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PROYECTO FIN DE CARRERA Curso 2010/2011 TORREFACCIÓN DE BIOMASA: DISEÑO Y PROPUESTA ECONÓMICA DE UN REACTOR EXPERIMENTAL INGENIERÍA QUÍMICA Diseño de equipos en la Ingeniería Química Autor: Jorge Trasobares Sánchez Director: Jair Meza Blanco Ponente: Begoña Peña Pellicer MARZO DE 2011 Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 5 ~ Agradecimientos: Es una gran ocasión para dedicar unas palabras a los que por estar tan cerca, en ocasiones, se les deja de contemplar en todo su esplendor, de la misma manera que si se intentara contemplar un grandioso cuadro con la nariz pegada al lienzo. Especialmente a mis padres, quienes siempre se han esforzado y me han motivado para que tuviera la mejor formación posible. Gracias, es por vosotros, por quienes he llegado a ser la persona que soy, de lo que me encuentro muy orgulloso, espero estar a la altura como vuestro hijo en todo momento. A mi hermano, que esboza un camino que es una inspiración y a quien siempre le deberé también parte de mis éxitos. Asimismo quiero agradecer al resto de mi familia, por la reconfortadora armonía y buenos momentos que se comparten. Un especial agradecimiento se merece mi hermosa compañera, que con su dulzura impregna a la vida de un embriagador aroma que no quiero dejar de sentir. También a su familia, con quienes desde el primer momento me sentí como en casa y con los que comparto felices momentos. A los profesores que desde pequeño han tenido la capacidad de despertarme el interés por lo que sucede a mi alrededor. También al director y a la ponente del proyecto final de carrera, quienes han perfilado mis aptitudes para la investigación, en el vasto campo del conocimiento. A mis compañeros y amigos con los que he compartido momentos de todo tipo y espero seguir compartiendo. A todos vosotros, gracias. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 6 ~ TORREFACCIÓN: DISEÑO Y PROPUESTA ECONÓMICA DE UN REACTOR EXPERIMENTAL RESUMEN El presente proyecto se centra en la torrefacción de la biomasa de origen vegetal, mecanismo de descomposición aerobia por medio del cual se consigue mejorar sus cualidades como combustible. Dada la situación energética actual, la biomasa se presenta como una alternativa al uso de combustibles sólidos, pero muestra una serie de desventajas que hacen que el proceso no sea tan eficiente como se desearía. En el primer capítulo se establece la motivación, los objetivos y el alcance del proyecto, tras lo cual, en el capítulo dos, se trata el proceso de la torrefacción. La biomasa adecuada para el proceso, está compuesta principalmente por hemicelulosa, celulosa y lignina. La hemicelulosa es el compuesto que se descompone mayoritariamente en el proceso de torrefacción, consistente en tratar a la biomasa en una atmósfera libre de agentes oxidantes a una temperatura de entre 200-300 ºC y presión atmosférica. En este proceso se obtienen una serie de compuestos volátiles y un producto sólido, que es lo realmente interesante, ya que entre otras características, este producto tiene un mayor poder calorífico, un carácter más hidrófobo y es más frágil, lo que le convierte en un mejor combustible que la biomasa inicial. El capítulo tres revisa la tecnología del proceso comentando los equipos necesarios para el desarrollo del proceso. Una vez explicadas las configuraciones más habituales para el reactor, atendiendo al modo de operación o al contacto entre fases, y vistos algunos modelos específicos susceptibles de emplearse, se realiza una comparativa entre ellos eligiendo el más adecuado. El reactor seleccionado es un lecho fluidizado, especialmente interesante por su alta transferencia de calor, que repercute en bajos tiempos de operación, y por la oportunidad que ofrece para intentar perfeccionar la tecnología existente. También se desarrollan distintas posibilidades existentes para mejorar la fluidización, tanto desde el punto de vista del diseño como el de operación. El capítulo cuatro detalla el prototipo de reactor, dimensionado para torrefactar 1 kg de biomasa por experimento, explicando la forma de las distintas partes de las que consta. Un parámetro fundamental para su diseño es la capacidad de tratar una muestra heterogénea en cuanto a la forma, tamaño y densidad de partícula, por lo cual se ha elegido una cámara de reacción troncocónica. En este apartado también se configura el prototipo de planta experimental calculando los caudales de gas así como los calores que se necesitan aportar en el calentador y retirar en el condensador. Todo lo anterior servirá para hacer una valoración económica aproximada de la planta experimental, la cual se recoge en el capítulo cinco. Como capítulo final se tienen las conclusiones del proyecto donde se resume el trabajo realizado, los recursos utilizados y los aportes realizados. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 7 ~ Contenido 1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 9 1.1 MOTIVACIÓN ................................................................................................................... 9 1.2 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 10 1.3 ALCANCE ....................................................................................................................... 10 2 PROCESO DE TORREFACCIÓN .......................................................................................... 11 2.1 LA BIOMASA .................................................................................................................. 11 2.2 TORREFACCIÓN ............................................................................................................ 12 2.3 MECANISMOS DE REACCIÓN .................................................................................... 13 2.4 PRODUCTOS DE REACCIÓN ....................................................................................... 16 2.5 PROPIEDADES DE LA BIOMASA TORREFACTADA ............................................... 20 2.5.1 Análisis elemental ...................................................................................................... 20 2.5.2 Propiedades mecánicas ............................................................................................... 21 2.5.3 Propiedades generales ................................................................................................ 22 2.6 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 24 3 TECNOLOGÍA ........................................................................................................................ 25 3.1 PLANTA DE TORREFACCIÓN ..................................................................................... 25 3.2 REACTOR ........................................................................................................................ 27 3.3 MODELOS ESPECÍFICOS DE REACTOR .................................................................... 29 3.3.1 Tornillos sin fin .......................................................................................................... 29 3.3.2 Horno rotativo ............................................................................................................ 30 3.3.3 Lecho fluidizado ......................................................................................................... 31 3.3.4 Torbed ........................................................................................................................ 32 3.3.5 Lecho fijo y móvil. ..................................................................................................... 33 3.3.6 Turbo secador de Wyssmont. ..................................................................................... 34 3.4 COMPARATIVA ............................................................................................................. 35 3.5 CONSIDERACIONES DE LA TECNOLOGÍA SELECCIONADA ............................... 36 3.5.1 Factores de operación ................................................................................................. 37 3.5.2 Factores de diseño ...................................................................................................... 38 3.6 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 39 4 DISEÑO ................................................................................................................................... 40 4.1 REACTOR ........................................................................................................................ 40 4.1.1 Descripción general .................................................................................................... 41 Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 8 ~ 4.1.2 Dimensionamiento ..................................................................................................... 42 4.1.3 Factores de diseño ...................................................................................................... 44 4.2 PLANTA ........................................................................................................................... 48 4.3 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 52 5. PROPUESTA ECONÓMICA ................................................................................................. 53 5.1 COSTES DE OPERACIÓN .............................................................................................. 53 5.2 COSTES DE FABRICACIÓN .......................................................................................... 53 5.3 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 56 6 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 57 FIGURAS .................................................................................................................................... 59 TABLAS ..................................................................................................................................... 60 ECUACIONES ........................................................................................................................... 60 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 61 Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 9 ~ 1 INTRODUCCIÓN 1.1 MOTIVACIÓN El presente proyecto final de carrera se realiza durante el curso 2010/2011 alentado por la búsqueda de soluciones a la situación energética actual, en la que los combustibles, especialmente los fósiles, están sometidos a subidas en el valor de su precio. Acompañado por un crecimiento económico, el uso de estos combustibles está desequilibrando los niveles en concentración de CO2, y esto afecta a otras constantes de la vida en el planeta, cómo la temperatura o la acidez de los océanos. La biomasa es una fuente de energía considerada renovable, con balance casi neutro en emisiones de CO2, la gran ventaja de su uso es que ésta, en realidad, se comporta como un vector energético y su explotación sostenible puede colaborar a encontrar el equilibrio de los ecosistemas además de desarrollar nuevas actividades económicas en zonas rurales. Durante su periodo vivo los vegetales se comportan como un sumidero de CO2 almacenando además parte de la energía que recibimos del Sol. Anualmente la fotosíntesis acumula de 5 a 8 veces más de energía en la biomasa de lo que consume el ser humano contabilizando todos los recursos [2]. Eso hace que su aprovechamiento energético mediante combustión se considere renovable. Con el conocimiento en el uso de esta fuente energética no se debe olvidar que como ser autótrofo los vegetales son la base del resto de seres vivos del planeta. Además, la cantidad de tierra necesaria para su cultivo y la competencia entre el uso alimenticio y energético de diferentes productos hace que se tenga que abordar el tema con gran mesura. Últimamente se está fomentado el uso de residuos forestales y cultivos energéticos. Sin embargo la biomasa tiene algunas desventajas frente a otras opciones del sector. Tiene bajo poder calorífico, alto contenido en humedad, alta resistencia a la trituración y además pueden ser deterioradas por hongos. La pirólisis1 de biomasa es un tratamiento térmico de largo recorrido en el que se cambian las propiedades del compuesto. Si se trabaja en un rango de entre 200 y 300 ºC nos encontramos frente a un nuevo proceso llamado torrefacción, mediante el cual mejoramos las propiedades del combustible. Se han realizado varios estudios en diferentes centros de investigación, por lo que se considera apropiado hacer una recopilación de la información más importante 1 Pirólisis: Descomposición química de la materia orgánica y todo tipo de materiales excepto metales y vidrios causada por el calentamiento en ausencia de oxigeno. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 10 ~ que sirva de base para desarrollar un prototipo capaz de llevar a cabo la torrefacción y aumentar el conocimiento sobre este proceso con líneas de estudio propias sobre el proceso. 1.2 OBJETIVOS Los objetivos concretos planteados en el proyecto son los siguientes: - Desarrollar una base de datos bibliográfica, en la que se basará la primera parte del PFC, dedicada al Estado del Arte de la torrefacción y de las actuales tecnologías de explotación. - Conocer en profundidad el proceso de torrefacción de biomasa lignocelulósica. - Realizar un estudio comparativo de las tecnologías disponibles basada en criterios económicos y técnicos, con el fin de seleccionar la más apropiada para la planta experimental que se quiere diseñar. - Diseñar un prototipo experimental, de pequeña capacidad que pueda construirse en el futuro y sirva para estudiar el proceso y para mejorar la tecnología. - Evaluar económicamente los costes de fabricación y de operación del prototipo. 1.3 ALCANCE El proyecto analiza las condiciones del proceso de torrefacción, estudiando las necesidades para torrefactar la biomasa, y las mejoras que se obtienen en las características del producto. Con ello, dependiendo de cada caso, es posible estudiar si es conveniente introducir la torrefacción. Se comentan los equipos necesarios para llevar a cabo la torrefacción estudiando los diferentes tipos de reactores, evaluando diferentes características como la capacidad de tratamiento, contacto entre fases, tiempo de reacción, tamaño de partícula capaz de tratar, costes de inversión, costes de operación y oportunidad de innovación. Una vez realizada esta comparativa se selecciona un tipo de reactor para el cual se estudian posibles mejoras. Con estos conocimientos se dimensiona un torrefactor, que debería ser capaz de torrefactar 1 kg de biomasa por experimento y a través del cual se puede avanzar tanto en el conocimiento de la torrefacción como en el de la fluidización. Se realiza también una evaluación de los costes que tendría el conjunto, con lo que decidir si se puede llegar a implantar el prototipo diseñado. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 11 ~ 2 PROCESO DE TORREFACCIÓN En este capítulo se presenta el proceso de la torrefacción, por medio del cual se consiguen mejorar las propiedades de la biomasa como combustible. Se comienza exponiendo la materia prima y sus componentes mayoritarios, más adelante se define el proceso de torrefacción y se muestran sus aspectos principales, como el balance de materia y energía. También se explica el mecanismo de descomposición térmica que sufre la biomasa durante la torrefacción y se detallan los productos que obtenidos. Se continúa explicando las propiedades del producto sólido resultante, fijándose en el análisis elemental y el poder calorífico del producto, se comentan los cambios producidos en la resistencia mecánica del producto con respecto de la biomasa original y otras propiedades generales. Para terminar, se exponen las conclusiones del capítulo. 2.1 LA BIOMASA El término biomasa hace referencia a cualquier tipo de materia orgánica que haya tenido su origen inmediato en un proceso biológico, incluyendo tanto los de origen vegetal como animal, comprendiendo un conjunto muy heterogéneo de materiales. Actualmente se acepta el término biomasa, para designar al grupo de productos energéticos y materias primas de tipo renovable a corto plazo y formadas por vía biológica, quedando excluidos los combustibles fósiles y sus derivados aunque tuvieran un origen biológico. Dentro de este amplio espectro de materiales, el estudio se centra en la biomasa lignocelulósica, compuesta principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina, cuyo porcentaje varía en función de la especie vegetal como se aprecia en la Tabla 2.1. Tabla 2.1 Componentes de la biomasa [3]. Componente (%) Biomasa Herbácea Biomasa Leñosa Celulosa 35-50 55-65 Hemicelulosa 20-30 10-20 Lignina 10-20 20-30 Extractivos y otros 20-30 10-20 Cenizas 5-20 0,1-0,5 La celulosa es un polímero lineal constituido por unidades de D-glucosa (C6H10O5)n unidos por enlaces tipo éter, su estructura es la misma para todos los vegetales, variando el grado de polimerización y alcanzando masas moleculares superiores a 100.000 g/mol. Las cadenas lineales forman haces fibrosos, que proporcionan una estructura cristalina altamente inerte. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 12 ~ Las hemicelulosas son polímeros ramificados de masa molecular inferior a 30.000 g/mol, que contienen entre 50 y 200 unidades de D-xilosa (C5H10O5)n, las más abundantes, o D-manosa (C6H12O6)n presentes principalmente en resinas. La lignina es un polímero tridimensional de unidades fenilpropano (C10H15O3)n, con gran número de ciclos aromáticos unidos entre ellos por ciclos furano o enlaces éter, es el agente de unión de las fibras de celulosa. La biomasa lignocelulósica contiene además otros compuestos como: lípidos, hidrocarburos, compuestos fenólicos, hidratos de carbono y proteínas. También contiene sustancias minerales, que formarán las cenizas y que representan del 0,3 al 1% de la masa total, y que pueden ser de interés debido a que pueden actuar como catalizadores del proceso. El análisis elemental de la composición media de la biomasa, en peso, podría dar como resultado: 50% carbono, 6% hidrógeno y 44% oxígeno, pudiéndose representar mediante la fórmula empírica C1H1,44O0,66 [4]. En comparación con el carbón, la biomasa tiene un menor poder calorífico, su naturaleza fibrosa le confiere una alta tenacidad y posee un mayor contenido en humedad. Estas propiedades tienen impactos negativos en el uso de este recurso como fuente de energía, tanto en el almacenamiento, transporte, en la adecuación del tamaño del material y la propia combustión. 2.2 TORREFACCIÓN Se llama torrefacción al proceso de descomposición térmica que sufre la biomasa a temperaturas de 200 a 300 ºC a presión atmosférica y en ausencia de agentes oxidantes. Durante este proceso se elimina el agua y productos orgánicos volátiles a la vez que se acortan las largas cadenas de polisacáridos. Este tratamiento también se encuentra en la bibliografía mediante otros nombres como puede ser tostado o pirólisis moderada. El resultado del proceso es un producto con mejores propiedades como combustible sólido: mayor poder calorífico, más hidrófobo, menos resistente a la molienda y sin desarrollo de actividad bacteriana que puede deteriorar el combustible. En la Figura 2.1 se representa el balance de materia y energía en la torrefacción, apreciando que tras el tratamiento, la biomasa torrefactada puede contener el 90% de la energía inicial en el 70% de la masa inicial. El 30 % de masa restante la forma la materia volátil que contiene el 10% de energía inicial. A consecuencia de lo observado se aprecia una densificación energética en el producto sólido obtenido [5]. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 19 ~ representada por el primer pico, aumentado la pérdida de masa en la segunda etapa, segundo pico, y viceversa. Las conclusiones que obtienen los investigadores es que el primer pico representa la combustión debida a la materia volátil, siendo el segundo pico la consecuencia de la combustión de la materia no volátil [6]. Figura 2.6 Tratamiento térmico de la caña de alpiste no tratada y torrefactada [7]. Figura 2.7 Oxidación de la caña de alpiste no tratada y torrefactada [7]. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 20 ~ 2.5 PROPIEDADES DE LA BIOMASA TORREFACTADA 2.5.1 Análisis elemental El análisis elemental del producto obtenido mediante torrefacción revela aumentos en la cantidad de carbono mientras desciende el contenido en hidrógeno y oxígeno, manteniéndose constante la cantidad de nitrógeno. Esto es debido a que las reacciones que se producen durante la torrefacción liberan más cantidad de oxígeno e hidrógeno, haciendo que se concentre la cantidad de carbono en el residuo sólido. Estos cambios se aprecian en la Tabla 2.4, en la que se muestra el tanto por ciento de cada elemento, junto a la humedad y el poder calorífico para diferentes temperaturas de torrefacción, dados estos resultados para la caña de alpiste, la paja de trigo y el sauce. El poder calorífico que contiene el combustible aumenta conforme mayor es la temperatura de torrefacción, a la vez que aumenta la concentración de carbono. Tabla 2.4 Comparación del análisis elemental para diferentes biomasas y grados de torrefacción [6]. Sin tratamiento Temperatura de torrefacción (K) - 503 523 543 563 RCG C (%) 48,6 49,3 50,3 52,2 54,3 H (%) 6,8 6,5 6,3 6,0 6,1 N (%) 0,3 0,1 0,0 0,1 0,1 O (%) 37,3 37,0 37,3 36,3 Humedad (%) 4,7 2,5 1,9 1,3 1,2 CV (kJ/kg) 19.500 20.000 20.800 21.800 Paja de trigo C (%) 47,3 48,7 49,6 51,9 56,4 H (%) 6,8 6,3 6,1 5,9 5,6 N (%) 0,8 0,7 0,9 0,8 1,0 O (%) 37,7 35,6 33,2 27,6 Humedad (%) 4,1 1,5 0,9 0,3 0,8 CV (kJ/kg) 18.900 19.400 19.800 20.700 22.600 Sauce C (%) 49,9 50,7 51,7 53,4 54,7 H (%) 6,5 6,2 6,1 6,1 6,0 N (%) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 O (%) 39,9 39,5 38,7 37,2 36,4 Humedad (%) 2,8 0,5 0,1 0,1 0,0 CV (kJ/kg) 20.000 20.200 20.600 21.400 21.900 Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 21 ~ En el diagrama de Van Krevelen, utilizado para caracterizar combustibles tales como biomasa o diferentes carbones, el eje de ordenadas corresponde al ratio H/C (cociente entre el contenido de hidrógeno y el contenido de carbono) y en el eje de abscisas al ratio O/C (relación entre el contenido de oxígeno y el contenido de carbono). En este gráfico conforme nos desplazamos hacia la izquierda y arriba aumenta la energía del combustible. En la Figura 2.8 se muestran algunos puntos de referencia como la antracita o lignito, carbones frecuentemente usados y conocidos, que sirven para hacer una comparativa. Por otro lado, se han representado también diferentes biomasas sin tratar y tras el tratamiento de torrefacción. Cabe destacar el caso de la paja de trigo, que es la biomasa tratada que mayor desplazamiento muestra en el diagrama Van Krvelen, y como se puede comprobar en la Tabla 2.4, es el material que mayor aumento experimenta en el poder calorífico tras la torrefacción [7]. Figura 2.8 Krevelen para carbón, biomasa y biomasa torrefactada [7]. 2.5.2 Propiedades mecánicas La energía necesaria para la molienda depende del material y del tamaño de partícula que se desee, creciendo exponencialmente la energía consumida en la molienda conforme se reduce el tamaño de partícula. Gracias a la descomposición térmica que se produce durante la torrefacción, las largas cadenas de hemicelulosa se ven fraccionadas obteniéndose un material más frágil, por ello el producto obtenido tendrá una menor resistencia a la molienda y se consumirá menos energía en la adecuación de su tamaño. En la Figura 2.9 se pueden apreciar las tendencias anteriormente comentadas y fijándose particularmente en los puntos para sauce sin tratar (willow) con humedad de Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 22 ~ entre 10 y 13 % y torrefactado durante 24 minutos a 290 ºC (W 290 24), para el tamaño de partícula de 0,2 mm, se tiene una reducción energética del 90% pasando de necesitar unos 65 kWe/MWth a 5 kWe/MWth. En la misma figura, pero en la parte de la derecha, se representa la capacidad de molienda frente al tamaño de partícula. Se aprecia cómo la capacidad de molienda aumenta con tamaños de partícula mayores teniendo mayor pendiente en la biomasa torrefactada. Esto significa que, disponiendo de la misma maquinaria se puede aumentar la producción si se alimenta biomasa torrefactada. Se puede resaltar que el mayor aumento en las capacidades de molienda se da para la biomasa torrefactada a mayor temperatura [9]. Figura 2.9 Potencia consumida y capacidad de molienda frente a tamaño de partícula. En la leyenda se indica: tipo de biomasa, temperatura y tiempo de torrefacción [9]. 2.5.3 Propiedades generales Dado que el principal objetivo de la torrefacción es mejorar las propiedades de la biomasa como combustible, es importante resaltar las mejoras que se pueden conseguir con este proceso. En la Tabla 2.5 se muestran algunas propiedades importantes, para biomasa sin tratar, pelets5 de madera y pelets de biomasa torrefactada (TOP)6. Se aprecia un cambio en el contenido de humedad, reduciéndose un 71% para los pelets y un 95% para los pelets torrefactados. Como consecuencia de ello el valor más alto del poder calorífico es el de los pelets torrefactados, debido a que el contenido en humedad no aporta valor energético al producto. El valor del contenido energético de 5 Pelets: Producto basado en biomasa seca compacta que se obtiene en la peletización. 6 TOP: Tecnología que combina torrefacción y peletización [2]. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 23 ~ los TOP es el doble que el de la biomasa sin tratar, mientras que para el peletizado convencional el aumento se queda en un 52% respecto a la biomasa sin tratar. Tabla 2.5. Propiedades del combustible [5]. Astillas de madera Pelets de madera TOP Pelets Contenido en humedad (%) 35 10 3 Poder calorífico (MJ/kg) 10,5 16 21 Densidad 550 600 800 Densidad energética (GJ/m3) 5,8 9 16,7 Naturaleza higroscópica Húmedo Húmedo Hidrófobo Comportamiento en almacenaje Se enmohece Pérdida de materia seca Se enmohece Se deteriora Estable La densidad se incrementa tras los procesos de peletizado convencional y peletizado con previa torrefacción, en un 9% y un 45% respectivamente. Esta mejora, toma importancia cuando el producto tiene que ser transportado, es ahí en la logística del proceso dónde reside parte de la oportunidad de rentabilizar la inversión que necesita hacerse en el proceso de torrefacción. En cuanto a la densidad energética aún son más notables los incrementos que se producen, obteniéndose un aumento del 188% para los TOP pelets. Por otro lado, mientras que las astillas y las briquetas de madera absorben humedad del ambiente y se pueden deteriorar, las briquetas torrefactadas son higroscópicas y estables. Por ello se ahorra en pérdidas durante el almacenamiento y transporte. De acuerdo con lo anterior es evidente que el proceso de torrefacción mejora las propiedades físicas de la biomasa pasa su uso como combustible [5]. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 24 ~ 2.6 CONCLUSIONES En este capítulo se ha presentado la biomasa y su descomposición térmica. Se ha prestando especial atención en como varían los productos obtenidos en función de la temperatura o el tiempo de residencia, lo que puede servir para fijar condiciones en función del producto que deseamos obtener. También se ha resaltado la importancia del tamaño de partícula en el control cinético de la torrefacción. Por último, se han comentado los productos obtenidos tras la torrefacción y las propiedades de residuo sólido que se obtienen con este proceso. Se quiere resaltar en este punto las mejoras que se consiguen en sus propiedades como combustible, ya que es el objetivo del proceso. Se detiene la descomposición del material, gracias a su nuevo carácter higroscópico tras la torrefacción, eliminando también la formación de olores. Se reduce la longitud de los polímeros iniciales que forman la biomasa y el resultado es un compuesto más frágil con lo que se reduce la energía necesaria para la molienda del combustible, mejorando la rentabilidad del producto. Aumenta su densidad energética, proporcionando una reducción de costes en almacenamiento y transporte. Como se ha visto en el capítulo, se liberan compuestos volátiles de baja energía. Aunque este proceso necesita de una serie de reacciones endotérmicas necesitando un aporte de energía, además de la inversión de la instalación, estos costes pueden ser compensados con las ventajas proporcionadas. Se obtienen beneficios en el momento de transportar la biomasa o al aumentar las posibilidades de esta materia prima que puede servir de alimentación para centrales térmicas o en algunos casos en la industria del Aluminio como reductor. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 25 ~ 3 TECNOLOGÍA A continuación se presentan los equipos principales de una planta de torrefacción prestando especial atención al reactor y a los tipos de configuraciones posibles más clásicas. Se muestran también varios modelos específicos y se realiza una comparativa con el fin de elegir la tecnología más adecuada. Tras la elección de un tipo de reactor se presentan posibles mejoras para ese modelo, lo cual se tendrá en cuenta para el diseño del reactor. 3.1 PLANTA DE TORREFACCIÓN Una planta de procesado de biomasa consta de una serie de equipos en donde se realizan las operaciones necesarias para obtener el producto buscado. En la Figura 3.1 se muestra el esquema de una planta de torrefacción, apreciando las distintas unidades de procesamiento representadas por cajas y las conexiones existentes entre ellas. A continuación se comentan las funciones de estos equipos:  Secadero: Existen diferentes alternativas para establecer el contacto entre las fases, como los secaderos de túnel, rotativos o de bandejas entre otros. Lo que se busca es obtener una biomasa con un menor contenido en humedad.  Horno: Es la unidad en la que entra un combustible, opcionalmente también los vapores de la torrefacción y un comburente, por ejemplo aire del ambiente, produciéndose la combustión y el consecuente aporte energético.  Torrefactor: Es el reactor donde se da la descomposición térmica de la biomasa, explicada ya en el capítulo anterior, produciéndose la biomasa torrefactada y un conjunto de gases y compuestos volátiles.  Intercambiador de calor: Es la unidad encargada de suministrar el flujo de energía necesaria en el secadero y en el torrefactor a partir del producido en el horno.  Molino: Equipo encargado de adecuar el tamaño de partícula deseado.  Unidad de recuperación de la caída de presión (en la Figura 3.1, denotado por DP): Si se quiere reutilizar el flujo de salida del torrefactor conduciéndolo al intercambiador de calor es necesario insertar una unidad de recuperación de la caída de presión, evitándose la aparición de un bypass. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 26 ~ Figura 3.1 Esquema de planta de torrefacción industrial [5]. Al sistema, aparte de la biomasa para su tratamiento, entra el combustible y comburente, necesario para alimentar el horno en donde se obtiene la energía térmica suficiente para el secado y la torrefacción. También entra el comburente, con el que quemar el combustible. Como flujos de salida se tienen: la biomasa torrefactada y unos gases de combustión, subproducto que se obtiene por la generación de la energía térmica necesaria. En esta distribución se considera que los volátiles que se emiten en el torrefactor se queman en el horno. La planta representada en la Figura 3.1 es una distribución off-set, es decir, que trabaja de forma autónoma. El proceso de torrefacción puede estar integrado en otro más general (on-set), en donde, por ejemplo, se aprovechara un calor residual y no hiciera falta un horno propio para la torrefacción [2]. Puede existir un punto en el que el proceso de torrefacción se sustente con la combustión de los compuestos volátiles producidos en la torrefacción, teniendo en cuenta no sólo la energía necesaria para la torrefacción de la biomasa, sino también, el secado y las pérdidas de calor, se trata del punto auto-térmico, en el cual no sería necesario aporte de combustible. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 27 ~ El estado auto-térmico determina dos escenarios posibles para el proceso de torrefacción, uno cuando se trabaja por debajo del punto auto-térmico y los compuestos volátiles de la torrefacción no tienen la energía suficiente para mantener el proceso por lo que se necesita un combustible adicional, y otro cuando se trabaja por encima del punto auto-térmico, en este caso los volátiles contienen más energía que la necesaria en el proceso de torrefacción y si no se aprovecha se puede desperdiciar esta energía. A partir de aquí el capítulo se centra en las diferentes tecnologías que se utilizan para la construcción del reactor ya que el resto de equipos son ampliamente conocidos y el reactor es una parte trascendental de la planta el cual modulará variables importantes como capacidad de producción, costes, etc. 3.2 REACTOR La torrefacción se puede considerar una reacción heterogénea sólido-gas no catalizada y endotérmica. En el reactor entrará la biomasa a tratar, así como el gas libre de agentes oxidantes y la energía térmica, obteniéndose la biomasa torrefactada y los compuestos volátiles. La elección de un tipo de reactor u otro puede depender entre otras variables del tipo de reacción, conocimiento de la tecnología, cantidad de masa a tratar, contacto entre reactantes, estabilidad y flexibilidad de la operación, coste de los equipos, seguridad y vida media del equipo. Dada la gran variedad de sistemas posibles y los muchos factores a considerar no es de esperar una única instalación óptima. Para diseñar una instalación resulta conveniente conocer las características de las formas clásicas que suele adoptar el reactor. A continuación se muestran las diferentes clasificaciones según el modo de operación y el contacto entre fases. Atendiendo al modo de operación se pueden considerar varios tipos:  Reactores continuos: Tanto la alimentación de reactantes como la retirada de productos es continua. Este modo de operar disminuye los costes de operación, tiene un alto nivel de reproducibilidad y un amplio intervalo de capacidad de proceso. Sin embargo, estas ventajas también provocan alguna desventaja como puede ser la baja versatilidad debido a su alta especialización.  Reactores discontinuos: Con este modo de operar se introducen los reactantes, se deja reaccionar y después se sacan los productos. Este tipo de reactores tiene una alta versatilidad, es sencillo su control, se obtiene una calidad uniforme y se pueden integrar varias etapas en él. Por otro lado, tiene elevados costes de operación y menor reproducibilidad. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 28 ~  Reactores semi-continuos: Un reactante puede alimentarse de forma continua y otro reactante (o por ejemplo un catalizador) se alimenta y retira de forma intermitente. Es un modelo intermedio, mejorando los puntos más débiles pero no consiguiendo tener la calidad de los puntos más fuertes de cada modelo. Puesto que la reacción que se da en la torrefacción implica dos fases, el sólido que se descompone y el gas que aporta la energía térmica necesaria, es importante hablar de la velocidad mínima de fluidización, que es la velocidad mínima que debe tener el gas para fluidizar un lecho de partículas. Esta es una variable que depende principalmente: de la densidad, tamaño de partícula y factor de forma del sólido, y también, de la densidad y viscosidad del gas. En función de la configuración de los flujos y la relación entre la velocidad del gas y la velocidad mínima de fluidización se tienen diferentes lechos. Desde el punto de vista del contacto entre fases los reactores se pueden clasificar en:  Lecho fijo: La corriente de gas atraviesa un lecho inmóvil de partículas. La velocidad con la que fluye el gas es menor que la velocidad mínima de fluidización.  Lecho fluidizado: Las partículas de sólido se mantienen soportadas por la corriente de gas, tiene carácter de mezcla perfecta, consiguiéndose una buena uniformidad térmica. La velocidad que tiene el gas tiene por lo menos el mismo valor que la velocidad de mínima fluidización del lecho, aunque para una buena fluidización la velocidad superficial del gas tiene que ser 1,5 o 2 veces la velocidad mínima de fluidización.  Lecho móvil: El gas y el sólido se mezclan mediante corrientes paralelas, cruzadas o en contracorriente. Existe movimiento de las dos fases, pero no existen condiciones de mezcla perfecta como en el lecho fluidizado. La velocidad del gas es menor que la mínima velocidad de fluidización.  Lecho arrastrado: También llamado transporte neumático, el sólido es transportado en el seno de la corriente de gas, la velocidad del gas es mayor a la mínima velocidad de fluidización del lecho. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 35 ~ 3.4 COMPARATIVA Para seleccionar una de entre las tecnologías presentadas para realizar un estudio más detallado y realizar un diseño para una posible planta de laboratorio se ha realizado la Tabla 3.1 En ella se disponen las características que se consideran más importantes comentadas en el apartado anterior, clasificándolas de 0 a 1 para cada reactor, siendo 1 lo más conveniente (mayor capacidad, mejor contacto entre fases, menor tiempo de reacción, posibilidad de tratar tamaños de partícula mayores, menores costes de inversión, menores costes de operación, menores riesgos o posibles fallos y mayor oportunidad de mejorar la tecnología). Se ha ponderado estas características primando el contacto entre fases, riesgos y oportunidad de innovación dada su importancia. Tabla 3.1 Comparativa entre las diferentes tecnologías. Peso relativo Tornillo sin fin Horno rotativo Lecho fluidizado Torbed Lecho fijo y móvil Wyssmont Capacidad 1 1 1 0,5 0,6 0,6 0,6 Contacto entre fases 2 0,4 0,5 1 1 0,6 0,8 Tiempo de reacción 1 0,6 0,7 1 1 0,7 0,7 Tamaño de partícula 1 1 1 0,5 0,5 0,6 0,5 Costes de inversión 1 0,6 0,6 1 1 1 0,8 Costes de operación 1 1 1 0,8 0,8 0,9 0,8 Riesgos 2 0,7 0,7 0,9 0,9 0,9 0,8 Oportunidad de innovación 2 0,2 0,2 1 1 0,5 0 SUMA 11 6,8 7,1 9,6 9,7 7,8 6,6 RESULTADO 1 0,62 0,65 0,87 0,88 0,71 0, 6 Una vez calificadas las características, se suma para cada tecnología y se divide para 11, que es la máxima puntuación, obteniendo un valor entre cero y uno. El resultado más cercano a la unidad es la mejor elección. El resultado de esta tabla de decisión indica que la mejor elección es un reactor tipo Torbed o lecho fluidizado por lo que a continuación se comentarán algunos detalles relacionados con esta tecnología. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 36 ~ 3.5 CONSIDERACIONES DE LA TECNOLOGÍA SELECCIONADA El lecho fluidizado gas-sólido tiene una alta transferencia de masa y calor, lo que hace de esta alternativa una buena solución para diferentes procesos industriales. Aunque su principal inconveniente son los problemas que aparecen a la hora de escalar el proceso, como la elutriación de finos, el elevado burbujeo o la formación de canales preferenciales. Por ello se está prestando especial atención en la intensificación de los procesos de fluidización, proporcionando tanto mejoras en el diseño, incluyendo la configuración de la cama y fuerzas externas, como en los factores de operación, por ejemplo propiedades del sólido y del gas [11]. Aunque no existen unas correlaciones directas se sabe que el nivel de homogeneidad del lecho depende de las fuerzas partícula-partícula (IPF) y las fuerzas gas-partícula (HDF) como se puede ver en la siguiente figura. Figura 3.8 Homogeneidad frente a las fuerzas HDF e IPF [11]. Los cambios que se introducen en la operación para controlar las condiciones del lecho varían las fuerzas IPF y HDF desplazando las condiciones hacia la derecha o izquierda en el gráfico. Normalmente se suele actuar sobre la temperatura, la presión, el nivel de finos o el agente fluidizante. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 37 ~ 3.5.1 Factores de operación Si nos fijamos en la clasificación de Geldart, en el cual se dividen las partículas en cuatro grupos según la relación entre la densidad aparente y el tamaño de partícula, las partículas tipo B son las que mejor fluidizan y si nos alejamos de esta sección empeora la fluidización. A veces las características del sólido no se pueden modificar todo lo que se necesitaría para una buena fluidización. En la búsqueda del rango óptimo se pueden utilizar varias alternativas que varían las fuerzas IPF y HDF como [10]: Figura 3.9 Clasificación de Geldart [10] .  Adición de agentes que mejoran la fluidización y la homogeneidad del lecho, aumentando las fuerzas entre las partículas (IPF), reduciendo la elutriación y disminuyendo el burbujeo.  Uso de gases con alta densidad o viscosidad como el argón y el neón que aumentan la zona de trabajo sin burbujeo, incrementando las fuerzas HDF. Si se desea el efecto contrario aumentando las fuerzas IPF se puede reducir la densidad o viscosidad del gas o elegir gases que se adsorban fácilmente en el sólido, con lo que se aumenta las fuerzas IPF.  Trabajar a presión, lo cual influye de dos maneras: se aumentan las fuerzas IPF debido a que se favorece la adsorción y se aumenta la densidad del gas, por lo que se incrementan las fuerzas HDF.  Elevar la temperatura disminuye las fuerzas IPF porque disminuye la adsorción del gas, pero también influye en la densidad y viscosidad del gas, lo cual hace su control más complicado. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 38 ~ 3.5.2 Factores de diseño También se pueden modificar las condiciones del lecho mediante el diseño de la cama, el sistema de distribución del gas o por los métodos intrusivos.  La forma de cama más habitual es la cilíndrica por ser compacta pero son posibles otras configuraciones, una que llama especialmente la atención por su utilidad para el proceso que se está estudiando es la configuración cónica, que debido al cambio de sección, varía la velocidad a lo largo de su eje axial con lo que permite acomodar la velocidad mínima de fluidización para un lecho de partículas de tamaño heterogéneo. Además se reduce la elutrización de finos debido a que en la parte superior al tener mayor sección se hace descender la velocidad del flujo de manera significativa.  El diseño del sistema de distribución es crítico, normalmente consta de unos pequeños poros uniformemente distribuidos de forma que se asegure la homogeneidad del lecho, aunque el efecto del distribuidor se va perdiendo conforme nos alejamos del mismo, sobre todo a altas velocidades. Con respecto a la intensificación de los procesos actuando en el diseño, se puede probar entre otras posibles alternativas la inyección de gas inclinada en donde el distribuidor está constituido por boquillas horizontales e inclinadas que perfeccionan la mezcla radial del lecho. Figura 3.10 Distribuidor en espiral y distribución de los álabes del Torbed [13] La mejora en la forma Torbed, como se ve en la Figura 3.12, proporciona las ventajas de la configuración cónica y elimina la zona muerta que se forma con la configuración (a). Entre las mayores desventajas del diseño Torbed se encuentra la no distribución uniforme de partículas, que se concentran junto a la pared exterior. Dos parámetros importantes son: la inclinación de los álabes que varía la intensidad de agitación generada y la ratio entre anchura anular y radio de la cama que influye en la fuerza centrífuga a lo largo del radio. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 39 ~  Flujo pulsante: Se permite y restringe intermitentemente el paso del gas por las diferentes boquillas. Mediante este método se reduce el tamaño de las burbujas que se forman. Cuando la frecuencia de encendido y apagado de la boquilla es mayor que la de la formación de burbujas, se puede llegar a disminuir en gran medida la formación de burbujas. Con este método, se disminuye la creación de canales preferenciales, burbujeo y elutriación cuando las partículas son pequeñas, y se mejora la transferencia de materia y el control de la conversión. Actualmente a nivel industrial se debe mejorar la atenuación del efecto, el cual solo es apreciable a bajos valores de H/D.  Otra forma de mejorar la fluidización es por medio de la aplicación de fuerzas externas, como el campo centrífugo, vibración acústica y mecánica o la aplicación de campos electromagnéticos. En el Anexo 3 se puede apreciar como se mejora la fluidización de un lecho de partículas mediante la aplicación de una vibración acústica [11]. 3.6 CONCLUSIONES En este capítulo se han revisado los equipos necesarios para llevar a cabo la torrefacción, en especial la tecnología aplicable al reactor y algunos ejemplos específicos, de los que se ha seleccionado el tipo de reactor a diseñar. El reactor de lecho fluidizado ha sido seleccionado gracias especialmente al buen contacto entre fases que permite tener un bajo tiempo de operación, la baja inversión que necesita en comparación con las demás configuraciones y la capacidad de mejorar la tecnología. Se han presentado las variables de la que depende la fluidización, así como los factores sobre los que se puede actuar para conseguir una buena fluidización. Pudiendo actuar sobre: la adición de agentes, la importancia de la densidad y viscosidad del gas u otras condiciones como la temperatura y presión, en cuanto a los factores de operación. También son importantes los factores de diseño, como: la configuración de la cámara de reacción, de la placa difusora, el flujo pulsante o aplicación de campos de fuerza externos. Todo esto determinará el diseño del torrefactor. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 40 ~ 4 DISEÑO Este capítulo presenta el torrefactor diseñado, detallando las partes de las que se compone, así como el motivo de sus dimensiones y su forma. Se dimensionará para poder torrefactar un kilogramo de biomasa, de tal manera que se potencie su versatilidad, pudiendo procesar materia prima heterogénea en cuanto a sus características de forma, densidad o humedad, parámetros importantes que afectan a su fluidización. También se especifica la disposición de la posible planta que acompaña al torrefactor y complementa el proceso, proporcionando tanto la energía calorífica para torrefactar como la energía cinética al gas, necesaria para fluidizar el lecho. La planta diseñada permite medir variables como la temperatura de operación o el caudal de gases de alimentación, y actuar sobre ellas por medio del calentador, del compresor y de las válvulas. 4.1 REACTOR El diseño se basa en la tecnología Torbed, pero modificando la sección del cuerpo a través de la pared exterior. En la sección 4.1.1 se realizará una descripción general del reactor, en la sección 4.1.2 se presentan las piezas que constituyen el reactor y en la sección 4.1.3 se explican los factores que han dado forma al torrefactor Figura 4.1 Vista del torrefactor. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 41 ~ 4.1.1 Descripción general Por la parte inferior se introduce el gas a la temperatura de torrefacción, 280 ºC aproximadamente, con el caudal necesario para establecer un lecho fluidizado al interior del cuerpo o cámara de reacción. Por la parte superior del cuerpo se alimenta la biomasa, a través de un tubo que desemboca en el difusor. Ubicado en la parte superior de la entrada de gas, se encuentra el disco difusor, que induce un flujo al gas, el cual mientras continúa ascendiendo por la cámara de reacción gira alrededor del tubo de alimentación de biomasa. En este flujo se sustentan las partículas de biomasa mientras se torrefactan. El aumento de sección que se produce en el cuerpo conforme aumenta la altura provoca una reducción de la velocidad superficial del flujo en el interior de la cámara de reacción, por tanto, las partículas del lecho se van acomodando, quedándose en la parte superior del lecho las que mejor fluidizan y en la parte inferior las que peor fluidizan, las cuales necesitan una mayor velocidad superficial para fluidizar, bien sea porque su relación L/D es mayor o porque tengan mayor densidad, por ejemplo porque están más húmedas. Este efecto que proporciona la forma de la cámara de reacción es parte esencial del diseño, ya que se ha elegido este tipo de tecnología para estudiar las ventajas que proporciona. Se pretende mejorar el control de la velocidad mínima de fluidización y problemas como la elutriación, tal y como se ha comentado en el apartado 3.5.2. La salida del producto sólido se realiza por un lateral del cuerpo. Debido a la pérdida de densidad que se produce en el proceso de torrefacción, las partículas de biomasa torrefactada se ven más fácilmente arrastradas por la corriente de gas. Los gases salen del torrefactor desde la tapa superior, dirigiéndose a un ciclón que elimina posibles finos y después a un intercambiador de calor que permitirá la recuperación de los compuestos volátiles generados en la torrefacción para su estudio. A continuación se presentan las partes que conforman el torrefactor, sus funciones junto a sus dimensiones más características, pudiéndose ver con más detalle las cotas de cada pieza del torrefactor en el Anexo 6. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 42 ~ 4.1.2 Dimensionamiento  Entrada de gas: Es la tapa inferior del torrefactor y sirve para guiar el flujo desde la tubería hasta el difusor, de tal manera que no se produzcan irregularidades bruscas en el flujo. En la parte inferior se encuentra la conexión con la tubería, después hay una pieza cónica por medio de la cual se aumenta la sección y en la parte superior se encuentra la parte donde irá conectado el disco difusor. Se puede observar también un disco que rodea a la pieza por la parte superior, este disco tiene la función de conectar esta pieza con el cuerpo, de tal forma que se posibilite su conexión y desconexión. Esto es especialmente útil para permitir el cambio del disco difusor, el cual es responsable de la trayectoria del flujo de gas en el interior de la cámara de reacción. El diámetro superior es de 200 mm, por la parte interior. La altura total es de 185 mm. Figura 4.2 Entrada de gas.  Disco difusor: En la parte central del disco se encuentra un cilindro con terminaciones en cono tanto por la parte inferior, para guiar el gas, como por la parte superior, que conduce a la biomasa al lecho de partículas. Esta pieza debe incluir una malla que evite la caída de partículas hacia la entrada de gas. Gracias a la disposición fija e inclinada de los álabes se obtiene el flujo deseado en la cámara de reacción. El disco tiene un diámetro exterior de 200 mm, un diámetro interior de 80 mm y una altura de 30 mm. El cilindro que se encuentra en la parte central se ha diseñado con una altura total de 145 mm. Figura 4.3 Disco difusor. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 43 ~  Cuerpo: En la parte inferior se encuentra el disco que proporciona la conexión con la entrada de gas, el cuerpo se forma por una pieza troncocónica de una altura de 400 mm y un diámetro superior de 400 mm. Se observa el hueco por donde se conecta la salida de productos y una ventana o mirilla dispuesta para observar la forma del lecho fluidizado. En la tapa superior se encuentran dos círculos, que corresponden a la entrada de alimentación, con un diámetro de 80 mm y a la salida de gases, del tamaño de la tubería. Figura 4.4 Cuerpo.  Entrada de biomasa: Consta de una tolva de 150 mm de altura y 190 mm de diámetro, y un tubo que conecta con el difusor con una longitud de 470 mm. En el interior del tubo se encuentra un tornillo sin fin encargado de introducir la biomasa al cuerpo. En la parte inferior se puede apreciar unos huecos mediante los cuales se permite la entrada de partículas a la cámara, aunque también podría fabricarse, sin estos huecos y haciendo que el tubo quedase unos centímetros por encima del difusor. Figura 4.5 Entrada de biomasa. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 44 ~  Salida de biomasa torrefactada: Conectado al cuerpo se encuentra la salida de productos sólidos con una sección de salida de 200 mm x 60 mm, encargándose de almacenar los productos obtenidos en un depósito. Es recomendable dotar a esta pieza con una abertura que se pueda abrir o cerrar, de tal manera que facilite la salida de las partículas una vez torrefactadas, dada la diferencia de presión entre el interior del torrefactor y el ambiente, posiblemente combinada esta acción con una válvula estranguladora en la salida de gases. Esta escotilla puede ir ubicada en el propio depósito y debe incorporar un filtro para evitar que salgan las partículas de biomasa. Sería recomendable que la salida desde el cuerpo pudiera regularse en altura, de esta forma se podría trabajar de forma continua, regulando a la altura para que salgan las partículas cuando la torrefacción y el consecuente cambio de densidad se ha llevado a cabo. Figura 4.6 Salida de productos. 4.1.3 Factores de diseño En el lecho fluidizado, las fuerzas que actúan sobre las partículas se encuentran en equilibrio. Estas fuerzas son: el peso y la fuerza de arrastre. Considerando que en el proceso de torrefacción se pierde densidad, el peso desciende y si no se varía la velocidad con la que se está fluidizando la mezcla, se alterará el equilibrio ya que la fuerza de arrastre será mayor que el peso. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 51 ~ de presión es de 117,9 ºC para el ácido acético y de 100 ºC para el agua. Por tanto hay que reducir la temperatura de 300 ºC a 80 ºC para condensar estos vapores. Si se trabaja recirculando los gases de escape, previo llenado del reactor con nitrógeno, y conociendo el volumen del reactor que es 29,8 litros, se sabe que los moles de nitrógeno que se tienen dentro del reactor serán 0,63 moles a una temperatura de 300 ºC. Durante la torrefacción de biomasa se pueden producir un 30% de gases, que con un peso molecular estimado en 22,9 g/mol corresponden a una cantidad de 0,013 moles que se producen durante la torrefacción, con lo que al suponer que la pérdida de calor sensible de la corriente de salida del torrefactor es debido principalmente a la variación de entalpia del nitrógeno entre 300 y 80 ºC. De esta manera queda sobredimensionada ya que no se está considerando que la reacción endotérmica hará que la temperatura de salida sea menor a la de la entrada. Ecuación 13 A este calor sensible hay que sumarle el calor latente relacionado con la condensación de los volátiles. Durante la torrefacción de biomasa a 300 ºC, temperatura en la que más vapores se producen, se puede obtener un 6,6 % de agua y un 7,7 % de ácido acético en masa, lo que se corresponde con unas cantidades de 3,67 moles de agua y 1,2 moles por experimento. Hv,HaO = 40,683 kJ/mol Hv,CH3COOH = 23, 697 kJ/mol Ecuación 14 Si el experimento dura 21 minutos. Ecuación 15 El calor que se necesita evacuar es: Ecuación 16 Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 52 ~  Compresor: Es el equipo con el cual se pueden recircular los gases al torrefactor, debe ser capaz de impulsar un caudal de 10 L/s, que es el relacionado con un caudal molar de 0,35 moles a una temperatura de 80 ºC.  Cuadro eléctrico mando y maniobra Si se desea tener una intervención informatizada, se puede controlar el proceso a través del cuadro de control.  Estructura: La planta necesita una estructura para sostener cada equipo y poder mantener las conexiones entre los equipos de forma segura. 4.3 CONCLUSIONES Con el torrefactor diseñado se pretende tener capacidad para estudiar la torrefacción a nivel de laboratorio. También es posible estudiar el proceso de fluidización pudiéndose realizar pruebas experimentales con las que intentar mejorar los problemas que esta tecnología tiene para su escalado. El diseño del reactor y el de la planta, se ha realizado en base a poder experimentar con el proceso de la torrefacción y el de la fluidización de biomasa, proporcionándole versatilidad al diseño. La configuración de la cámara de reacción con cambio de sección hace que el reactor sea especialmente interesante para tratar un lecho heterogéneo de partículas. El reactor diseñado puede servir para otros procesos, como el secado de la biomasa u otro tipo de flujos, como el lecho fijo. El torrefactor podrá trabajar en discontinuo y en continuo: Si trabaja en discontinuo, una vez producida la torrefacción de biomasa, se puede promover la salida de partículas mediante la apertura de la escotilla integrada en el depósito de la pieza “salida del productos” y si lo requiere, el cierre de la salida de gases. En esta escotilla se debe incorporar un filtro que retenga la biomasa torrefactada. Si trabaja en continuo, sería interesante que la altura de la pieza “salida de productos” pudiese ser regulable de tal manera que para un lecho de partículas homogéneo se encontrase la altura en la que una vez torrefactadas las partículas, salieran de la cámara, dado el cambio producido en el peso de las partículas. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 53 ~ 5. PROPUESTA ECONÓMICA 5.1 COSTES DE OPERACIÓN  Coste de la biomasa: El coste de la tonelada de biomasa puede rondar los 500 euros, incluido el transporte.  Coste de la electricidad: Actualmente el precio de la electricidad puede experimentar un cierto incremento y puede variar algo en función de la compañía contratada, pero puede estimarse en 0,13 €/kWh.  Coste del nitrógeno: La bombona de 35 kg cuesta 60 euros. Más un coste de 100 euros anuales por el servicio de transporte y un seguro de accidentes. Para obtener los costes del agente fluidizante se contactó con una empresa zaragozana del sector. 5.2 COSTES DE FABRICACIÓN Los costes de fabricación desprendidos tras varias reuniones con una empresa zaragozana con experiencia en este tipo de instalaciones son los siguientes:  Torrefactor: Íntegramente fabricado en acero refractario AISI – 310 de 3 mm de espesor. Tapa superior: De 400 mm Ø con tubo de salida de gases de 40 mm Ø. Tubo alimentador central: de 80 mm Ø y 470 mm de longitud, con ranuras interiores y con acoplamiento de brida al tornillo de alimentación. Cuerpo troncocónico de 400 mm Ø superior, 200 mm Ø inferior y 400 mm de altura. Salida lateral para recogida del producto de sólidos con acople a tolva, ventana con mirilla en cristal cerámico. Difusor interior tipo “ALETEADO” según plano con anillo exterior e interior y juntas de cierre. Con sistema de cono interno para distribución de la masa y de flujo de gas. Tapa inferior: cónica con entrada de tubo para nitrógeno con sistema de cierre por bridas de acero inoxidable AISI – 304. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 54 ~ Tolva de recogida: para la acumulación de sólidos. Fabricada en acero inoxidable AISI – 304 de 2 mm de espesor. Dimensiones: 200 mm Ø por 200 mm de altura con salida inferior cónica y válvula de acero inoxidable AISI – 304 de ¾´´.  Tornillo de alimentación Tornillo sinfín estanco acero inoxidable AISI – 303 y AISI – 310. Conjunto rodamientos + retenes + motor-reductor. Caudal de alimentación 1 kg/min. Motor de ¾ c.v.  Conducciones y tuberías Fabricado en acero Inoxidable AISI – 304 y AISI – 310. Acoplamientos rápidos tipo “CLAMP” Calorifugados.  Estructura Estructura soporte para todo el conjunto reactor en tubo de acero inoxidable AISI – 304 de 40 x 40 x 1,5 mm. Chapa de acero inoxidable AISI – 304 de 1,2 mm de espesor con ruedas para su manejo-transporte.  Calentador Circuito de precalentamiento del fluido por el modo resistencias vivas con una masa de cerámica refractaria consiguiendo una temperatura de salida de 720 ºC. Resistencias fabricadas en hilo de KANTHAL APM (temperatura del elemento 1.400 ºC) con sonda Termopar tipo “K”. Aislamiento del módulo en fibra cerámica. Potencia del módulo: 4.5 kW Dimensiones: 300 x 300 x 600 mm Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 55 ~  Ciclón Cuerpo fabricado en acero inoxidable AISI – 304 de 2 mm de espesor. Tolva de recogida, para el ciclón.  Intercambiador Fabricado íntegramente en acero inoxidable AISI – 304 de 120 mm Ø y 600 mm de longitud. Tolva inferior con válvula de ½´´ en acero inoxidable y tolva de recogida de sólidos. 10 Tubos intercambiadores de 10 mm. Ø en acero inoxidable AISI – 304. Cámara de agua con entrada y salida en ½´´, cierre superior e inferior con brida y valona de acero inoxidable para facilitar su limpieza al ser desmontable. Con filtro de 120 mm. Ø por 600 mm de longitud En acero inoxidable AISI – 304.  Cuadro eléctrico mando y maniobra Regulador electrónico digital de 2 visores para pre-calentador. Indicador de temperatura y sonda tipo “K” para reactor. Manómetro digital. Variador de frecuencia para motor-reductor del tornillo de alimentación. Relé de estado sólido. Interruptor motor-reductor, calentador y general. PIA y Magneto-térmico. Rotámetro manual para flujo de nitrógeno. Manorreductor para botella de nitrógeno. 3 Válvulas manuales de acero inoxidable AISI – 316.  Compresor de 1 c.v monofásico: Tipo “frigorífico” Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 56 ~ Tabla 5.1 Resumen de precios de la planta. Elementos Coste (€) FABRICADO 23.742 Torrefactor Tornillo de alimentación Calentador Ciclón + Tolva Intercambiador 1.136 Conducciones y tuberías Estructura Intercambiador 1.136 ENSAMBLADO 5.098 Compresor 848 Cuadro eléctrico 4.250 TOTAL 28.840 5.3 CONCLUSIONES En este capítulo se ha evaluado el coste que puede tener el prototipo propuesto. Se aprecia que las partes fabricadas por la empresa son las que mayor precio tienen, ya que son piezas elaboradas a medida que necesitan mayor tiempo y dedicación en la fabricación. Estas piezas son: el torrefactor, el tornillo de alimentación (que va dentro del tubo de alimentación de biomasa), el calentador, el ciclón y su correspondiente tolva de almacenamiento para finos, el intercambiador, la estructura y por último las conducciones y tuberías. Todo ello tiene un coste de 23.742 €. El compresor y el cuadro eléctrico son equipos que pueden ser seleccionados en el mercado especializado. El cuadro eléctrico tiene un coste elevado, un 14,7% del total, porque se trata de un control automático e informatizado, pero este precio puede descender si, el programa que se implementa en el regulador es programado por el cliente o si se opta por un control manual. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 57 ~ 6 CONCLUSIONES Durante la realización de este proyecto final de carrera se han podido comprobar las distintas mejoras que se producen en las propiedades de la biomasa en su uso como combustible. Principalmente se aumenta el poder calorífico del producto, se reduce la cantidad de humedad y también se reduce la resistencia mecánica. Todo esto repercute en ahorros a la hora de transportar y almacenar el combustible. Además se aumentan las posibilidades de uso de la biomasa como fuente de energía. Se ha realizado una revisión de la tecnología disponible para torrefactar biomasa con el propósito de seleccionar la más adecuada. Resultando que diseñar un lecho fluidizado inspirado en la tecnología Torbed, es la mejor opción dada la buena transferencia de calor, la menor inversión y la oportunidad que ofrece para estudiar e intentar innovar la tecnología. Se han presentado las variables de las que depende la fluidización, así como los factores de diseño y operación sobre los que se puede actuar para conseguir una buena fluidización. Con todo esto, se ha llevado a cabo el diseño del torrefactor y el esquema de la planta experimental, que puede servir para estudiar tanto la torrefacción como la fluidización de biomasa, de tal manera que se ha servido de base para elaborar una propuesta económica. El presente proyecto final de carrera ha sido fruto del estudio del Estado del Arte para la torrefacción y las tecnologías aplicables. Este estudio ha sido posible gracias al acceso a artículos de reciente investigación que se facilita a los estudiantes desde la Universidad de Zaragoza. Con lo cual, se ha elaborado la base de datos de estudios referentes a la torrefacción, que era un objetivo del proyecto. Gracias a este paso he tenido la oportunidad de familiarizarme con los recursos digitales y los textos científicos, la mayoría en lengua inglesa como es habitual. También a conocer y trabajar con software de tratamiento de bibliografía como el programa “Endnote”. En el cumplimiento de otro de los objetivos se ha realizado una comparativa entre las tecnologías para realizar la selección de un tipo de reactor, para lo cual, una vez estudiadas las características más influyentes, se realizó una tabla de decisión, técnica aprendida en el transcurso de la carrera, que ayudó a seleccionar la tecnología más conveniente. Una vez seleccionada la tecnología se realizo el diseño de la planta, ayudado por la herramienta “visio”, también el dimensionamiento del torrefactor en “auto CAD”, lo cual ha contribuido en gran medida a ganar confianza y destreza con estos programas que seguramente pueda utilizar en el futuro. A la vez que se realizaba el diseño se mantuvieron unas reuniones con una empresa que se puede encargar de la fabricación del prototipo, durante este periodo tuve Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 58 ~ oportunidad de aprender los pequeños detalles que pueden pasar inadvertidos al diseñador y son interesantes para el fabricante, entre otras cosas. Se obtuvo un presupuesto de la fabricación del torrefactor así como de otros elementos que complementan la planta experimental, con lo que se puede tener referencia de un coste aproximado, cumpliendo los objetivos planteados. En el trabajo de diseñar el torrefactor varios modelos fueron estudiados, por ejemplo, la salida de biomasa torrefactada sufrió varias modificaciones, aumentándose la sección de salida de la cámara y separándola lo máximo posible de la salida de gases, de manera que se evitase arrastrar partículas en la corriente de salida de gases. De todas formas, se aconseja introducir una escotilla con la que poder controlar la salida del producto cuando esté totalmente torrefactado. También puede resultar interesante realizar pruebas experimentales para cerciorarse de la correcta ubicación de las diferentes partes al cuerpo del reactor y el tamaño de las distintas piezas. El prototipo diseñado tiene la opción de realizar experimentos sobre una tecnología innovadora, que da la oportunidad de experimentar sobre un proceso que puede contribuir a solucionar problemas energéticos, especialmente sufridos por países como España, el cual no tiene grandes reservas de combustibles. Ya que como se ha comprobado, gracias a la torrefacción, se puede tener un combustible a partir de la biomasa con bajos costes y balance casi neutro en cuanto a las emisiones de CO2, que es especialmente interesante para producir calor residencial descentralizado gracias a los beneficios obtenidos cuando hay que transportar grandes cantidades a largas distancias. En la línea de investigación que permite el prototipo diseñado, sería interesante realizar una clasificación de la biomasa, en función de sus compuestos y realizar ensayos para determinar la optimización en las variables principales de la torrefacción. Asimismo es posible determinar la rentabilidad de introducir el proceso de torrefacción, teniendo en cuenta los usos y la situación geográfica, así como el tipo de biomasa y la procedencia del recurso. Además, se pueden probar los distintos parámetros de operación comentados para la mejora de la fluidización. Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 59 ~ FIGURAS Figura 2.1 Esquema torrefacción [2]. .......................................................................................... 13 Figura 2. 2 Pirólisis de la biomasa de algodón [2]. ..................................................................... 13 Figura 2.3 Mecanismo de reacción [6]. ....................................................................................... 14 Figura 2.4 Rendimiento a los sólidos “A”, “B”, “C” a diferentes temperaturas y tiempos de reacción [6]. ................................................................................................................................. 15 Figura 2.5 Productos gaseosos obtenidos tras la torrefacción [7] .............................................. 16 Figura 2.6 Tratamiento térmico de la caña de alpiste no tratada y torrefactada [7]. ................... 19 Figura 2.7 Oxidación de la caña de alpiste no tratada y torrefactada [7]. ................................... 19 Figura 2.8 Krevelen para carbón, biomasa y biomasa torrefactada [7]. ...................................... 21 Figura 2.9 Potencia consumida y capacidad de molienda frente a tamaño de partícula. En la leyenda se indica: tipo de biomasa, temperatura y tiempo de torrefacción [9]. .......................... 22 Figura 3.1 Esquema de planta de torrefacción industrial [5]....................................................... 26 Figura 3.2 Tornillo sin fin. .......................................................................................................... 29 Figura 3.3 Horno rotativo. ........................................................................................................... 30 Figura 3.4 Lecho fluidizado. ....................................................................................................... 31 Figura 3.5 Torbed [12]. ............................................................................................................... 32 Figura 3.7 Lecho móvil [14]. ...................................................................................................... 33 Figura 3.8 Turbo-secador Wyssmont [1]. .................................................................................. 34 Figura 3.10 Homogeneidad frente a las fuerzas HDF e IPF [11]. ............................................... 36 Figura 3.11 Clasificación de Geldart [10] ................................................................................... 37 Figura 3.12 Distribuidor en espiral y distribución de los álabes del Torbed [13] ....................... 38 Figura 4.1 Vista del torrefactor. .................................................................................................. 40 Figura 4.2 Entrada de gas. ........................................................................................................... 42 Figura 4.3 Disco difusor. ............................................................................................................. 42 Figura 4.4 Cuerpo. ....................................................................................................................... 43 Figura 4.5 Entrada de biomasa. ................................................................................................... 43 Figura 4.6 Salida de productos. ................................................................................................... 44 Figura 4.7 Forma del cuerpo. ...................................................................................................... 45 Figura 4.8 Esquema de la planta de torrefacción. ....................................................................... 48 Torrefacción de biomasa: diseño y propuesta económica de un reactor experimental ~ 60 ~ TABLAS Tabla 2.1 Componentes de la biomasa [3]. ................................................................................. 11 Tabla 2.2 Compuestos formados en la torrefacción de la caña de alpiste [8]. ............................ 17 Tabla 2. 3 Resultados del TGA, material orgánico, cenizas y carbón fijo en base seca [4]. ....... 18 Tabla 2.4 Comparación del análisis elemental para diferentes biomasas y grados de torrefacción [6]. ............................................................................................................................................... 20 Tabla 2.5. Propiedades del combustible [5]. ............................................................................... 23 Tabla 3.1 Comparativa entre las diferentes tecnologías. ............................................................. 35 Tabla 4.1 Fluidización del tallo de algodón [15]......................................................................... 45 Tabla 4.2 Relación de las áreas a diferentes cotas de la cámara de reacción, %∆A: Incremento de área relativo. ........................................................................................................................... 46 Tabla 4.3 Vmf para diferentes diámetros, densidades y relaciones L/D [15] ............................ 47 Tabla 5.1 Resumen de precios de la planta. ................................................................................ 56 ECUACIONES Ecuación 1 ................................................................................................................................... 15 Ecuación 2 ................................................................................................................................... 15 Ecuación 3 ................................................................................................................................... 46 Ecuación 4 ................................................................................................................................... 46 Ecuación 5 ................................................................................................................................... 46 Ecuación 6 ................................................................................................................................... 46 Ecuación 7 ................................................................................................................................... 46 Ecuación 8 ................................................................................................................................... 46 Ecuación 9 ................................................................................................................................... 47 Ecuación 10 ................................................................................................................................. 49 Ecuación 11 ................................................................................................................................. 50 Ecuación 12 ................................................................................................................................. 50 Ecuación 13 ................................................................................................................................. 51 Ecuación 14 ................................................................................................................................. 51 Ecuación 15 ................................................................................................................................. 51 Ecuación 16 ................................................................................................................................. 51