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Máster Oficial en Energías Renovables y Eficiencia Energética Estudio, diseño y adaptación de una planta de gasificación en lecho fluido para carbones de bajo rango con alto contenido en cenizas Escuela de Ingeniería y Arquitectura Máster Oficial en Energías Renovables y Eficiencia Energética Trabajo Fin de Máster Estudio, diseño y adaptación de una planta de gasificación en lecho fluido para carbones de bajo rango con alto contenido en cenizas Autor José Mario Torrico Aguilar Director Javier Pallarés Ranz Escuela de Ingeniería y Arquitectura Noviembre de 2011 Máster Oficial en Energías Renovables y Eficiencia Energética Estudio, diseño y adaptación de una planta de gasificación en lecho fluido para carbones de bajo rango con alto contenido en cenizas 1 Agradecimientos Saludar el esfuerzo de la Universidad de Zaragoza y el Banco Santander por apoyar y promover las becas de doctorado para estudiantes Latinoamericanos, de la cual formo parte. Académicamente, agradecer el apoyo que siempre he tenido de mi director de Trabajo de Fin de Máster, Javier Pallarés, sin cuya contribución esta tesis no seria lo que es, y a Susana Martinez por su colaboración y revisión. 2 Estudio, diseño y adaptación de una planta piloto de gasificación en lecho fluido para carbones de bajo rango con alto contenido en cenizas Resumen El objetivo del presente trabajo es el estudio, diseño y adaptación de la planta piloto de gasificación en lecho fluido burbujeante de 10 kWth del CIRCE para el proceso de gasificación de carbones de bajo rango. El análisis se ha centrado en el estudio del rango de condiciones de operación para la gasificación extraídas de la bibliografía de plantas piloto, determinando los ratios molares de vapor, oxígeno o aire como agentes gasificantes, calculando los caudales de entrada, la temperatura de operación y finalmente se estiman los ratios óptimos de funcionamiento mediante la aplicación de herramientas de simulación. Se verifico la capacidad fluidodinámica de cada simulación evaluando el régimen de flujo para contacto gas-sólido (Diagrama de Grace) y los ratios mínimos de operación (Ug/Umf y Ug/Ut). A partir de los resultados se plantearon modificaciones en la operación y en la composición de los agentes gasificantes, para garantizar el flujo burbujeante. Finalmente, se ha propuesto en función al caudal de los agentes gasificantes un equipo para la generación de vapor y un sistema de suministro de oxígeno. Entre las alternativas propuestas para garantizar el régimen burbujeante se hallan: la reducción del øp, el uso de gases inertes, incrementar la Tr, incrementar el ratio SC y elevar el caudal de combustible. Solo las dos últimas alternativas mejoran sustancialmente los parámetros de fluidización y permiten alcanzar el régimen burbujeante; por lo que se combinan ambas alternativas para garantizar la fluidización y gasificación del carbón. En base al estudio paramétrico, se ha llegado a la conclusión que la mejor alternativa es aumentar el caudal de combustible en 50% (1,558 kg/h) e incrementar el ratio molar SC a 1,6; esta última responsable de la disminución del PCI del gas resultante. Hallados los caudales de entrada de los agentes gasificantes se realiza la selección de equipos para la generación de vapor y el suministro de oxigeno mediante cilindros. Palabras clave: gasificación, carbón de bajo rango, lecho fluido. 3 Contenido 1. Introducción .................................................................................................................... 6 2. Teoría de gasificación .................................................................................................... 8 2.1. Tipos de gasificadores ................................................................................................ 9 2.1.1. Lecho fluido burbujeante (BFB) ..............................................................................10 2.2. Proceso de gasificación y reacciones ........................................................................11 2.3. Agente gasificante .....................................................................................................12 3. Modelo de gasificación ..................................................................................................13 3.1. Consideraciones preliminares ....................................................................................13 3.1.1. Criterios generales de diseño .................................................................................14 3.1.2. Fluidodinámica .......................................................................................................14 3.1.2.1. Parámetros de fluidización ..................................................................................14 3.2. Adaptación del modelo al caso ..................................................................................16 3.2.1. Consideraciones generales sobre la adaptación ....................................................16 3.2.2. Modificaciones en el modelo ..................................................................................17 3.2.2.1. Ratio OC .............................................................................................................17 3.2.2.2. Ratio SC .............................................................................................................18 3.3. Aplicación del modelo para el análisis de viabilidad técnica ......................................18 3.3.1. Objetivos del análisis ..............................................................................................18 3.3.2. Definición de parámetros de análisis ......................................................................18 4. Resultados y discusión ..................................................................................................20 4.1. Reducción del øP .......................................................................................................21 4.2. Gasificación con inerte ...............................................................................................25 4.3. Incrementar caudal de vapor .....................................................................................26 4.4. Incrementar la temperatura del reactor ......................................................................27 4.5. Incrementar el flujo de alimentación de combustible ..................................................28 4.6. Incrementar el flujo de alimentación de combustible y ratio de vapor SC ...................30 5. Selección de equipos ....................................................................................................31 6. Conclusiones .................................................................................................................33 4 Anexos .................................................................................................................................35 A. Tipos de gasificadores ..................................................................................................36 B. Planta de gasificación de 10 kWth CIRCE .....................................................................41 C. Procesos de gasificación ...............................................................................................43 D. Estructura y principios del modelo .................................................................................45 E. Fundamento teórico ......................................................................................................47 F. Regímenes de fluidización ............................................................................................50 G. Resultados ....................................................................................................................51 H. Selección de equipos .....................................................................................................53 Referencias ..........................................................................................................................55 5 Nomenclatura  calor específico a presión constante (kJ/kmol.K) d* diámetro estrella (m) dp diámetro de partícula (m) emf fracción vacía de mínima fluidización () ER ratio de equivalencia de oxígeno estequiométrico () g gravedad (m/s2) h  entalpía de formación en (kJ/mol) ke constante de equilibrio () llecho longitud lecho (m) lmf longitud de mínima fluidización (m) Mf flujo másico de combustible (kg/h) Mfs flujo másico de vapor sobre flujo másico de combustible (kg/kg) OC ratio oxígeno sobre carbono (kmol/kmol) PCI poder calorífico inferior (kJ/kg) PCS poder calorífico superior (kJ/kg) R constante universal de gases (kJ/kmol.K) Re número adimensional de Reynolds relativo a una partícula en lecho fijo () Remf número adimensional de Reynolds relativo al comienzo de la fluidización () SC ratio vapor sobre carbono (kmol/kmol) Tr temperatura reactor (k) Ug velocidad del gas (m/s) U* velocidad de partícula estrella (m/s) Ut velocidad terminal (m/s) Umf velocidad de mínima fluidización (m/s) ∆G0 energía libre de Gibbs (kJ/kmol) ∆Plecho caída de presión en lecho (Pa) Letras griegas σ Constante Stefan-Boltzmann (W·m−2·K−4) ρg densidad de gas (kg/m3) ρp densidad de partícula (kg/m3) øP diámetro de partícula (m) ɛlecho fracción vacía de lecho () µg viscosidad de gas (kg/s.m) 6 1. Introducción Actualmente, el Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos (CIRCE) cuenta con una planta piloto de gasificación de lecho fluido de 10 kWth diseñado para estudiar el reciclado de plásticos mediante el proceso de gasificación, que está en operación desde Junio del presente. El centro tiene especial interés por ampliar el campo de estudios a carbones de bajo rango con alto contenido en cenizas que presentan dificultades de transformación en centrales de carbón pulverizado y que podrá en un futuro próximo suplir gran parte de la generación eléctrica y de aplicación en motores de explosión especialmente en países con grandes reservas de lignito y carbón sub-bituminoso como la India y Australia. La importancia del uso de estos carbones radican en las reservas mundiales probadas de carbón, que de 860 billones de toneladas, el 30% es sub-bituminoso y el 23% lignito; y a medida que las reservas de petróleo y gas natural se agotan, la gasificación de carbón puede emerger como un proceso vital alternativo. En la actualidad la tecnología de gasificación para generación eléctrica está asociada con grandes centrales de carbón IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) y a pequeña escala con gasificadores de biomasa, donde los reactores de lecho fijo y flujo arrastrado son dominantes. Los proyectos a escala industrial de IGCC en operación trabajan en su totalidad con flujo arrastrado, actualmente hay doce plantas en operación de ciclo combinado integradas a sistemas de gasificación: ELCOGAS (Puertollano, España) de 335 MWe, DEMKOLEC (Buggenum, Holanda) de 253 MWe, Wabash River (Indiana, USA) de 262 MWe, Nakoso (Japón) de 220 MWe, El Dorado (Kansas, USA) de 262 MWe, Tampa Electric (Florida, USA) de 250 MWe, Piñon Pine (Nevada, USA) de 100 MWe, Shell Per (Rotterdam, Holanda) de 115 MWe, Api Energía (Falconara, Italia) de 244 MWe, Isab Energy (Sicilia, Italia) de 521 MWe, Sarlux (Sardina, Italia) de 452 MWe, SVZ Sustec (Pumpe, Alemania) de 45 MWe. El inconveniente de trabajar con carbones de bajo rango es el aglomerado y sinterizado de las cenizas, en especial cuando la fusión ocurre a baja temperatura (<1200°C) y que es capaz de generar una espesa capa en el interior del reactor disminuyendo la eficiencia de transferencia de calor y obstruyendo la sección útil del reactor, que se refleja un mayor tiempo de paradas por limpieza y obstrucción. La ventaja de la gasificación en lecho fluido burbujeante radica en la baja temperatura de operación (<900°C), ideal para evitar la aglomeración y sinterizado de cenizas, problema asociado a los carbones de estudio que causan problemas en la limpieza de los gases de salida, pero al mismo tiempo facilitan su manejo dentro del material del lecho inerte [1]. Otras ventajas de la gasificación en lecho fluido es el incremento de la eficiencia de transformación de las materias primas carbonosas 7 en gases de salida convenientes, que también reduce también las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) [2]; y su capacidad de utilización del alto contenido en cenizas (>40%) como material inerte en el interior del reactor gasificador [3]. Actualmente el gasificador del centro utiliza aire como agente gasificante, sin embargo el diseño y la adaptación a carbones de bajo rango nos obliga a replantear el uso del gasificante por vapor y/o oxígeno para incrementar de esta manera el poder calorífico inferior (PCI) del gas de salida y disminuir los volúmenes de syngas. El objetivo del trabajo es el estudio, diseño y adaptación de la planta piloto de gasificación en lecho fluido burbujeante de 10 kWth del CIRCE para el proceso de gasificación de carbones de bajo rango, para ello es necesario estudiar el rango de condiciones de operación para la gasificación utilizando vapor, oxígeno o aire como agente gasificante, determinando caudales de entrada, temperatura de operación y estimar ratios óptimos de funcionamiento mediante la aplicación de herramientas de simulación. Se verifica la capacidad fluidodinámica de cada simulación evaluando el régimen de flujo para contacto gas-sólido y los ratios mínimos de operación. A partir de los resultados se plantean modificaciones en la operación y en la composición de los agentes gasificantes, para garantizar el flujo burbujeante. Finalmente, se propondrá en función al caudal de los agentes gasificantes un equipo para la generación de vapor y un sistema de suministro de oxígeno. La adaptación lleva consigo una revisión bibliográfica exhaustiva de la problemática de los carbones de bajo rango, así como las experiencias en plantas industriales y piloto que se dispongan para estudiar el proceso y simular el proceso de gasificación para dimensionar los equipos. Estas modificaciones deben tomar en cuenta los requerimientos técnicos de operación ya que el siguiente pasó al TFM es la realización de las modificaciones diseñadas. Primeramente, se identifican en base a plantas piloto existentes, los rangos de operación habituales en proporciones de combustible, vapor, aire u oxígeno. Luego, es necesario realizar ajustes al programa de simulación de gasificación para el uso de múltiples agentes gasificantes y poder estimar el comportamiento del gasificador dentro de este rango definido en bibliografía. La simulación contempla el estudio paramétrico que implica la simulación de diversos escenarios de gasificación, variando la proporción y los agentes gasificantes. La parametrización nos permite obtener los limites de operación y validar la capacidad fluidodinámica de cada simulación realizada, tomando en cuenta las características físicas actuales del gasificador (tornillos de alimentación, diámetro y altura del reactor), temperatura de gasificación y modificando los caudales de los agentes gasificantes (vapor, oxígeno o 8 aire). Para determinar los regímenes de operación del proceso de gasificación estudiamos las características de fluidización: Ug, Ut, Umf, además de los ratios para lechos fluidos Ug/Umf y Ut/Umf. Para garantizar el régimen de lecho fluido burbujeante se evalúan los resultados de d* y U* en el diagrama Grace de régimen de flujo para contacto gas-sólido. Para aquellos rangos de operación que no alcanzan el régimen de flujo burbujeante o los ratios mínimos de fluidización, se plantean alternativas de mejora, que van desde la variación de las proporciones de agentes gasificantes, el incremento de la temperatura del reactor, uso de agentes inertes, disminución del øp o mayor caudal de combustible. Determinados los regímenes de operación donde se comprueba la gasificación en lecho fluido burbujeante, se estiman las necesidades mínimas de suministro de agentes gasificantes. El presente TFM se compone de cinco capítulos, en el apartado 2 se presenta un resumen de la teoría de gasificación y la clasificación por tipo de gasificador, con especial énfasis en lechos fluidizados. A continuación, se describe la planta de gasificación de 10 kWth del CIRCE que será objeto de simulación y adaptación para la gasificación de carbones de bajo rango. El capitulo 3, describe el modelo de simulación del proceso de gasificado en lecho burbujeante dividido en módulos, introduciendo nociones sobre el equilibrio químico termodinámico cero dimensional, los balances de masa y energía, además de las premisas para la simplificación del modelo. Finalmente, se exponen los parámetros de funcionamiento y sus rangos de simulación. El capitulo 4, muestra los resultados de la parametrización y el efecto del caudal de los diferentes agentes gasificantes en la capacidad fluidodinámica y en la gasificación de la materia prima carbonosa. A partir de los resultados, se evalúan cinco alternativas para mejorar la calidad de fluidización de los escenarios donde no se logre el régimen burbujeante. Finalmente, el capitulo 5 indica las conclusiones del estudio y se exponen los caudales normales de los agentes gasificantes que son necesarios para asegurar el régimen burbujeante en los rangos de operación estudiados. 2. Teoría de gasificación La gasificación es un proceso que transforma la materia orgánica y fósil (basados en compuestos carbonosos) en monóxido de carbono, hidrogeno, dióxido de carbono y metano. 15 radio menor. Por debajo del límite es posible que no aparezcan burbujas y por encima del límite superior es posible la apariencia de slugging. En un principio el material que se fluidiza es el inerte, por lo tanto la fluidización en un gasificador de lecho se estudia con las propiedades físicas del inerte que corresponde alrededor del 95-98% del volumen total del lecho. Es aconsejable, que el tipo de material del lecho este dentro el rango de partículas del grupo B en la clasificación de partículas de Geldart por peso y tamaño. El grupo B tiene una densidad en torno a 2.500 kg/m3 y se recomienda diámetros de partícula (øP) entre 90-700 µm, similar a la arena de sílice. Grace definió el diagrama de regímenes de flujo para contacto gas-sólido, que está relacionado con la clasificación de las partículas de Geldart. El diagrama de Grace se define en función de dos variables U* y d*: ∗=  ∗ ( ∗ − ∗  ), (1) ∗=  ∗ (   ∗  − ∗  ), (2) Para el caso de lechos fluidizados burbujeantes los valores de U* y d* deben estar acotados dentro el área de lechos fluidizados (bubbling beds) de la figura 2. Conocido el régimen de fluidización, se estiman Umf, emf y se calcula la Ut a partir de las siguientes ecuaciones: !" = ∗ − ∗  ∗ #!"∗ 0,78 150 ∗  ∗ (1 − #!") (3) = (4 ∗  − ∗  225 ∗  ∗  ), ∗  (4) #!" = 0,58 ∗ 0,78*,+ ∗ (  ∗  ∗  − ∗  ) ,, ∗ (  ),- (5) 16 Figura 2 Diagrama de Grace: regímenes de flujo para contacto gas-sólido Se verifican los que todas las velocidades se hallen dentro los rangos de diseño apropiado para gasificadores de lecho fluidizados:   !" = 2,5 − 3,5 (6)  !" /  /   (7)    !" = 10 − 90 (8) 3.2. Adaptación del modelo al caso 3.2.1. Consideraciones generales sobre la adaptación Para adaptar el modelo de gasificación en lecho fluido para plásticos con aire como único agente gasificante al modelo de gasificación en lecho fluido para carbones de bajo rango con vapor, oxigeno o aire como agentes gasificantes se realizaron modificaciones en el modelo de simulación a los siguientes módulos: a) Modulo químico de gasificación. Se posibilita la operación simultánea de dos agentes de gasificación: el oxígeno y vapor. Para el cálculo se definen los ratios siguientes, detallados en el capitulo 3.3.2: oxígeno/carbón (OC) y vapor/carbón (SC) a partir de datos bibliográficos. Desde este punto se divide la simulación en dos programas: la primera simulación con aire+vapor y la segunda de oxígeno+vapor como agentes gasificantes; para ambas se encuentran los flujos volumétricos de oxígeno, vapor y aire en condiciones normales. Se recalcula el oxígeno estequiométrico que se ve reducido por el aporte de vapor u oxígeno 17 como agente gasificante. Nuevamente se determinan los balances elementales añadiendo al azufre como componente de entrada y al dióxido de azufre como componente de salida. b) Modulo de balance de materia. Se ve afectado por la adición del dióxido de azufre como componente de salida y la inclusión de un nuevo balance de materia. 3.2.2. Modificaciones en el modelo La inclusión del oxígeno y vapor como agentes gasificantes requieren adoptar nuevos rangos de operación para el modelo de simulación que se muestran en la tabla 6, que es un resumen de los ratios de gasificantes (SC, OC y ER) que se han utilizado en experimentos realizados en plantas piloto de gasificación en lecho fluidizados con uso combinado de agentes. Se determinan los valores máximos y mínimos para los ratios SC y OC, además de un ratio artificial que relaciona los dos agentes vapor/oxígeno (SO) y se confirman los rangos ER (0,20-0,40). Algunos datos de la revisión fueron estandarizados de kg vapor/kg fuel a kg vapor/kg C en base a una composición media del carbón de la India, que presenta un 42% de carbono. Algunos de los datos hallados en bibliografía presentan variaciones en las presiones de trabajo en el proceso de gasificación, en el tipo de combustible utilizado y en la mezcla de agentes gasificantes. 3.2.2.1. Ratio OC El oxígeno es usado principalmente para proveer la energía necesaria para las reacciones de gasificación endotérmicas. La mayor parte de esta energía es generada a partir de la oxidación parcial o total del carbón:  + 0,52→ 2 − 111 45 678 (9)  + 2→ 2− 394 45 678 (10) Además de suministrar la energía para las reacciones endotérmicas de gasificación, el oxígeno debe ser capaz de entregar la energía para aumentar la temperatura de la alimentación a la temperatura del reactor, además de compensar la pérdida de calor por las paredes. En los sistemas autotérmicos, esta energía debe ser lo suficiente como para no requerir sistemas auxiliares para alcanzar la temperatura requerida del reactor. En el balance de energía de un gasificador, la mayor consideración es la determinar el ratio OC, tomando en cuenta las propiedades fluidodinámicas que son variables de su caudal. 18 3.2.2.2. Ratio SC El vapor sobrecalentado puede ser utilizado como único agente gasificante o mezclado con aire u oxígeno.  + 92 → 2 + 9 (11) La cantidad de vapor (Mfs), se conoce a partir del ratio molar SC. :" = 18 ∗ :" 12 ∗ ; 4<=>7? 4 @A#8 (12) ⁄ donde, C es la fracción de carbón en el combustible. El ratio SC tiene una influencia importante en la composición del producto, cuando este aumenta también lo hace el H2. Sin embargo, cuando el valor de SC es alto (>3) solo existe una ganancia marginal, además este exceso deja al proceso de gasificación sin reaccionar [3]. 3.3. Aplicación del modelo para el análisis de viabilidad técnica 3.3.1. Objetivos del análisis A partir de la recolección de datos experimentales de simulaciones y plantas piloto de gasificado en lecho fluido se construye la tabla 4 con rangos de OC, SC y ER, que serán evaluados en el programa de simulación, descartando los valores atípicos máximos y mínimos. La tabla presenta también, un resumen de valores de ER y temperaturas de gasificado. A partir de los resultados de las simulaciones se garantiza la viabilidad técnica de fluidización del lecho inerte y se definen los rangos de caudales típicos en los que la fluidización se halla en régimen burbujeante. Para los escenarios donde el régimen no se alcanza, se propondrán ciertas modificaciones en el sistema y sinergia de alternativas para alcanzar la zona burbujeante. 3.3.2. Definición de parámetros de análisis Se confirma el rango de operación subestequiométrico de ER entre 0,20-0,40 tal como se había supuesto en un inicio para el modelo. Para el caso de gasificación con aire se suponen tres escenarios de 0,20 a 0,40 con un paso de 0,10. Ver tabla 5. 19 Tabla 4 Resumen de ratios ER, OC, SC y temperaturas de gasificación 1 Para datos de kg vapor/kg Fuel a kg vapor/kg C, se a estimado una composición del 42% de Carbón. 2 En cursiva datos obtenidos a en base a ER con 42% C, 3% H, 6% O, 1% S y 48% de cenizas. (ER*1,169) 3 En cursiva datos obtenidos a partir de de Ratios (Vapor/C)/(O2/C) molar 4 En cursiva datos obtenidos a partir de O2/C, idem 2 (ER/1,169). Fuente ER OC ratio molar SC ratio molar 1 S/O ratio molar Temp. °C [2] 0,2-0,3 0,23-0,35 2 700-900 [10] 0,2-0,4 0,23-0,47 [11] 0,2-0,3 0,23-0,35 0,8 2,29-3,48 3 850 [3] 0,15-0,3 0,18-0,35 [12] 0,2-0,3 0,23-0,35 0,47-1,42 1,34-6,17 [13] 0,3-0,47 0,35-0,55 0,17-0,59 0,31-1,69 946-1026 [14] 0,3 0,35 1,35 3,86 [15] 0,09-0,24 4 0,11-0,28 0,8-1,4 2,85-12,73 950-1038 [2] 0,22 0,26 2-2,5 7,69-,62 [16] 0,26-0,35 0,3-0,41 0,31-0,80 0,76-2,67 [17] 0,11-0,25 0,13-0,29 0,88-0,96 3,03-7,38 [18] 0,1-0,67 [19] 0,2-0,47 [20] 2 1123 [21] 2,5-3,8 817-947 [22] 0,9-4,5 867-1050 [23] 4-5 [24] 927-1227 [25] 900-1050 [3] 1000 [2] 900-950 [26] 957-1017 Rango 0,2-0,40 0,11-0,41 0,1-1,4 0,9-5 817-1227 20 El rango de operación de OC se encuentra entre 0,11 y 0,41. En caso de utilizar la variable OC (gasificación con oxígeno) se evita el uso de ER, además se restringe el rango entre 0,15 y 0,40 al eliminar el máximo y mínimo de la serie. Se realizan tres simulaciones con valores de: 0,15; 0,30 y 0,40. Los valores de SC, para gasificación con vapor se hallan entre 0,10 y 1,40. Como el caso anterior, se eliminan los valores extremos de la serie y se realizan cuatro simulaciones entre 0,20 y 1,10 con un paso de 0,30. El parámetro SC se utiliza para ambas simulaciones. En este punto el modelo de simulación se subdivide en dos submodelos, en función de la combinación de agentes utilizados: a) modo 1, para la simulación de gasificado con aire y vapor, se tienen 2 variables. El ratio SC con 4 niveles y ER con 3, en total 12 escenarios. b) modo 2, para el programa de gasificación con oxígeno y vapor, se simula el ratio OC con 3 niveles y SC con 4, totalizando 12 escenarios. 4. Resultados y discusión Para el caudal de combustible establecido por el diseño del alimentador (1,039 kg/h), el øp del lecho de 400 µm y la temperatura de reactor estable (850°C) se identifican si todos los escenarios (24) de las simulaciones del caso base de gasificación cumplen los dos requisitos que garantizan la formación de lecho burbujeante: se hallan en régimen burbujeante y están dentro los ratios de operación fluidodinámica estables. Los escenarios se han basado en rangos de operación de SC, OC y ER utilizados en plantas piloto de gasificación existentes, explicadas en el anterior apartado. Realizadas las 24 simulaciones para cada uno de los escenarios de gasificación (con vapor, oxigeno o aire) se han determinado por orden de importancia las características para considerar que el escenario es aceptable en términos de fluidización, los siguientes parámetros: • Los valores característicos de d* y U* que nos permiten hallar el régimen de fluidización burbujeante mediante el diagrama de Grace. • Determinar Umf, Ug y Ut con las que se calculan los ratios aconsejables de operación del gasificador Ug/Umf mayor a 3,5 y Ut/Umf entre 10-90 veces, además de verificar que Ug es menor a Ut. 21 La tabla 5 y 6 presenta los resultados de modelo base, la columna ‘Régimen’ identifica la característica del fluido en base al diagrama de Grace (burbujeante o no burbujeante) y a continuación se calculan los ratios de operación (crítico, límite y estable). Para el 1er modo de gasificación con aire y vapor, se identifican que los primeros tres escenarios con ER de 0,20 no alcanzan los ratios mínimos de operación en lecho fluido (Ug/Umf y Ut/Umf), básicamente por falta de fuerza de arrastre debido al reducido caudal de aire. Por otra parte, para los seis primeros escenarios (ER <0,30 y SC <0,50) el régimen burbujeante no es alcanzado. A partir del 7mo escenario se tiene un régimen de fluidización burbujeante estable. Para el 2do modo, con gasificantes oxígeno y vapor, todos los escenarios presentan régimen no burbujeante y los ratios mínimos de fluidización no se alcanzan para los escenarios donde SC es menor a 0,80; a partir de este ratio se tiene parámetros de fluidización límite, pero en ningún caso estable. Esta baja capacidad fluidodinámica, se debe principalmente al reducido caudal de oxígeno necesario para gasificar el carbón que disminuye la Ug, que difícilmente llega a duplicar la Umf. En la práctica, es más adecuado que el escenario se halle dentro el régimen burbujeante del diagrama de Grace, por encima de los ratios de parámetros de fluidización Ug/Umf y Ut/Umf. Por lo tanto, es mejor estar dentro régimen, aumentando Ug/Umf por encima de 3,5 y controlando que Ug no supere Ut. A partir de los resultados de las diferentes simulaciones, se proponen cinco alternativas para mejorar la capacidad fluidodinámica de las simulaciones que no alcanzaron el régimen burbujeante, pero manteniendo siempre los rangos de SC, OC y ER de bibliografía. Los datos de las tablas siguientes están expresadas en lN/min para los caudales de aire, oxigeno, vapor e inerte y en kJ/kg para el PCI. 4.1. Reducción del øP Reducción del øP del lecho por debajo de los 400 µm, el inconveniente es el incremento de energía en el proceso de molienda, sin embargo el PCI del gas de salida se mantiene. 22 Tabla 5 Resultados de la simulación con aire y vapor Modo1: aire+vapor Resultados Temp SC ER d* U* Régimen Umf Ug Ut aire (l/min) vapor (l/min) Ug/Umf Ut/Umf PCI 850 0,2 0,2 6,48 0,1 No burbujeante 0,1 0,29 4,66 8,98 2,1 2,9 46,6 10.668 850 0,5 0,2 6,48 0,12 No burbujeante 0,11 0,32 4,67 8,99 5,26 2,9 42,5 8.754 850 0,8 0,2 6,46 0,13 No burbujeante 0,11 0,35 4,68 8,99 8,41 3,2 42,5 7.310 850 1,1 0,2 6,43 0,14 No burbujeante 0,1 0,38 4,69 8,99 11,56 3,8 46,9 6.196 850 0,2 0,3 6,51 0,13 No burbujeante 0,1 0,34 4,41 13,48 2,1 3,4 44,1 6.116 850 0,5 0,3 6,51 0,14 No burbujeante 0,1 0,37 4,44 13,48 5,26 3,7 44,4 5.201 850 0,8 0,3 6,48 0,15 Burbujeante 0,1 0,4 4,46 13,48 8,41 4,0 44,6 4.476 850 1,1 0,3 6,45 0,16 Burbujeante 0,1 0,43 4,48 13,48 11,56 4,3 44,8 3.893 850 0,2 0,4 6,53 0,15 Burbujeante 0,1 0,39 4,25 17,98 2,1 3,9 42,5 3.714 850 0,5 0,4 6,52 0,17 Burbujeante 0,1 0,42 4,29 17,98 5,26 4,2 42,9 3.236 850 0,8 0,4 6,49 0,18 Burbujeante 0,1 0,45 4,31 17,98 8,41 4,5 43,1 2.844 850 1,1 0,4 6,46 0,19 Burbujeante 0,1 0,48 4,33 17,98 11,56 4,8 43,3 2.520 Crítico Velocidad de fluidización menor a 2,5 veces la Umf Límite Velocidad de fluidización entre 2,5 y 3,5 veces la Umf Estable Velocidad de fluidización mayor a 3,5 veces la Umf * Todas las relaciones de U t y Umf están entre 10-90 veces. ** Caudales de oxígeno, aire y vapor en condiciones normales l/min. *** PCI en kJ/kg. 23 Tabla 6 Resultados de la simulación con oxígeno y vapor Modo2: oxígeno+vapor Resultados Temp. SC OC d* U* Régimen Umf Ug Ut oxígeno (l/min) vapor (l/min) Ug/Umf Ut/Umf PCI 850 0,2 0,15 6,31 0,06 No burbujeante 0,12 0,19 5,44 1,17 2,1 1,6 45,3 37.135 850 0,5 0,15 6,36 0,07 No burbujeante 0,12 0,22 5,35 1,17 5,26 1,8 44,6 26.382 850 0,8 0,15 6,36 0,08 No burbujeante 0,11 0,25 5,28 1,17 8,41 2,3 48,0 19.700 850 1,1 0,15 6,34 0,09 No burbujeante 0,11 0,29 5,21 1,17 11,56 2,6 47,4 15.269 850 0,2 0,3 6,44 0,06 No burbujeante 0,11 0,19 5,06 2,34 2,1 1,7 46,0 26.772 850 0,5 0,3 6,44 0,07 No burbujeante 0,11 0,22 5,02 2,34 5,26 2,0 45,6 19.560 850 0,8 0,3 6,42 0,09 No burbujeante 0,11 0,26 4,99 2,34 8,41 2,4 45,4 14.907 850 1,1 0,3 6,38 0,10 No burbujeante 0,11 0,29 4,96 2,34 11,56 2,6 45,1 11.735 850 0,2 0,4 6,51 0,07 No burbujeante 0,11 0,19 4,84 3,13 2,1 1,7 44,0 21.530 850 0,5 0,4 6,49 0,08 No burbujeante 0,11 0,22 4,83 3,13 5,26 2,0 43,9 15.961 850 0,8 0,4 6,44 0,09 No burbujeante 0,11 0,26 4,82 3,13 8,41 2,4 43,8 12.299 850 1,1 0,4 6,4 0,10 No burbujeante 0,11 0,29 4,81 3,13 11,56 2,6 43,7 9.765 Crítico Velocidad de fluidización menor a 2,5 veces la Umf Lí mite Velocidad de fluidización entre 2,5 y 3,5 veces la Umf Estable Velocidad de fluidización mayor a 3,5 veces la Umf * Todas las relaciones de U t y Umf están entre 10-90 veces. ** Caudales de oxígeno, aire y vapor en condiciones normales l/min. *** PCI en kJ/kg. 24 La reducción del øP implica una reducción de la superficie específica de contacto del gas con las partículas de sólido inerte, pero esta no es proporcional, por lo que se obtiene una fuerza de empuje adicional que mejorará los índices de fluidización. Se modelizo el comportamiento con øP de 300 µm, el resultado para el modo 1, con gasificación aire y vapor se logra que todos los escenarios presenten un comportamiento estable en los parámetros de fluidización Ug/Umf y Ut/Umf; sin embargo los dos primeros escenarios (SC=0,2-0,5 y ER=0,2) continúan con régimen no burbujeante (NB), ver tabla 7. Tabla 7 Resultados de la simulación con aire y vapor a øP de 300 µm Modo1: aire+vapor Resultados SC ER d* U* Régimen Umf Ug Ut aire vapor Ug/Umf Ut/Umf 0,2 0,2 4,86 0,1 NB 0,07 0,29 3,49 8,98 2,1 4,1 49,9 0,5 0,2 4,86 0,12 NB 0,07 0,32 3,51 8,99 5,26 4,6 50,1 0,8 0,2 4,85 0,13 B 0,07 0,35 3,51 8,99 8,41 5,0 50,1 1,1 0,2 4,82 0,14 B 0,07 0,38 3,51 8,99 11,56 5,4 50,1 0,2 0,3 4,89 0,13 B 0,06 0,34 3,31 13,48 2,1 5,7 55,2 0,5 0,3 4,88 0,14 B 0,06 0,37 3,33 13,48 5,26 6,2 55,5 0,8 0,3 4,86 0,15 B 0,06 0,4 3,35 13,48 8,41 6,7 55,8 1,1 0,3 4,84 0,16 B 0,06 0,43 3,36 13,48 11,56 7,2 56,0 0,2 0,4 4,9 0,15 B 0,06 0,39 3,19 17,98 2,1 6,5 53,2 0,5 0,4 4,89 0,17 B 0,06 0,42 3,21 17,98 5,26 7,0 53,5 0,8 0,4 4,87 0,18 B 0,06 0,45 3,23 17,98 8,41 7,5 53,8 1,1 0,4 4,85 0,19 B 0,06 0,48 3,25 17,98 11,56 8,0 54,2 El modo 2 presenta variaciones con el øP, ya que los siete escenarios que presentaban parámetros de fluidización (Ug/Umf y Ut/Umf) críticos pasa a situación límite; pero en ningún caso se logra alcanzar el régimen burbujeante (B) del diagrama de Grace. Los resultados del modo 2 se hallan en el anexo G (Tabla G.1, Anexo G). Las variaciones en øP contribuyen a mejorar los parámetros de fluidización, logrando en la mayoría de los casos entrar en rangos estables de Ug/Umf y Ut/Umf. Pero esto no es suficiente para lograr que los escenarios con regímenes burbujeantes alcancen el burbujeo explicado en el diagrama de Grace. El øp requerido para que todos los escenarios del modo 1 con aire y vapor se encuentren dentro el régimen burbujeante es de 200 µm. Para le modo 2, este diámetro se reduce aún más y llega a 130 µm. Ambos diámetros solo representan una solución teórica para el fenómeno de la fluidización, debido a que esta granulometría pertenece a centrales de carbón pulverizado. 31 parámetros fluidodinámicos son estables (Ug/Umf y Ut/Umf). El PCI presenta el mismo comportamiento que la alternativa 3 aislada, a mayor caudal de vapor decrece el PCI. Tabla 14 Resultados de la simulación oxígeno y vapor con 1,558 kg/h carbón y SC>1,6 Modo2: oxígeno+vapor Resultados SC OC d* U* Régimen Umf Ug Ut O2 vapor Ug/Umf Ut/Umf PCI 1,6 0,15 6,29 0,16 B 0,11 0,51 5,12 1,76 25,22 4,6 46,5 10.615 2,1 0,15 6,24 0,19 B 0,11 0,59 5,05 1,76 33,11 5,4 45,9 7.806 2,6 0,15 6,19 0,21 B 0,11 0,67 5 1,76 40,99 6,1 45,5 5.982 1,6 0,3 6,31 0,17 B 0,11 0,51 4,91 3,52 25,22 4,6 44,6 8.314 2,1 0,3 6,25 0,20 B 0,11 0,59 4,87 3,52 33,11 5,4 44,3 6.197 2,6 0,3 6,2 0,22 B 0,1 0,67 4,84 3,52 40,99 6,1 44,0 4.797 1,6 0,4 6,32 0,18 B 0,11 0,51 4,78 4,69 25,22 4,6 43,5 6.993 2,1 0,4 6,26 0,20 B 0,1 0,59 4,76 4,69 33,11 5,4 43,3 5.254 2,6 0,4 6,2 0,23 B 0,1 0,67 4,74 4,69 40,99 6,1 43,1 4.091 Queda establecido que para permitir que todos los escenarios (modo 1 y 2), en especial para el modo de oxígeno y vapor se hallen en régimen burbujeante y dentro de los rangos de fluidización, es necesario incrementar en 50% el caudal de combustible de entrada y aumentar el ratio SC por encima de 1,6. En este punto vemos conveniente limitar el uso del ratio SC en 1,6; porque a partir de este valor se alcanzan todos los parámetros de fluidización y de régimen para el modo 2. Este nuevo valor de SC, es aún ligeramente superior al rango de bibliografía hallada de plantas piloto, pero se halla dentro los valores aceptados por Basu y Probstein. Los requerimientos de diseño para garantizar que el gasificador alcance régimen burbujeante en base a los datos de bibliografía son: a) para gasificación oxigeno y vapor: un sistema de generación de vapor con una capacidad de 25,3 lN/min y un sistema de abastecimiento de oxígeno con capacidad de 4,7 lN/min. b) para gasificación aire y vapor: precisa un caudal de aire de 27 lN/min y un sistema de generación de vapor de 25,3 lN/min. 5. Selección de equipos Definidos los requerimientos de oxigeno y vapor en el capitulo anterior y para poder operar el gasificador en cualquiera de los dos modos, se estima el volumen por ciclo de operación necesario, donde un ciclo de operación tiene una duración de 3 horas de proceso de gasificado. 32 Tabla 15 Requerimiento de vapor y oxígeno Agente gasificante Caudal lN/min Volumen por ciclo de operación m 3 Vapor 25,3 (0,83 kg/h) 4,56 (2,69 kg) Oxígeno 4,7 0,85 Aire 27 4,86 Los volumenes expuestos representan las necesidades de gasificantes en las situaciones más desfavorables en el rango de operación establecido en bibliografía. La selección de quipos se basa en la capacidad de suministro indicada en la tabla anterior más un coeficiente de seguridad para asegurar el aprovisionamiento. Para el suministro de vapor, se selecciona un generador eléctrico de vapor de baja capacidad Sussman con regulador de presión integrado y las siguientes caracteristicas: Tabla 16 Generador de vapor Especificaciones Modelo Sussman MBA 3kW Presión de operación (bar) 1-7 Potencia (kW) 3 Producción de vapor (kg/h) 4,5 Dimensiones W*H*D (cm) 52*46*40 Precio FOB (€) 1890 Los cilindros y reguladores de oxígeno estan normalizados por volumen y presión de operación, para la planta piloto se selecciona el cilindro de acero inoxidable suministrado por la empresa Linde de uso generalizado en laboratorios de la Universidad: Tabla 17 Cilindro y regulador de oxigeno Especificaciones Modelo de cilindro 3AA2400 Capacidad (ltr) 49,5 Presión de servicio (bar) 165 Presión máxima de prueba (bar) 230 Dimensiones H*D (cm) 22,86*139,7 Peso en vacio (kg) 61,3 Regulador de presión CGA540 33 Rango de flujo regulador(lN/min) 0,12-25 Precio regulador FOB (€) 24 Con la capacidad del cilindro, es posible realizar 9 ciclos de gasificado, cada uno de 3 horas. La elección de un tanque de mayor capacidad atenderá a justificantes de un elevado número de experimentaciones por mes o reducción en el recambio de cilindros. El anexo H, recoge las caracteristicas de catalogo del generador de vapor y del cilindro de oxigeno. El laboratorío del CIRCE ya cuenta con una compresora de aire capaz de suministrar el caudal necesario de aire a la planta piloto, por lo que no se seleccióna otro equipo. 6. Conclusiones Se ha realizado el estudio y sugerido la adaptación de la planta piloto de gasificación en lecho fluido burbujeante de 10 kWth para carbones de bajo rango, se estudio el rango de condiciones de operación para la gasificación utilizando vapor, oxígeno o aire como agente gasificante, y se han determinando caudales de entrada, temperatura de operación y se estimo ratios óptimos de funcionamiento mediante la aplicación de herramientas de simulación, garantizando de esta manera la capacidad fluidodinámica. A partir de los caudales de agentes gasificantes se propone un grupo generador de vapor y un sistema de abastecimiento de oxígeno. Se han definido los dos parametros más importantes para identificar un regimen burbujeante: la región acotada de flujo burbujeante del diagrama de Grace (d* y U*) y a los parametros mínimos de fluidización (Ug/Umf y Ut/Umf). A partir de ratios de gasificantes (ER, SC y OC) hallados en bibliografía de plantas piloto existentes, se han simulado 24 posibles escenarios de operación; la mayor parte de los escenarios no encajaba en el regimen burbujeante, por lo que se presento 5 alternativas para mejorar la fluidización: reducción de øp, utilización de gases inertes, mayor temperatura del reactor, incremento del ratio SC y aumentar el caudal de combustible. Las cinco alternativas mejoran los parametros de fludización, pero solo el incremento del ratio SC y caudal de combustible permite alcanzar el regimen burbujeante del diagrama contacto gas-solido. Como ultimo escenario, se plantea el uso combinado de las dos alternativas anteriores para permitir que el 100% de las simulaciones se consideren lechos fluidos burbujeantes aplicado a la gasificación de carbón. La gasificación con aire y vapor, no representa grandes complicaciones, salvo el caso de ER igual a 0,2; donde se debe incrementar el ratio SC por encima de 1,1. El modo 2, 34 gasificación con oxigeno y aire presenta los escenarios más adversos para la fluidización burbujeante. Para un incremento del caudal de combustible del 50% y un ratio mayor a 1,6 de SC es posible alcanzar el regimen burbujeante del diagrama de Grace en todos los escenarios, pero a costa de reducción en PCI. Los requerimientos mínimos de agentes gasificantes para la planta piloto son: • generador de vapor con una capacidad de 25,3 lN/min • oxigeno suministrado a razón de 4,7 lN/min o 846 lN para 3 horas de operación. • equipo para suministro de aire a 27 lN/min En función del caudal estimado de oxigeno y vapor se sugiere el uso de un equipo de generación de vapor Sussman MBA 3kW y un suministro de oxígeno por medio de cilindros de gas tipo M2, ambos con reguladores de presión integrados. Los resultados confirmaron la necesidad de generar sinergias de algunas alternativas, en este caso se desechan las modificaciones que incurren en mayor gasto energético o reducidas ganancias en las características fluidodinámicas del proceso. La alternativa planteada es la de incrementar el caudal de combustible y el ratio SC, de esta manera se consiguen que todos los escenarios del modo 1 y 2 se encuentren en régimen burbujeante y los parámetros de fluidización se hallen en el rango aconsejable para lechos fluidos. Sin embargo es necesario realizar un estudio posterior del costo por unidad energética del gas obtenido.