lleva asociado un motor eléctrico responsable de su movimiento. Tanto el motor del tornillo dosificador como el del tornillo de paso rápido, están controlados por variadores de frecuencia que se encuentran en un cuadro eléctrico, encargados de regular la velocidad de giro de ambos tornillos. Experiencias realizadas han dado como resultado que el caudal de sólido introducido en el reactor, sólo depende de la frecuencia de giro del tornillo de paso rápido y no del dosificador. 31

32 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Imagen 2.7. Cuadro de control de alimentador continuo Sistema de limpieza de gases de salida El gas obtenido no puede ser expulsado ni analizado en las condiciones en que sale del reactor ya que lleva partículas, alquitranes, humedad entre otros. Éste gas hay que limpiarlo para poderlo introducir en el analizador ya que éste requiere un gas limpio sin humedad. Para eliminar las impurezas citadas anteriormente se posee un sistema de acondicionamiento formado por un ciclón, un depósito antiretorno, dos borboteadores, un refrigerante de reflujo y un filtro. Todo el sistema tiene que estar calefactado y calurifugado para evitar que se condensen alquitranes en la línea. 32

33 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Ciclón A la salida del reactor, el primer equipo por el que pasa el gas es un ciclón encargado de retener las posibles partículas que salen del reactor. Estas partículas pueden ser tanto lecho arrastrado por el gas como char y cenizas de la biomasa. El ciclón está construido en acero AISI-316 y tiene una longitud de 115 mm. Está unido a un depósito en el que se recogen las partículas. Ambos equipos tienen entre ellos una válvula de bola para el paso de las partículas del ciclón al depósito y poder vaciar dicho depósito durante una prueba. Tras el ciclón la línea se divide en dos: línea de limpieza y línea de muestreo. El resto de equipos que se definen pertenecen a la de acondicionamiento y limpieza de gases. La línea de muestreo se detallará más adelante. Imagen 2.8. Ciclón Depósito antiretorno Tras el ciclón se encuentra un depósito cilíndrico de acero AISI-316 cuya finalidad no es la depuración del gas, sino la de seguridad. Evita en caso de 33

34 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO sobrepresión en la línea de salida, el retroceso de aceites de los borboteadores y demás líquidos y su posible llegada al reactor. Imagen 2.9. Depósito antiretorno Borboteadores Justo después del depósito antiretorno, están dos borboteadores de aceite de girasol cuyo objetivo es la eliminación de alquitranes del gas de salida. El alquitrán se retiene en el aceite, separándose del resto de componentes del gas. El gas se introduce por la parte superior mediante un tubo de acero que llega hasta el fondo del borboteador, terminado en unos orificios para favorecer la distribución del gas y mejorar la retención del alquitrán en el aceite. El gas limpio sale por la parte superior hasta el siguiente borboteador o al siguiente sistema de limpieza. Ambos borboteadores son idénticos salvo por un detalle, el primero de ellos posee un sistema de refrigeración que consiste en un serpentín por el que circula agua. Dicha agua se encuentra en un depósito y es impulsada por una bomba que esta sumergida. 34

35 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Imagen Borboteadotes de aceite Refrigerante de reflujo El objetivo de este equipo es eliminar los posibles alquitranes que hayan podido quedar tras los borboteadores y retener el agua que lleve el gas, debido a las especificaciones del analizador. Se trata de una columna de 60 cm de altura en cuyo interior hay un serpentín por donde circula un líquido refrigerante a -20 ºC que se ha enfriado en un baño térmico. El gas entra por la parte inferior de la columna y sale por la parte superior. La humedad y el alquitrán contenidos en el gas condensan dentro de la columna debido al enfriamiento del gas y se recogen en un matraz. El matraz es desmontable para proceder a la recogida de los condensados. 35

36 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Filtro Tras el refrigerante de reflujo, la línea de gas de salida se divide en dos corrientes, una de ellas va directamente a la calle y la otra es tratada en el analizador. Esta última corriente es la que pasa por el filtro antes de ser analizada. El paso por el filtro consiste en una primera limpieza adicional con objetivo de proteger el analizador. El caudal de gas que va al analizador es de 3,5-4 Nl/min. Los filtros se encargan principalmente de recoger la partículas, aunque también retienen algo de humedad y alquitrán. El material del que están constituidos los filtros es microfibra de vidrio y pertenecen a la marca Whatman. Pueden soportar hasta 500 ºC. Su longitud es de 90 mm y su diámetro de 19 mm. Están contenidos en dos portafiltros de acero que están conectados en paralelo para poder trabajar con ambos a la vez o solo con uno pudiendo cambiar el usado durante la prueba. Figura Portafiltros 36

37 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Sistema de análisis y adquisición de datos Analizador de gases El gas que llegue a dicho equipo debe ir limpio de alquitranes, de humedad, de partículas y frío. Es de la marca Siemens y consiste en 3 módulos de medición que trabajan mediante la técnica de NDIR (infrarrojo no dispersivo) y NDUV (ultravioleta no dispersivo). Los distintos módulos y los gases que son capaces de medir son: - Ultramat: mide la concentración de CO, CO 2 y CH 4 mediante NDIR. - Oxymat: mide la concentración de oxígeno mediante NDUV. - Calomat: mide la concentración de hidrógeno mediante NDUV. Figura Analizador de gases 37

38 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Cromatógrafo En las pruebas en que sea necesario un análisis más exhaustivo de los hidrocarburos presentes en la mezcla gaseosa, se utiliza un cromatógrafo de la marca Agilent, modelo 3000 micro GP. Mide numerosos compuestos como CO, CO 2, H 2, N 2, O 2, CH 4, C 2 H 2, C 2 H 6, C 2 H 2, C 3. Es necesaria su previa calibración para obtener unos valores de detección muy bajo (0,8 ppm). Los datos obtenidos por el equipo son enviados a un ordenador y gracias al software adecuado, dichos datos pueden ser analizados Sistema de adquisición de datos. Para obtener los datos se dispone de dos tarjetas electrónicas, una se utiliza para registrar datos de temperatura y la otra para registrar datos de concentraciones. Cada tarjeta dispone de ocho canales, por lo que se puede obtener un total de 16 parámetros, destinados a lo más necesario en cada momento. La primera tarjeta se encarga de registrar los datos de temperatura procedentes de los distintos termopares que se encuentran distribuidos por la planta. Los datos llegan de la tarjeta en forma de mv e indicando el tipo de termopar tratado, ella misma pasa los datos de voltaje a grados centígrados. La segunda tarjeta aporta los datos de concentración. El analizador de gases aporta una señal continua en forma de ma, la tarjeta no es capaz de admitir esta señal, pero gracias a un conector introducido en la misma tarjeta puede convertir la señal a mv. Construyendo una recta de calibración para cada componente que relacione la señal de voltaje con valores de concentración, se obtiene la información buscada. 38

39 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Línea de muestreo de alquitranes Como se ha indicado anteriormente en el apartado a la salida del ciclón, la línea de gases se divide en dos caminos. Anteriormente se ha explicado la línea de limpieza y acondicionamiento de gases, el otro camino es el seguido si se desea muestrear los alquitranes producidos. Esta línea esta formada por un portafiltro, una serie de borboteadores y un baño térmico en el que se introducen dichos borboteadores Portafiltro de muestreo El portafiltro no es más que un cilindro de acero calentado con un cable calefactor conectado a un PID y calorifugado para evitar que la temperatura sea inferior a 300 ºC, ya que si esto ocurre se podrían condensar los alquitranes a su paso en dicho tubo. El paso del gas por la sonda esta controlada por una válvula de corte de alta temperatura. Este cilindro también contiene un portafiltros con un filtro de las mismas condiciones que los usados en la línea de limpieza y acondicionamiento, y al igual que en ese caso, su objetivo es retener las partículas que pueda llevar el gas. La línea que sale de este equipo y llega a los borboteadores de muestreo también está calentada por un cable calefactor hasta 315 ºC Tren de borboteadores El propósito de colocar un conjunto de borboteadores es retener los alquitranes para proceder luego a su análisis y poder determinar la composición de los mismos. Los borboteadores se llenan de isopropanol y se mantiene a -20 ºC que es capaz de capturar casi todos los alquitranes. 39

40 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Se utilizan entre 6 y 7 borboteadores de vidrio colocados en paralelo; cuatro de ellos poseen una placa porosa de distribución del gas Baño térmico Para mantener los borboteadores a -20 ºC se sumergen en un baño térmico lleno de refrigerante. Este refrigerante es una mezcla de etilenglicol y etanol de 96 º Equipos auxiliares Se consideran equipos auxiliares de la planta a los medidores de caudal, de temperatura y de presión. Estos equipos están distribuidos por toda la planta Medidores de caudal Para medir y regular el caudal de gases se utilizan dos equipos distintos: rotámetros y controladores de flujo másico. Los rotámetros se utilizan para regular el caudal de aire tanto principal como secundario necesario. El caudal de aire principal se mide con un rotámetro de la marca Tecfluid, con un rango de 4 a 40 Nl/min para aire a 25 ºC y 1,3 bar. El caudal de aire secundario se regula con tres rotámetros con un rango de 0 a 3 bar de las mismas características que el anteriormente descrito para aire principal. El caudal de dióxido de carbono y nitrógeno se controla mediante un equipo massflow. Se trata de un modelo de la marca Bronkhorst High-Tech B.V. serie E Consisten en un sistema de sensores y controladores de flujo másico y de presión. 40

41 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Medidores de temperatura La temperatura es un parámetro muy importante por lo que es necesario su control y su medida en varios puntos a lo largo de la planta. La medida se realiza mediante termopares tipo K capaces de medir en un rango de 20 a 1100 ºC. El primer termopar se encuentra a la entrada de los gases en el reactor, dicho termopar va conectado a un PID que controla el calentamiento de la línea de entrada de gases. Dentro del reactor se localizan 2 termopares: uno en el lecho y otro en el freeboard, y las temperaturas de ambos se controlan mediante el cuadro de control del horno. A este cuadro también van dos termopares que miden la temperatura en la pared del horno cuya función es la de seguridad. Además de los termopares que van al cuadro del control, existen dos termopares más que miden la temperatura del reactor cuya información es recogida en la tarjeta de adquisición de datos. Las entradas de aire secundario también están dotadas de un medidor de temperatura cada una. La temperatura de salida del reactor también es medida, ya que es muy importante que ésta no baje de los 300 ºC pudiendo producir condensación de los alquitranes formados. Se mide con dos termopares, uno antes y otro después del ciclón. El último termopar se encuentra en la sonda de muestreo y va unido a un PID para calentar el cable calefactor que calienta dicha sonda. La temperatura en este equipo también debe ser superior a 300 ºC por el mismo motivo explicado anteriormente Medidores de presión. La medida de presión se realiza en dos puntos del sistema, en la línea de entrada de los gases y en el lecho. 41

42 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO La presión a la entrada del reactor se mide mediante un manómetro de la marca Magnehelic que mide en el rango de 0 a 150 cm de agua. La presión se mide respecto a la atmosférica por lo que la entrada de baja presión se deja abierta al ambiente. La diferencia de presión en el lecho es recogido por un medidor de presión diferencial de la marca Yokogawa. La entrada de alta presión se conecta antes del plato distribuidor y la de baja presión a un punto en el freeboard Tipos de experimentos Los ensayos de gasificación realizados en el lecho fluidizado se pueden dividir en dos grupos: ensayos in-situ y ensayos ex-situ. La preparación del sistema y la primera parte es común a ambos tipos de ensayos. Estos ensayos se realizan alimentando la biomasa en forma discontinua. El primer paso es calentar la planta a la temperatura necesaria, para ello es necesario elevar la temperatura del reactor a la de operación, que dependerá del ensayo. Durante esta etapa es imprescindible el paso de aire por el sistema. También debe ser calentadas las líneas de entrada y salida de gases, así como el horno eléctrico en caso de utilizar vapor como agente gasificante. Una vez alcanzada la temperatura deseada y estabilizada, es necesario purgar toda la línea con nitrógeno ya que la primera etapa del ensayo es la pirólisis de la biomasa, la cual se lleva a cabo en un ambiente libre de oxígeno. Durante esta etapa el gas de salida contendrá CO, CO 2, H 2 y CH 4, una vez los valores marcados por el analizador de estos gases sean prácticamente cero, se puede dar por concluida la pirolisis. El residuo sólido de la pirolisis que queda en el reactor es el char y la forma de tratar dicho char es el que diferencia las formas de ensayo que se detallan a continuación. 42

43 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Experimentos in-situ. En este tipo de experiencias, el char formado se mantiene a la temperatura de operación e inmediatamente después de la etapa de pirólisis se procederá con la gasificación. Tras asegurarse del fin de la devolatilización, el agente gasificante (CO 2 o vapor) es alimentado en la proporción deseada mezclado con nitrógeno. Esta etapa se continúa hasta que la conversión del char sea en torno al %, según las condiciones de operación. Una vez concluida la etapa de gasificación, se purga el sistema de agente gasificante alimentando únicamente nitrógeno y se comienza la combustión con aire para quemar el char que no se haya convertido Experimentos ex-situ. El char se obtiene de la misma manera que en los experimentos in-situ, pero es enfriado hasta temperatura ambiente con un flujo continuo de nitrógeno antes de realizar su gasificación. El objetivo de dichas experiencias es demostrar si la historia térmica del char afecta a la reactividad del char y si debe ser tenida en cuenta. Una vez finalizada la pirolisis, la planta es enfriada con nitrógeno hasta temperatura ambiente, tras conseguirlo vuelve a calentarse el sistema en una atmósfera inerte, para evitar la conversión del char. Tras alcanzar la temperatura de gasificación buscada se procede de la misma forma que en el apartado descrito anteriormente: alimentación del agente gasificante, conversión del char durante aproximadamente 1 hora y finalmente, combustión. En este tipo de pruebas la reacción es tan lenta que no se llega a conversiones del char del % como en los experimentos in-situ. 43

44 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 2.3. Materiales utilizados En este apartado se va a describir los dos materiales introducidos en el reactor durante las experiencias; por un lado, se encuentra el material inerte que forma el lecho y por otro lado, el combustible a gasificar Combustible El combustible que se estudia en este proyecto es lodo de depuradora seco procedente del tratamiento de aguas residuales. Tras realizar estudios en el laboratorio al lodo, se obtienen valores de densidad de partícula en torno a 1450 Kg/m 3, mientras que su densidad aparente o de pila es sobre 760 Kg/m 3. Con el análisis elemental e inmediato de dicho lodo, los resultados obtenidos se resumen en la siguiente tabla. Como se recibe Base seca Base seca libre de cenizas LHV (MJ/Kg) 11,18 12,47 21,94 HHV (MJ/Kg) 12,25 13,41 23,59 C (% wt) - 30,88 54,32 H (% wt) - 4,36 7,67 N (% wt) - 4,76 8,37 S (% wt) - 1,24 2,18 O (% wt) - 15,61 27,46 Humedad (%) 8, Cenizas (%) 39,42 43,15 - Volátiles (%) 47,28 51,75 91,03 C fijo (%) 4,66 5,10 8,97 Tabla 2.4. Análisis elemental e inmediato del lodo de depuradora El alto contenido en cenizas es importante tenerlo en cuenta porque durante el proceso de gasificación, dicha ceniza puede sinterizar dando problemas en la 44

45 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES fluidización. Además son agresivas en estado líquido pudiendo dar problemas de corrosión. También resulta remarcable el contenido en nitrógeno, ya que este compuesto puede derivar en amoniaco y cianuro de hidrógeno, que son los precursores de los óxidos de nitrógeno (NO x ) si no se eliminan del gas producto antes de quemarlo. El lodo de depuradora tiene un amplio rango de tamaños por lo que es imprescindible analizar su distribución de tamaños de partícula tal y como se recibe. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla. Las partículas de lodo empleadas en las experiencias, se han utilizado tal y como se reciben sin someterlas a ninguna reducción de tamaño. Tamaño (mm) Fracción másica (%) > 5 0, ,28 2,8 4 54,86 2 2,8 39,44 1,4 2 3,70 1 1,4 0,71 0,5 1 0,21 < 0,5 0,05 Tabla 2.5. Análisis granulométrico del lodo Como se puede ver en la tabla 2.5, más del 90 % de las partículas de lodo se encuentran en un rango de tamaño entre 2 y 4 mm. La tabla 2.6 muestra el contenido en los elementos mayoritarios y metales pesados. El análisis se ha realizado mediante espectrometría de masas con fuente de plasma con acoplamiento inductivo. 45

46 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Elemento mg/kg Elemento mg/kg Elemento mg/kg Ba 343,1 Fe 38911,1 Mg 8916,7 Zn 1397,6 Cl 46,8 Al 31510,0 Cd 16,4 P 26996,4 Ag 45,2 Co 7,1 Mn 246,1 Bi <1,0 Ni 1706,9 Sn 40,6 Cu 352,8 Cr 424,0 Hg <1,5 Ga 11,9 K 7813,8 Se <2,0 In <0,5 As <1,5 Sb <1,0 Sr 335,7 Mo 303,5 Li 27,2 Tl <1,5 V 25,3 Na 38323,6 Si 52510,5 Pb 148,2 Ca 4792,9 Zr 40,2 Tabla 2.6. Elementos mayoritarios y metales. Puede observarse un alto contenido en metales pesados, en especial el hierro, el zinc y el níquel. Estos elementos pueden formar sales y ácidos que se depositan en el sistema Inerte El lecho empleado es bauxita en un rango de tamaños entre 250 y 500 μm. La velocidad mínima de fluidización de la bauxita calculada es 0,20 m/s y la velocidad terminal del principal tamaño de partícula es 4,3 m/s. En el lecho se introducen 300 gramos de bauxita, y la relación másica entre el lodo de depuradora y la bauxita empleada es de 1/100 en todas las experiencias, por lo que se puede asumir que la fluido-dinámica del lecho está gobernada por la bauxita Procesamiento y tratamiento de datos. La etapa de procesamiento y tratamiento de datos tiene dos fases, la primera es obtener los datos de concentración de los componentes de los gases, lo cual se realiza 46

47 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES con el software PicoLog, que registra los datos de la tarjeta electrónica; y la segunda el tratamiento de estos datos mediante una hoja de balance para obtener los datos de rendimiento y conversión necesarios Obtención de datos El sistema consta de una tarjeta de adquisición de datos cuyo software es el PicoLog. Para el registro de los datos son necesarios los siguientes pasos: 1. Abrir el grabador mediante el icono PicoLog Recorder. La ventana que se desplega se muestra en la imagen Imagen Grabador PicoLog 2. Seleccionar Archivo-Crear nuevo, y aparece el siguiente cuadro de diálogo para introducir el nombre y la ubicación del nuevo archivo. 47

48 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO Imagen Creación de archivo 3. Una vez creado el archivo se comienza la grabación pulsando la tecla PLAY. El archivo puede pausarse a lo largo de la prueba y al finalizar ésta simplemente hay que marcar STOP. Una vez parada la grabación no se puede volver a ponerse en marcha, habría que crear un nuevo archivo. 4. Para abrir un archivo ya existente, los pasos a seguir son Archivo-Abrir y seleccionar la prueba buscada. Una vez abierto aparecen dos formatos de datos: cuadro de datos y gráfico. 5. Los parámetros aparecidos tanto en el cuadro de datos como en el gráfico pueden ser seleccionados. Además pueden ser copiados a otro formato de datos como Excel para continuar con su análisis. 48

49 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Imagen Datos PicoLog Tratamiento de datos Los datos registrados por el PicoLog deben ser analizados y tratados antes de obtener resultados, para ello se utiliza un archivo de Excel que siempre sigue la misma estructura y en la que destacan las hojas del ensayo, de balance y de gasificación Hoja del ensayo Esta hoja se llama igual que el ensayo y deben aparecer los datos más significativos de él. En ella se especifica la temperatura del ensayo, la granulometría empleada tanto de lodo como de lecho y la masa de lodo analizada. En la parte superior se ajustan los caudales de gases alimentados en las tres etapas del ensayo: pirólisis, gasificación y combustión. Si los caudales son introducidos 49

50 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO mediante mass-flow no es necesaria su conversión, sin embargo, si son introducidos con rotámetro hay que hacer correcciones por presión. La fila con los encabezados correspondientes a los datos que se recogen en cada columna son los siguientes: Time t CO CO 2 CH 4 H 2 O 2 Q CO Q CO2 Q CH4 Q H2 Q O2 n CO n CO2 n CH4 n H2 n O2 Q tot La columna Time recoge la hora registrada por el PicoLog, el cual registra un dato cada 1 segundo. La columna correspondiente a t comienza en 0 al principio de cada etapa y va aumentando un segundo con cada dato registrado. Las columnas CO, CO 2, CH 4, H 2 y O 2 recogen los valores expresados en % que se obtiene directamente del PicoLog. Debido a que estos valores dependen de la recta de calibración introducida en la tarjeta de registro de datos, algunos pueden ser negativos, y se convierten en 0 usando la función SI (condición; verdadero; falso). A continuación aparecen las columnas Q i que expresan los componentes del gas en unidades de volumen, en este caso en litros. Para ello se aplica la siguiente conversión: Qtot % i Qi ( ti 1 ti) Los parámetros aparecidos en la fórmula anterior se corresponden a: Q i : volumen del componente i Q tot : volumen total del gas de salida en cada etapa, el cual se explica más adelante como calcularlo. Este valor viene en unidades de L/min por lo que es necesario dividirlo entre 60 para tenerlo en L/s. % i : tanto por ciento de cada componente en el gas de salida; se divide entre 100 para tener su valor en tanto por uno. t i+1 -t i : intervalo de tiempo, que es igual a 1 segundo. 50

51 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS EXPERIMENTALES Las columnas n presentan los moles de cada componente, para ello se aplica la definición de gas ideal: QP i ni R T n i : moles de cada componente P: presión, que se toma la atmosférica R: constante de los gases T: temperatura, la cual se considera la ambiente, ya que el gas de salida que llega al analizador está frío. La última columna Q tot corresponde al caudal de salida total en cada instante, y se calcula de la siguiente forma: Q tot QN2 (% i /100) i Q tot : caudal en litros del gas de salida Q N2 : caudal en litros de nitrógeno introducido en cada etapa, varía según se trate de la pirólisis, la gasificación o la combustión. Σ (% i / 100): sumatorio del tanto por uno de cada componente en cada instante A partir de esta hoja se puede representar tanto el caudal total como el caudal de cada componente frente al tiempo para todo el ensayo o para una etapa en concreto. También se puede calcular los moles totales obtenidos en la experiencia de cada componente Hoja de balance Una vez completada la hoja del ensayo, se pasa a la llamada hoja de balance, la cual recibe este nombre debido a que en ella se realiza un balance de carbono, hidrógeno y oxígeno en cada una de las fases del ensayo. A continuación se muestra la estructura de dicha hoja. 51

52 GASIFICACIÓN DE CHAR DE LODO EN CONDICIONES DE LECHO FLUIDIZADO 52