Gasificación del carbón vegetal con vapor: de la partícula aislada al lecho fijo continuo – Red Cicle

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Ante el crecimiento de la demanda energética mundial y la reciente toma de conciencia de los problemas del aumento del efecto invernadero y del agotamiento de los recursos fósiles, las energías renovables suscitan hoy en día un interés sin parangón. En este contexto, la biomasa tiene un importante potencial, y están surgiendo tecnologías de valorización eficientes, como la gasificación, que favorecen el desarrollo de este campo.

Tesis defendida por Mlle. Floriane de Mermoud, Laboratorio de Energía de la Biomasa del CIRAD, 2006.

Introducción: gasificación, principio e historia

La gasificación es un tratamiento termoquímico que convierte un sólido carbonoso en un gas combustible cargado de hidrógeno y monóxido de carbono. La valorización de este gas se realiza hoy principalmente en unidades de cogeneración, pero las posibilidades de acoplamiento con pilas de combustible o reactores de síntesis de biocombustibles líquidos sugieren un futuro brillante para este campo.

La gasificación se ha desarrollado de forma importante desde el periodo de entreguerras, con una capacidad instalada mundial de 45 GWth en 2004. Sin embargo, las instalaciones existentes funcionan principalmente con carbón mineral: la aplicación a la biomasa se enfrenta a algunas barreras tecnológicas. La falta de demostraciones en el campo de la gasificación de la biomasa conduce a un estancamiento del sector.

Es en este contexto que la Unión Europea, en el marco del 5º Programa Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico, ha decidido apoyar la investigación en este campo a través del proyecto Lift off. El objetivo del proyecto es el diseño y puesta en marcha en Dinamarca de una planta de demostración de lecho fijo de 2 MWth, que permita la cogeneración de electricidad y calor a partir de la madera.

Objetivo de la tesis

Esta tesis se enmarca en un enfoque de apoyo al diseño y optimización de procesos de gasificación en lecho fijo continuo. En efecto, si la gasificación de la madera se ha estudiado durante muchos años en laboratorio o en plantas piloto, la transición a escala industrial encuentra dificultades tecnológicas.

A medida que aumenta el tamaño del lecho fijo, la caída de presión a través del lecho, generada por la sedimentación de las cenizas, se vuelve demasiado importante y se crean pasajes preferenciales para los gases dentro del lecho. Estos fenómenos conducen a una limitación de la reacción y, por tanto, a una caída del rendimiento de la planta.

El objetivo de este trabajo es alcanzar una comprensión más fina del comportamiento del lecho fijo continuo durante la gasificación, necesaria para superar las dificultades mencionadas anteriormente.

Contenidos

El trabajo realizado en esta tesis se divide en cinco partes:

El capítulo I describe la problemática de la gasificación de la biomasa: En primer lugar, en el plano medioambiental, con los compromisos de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero; después, en el plano energético, con la importancia y la variedad del yacimiento disponible; a continuación, en el plano económico, con las oportunidades de desarrollo rural y de independencia energética; por último, en el plano industrial, con el desarrollo de nuevas tecnologías de eficiencia energética.

El capítulo II está dedicado al estudio bibliográfico de los fenómenos que intervienen en la gasificación de una partícula de carbón vegetal con vapor. En primer lugar se describen las características de la madera, así como el desarrollo de la fase de pirólisis. A continuación se estudia específicamente la gasificación por vapor. Se detallan los distintos fenómenos de cinética química, transferencia de calor y masa y adsorción de reactivos en la superficie de los poros.

El capítulo III presenta un estudio experimental sobre la gasificación de una partícula de carbón con vapor. En primer lugar, se destaca la influencia de la velocidad de calentamiento durante la pirólisis en las propiedades del carbón. A continuación se realizó un estudio paramétrico en un montaje experimental de tipo «macro-TG». Se destaca la influencia de parámetros como la temperatura (830-1030°C), la presión parcial del vapor de agua (0,1-0,4 atm), el tamaño de las partículas (10-30 mm) o la velocidad de calentamiento durante la pirólisis. También se lleva a cabo la búsqueda de un criterio de superficie reactiva.

El capítulo IV esboza un modelo numérico de gasificación de una partícula de carbón vegetal. La confrontación con los resultados experimentales permite determinar los parámetros cinéticos de la reacción de gasificación por vapor. La interpretación de los resultados llevó al autor a concluir sobre la situación termoquímica de la partícula durante su gasificación. Este modelo será la base para un modelo de lecho fijo.

El capítulo V describe el reactor piloto diseñado y construido en este trabajo. Es un reactor de lecho fijo continuo que reproduce la única fase de gasificación de un proceso completo. Los resultados de las primeras pruebas de gasificación en lecho fijo continuo se reportan y permiten validar la pertinencia y el interés de dicho dispositivo.

La tesis completa puede descargarse aquí

Jérome Levet, René Massé

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