T abajo Fin de Más e
Más e en Ingenie ía Ambien al
P oducción de syngas ico en hid ógeno a pa i de la
gasi icación de biomasa con apo de agua y oxígeno
modelado median e Aspen Plus
Au o : Ch is ian Fe nández Ma chan e
Tu o a: Susanna Louise Nilsson
Co u o : William And és González
Dp o. Ingenie ía Química y Ambien al
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2025
T abajo Fin de Más e
Más e Uni e si a io en Ingenie ía Ambien al
P oducción de syngas ico en hid ógeno a pa i de la
gasi icación de biomasa con apo de agua y oxígeno
modelado median e Aspen Plus
Au o :
Ch is ian Fe nández Ma chan e
Tu o es:
Susanna Louise Nilsson
P o eso a Ti ula
William And és González
Doc o ando
Dp o. Ingenie ía Química y Ambien al
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2025
Ag adecimien os
Quisie a exp esa mi p o undo ag adecimien o a odas las pe sonas que con ibuye on de mane a
signi ica i a a la ealización de es e p oyec o de in de más e . Su apoyo incondicional y colabo ación ue on
undamen ales pa a alcanza los obje i os p opues os.
En p ime luga , quie o ag adece a mis u o es de esis, cuyos conocimien os y o ien ación han sido
des acables e indispensables du an e odo el p oceso.
Ag adezco since amen e a mis p o eso es y el pe sonal académico de la Uni e sidad de Se illa po
p opo ciona me las he amien as y ecu sos necesa ios pa a lle a a cabo es e p oyec o. Su dedicación a la
excelencia académica ha sido una uen e cons an e de inspi ación.
Ag adezco ambién a mis compañe os de clase, quienes compa ie on ideas y expe iencias, c eando un
en o no de ap endizaje en iquecedo . La colabo ación y el in e cambio de conocimien os ue on undamen ales
pa a el desa ollo de es e abajo.
No puedo pasa po al o el apoyo emocional y comp ensión de mi amilia y amigos. Su paciencia y alien o
me han sos enido a lo la go de es e desa ian e iaje académico.
Finalmen e, quie o exp esa mi ag adecimien o a odas las uen es bibliog á icas y académicas que consul é,
así como a cualquie pe sona que, de alguna mane a, haya con ibuido a la ealización exi osa de es e p oyec o.
Es e log o no hubie a sido posible sin la ayuda de odos us edes. Muchas g acias po se pa e undamen al
de es e p oceso.
Ch is ian Fe nández Ma chan e
Se illa, 2025
5
Resumen
Es e T abajo de Fin de Más e abo da la p oducción de hid ógeno y biocombus ibles a pa i
de la gasi icación de biomasa median e modelado y simulación en Aspen Plus. Se analiza la iabilidad
del p oceso de con e sión e moquímica, op imizando pa áme os ope a i os cla e como empe a u a,
elación ai e/biomasa y elación de oxígeno (ER), adop ados a un ango de e minado, de cada uno de
los pa áme os. Se modelan las e apas de p e a amien o, de ola ilización, combus ión pa cial,
gasi icación y e o mado de alqui anes, cuyas eacciones en el equilib io se han ajus ado con da os
empí icos y empe a u a de ap oximación, e aluando la composición y endimien o del gas de sín esis
ob enido pa a dos sis emas di e en es, uno en equilib io e moquímico y o o basado en da os
empí icos. A a és de un análisis de sensibilidad, se de e mina la empe a u a adiabá ica del p oceso
y se e alúa la p oducción del gas de sín esis y la in luencia de las condiciones ope a i as en la
e iciencia del p oceso y la educción de alqui anes. Los esul ados e idencian que la gasi icación en
lecho luidizado, combinada con es a egias de op imización ene gé ica, pe mi e maximiza la
p oducción de hid ógeno y mejo a la sos enibilidad del p oceso.
Palab as cla e: Biomasa, gasi icación, Aspen plus y gas de sín esis.
Abs ac
This Mas e ’s Thesis add esses he p oduc ion o hyd ogen and bio uels om biomass
gasi ica ion h ough modelling and simula ion in Aspen Plus. The easibili y o he he mochemical
con e sion p ocess is analyzed, op imizing key ope a ional pa ame e s such as empe a u e,
ai /biomass a io and oxygen a io (ER), adop ed a a gi en ange, o each o he pa ame e s. The
p e ea men , de ola iliza ion, pa ial combus ion, gasi ica ion and e o ming s ages o a s a e
modelled, whose equilib ium eac ions ha e been adjus ed wi h empi ical da a and app oxima e
empe a u e, e alua ing he composi ion and pe o mance o he syn hesis gas ob ained o wo
di e en sys ems, one in he mochemical equilib ium and he o he based on empi ical da a. Th ough
sensi i i y analysis, he adiaba ic p ocess empe a u e is de e mined and he syn hesis gas p oduc ion
and he in luence o ope a ing condi ions on p ocess e iciency and a educ ion a e assessed. The
esul s show ha luidised bed gasi ica ion, combined wi h ene gy op imiza ion s a egies, can
maximize hyd ogen p oduc ion and imp o e p ocess sus ainabili y.
Keywo ds: Biomass, gasi ica ion, Aspen plus and syn hesis gas.
6
Índice gene al
Con enido
Ag adecimien os .......................................................................................................................... 4
Resumen ....................................................................................................................................... 5
Abs ac ........................................................................................................................................ 5
Índice gene al ............................................................................................................................... 6
Índice de Figu as .......................................................................................................................... 7
Índice de Tablas ........................................................................................................................... 8
1.In oducción .............................................................................................................................. 9
1.1 Con ex o ene gé ico ac ual ..................................................................................................... 9
1.1.1. Si uación global ................................................................................................................. 9
1.1.2. Si uación en España ......................................................................................................... 11
1.2 Impac o del hid ógeno y los biocombus ibles ..................................................................... 12
1.3 Con e sión e moquímica de la biomasa ............................................................................. 14
2. Alcance y obje i os ................................................................................................................ 19
3. Modelado y simulación ...................................................................................................... 20
3.1 Sección de secado ................................................................................................................ 25
3.2 Sección de de ola ilización y combus ión pa cial ............................................................... 27
3.3 Sección de gasi icación y e o mado de alqui anes ............................................................ 32
3.4. Balance de Ene gía .................................................................................................................... 35
4. Resul ados y Discusión .......................................................................................................... 36
4.1 Resul ados globales .............................................................................................................. 36
4.2 Compa a i a ......................................................................................................................... 60
5. Conclusiones .......................................................................................................................... 65
6. Re e encias ............................................................................................................................. 66
7
Índice de Figu as
Ilus ación 1. Mix ene gé ico global según el escena io STEPS [1]. ...................................................................9
Ilus ación 2. Di e en es ipos de hid ógeno [6]. ................................................................................................12
Ilus ación 3. Di e en es ipos de gasi icado es [5]. ...........................................................................................18
Ilus ación 4. De inición del mé odo de cálculo .................................................................................................23
Ilus ación 5. De inición de la en alpía de los componen es NC ........................................................................23
Ilus ación 6. Diseño concep ual del p oceso de gasi icación del modelo eó ico. ............................................24
Ilus ación 7. Diseño concep ual del p oceso de gasi icación en el modelo empí ico. ......................................25
Ilus ación 8. Sección de secado del p oceso. ....................................................................................................27
Ilus ación 9. Calculado a del bloque de De ola ilización .................................................................................28
Ilus ación 10. Calculado a de la empe a u a de los dis in os p ocesos uni a ios. ............................................29
Ilus ación 11. Sección de de ola ilización y combus ión pa cial del p oceso. .................................................32
Ilus ación 12. Calculado a de la con e sión del gasi icado . ............................................................................33
Ilus ación 13. Sección de gasi icación y e o mado de alqui anes. .................................................................34
Ilus ación 14. Análisis de Sensibilidad .............................................................................................................35
Ilus ación 18. Composición másica del gas en el escena io 1. ..........................................................................61
Ilus ación 19. Composición másica del gas en el escena io 2. ..........................................................................61
Ilus ación 20. Composición másica del gas en el escena io 3. ..........................................................................62
Ilus ación 21. Composición mola del gas en el Escena io 1 ............................................................................62
Ilus ación 22. Composición mola del gas en el Escena io 2 ............................................................................63
Ilus ación 23. Composición mola del gas en el Escena io 3 ............................................................................63
Ilus ación 25. Composición másica de gas en el escena io au o é mico. ..........................................................64
Ilus ación 26. Composición mola de gas en el escena io au o é mico. ............................................................64
8
Índice de Tablas
Tabla 1. Componen es u ilizados en la simulación .............................................................................. 21
Tabla 2. Análisis p oxanal de la biomasa ............................................................................................ 25
Tabla 3. Análisis ul anal de la biomasa. .............................................................................................. 26
Tabla 4. Análisis sul anal de la biomasa. ............................................................................................. 26
Tabla 5. Yields de los p oduc os de de ola ilización. ......................................................................... 29
Tabla 6. Resul ado cálculo es equiomé ico de oxígeno. ..................................................................... 31
Tabla 7. Casos de es udio p opues os. ................................................................................................. 36
Tabla 8. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 1 del sis ema 1. ................................................... 37
Tabla 9. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 2 del sis ema 1. ................................................... 38
Tabla 10. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 3 del sis ema 1. ................................................. 39
Tabla 11. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 1, del sis ema 1. ................................................ 40
Tabla 12. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 2, del sis ema 1. ................................................ 41
Tabla 13. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 3, del sis ema 1. ................................................ 42
Tabla 14. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 1, del sis ema 1. ................................................ 43
Tabla 15. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 2, del sis ema 1. ................................................ 44
Tabla 16. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 3, del sis ema 1. ................................................ 45
Tabla 17. Resul ados globales a 900ºC pa a el Caso 1, del sis ema 1. ................................................ 46
Tabla 18. Resul ados globales a 900ºC pa a el Caso 2, del sis ema 1. ................................................ 47
Tabla 19. Resul ados globales a 900ºC pa a el Caso 3, del sis ema 1. ................................................ 48
Tabla 20. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 1, del sis ema 2. ............................................... 49
Tabla 21. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 2, del sis ema 2. ................................................ 50
Tabla 22. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 3, del sis ema 2. ................................................ 51
Tabla 23. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 1, del sis ema 2. ................................................ 52
Tabla 24. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 2, del sis ema 2. ................................................ 53
Tabla 25. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 3, del sis ema 2. ................................................ 54
Tabla 26. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 1, del sis ema 2. ................................................ 55
Tabla 27. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 2, del sis ema 2. ................................................ 56
Tabla 28. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 3, del sis ema 2. ................................................ 57
Tabla 29. Resul ados globales a 900ºC pa a el Caso 1, del sis ema 2. ................................................ 58
Tabla 30. Resul ados globales a 900ºC pa a el Caso 2, del sis ema 2. ................................................ 59
Tabla 31. Resul ados globales a 900ºC pa a el Caso 3, del sis ema 2. ................................................ 60
9
1.In oducción
1.1 Con ex o ene gé ico ac ual
1.1.1. Si uación global
El pano ama ene gé ico global se encuen a en una e apa de p o unda ans o mación, ma cada
po una se ie de e os y opo unidades elacionados con la ansición hacia uen es de ene gía más
limpias y sos enibles. Es e cambio es á impulsado po ensiones geopolí icas, a ances ecnológicos,
cambios en las polí icas gube namen ales, y una c ecien e demanda ene gé ica, especialmen e en
economías eme gen es.
En la úl ima década, el consumo de ene gía global ha c ecido un 15%, con ap oximadamen e
el 40% de es e aumen o cubie o po uen es de ene gía limpias como eno ables, nuclea es y
combus ibles de bajas emisiones. Las economías eme gen es y en desa ollo, que ep esen an el 85%
de la población mundial, lide an es e c ecimien o debido a su expansión económica, aumen o
poblacional y mayo ac i idad indus ial. Po el con a io, en economías a anzadas, el consumo
ene gé ico ha disminuido un 0,5% anual en p omedio, e lejando una mayo e iciencia ene gé ica y
una ansición hacia ecnologías más limpias [1].
Aunque la pa icipación de los combus ibles ósiles en el mix ene gé ico ha disminuido
lige amen e (del 82% en 2013 al 80% en 2023), sigue siendo p edominan e. Se p e é que la demanda
global de ca bón, pe óleo y gas na u al alcance su pun o máximo an es de 2030, g acias al despliegue
acele ado de ecnologías limpias, como la ene gía sola y eólica. Sin emba go, es a ansición no es
uni o me: mien as que en países como China se espe a una ápida elec i icación y disminución del
uso de combus ibles ósiles, egiones como el sudes e asiá ico e India con inua án dependiendo en
g an medida del ca bón y el gas a co o plazo.
Ilus ación 1. Mix ene gé ico global según el escena io STEPS [1].
16
A con inuación, se expond án las di e en es e apas del p oceso de gasi icación pa a la
consecución del p oduc o de in e és, el gas de sín esis. Cabe des aca que dichas e apas, se desa ollan
de o ma conjun a en el equipo gasi icado .
De mane a gene al, la biomasa se ca ac e iza po p esen a un ele ado con enido de humedad,
lo que hace necesa io, en muchos casos, some e la a una e apa de secado p e ia a su in oducción en
el gasi icado . El obje i o de es e p e a amien o es educi el con enido de humedad a alo es
in e io es al 20 %, a in de mejo a la e iciencia del p oceso de gasi icación. Es e secado se lle a a
cabo median e la aplicación de calo , usualmen e a empe a u as comp endidas en e 100 y 150 °C, en
unción del ipo de biomasa u ilizada. Es a e apa esul a undamen al, ya que la p esencia de humedad
esidual no solo inc emen a el consumo ene gé ico del sis ema, al eque i ene gía adicional pa a su
eliminación, sino que ambién puede dilui el gas de sín esis gene ado, a ec ando nega i amen e su
calidad y su pode calo í ico, educiendo la e iciencia é mica global del p oceso.
Una ez que la biomasa ha sido deshid a ada, se some e al pi ólisis, una e apa de
descomposición é mica que ocu e en ausencia de oxígeno, cuyo obje i o p incipal es ans o ma los
compues os o gánicos complejos en p oduc os más simples y icos en ca bono. Es o es ealizado a
a és de su disg egación en es acciones p incipales: gases olá iles, líquidos (incluyendo bioacei es
y alqui anes) y un esiduo sólido. El biocha esul an e cons i uye la acción ca bonosa sólida que
se i á como eac i o en las e apas subsiguien es, mien as que los gases y líquidos se in eg an al
p oceso o se sepa an pa a su pos e io a amien o.
Es con enien e des aca que la p opo ción de p oduc os gene ados en la pi ólisis depende de
ac o es como la composición y g anulome ía de la biomasa, la asa de calen amien o y las condiciones
é micas del eac o . Po ejemplo, calen amien os ápidos, empe a u as más al as y amaños de
pa ículas g andes a o ecen la o mación de gases y bio-oil.
La e apa de oxidación, ambién conocida como combus ión pa cial, es una ase c í ica en el
p oceso de gasi icación. En es e pun o, pa e del biocha esul an e y odos los p oduc os combus ibles
gene ados du an e la pi ólisis, eaccionan con oxígeno has a que es e se ago a. Señala que el CH4
eacciona en meno medida debido a su g an es abilidad.
Es as eacciones de combus ión son exo é micas y p opo cionan el calo eque ido pa a las
e apas subsiguien es, pa icula men e la educción. La can idad de oxígeno suminis ado debe se
cuidadosamen e egulada pa a e i a una combus ión comple a de la biomasa, ya que es o anula ía la
p oducción de syngas y limi a ía el ap o echamien o ene gé ico.
17
La úl ima y más impo an e e apa de la gasi icación es la educción, donde se lle a a cabo la
con e sión de los p oduc os in e medios en syngas. Es a ase ocu e en una zona del eac o con
condiciones educ o as, es deci , en ausencia de oxígeno. Las eacciones químicas cla e en es a e apa
suelen se la eacción de gasi icación del ca bonizado con apo , po su al a apidez, no obs an e,
ambién se usan algunas como la eacción de Boudoua d, la eacción de desplazamien o de agua-gas
y en gene al, el e o mado de hid oca bu os.
Es as eacciones son mayo i a iamen e endo é micas, lo que signi ica que equie en calo pa a
p ocede , calo que es suminis ado po la e apa de oxidación. La eacción de gasi icación con apo
de agua es undamen al pa a maximiza la p oducción de monóxido de ca bono e hid ógeno, los
p incipales componen es del syngas. La eacción de desplazamien o de agua-gas pe mi e ajus a la
elación H₂/CO en el syngas, haciéndolo más adecuado pa a aplicaciones especí icas, como la sín esis
de combus ibles líquidos o p oduc os químicos [5].
Pa a lle a a cabo el p oceso, es con enien e des aca los di e en es ipos de gasi icado es, que
se u ilizan dependiendo de las ca ac e ís icas de la biomasa y las necesidades del p oceso. En p ime
luga , los gasi icado es de lecho ijo son de g an in e és pa a amaños de pa ícula ela i amen e
g andes, jun o a gasi icaciones ealizadas con ai e a pequeña escala. Se di iden en dos con igu aciones
p incipales: de co ien e pa alela (upd a ) y de co ien e con a ia (downd a ).
En la p ime a con igu ación, el agen e gasi ican e ing esa po la pa e in e io del eac o ,
mien as que el syngas se ecoge en la pa e supe io , un diseño simple y e icien e en é minos de
ecupe ación de calo , pe o p oduce gases con mayo con enido de alqui anes. En los gasi icado es
downd a , el gas se ex ae después de pasa po una zona de al a empe a u a, educiendo
signi ica i amen e los alqui anes.
Po o o lado, los gasi icado es de lecho luidizado, son lexibles espec o a la composición y
g anulome ía de la biomasa, o eciendo un mezclado excelen e y buena ans e encia de calo . Exis en
dis in os ipos en es a ca ego ía, uno de ellos es el gasi icado de lecho bu bujean e, el cual emplea la
elocidad lineal del agen e gasi ican e pa a man ene el lecho en mo imien o den o de la zona de
bu bujeo.
O o de ellos se en abla como gasi icado de lecho ci culan e, el cual man iene el ma e ial
sólido suspendido y en cons an e ci culación den o de un lujo de agen e gasi ican e a al a elocidad,
mejo ando la ans e encia de masa y calo . Finalmen e, el gasi icado de doble lecho sepa a los
p ocesos de combus ión y gasi icación en dos cáma as dis in as, lo que pe mi e op imiza la calidad
del gas de sín esis y educi su dilución con componen es no deseados [5].
18
Ilus ación 3. Di e en es ipos de gasi icado es [5].
También, el con ol de pa áme os del gasi icado , es una cues ión ele an e pa a el co ec o
desempeño del p oceso. La elación de oxígeno (ER) es uno de los más impo an es y de ine la can idad
de oxígeno suminis ado en elación con el necesa io pa a la combus ión comple a. Valo es ípicos de
ER oscilan en e 0.2 y 0.4.
En segunda ins ancia, la elación apo /biomasa (S/B), de inida como los g amos de apo
alimen ado/g amos de biomasa, es c ucial en la gasi icación con apo , ya que con ola la p oducción
de hid ógeno, de e minando sus alo es ípicos en e 0.5 y 2.5.
También, la empe a u a del eac o , gene almen e en e 800 y 1200 °C, que a ec a
di ec amen e a las eacciones químicas y la composición del syngas, lo que incide en g an medida
sob e o os pa áme os cla es, el g ado de con e sión del ca bono, de inido como la acción del
ca bono con enido en la biomasa que queda con e ido en gas (CO, CO2, CH4, HCs), y la acción del
pode calo í ico de la biomasa, que a la salida del gasi icado se ecupe a como ene gía química del
gas [5].
Po úl imo, el syngas p oducido puede se u ilizado en di e sas aplicaciones. En la gene ación
de ene gía, puede se quemado di ec amen e en mo o es de combus ión in e na o u binas. También
puede se empleado como ma e ia p ima en la sín esis de combus ibles líquidos median e el p oceso
Fische -T opsch o en la p oducción de p oduc os químicos como me anol y amoníaco.
19
2. Alcance y obje i os
El p esen e T abajo Final de Más e iene como obje i o p incipal analiza la p oducción de
syngas median e un p oceso de gasi icación de biomasa en eac o es de lecho luidizado, u ilizando la
he amien a de simulación Aspen Plus, con la inalidad de es ablece una me odología obus a pa a
modela el p oceso de gasi icación y e alua los pa áme os cla e del p oceso, en elación a la
composición espe ada del gas p oducido, su endimien o y su iabilidad écnica pa a aplicaciones
ene gé icas sos enibles.
Es po ello que su alcance se cen a en la simulación de allada del p oceso de gasi icación de
biomasa en Aspen Plus, conside ando las siguien es e apas: secado de la biomasa y eacciones
p incipales de gasi icación (pi ólisis, oxidación pa cial y e o mado). La biomasa empleada se
modela á en unción de su composición elemen al y su con enido de humedad, pe mi iendo así e alua
dis in os escena ios ope a i os.
Po o o lado, los obje i os especí icos de es e abajo se cen an en cuan i ica las acciones
mola es y endimien os másicos del syngas p oducido, de e minando las acciones mola es de los
compues os p incipales p esen es en el gas de sín esis y exponiendo los mencionados endimien os
másicos en elación a la biomasa alimen ada.
Además, se p e ende e alua la in luencia de las condiciones ope a i as, analizando el impac o
de a iables como la empe a u a y la elación de alimen ación ai e/biomasa sob e la composición del
gas, compa ando los esul ados ob enidos en base húmeda y seca pa a e alua el e ec o del con enido
de apo de agua en la co ien e gaseosa.
También se busca analiza las condiciones óp imas pa a maximiza la p oducción y calidad del
syngas, iden i icando los pa áme os ope a i os que a o ecen la o mación de hid ógeno, Asimismo,
se p ocede á a la es imación y educción del con enido de alqui án, cuan i icando la can idad o al de
alqui án p esen e en el gas, exp esada en g amos de alqui án po Nm3 de gas seco.
Todo ello, se complemen a á jun o a un análisis de sensibilidad del p oceso pa a e alua el
impac o de las a iables ope a i as cla e ( empe a u a, p esión y ipo de biomasa) sob e los esul ados
de inidos en los obje i os an e io es.
20
3. Modelado y simulación
Como ya se ha comen ado, la gasi icación de biomasa es un p oceso e moquímico al amen e
e icien e pa a la con e sión de ma e iales o gánicos en gas de sín esis, compues o p incipalmen e po
monóxido de ca bono, hid ógeno y me ano. Es e p oceso se ha sido e aluado con oxígeno/ apo ,
pe mi iendo la ob ención de un gas ene gé ico aplicable en la indus ia, gene ación eléc ica y sín esis
de combus ibles líquidos.
Pa a modela con p ecisión la gasi icación, se emplean he amien as compu acionales
a anzadas, en e las que des aca Aspen Plus po la capacidad de simulación de p ocesos químicos
complejos bajo di e sas condiciones ope a i as. Es e so wa e pe mi e modela , op imiza y analiza
la con e sión de ma e ia y ene gía, in eg ando balances de masa y ene gía, lujos mul icomponen e y
eacciones químicas. También, a a és de módulos especializados, es posible de ini p opiedades
isicoquímicas de la biomasa, selecciona modelos e modinámicos adecuados y pa ame iza
condiciones ope a i as como empe a u a, agen e gasi ican e y elación ai e-combus ible (ER) [7].
En la simulación, se emplean modelos de cálculo que ep esen an los enómenos isicoquímicos
in oluc ados. El modelo de equilib io e modinámico, basado en el supues o de que las eacciones
alcanzan el equilib io bajo cie as condiciones, pe mi e p edeci la composición del gas en unción de
la empe a u a y el agen e gasi ican e, mien as que en los modelos ciné icos se o ece una
ep esen ación más de allada al conside a elocidades de eacción y mecanismos de con e sión.
Ambas pueden se complemen adas po un análisis de sensibilidad, que pe mi e e alua el
impac o de las a iables ope acionales en la e iciencia y calidad del gas de sín esis. Además, pe mi e
e alua indicado es cla e de desempeño, como la e iciencia de con e sión del ca bono (CCE), la
e iciencia del gas ío (CGE), el pode calo í ico del gas de sín esis y la elación biomasa-gas
p oducido, los cuales son undamen ales pa a op imiza el p oceso y ob ene un gas de sín esis de al a
calidad.
Pa a inicia la simulación en Aspen Plus, es undamen al es ablece una se ie de pa áme os
globales que in lui án en el desempeño del so wa e, en unción del obje i o del es udio. Uno de los
p ime os pasos consis e en de ini las especies químicas que pa icipa án en ambos modelos. Pa a ello,
es necesa io accede al apa ado P opiedades, den o del subapa ado De inición de Componen es,
donde se inco po a án las sus ancias eque idas [7].
21
Los componen es se clasi ican en es ca ego ías p incipales. Los con encionales son aquellos
que pueden desc ibi se median e ecuaciones de equilib io de ases y p opiedades e modinámicas
es ánda , como hid ógeno, me ano, dióxido de ca bono, monóxido de ca bono y agua. Los no
con encionales incluyen ma e iales como biomasa y cenizas, los cuales equie en modelos especí icos
debido a su na u aleza compleja, que no puede se ep esen ada median e ecuaciones e modinámicas
adicionales [7].
Finalmen e, los sólidos comp enden sus ancias como ca bono g a í ico, óxidos y ca bona os, que
deben se modeladas con en oques adecuados pa a su compo amien o en ase sólida. Cada
componen e en Aspen Plus se de ine con p opiedades esenciales, como nomb e químico, alias y
núme o CAS, lo que pe mi e su co ec a iden i icación den o del simulado .
A con inuación, en la Tabla 1, se especi ica án las especies químicas u ilizadas en el p oceso de
gasi icación, con odos los pa áme os eque idos po el so wa e.
Tabla 1. Componen es u ilizados en la simulación
Componen e
Tipo
Nomb e
CAS
H2
Con encional
Hid ógeno
1333-74-0
CH4
Con encional
Me ano
74-82-8
C2H4
Con encional
E ileno
74-85-1
C2H6
Con encional
E ano
74-84-0
CO
Con encional
Monóxido de ca bono
630-08-0
CO2
Con encional
Dióxido de ca bono
124-38-9
O2
Con encional
Oxígeno
7782-44-7
N2
Con encional
Ni ógeno
7727-37-9
NH3
Con encional
Amoniaco
7664-41-7
H2S
Con encional
Sul u o de hid ógeno
7783-06-4
Cl2
Con encional
Clo o
7782-50-5
HCl
Con encional
Clo u o de hid ógeno
7647-01-0
H2O
Con encional
Agua
7732-18-5
Biomasa
No con encional
Biomasa
-
Ceniza
No con encional
Cenizas
-
S
Con encional
Azu e
7704-34-9
C
Sólido
Ca bono (g a i o)
7440-44-0
C6H6
Con encional
Benceno
71-43-2
C10H8
Con encional
Na aleno
91-20-3
HCN
Con encional
Cianu o de hid ógeno
74-90-8
C6H6O2
Con encional
P-hid oquinona
123-31-9
C6H12
Con encional
Ciclohexeno
110-83-8
22
Po o o lado, ambién es undamen al, implemen a los mé odos e modinámicos que se án
u ilizados en la simulación. En nues o caso, se ha usado el mé odo de cálculo basado en el modelo
Peng – Robinson, el cual es ablece una ecuación de es ado cúbica, u ilizada en cálculos de equilib io
de ases (VLE), p opiedades olumé icas y coe icien es de ugacidad, con el p opósi o de mejo a la
p ecisión en la p edicción de sis emas no pola es y le emen e pola es de hid oca bu os y mezclas no
ideales. Su p ecisión disminuye pa a sis emas al amen e pola es o con asociaciones de hid ógeno, po
ello, en es os casos es al amen e ecomendable el uso de ecuaciones de es ado modi icadas o modelos
de coe icien e de ac i idad [8].
Es e modelo ambién es u ilizado en e siones ex endidas, como Peng-Robinson-Bos on-
Ma hias y Peng-Robinson-MHV2, que in oducen unciones al a mejo adas pa a una mejo
ep esen ación del compo amien o de luidos a di e en es condiciones de empe a u a y p esión.
Su ecuación se ep esen a como:
𝑃 = 𝑅𝑇
𝑉𝑚−𝑏−𝑎(𝑇)
𝑉𝑚(𝑉𝑚+𝑏)+𝑏(𝑉𝑚−𝑏)
Donde:
• P es la p esión del sis ema, T es la empe a u a, R es la cons an e de los gases.
• Vm es el olumen mola y a(T) y b son pa áme os especí icos de la sus ancia.
Los pa áme os a y b se de e minan a pa i de las p opiedades c í icas del componen e a a és
de las ecuaciones:
𝑎=0.457 𝑅2𝑇2
𝑃𝐶∝(𝑇)
𝑏 = 0.0778𝑅𝑇𝐶
𝑃𝐶
Donde:
• Tc y 𝑃𝑐 son la empe a u a y p esión c í ica, espec i amen e
• α(T) es una unción de empe a u a que ajus a la ecuación pa a mejo a la p edicción de la
p esión de apo , de inida po :
α(T)=[1 + m (1 − √𝑇𝑟]2
Donde:
• T = T/Tc es la empe a u a educida
• m es un pa áme o empí ico elacionado con el ac o acén ico (𝜔) del compues o, de inido
como: 𝑚=0.37464+1.54226𝜔−0.26992𝜔2
23
También se es ablece, en su opción “común”, el il o de mé odos, lo que sugie e la u ilización
de opciones es ánda o comúnmen e u ilizadas en es e ipo de simulaciones, así como una du eza de 3
pa a la solubilidad del agua y el uso de componen es pu os sin simpli icaciones adicionales [7].
A con inuación, en la Figu a 4, se pueden obse a los pa áme os desc i os an e io men e, con
el obje i o de expone las a iables u ilizadas.
Ilus ación 4. De inición del mé odo de cálculo
T as ello, ambién es ecomendable de ini las p opiedades de los componen es no
con encionales (biomasa y ceniza), al y como se puede e en la Figu a 5, con el obje i o de es ablece
su en alpía y densidad. En nues o caso, se han in oducido los mismos alo es a la en alpía pa a los
dos componen es, median e el modelo HCOALGEN, el cual iene la capacidad de calcula a ias
p opiedades cla e u ilizando di e en es co elaciones empí icas [7].
Ilus ación 5. De inición de la en alpía de los componen es NC
24
Una ez es ablecido el en o no de abajo, se p ocede a la elabo ación del diseño concep ual de
los sis emas empleados en el p oceso de gasi icación, los cuales se p esen an median e un modelo
eó ico en equilib io y un modelo empí ico.
En p ime luga , el modelo eó ico inicia con la alimen ación de biomasa, la cual se some e un
secado é mico con el obje i o de elimina su con enido de humedad. El agua ex aída, que ha sido
calen ada, se eap o echa en el eac o de gasi icación. Pos e io men e, la biomasa seca es di igida al
eac o de de ola ilización, donde el biocha se ans o ma en gases de in e és.
El esiduo ca bonoso esul an e es some ido a una combus ión pa cial pa a inc emen a la
concen ación de monóxido de ca bono en la co ien e gaseosa. Es e p ocedimien o se ejecu a en dos
e apas con el in de minimiza la p esencia de oxígeno en la salida del sis ema.
Finalmen e, los gases gene ados son conducidos al eac o de gasi icación, el cual ha sido
modelado como RGibbs, con el obje i o de impone que la composición de salida del sis ema sea
es ablecida po el equilib io e modinámico, sin necesidad de especi ica eacciones químicas
explíci as. Pa a ello, el eac o esuel e un sis ema de ecuaciones basado en la ene gía lib e de Gibbs,
a a és de un algo i mo de minimización que emplea mé odos numé icos como el mé odo de
Lag ange. En dicho eac o se op imiza la p oducción de gas de sín esis con un bajo con enido de
alqui án. El exceden e de es e compues o es a ado en el eac o de e o mado.
El mencionado modelo eó ico se expone en la siguien e igu a.
Ilus ación 6. Diseño concep ual del p oceso de gasi icación del modelo eó ico.
25
Po o o lado, el modelo empí ico sigue el mismo p ocedimien o que el modelo an e io , con
la di e encia de que la gasi icación del esiduo ca bonoso se lle a a cabo en un eac o RS oic. Es e
eac o equie e la especi icación de eacciones químicas con es equiome ia conocida, pe o sin
conside a condiciones ciné icas, además de de ini el g ado de con e sión del ca bono. Es a
me odología p opo ciona una ap oximación más ealis a al p oceso, alineándose mejo con las
condiciones ope a i as de una plan a indus ial.
Ilus ación 7. Diseño concep ual del p oceso de gasi icación en el modelo empí ico.
A con inuación, se explica á en de alle cada sección que compone el p oceso.
3.1 Sección de secado
En p ime a ins ancia, se lle a a cabo un p oceso de p e a amien o é mico de la biomasa, el cual
ha sido modelado con la inalidad de educi la necesidad de e apo ación de agua du an e la
gasi icación, lo que end á como esul ado una disminución de la demanda de gases de escape en el
oxidan e, pe mi iendo p oduci un syngas menos diluido.
El p oceso inicia con la alimen ación de biomasa en es ado húmedo, cuya composición se de alla
en el análisis p oximal, ul anal y sul anal, de allados en las siguien es ablas.
Pa áme os
(%)
Humedad
8.32
FC
18,71
VM
70,28
Cenizas
11,01
Tabla 2. Análisis p oxanal de la biomasa
32
En la siguien e igu a se puede obse a el p oceso desc i o an e io men e.
Ilus ación 11. Sección de de ola ilización y combus ión pa cial del p oceso.
3.3 Sección de gasi icación y e o mado de alqui anes
Po úl imo, la úl ima sección del sis ema, hace e e encia al gasi icado y e o mado de
alqui anes, donde se equie e p oduci el gas de sín esis, lib e de compues os no deseados, y lis o pa a
se come cializado y/o u ilizado.
P ime amen e, señala que la gasi icación se lle a a cabo en un gasi icado de lecho luido, el
cual es á basado en la luidización de pa ículas sólidas den o del eac o median e un lujo ascenden e
de gas, lo que pe mi e una ans e encia de calo al amen e e icien e y una con e sión uni o me del
combus ible.
El modelo de gasi icado cons a de una zona de alimen ación, a a és de la cual se in oducen
los p oduc os esul an es de la de ola ilización y la combus ión pa cial. Pos e io men e, es os ing esan
al lecho de eacción, donde el agen e gasi ican e es inyec ado a al a elocidad. Es e p oceso a o ece
una mejo ans e encia de calo , op imiza la e iciencia é mica y pe mi e el a amien o de biomasas
con al os ni eles de he e ogeneidad [5].
El modelo sin equilib io se encuen a limi ado po la ciné ica de gasi icación del ca bón, ya
que es as eacciones son signi ica i amen e más len as en compa ación con la de ola ilización y las
eacciones en ase gaseosa, lo que a ec a di ec amen e la e iciencia del gasi icado y el olumen de
eacción necesa io pa a maximiza la con e sión de la biomasa. En es e con ex o, la eac i idad del
ca bón se encuen a in luenciada po la es uc u a po osa, el á ea supe icial in e na y la composición
química del ma e ial ca bonoso, pa áme os que dependen di ec amen e de las condiciones de
de ola ilización bajo las cuales se gene ó el ca bón.
33
Es po ello que, la con e sión lle ada a cabo en el gasi icado , sigue el siguien e modelo [13]:
𝑥 =𝐸𝑋𝑃 (10,3 − 𝐸𝑎
𝑅𝑇)×𝑝𝐻2𝑂
0,5 ×𝑝𝐻2
−0,33
Donde:
• PH2O y PH2 son las p esiones pa ciales de apo en a mós e as y al se un p oceso a
p esión a mos é ica coinciden con las acciones mola es de las sus ancias.
• Ea es la ene gía de ac i ación, igual a 100 kJ/mol
• R la cons an e de los gases ideales
• T la empe a u a en el gasi icado en K, que en nues o caso se á la misma que la
de ola ización.
Dicha con e sión es lle ada a cabo po una calculado a elabo ada con la unción “Calcula o ”
del so wa e, donde se de ini án las a iables de salida, que en es e caso es el bloque de gasi icación.
La mencionada calculado a queda expues a en la siguien e Figu a.
Ilus ación 12. Calculado a de la con e sión del gasi icado .
Es e modelo es á simulado con un eac o RSTOIC, el cual pe mi e especi ica la
es equiome ia de la eacción y el g ado de con e sión con espec o a uno de los eac i os, en es e caso
el cha , sin una ciné ica conocida, o o gando la impo ancia única y exclusi a a la con e sión impues a
an e io men e.
34
Po o o lado, el e o mado de alqui anes del sis ema, es á basado en una eacción de
desplazamien o del gas de agua (WGSR) seguida de una se ie de eacciones de e o mado, donde los
compues os o gánicos p esen es en el alqui án, p incipalmen e hid oca bu os y compues os
oxigenados, eaccionan con apo de agua a al a empe a u a pa a p oduci gas de sín esis [14]. Las
eacciones cla e in oluc adas se disponen a con inuación:
𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 − −> 𝐶𝑂2 + 𝐻2
𝐶𝐻4 + 𝐻2𝑂 − −> 𝐶𝑂 + 3 𝐻2
𝐶2𝐻4 + 2 𝐻2𝑂 − −> 2 𝐶𝑂 + 4 𝐻2
𝐶2𝐻6 + 2 𝐻2𝑂 − −> 2 𝐶𝑂 + 5 𝐻2
𝐶10𝐻8 + 10 𝐻2𝑂 − −> 10 𝐶𝑂 + 14 𝐻2
𝐶6𝐻6𝑂2 + 4 𝐻2𝑂 − −> 7 𝐻2 + 6 𝐶𝑂
𝐶6𝐻12 + 6 𝐻2𝑂 − −> 6 𝐶𝑂 + 11 𝐻2
Como se puede obse a , las eacciones de e o mado ayudan a aumen a las p oducciones de
CO y H2, mien as que la eacción de cambio de agua-gas ans o ma pa e del CO o mado en CO2,
o mándose a su ez más H2, mien as minimiza la o mación de alqui án, lo cual ocu e a
empe a u as al as [14]. La modelización del sec o desc i o an e io men e se expone en la siguien e
igu a.
.
Ilus ación 13. Sección de gasi icación y e o mado de alqui anes.
En la igu a, el bloque de gasi icación es á denominado como “GASIF”, el cual iene como
en adas el agen e gasi ican e y la co ien e de los p oduc os de la combus ión pa cial. Po o o lado,
la ase de e o mado de alqui anes se denomina como “WGS-REF”, la cual es á modelada con un
eac o REquil, basado en la imposición de un equilib io e modinámico a p ocesos donde las
eacciones ocu en de mane a ápida y alcanzan el es ado de equilib io de o ma empí ica.
35
Pa a ace ca nos a ese pun o de mane a más exac a, se ha conside ado la in oducción de una
empe a u a de ap oximación, cuyo p opósi o es ajus a la con e sión de las eacciones químicas a un
es ado de equilib io eó ico, pe o calculado a una empe a u a di e en e de la eal del eac o , lo que
pe mi e ep esen a alo es más e aces, po el asumo de la ciné ica no conside ada. El alo aplicado
es de – 300ºC, debido al ca ác e endo é mico, pa a lo que se consigue que su con e sión de equilib io
sea meno que la que se ob end ía a la empe a u a del gasi icado [7].
3.4. Balance de Ene gía
Du an e la modelización del p oceso, se han iden i icado di e sas ope aciones uni a ias que,
aunque se ep esen an de o ma independien e en el modelo, ocu en simul áneamen e den o del
gasi icado . Po ello, pa a asegu a una ep esen ación p ecisa del sis ema, se ha de e minado que odas
las unidades ope en a una única empe a u a común, ga an izando una cohe encia e modinámica en
el p oceso y pe mi iendo una co ec a ep esen ación del in e cambio de ene gía en e las dis in as
e apas.
Po lo an o, pa a la ealización del balance ene gé ico, se añade el bloque "QMIXER", cuya
unción es in eg a y mezcla odas las co ien es é micas del p oceso, pe mi iendo ealiza
pos e io men e un análisis de sensibilidad pa a la de e minación de la empe a u a au o é mica,
de inida como la condición en la que el balance ene gé ico del sis ema es nulo (Q = 0 kW). Dicho
análisis de sensibilidad, pe mi e es udia el balance ene gé ico en unción de una a iable, que en
nues o caso es la empe a u a del bloque “DEVOLAT”, debido a que es a ac úa como ec o pa a los
demás p ocesos.
Ilus ación 14. Análisis de Sensibilidad
Es e con ex o pe mi e iden i ica el pun o de au osu iciencia ene gé ica del p oceso,
minimizando la dependencia de combus ibles ex e nos, op imizando la e iciencia é mica y mejo ando
an o la sos enibilidad global como la segu idad ope a i a del sis ema.
36
4. Resul ados y Discusión
4.1 Resul ados globales
Una ez comple ado el diseño y modelado del sis ema, se p ocede a la ob ención de esul ados
pa a di e sos casos p opues os, en los cuales se han e aluado dis in as combinaciones de los alo es
de ER y S/B, al como se p esen a en la Tabla 7.
Tabla 7. Casos de es udio p opues os.
En una p ime a e apa, cada pun o ha sido simulado a empe a u as de 600, 700, 800 y 900 °C.
Pos e io men e, se ha ealizado un análisis de sensibilidad pa a iden i ica la empe a u a au o é mica
co espondien e a cada combinación de ER y S/B, con la inalidad de de e mina la composición del
gas de sín esis en base seca y húmeda, la can idad o al de gas en Nm³, sus endimien os másicos y la
concen ación de alqui án en el gas, bajo dichas condiciones.
T as ello, se lle a á a cabo un análisis compa a i o en e el sis ema p opues o y una
con igu ación al e na i a basada en condiciones de equilib io é mico. En es a segunda con igu ación,
el eac o RS oic empleado en el gasi icado se á sus i uido po un eac o RGibbs, el cual ope a bajo
el p incipio de minimización de la ene gía lib e de Gibbs, lo que pe mi i á e alua de mane a de allada
el impac o de modela el sis ema basado en da os empí icos, en las eacciones e moquímicas y su
in luencia en la composición inal del gas de sín esis, iden i icando posibles des iaciones en la
con e sión de los eac i os y en la dis ibución de p oduc os bajo di e en es condiciones ope a i as.
Señala que los yields que se an a expone a con inuación quedan de inidos en kilog amos del
componen e/kilog amos de biomasa seca sin ceniza. También, como se ha comen ado an e io men e,
la base de cálculo elegida es de 20.000 kg/h de biomasa b u a, un pa áme o acep able a ni el indus ial,
necesa io pa a el cálculo del lujo.
A con inuación, se exponen odos los esul ados, pa a el sis ema sin equilib io e moquímico,
en dis in as ablas.
Casos
Relación de oxígeno (ER)
Relación S/B
1
0.15
0.5
2
0.25
1
3
0.35
1.5
37
Tabla 8. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 1 del sis ema 1.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 14.557,41 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,0485 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,0485
0,0260
67,60
0,00322
752,01
CH4
0,408
0,218
4.530,62
0,216
6.895,92
C2H4
4,49E-11
2,40E-11
8,70E-07
4,15E-11
7,37E-07
C2H6
1,08E-06
5,78E-07
2,24E-02
1,06E-06
0,0174
CO
0,000720
0,000385
13,93
0,000665
12,22
CO2
0,530
0,284
16.132,24
0,770
8.159,96
O2
0
0
0
0
0
N2
0,00753
0,00403
145,85
0,00696
180,06
NH3
0,00233
0,00124
27,43
0,00130
37,58
H2O
0
0,464
10.786,10
0
10,81
C6H6
0
0
0
0
0
C10H8
5,90E-32
3,16E-32
5,23E-27
2,49E-31
4,58E-30
HCN
0,00169
0,000909
31,69
0,00151
0,0461
C6H6O2
3,45E-31
1,85E-31
2,63E-26
1,25E-30
2,02E-29
C6H12
3,51E-27
1,88E-27
1,99E-22
9,49E-27
2,96E-25
38
Tabla 9. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 2 del sis ema 1.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 16.523,39 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,0659 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,0659
0,0274
104,77
0,00424
1.165,45
CH4
0,347
0,144
4.386,64
0,177
6.676,77
C2H4
2,26E-11
9,39E-12
4,99E-07
2,02E-11
4,22E-07
C2H6
5,72E-07
2,38E-07
1,36E-02
5,50E-07
0,0105
CO
0,000655
0,000272
14,47
0,000586
12,69
CO2
0,576
0,239
19.981,17
0,809
10.106,81
O2
0
0
0
0
0
N2
0,00660
0,00274
145,85
0,00590
180,06
NH3
0,00204
0,000850
27,43
0,00111
37,58
H2O
0
0,584
19.945,33
0
20,00
C6H6
0
0
0
0
0
C10H8
5,00E-34
2,08E-34
5,05E-29
2,04E-33
4,43E-32
HCN
0,00148
0,000618
31,69
0,00128
0,0461
C6H6O2
3,21E-32
1,33E-32
2,78E-27
1,12E-31
2,14E-30
C6H12
2,55E-28
1,06E-28
1,65E-23
6,68E-28
2,45E-26
39
Tabla 10. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 3 del sis ema 1.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 18.014,10 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,0781 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,0781
0,0277
139,61
0,00495
1.552,99
CH4
0,300
0,106
4.267,10
0,151
6.494,83
C2H4
1,41E-11
5,00E-12
3,51E-07
1,24E-11
2,97E-07
C2H6
3,61E-07
1,28E-07
9,63E-03
3,41E-07
0,00751
CO
0,000607
0,000215
15,08
0,000534
13,23
CO2
0,584
0,207
22.784,05
0,807
11.524,55
O2
0,0278
0,00988
790,79
0,0280
553,39
N2
0,00587
0,00208
145,85
0,00517
180,06
NH3
0,00181
0,000644
27,43
0,000972
37,58
H2O
0
0,645
29.070,46
0
29,15
C6H6
0
0
0
0
0
C10H8
2,37E-35
8,41E-36
2,69E-30
9,53E-35
2,36E-33
HCN
0,00132
0,00046913
31,69
0,00112
0,0461
C6H6O2
6,61E-33
2,34E-33
6,45E-28
2,28E-32
4,95E-31
C6H12
4,48E-29
1,59E-29
3,26E-24
1,15E-28
4,84E-27
40
Tabla 11. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 1, del sis ema 1.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 16.347,41 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,167 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,167
0,0969
263,12
0,0122
2.926,82
CH4
0,326
0,189
4.090,63
0,190
6.226,23
C2H4
1,59E-09
9,21E-10
3,48E-05
1,62E-09
2,94E-05
C2H6
1,74E-06
1,01E-06
4,10E-02
1,91E-06
0,0319
CO
0,00905
0,00524
197,69
0,00921
173,41
CO2
0,486
0,281
16.692,94
0,778
8.443,57
O2
0
0
0
0
0
N2
0,00667
0,00386
145,85
0,00679
180,06
NH3
0,00206
0,00119
27,43
0,00127
37,58
H2O
0
0,420
10.209,87
0
10,24
C6H6
0
0
0
0
0
C10H8
1,19E-28
6,90E-29
1,19E-23
5,54E-28
1,04E-26
HCN
0,0015
0,000870
31,69
0,00147
0,0461
C6H6O2
2,46E-28
1,43E-28
2,12E-23
9,86E-28
1,62E-26
C6H12
3,53E-25
2,05E-25
2,26E-20
1,05E-24
3,36E-23
41
Tabla 12. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 2, del sis ema 1.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 18.651,60 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,222 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,222
0,100
402,50
0,0162
4.477,27
CH4
0,242
0,110
3.489,27
0,141
5.310,92
C2H4
6,32E-10
2,86E-10
1,59E-05
6,43E-10
1,34E-05
C2H6
7,24E-07
3,28E-07
1,95E-02
7,89E-07
0,0152
CO
0,0077
0,0034
193,75
0,00784
169,95
CO2
0,517
0,234
20.406,41
0,826
10.321,90
O2
0
0
0
0
0
N2
0,00581
0,00263
145,85
0,00590
180,06
NH3
0,00179
0,00081
27,43
0,00111
37,58
H2O
0
0,546
19.482,87
0
19,54
C6H6
0
0
0
0
0
C10H8
3,45E-31
1,57E-31
3,97E-26
1,60E-30
3,48E-29
HCN
0,00130
0,000593
31,69
0,00128
0,0461
C6H6O2
1,30E-29
5,90E-30
1,29E-24
5,20E-29
9,88E-28
C6H12
1,30E-26
5,90E-27
9,59E-22
3,88E-26
1,42E-24
48
Tabla 19. Resul ados globales a 900ºC pa a el Caso 3, del sis ema 1.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 34.056,46 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,517 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,517
0,288
1.719,79
0,0509
19.130,06
CH4
0,00959
0,00535
253,96
0,00752
386,54
C2H4
9,32E-10
5,21E-10
4,32E-05
1,27E-09
3,653E-05
C2H6
9,01E-09
5,03E-09
0,000446
1,32E-08
0,000348
CO
0,0912
0,0509
4.216,45
0,124
3.698,64
CO2
0,377
0,210
27.372,93
0,810
13.845,69
O2
0
0
0
0
0
N2
0,00315
0,00176
145,85
0,00431
180,06
NH3
0,000976
0,000545
27,43
0,000812
37,58
H2O
0
0,441
23.503,98
0
23,57
C6H6
0
0
0
0
0
C10H8
4,58E-34
2,56E-34
9,69E-29
2,871E-33
8,50E-32
HCN
0,000710
0,000396
31,69
0,000938
0,046
C6H6O2
7,96E-30
4,45E-30
1,45E-24
4,28E-29
1,11E-27
C6H12
3,84E-29
2,15E-29
5,21E-24
1,54E-28
7,74E-27
49
Seguidamen e, se an a expone los esul ados, pa a el sis ema con igu ado en equilib io
e moquímico, en dis in as ablas.
Tabla 20. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 1, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 24.793,28 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,0421 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,0421
0,0249
64,85
0,00283
8.101,48
CH4
0,434
0,257
5.322,67
0,232
1,10E-06
C2H4
6,09E-11
3,61E-11
1,31E-06
5,70E-11
0,0251
C2H6
1,40E-06
8,32E-07
3,23E-02
1,41E-06
14,30
CO
0,000762
0,000451
16,31
0,000713
8.746,37
CO2
0,514
0,304
17.291,58
0,755
1,52E-20
O2
8,89E-25
5,27E-25
2,17E-20
9,50E-25
217,94
N2
0,008250
0,00488
176,53
0,00771
0,844
NH3
4,73E-05
2,81E-05
0,616
2,69E-05
9,506899549
H2O
0
0,407
9.478,37
0
0,974
C6H6
2,12E-15
1,26E-15
1,27E-10
5,53E-15
4,47E-29
C10H8
5,20E-31
3,08E-31
5,10E-26
2,22E-30
0
HCN
4,62E-08
2,74E-08
0,000954
4,17E-08
6,48E-29
C6H6O2
1,00E-30
5,94E-31
8,43E-26
3,68E-30
1,04E-24
C6H12
1,11E-26
6,62E-27
7,02E-22
3,06E-26
721,40
50
Tabla 21. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 2, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 30.388,57 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,0594 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,0594
0,0271
103,87
0,00387
1.155,44
CH4
0,375
1,71E-01
5,22E+03
0,194
7.938,03
C2H4
2,95E-11
1,35E-11
7,18E-07
2,68E-11
6,08E-07
C2H6
7,41E-07
3,39E-07
1,93E-02
7,22E-07
0,0150
CO
0,000676
0,000309
16,42
0,000613
14,40
CO2
0,557
0,254
21.261,59
0,794
10.754,47
O2
2,69E-24
1,23E-24
7,47E-20
2,78E-24
5,22E-20
N2
0,00726
0,00332
176,47
0,00659
217,86
NH3
4,69E-05
2,15E-05
0,693
2,58E-05
0,949
H2O
0
0,542
18.538,74
0
18,59
C6H6
1,24E-17
5,67E-18
8,40E-13
3,13E-17
0
C10H8
2,95E-33
1,35E-33
3,28E-28
1,22-32
2,87E-31
HCN
1,98E-08
9,08E-09
0,000465
1,73E-08
6,77E-07
C6H6O2
7,83E-32
3,58E-32
7,48E-27
2,79E-31
5,75E-30
C6H12
6,96E-28
3,18E-28
4,96E-23
1,85E-27
7,36E-26
51
Tabla 22. Resul ados globales a 600ºC pa a el Caso 3, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 33.643,95 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,0786 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,0786
0,0278
140,26
0,00498
1.560,20
CH4
0,313
0,111
4.440
0,157
6.763,19
C2H4
1,52E-11
5,37E-12
3,77E-07
1,33E-11
3,19E-07
C2H6
3,91E-07
1,38E-07
0,0103
3,69E-07
0,0081
CO
6,27E-04
2,22E-04
15,53
0,000551
13,62
CO2
0,601
0,212
23.380,48
0,830
11.826,24
O2
8,63E-24
3,05E-24
2,44E-19
8,68E-24
1,71E-19
N2
7,12E-03
0,00251
176,53
0,00626
217,94
NH3
4,08E-05
1,44E-05
6,14E-01
2,180E-05
0,841
H2O
0
0,646
29.115,25
0
29,20
C6H6
1,61E-20
5,68E-21
1,11E-15
3,94E-20
0
C10H8
3,32E-35
1,17E-35
3,76E-30
1,33E-34
3,29E-33
HCN
7,36E-09
2,60E-09
0,000176
6,25E-09
2,56E-07
C6H6O2
8,06E-33
2,85E-33
7,85E-28
2,78E-32
6,03E-31
C6H12
5,55E-29
1,96E-29
4,03E-24
1,43E-28
5,98E-27
52
Tabla 23. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 1, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 19.092,78 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,128 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,128
0,0871
235,55
0,00922
2.620,22
CH4
0,363
0,245
5.288,15
0,207
8.048,94
C2H4
2,83E-09
1,92E-09
7,23E-05
2,82E-09
6,12E-05
C2H6
2,80E-06
1,90E-06
0,0765
2,99E-06
0,0597
CO
0,0106
0,00720
270,66
0,0106
237,42
CO2
0,489
0,331
19.554,65
0,765
9.891,07
O2
3,73E-22
2,53E-22
1,09E-17
4,24E-22
7,59E-18
N2
0,00726
0,00491
184,51
0,00722
227,79
NH3
2,62E-05
1,78E-05
0,406
1,590E-05
0,556
H2O
0
0,323
7.820,07
0
7,84
C6H6
3,75E-17
2,54E-17
2,66E-12
1,04E-16
0
C10H8
7,62E-27
5,16E-27
8,86E-22
3,47E-26
7,77E-25
HCN
1,24E-07
8,41E-08
0,00304
1,19E-07
4,43E-06
C6H6O2
1,92E-27
1,31E-27
1,93E-22
7,54E-27
1,48E-25
C6H12
3,05E-24
2,06E-24
2,27E-19
8,90E-24
3,37E-22
53
Tabla 24. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 2, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 20.600,18 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,198 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,198
0,0993
395,72
0,0143
4.401,87
CH4
0,270
1,35E-01
4.280
0,155
6.508,31
C2H4
8,91E-10
4,45E-10
2,47E-05
8,97E-10
2,09E-05
C2H6
1,00E-06
5,01E-07
2,98E-02
1,08E-06
0,0232
CO
0,008267276
0,00412
228,45
0,00831
200,39
CO2
0,515
0,257
22.397,87
0,814
11.329,22
O2
2,66E-21
1,33E-21
8,43E-17
3,06E-21
5,89E-17
N2
0,00667
0,00333
184,55
0,00671
227,84
NH3
2,01E-05
1,04E-05
0,350
1,27E-05
0,480
H2O
0
0,500
17.830,15
0
17,88
C6H6
2,26E-21
1,11E-21
1,72E-16
6,24E-21
0
C10H8
3,13E-30
1,57E-30
3,97E-25
1,44E-29
3,47E-28
HCN
2,51E-08
1,26E-08
0,000671
2,44E-08
9,77E-07
C6H6O2
4,03E-29
2,02E-29
4,39E-24
1,59E-28
3,37E-27
C6H12
4,50E-26
2,25E-26
3,65E-21
1,32E-25
5,42E-24
54
Tabla 25. Resul ados globales a 700ºC pa a el Caso 3, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 21.752,97 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,246 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,246
0,099
520,16
0,0177
5.786,03
CH4
0,198
7,98E-02
3.330
0,113
5.069,91
C2H4
3,87E-10
1,56E-10
1,14E-05
3,89E-10
9,64E-06
C2H6
4,36E-07
1,76E-07
0,0138
4,70E-07
0,0107
CO
0,00727
0,00292
213,50
0,00729
187,28
CO2
0,542
0,218
25.013,88
0,854
12.652,44
O2
1,02E-20
4,12E-21
3,43E-16
1,17E-20
2,39E-16
N2
0,00628
0,00253
184,62
0,00630
227,93
NH3
1,48E-05
5,98E-06
0,265
9,06E-06
0,363
H2O
0
0,597
28.008,71
0
28,09
C6H6
9,98E-25
4,02E-25
8,18E-20
2,79E-24
0
C10H8
2,10E-32
8,46E-33
2,82E-27
9,65E-32
2,47E-30
HCN
7,01E-09
2,83E-09
0,000198
6,79E-09
2,89E-07
C6H6O2
3,11E-30
1,25E-30
3,60E-25
1,22E-29
2,76E-28
C6H12
2,42E-27
9,77E-28
2,09E-22
7,13E-27
3,10E-25
55
Tabla 26. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 1, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 22.949,80 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,276 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,276
2,07E-01
609,32
0,0227
6.777,85
CH4
0,241
0,181
4.235,22
0,157
6.446,31
C2H4
3,35E-08
2,52E-08
0,00103
3,83E-08
0,000872
C2H6
2,96E-06
2,23E-06
9,75E-02
3,63E-06
0,0760
CO
6,60E-02
4,96E-02
2.020
0,0754
1.774,34
CO2
0,411
0,308
19.771,92
0,737
10.000,97
O2
1,11E-19
8,37E-20
3,90E-15
1,45E-19
2,72E-15
N2
6,03E-03
0,00453
184,96
0,00689
228,35
NH3
1,14E-05
8,57E-06
0,212
7,92E-06
0,291
H2O
0
0,248
6.529,60
0
6,54
C6H6
6,67E-21
5,01E-21
5,70E-16
2,12E-20
0
C10H8
2,40E-24
1,80E-24
3,37E-19
1,25E-23
2,95E-22
HCN
1,04E-07
7,83E-08
0,00308
1,14E-07
4,48E-06
C6H6O2
2,20E-25
1,65E-25
2,65E-20
9,87E-25
2,03E-23
C6H12
7,04E-23
5,29E-23
6,33E-18
2,35E-22
9,40E-21
56
Tabla 27. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 2, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 26.537,17 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,380 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,380
0,227
980,00
0,0328
10.901,00
CH4
0,138
8,30E-02
2.850
0,0955
4.335,39
C2H4
7,37E-09
4,41E-09
2,64E-04
8,86E-09
0,000223
C2H6
7,13E-07
4,26E-07
0,0274
9,19E-07
0,0213
CO
0,0467
0,0279
1.672,46
0,0560
1.467,07
CO2
0,428
0,256
24.127,08
0,809
12.203,88
O2
7,87E-19
4,71E-19
3,22E-14
1,08E-18
2,25E-14
N2
0,0051
0,00308
185,00
0,00620
228,39
NH3
7,81E-06
4,67E-06
0,170
5,70E-06
0,233
H2O
0
0,402
15.500,01
0
15,54
C6H6
3,51E-25
2,10E-25
3,51E-20
1,17E-24
0
C10H8
2,84E-28
1,70E-28
4,67E-23
1,56E-27
4,09E-26
HCN
1,91E-08
1,14E-08
0,000661
2,21E-08
9,62E-07
C6H6O2
2,44E-27
1,46E-27
3,44E-22
1,15E-26
2,64E-25
C6H12
4,31E-25
2,58E-25
4,53E-20
1,52E-24
6,73E-23
57
Tabla 28. Resul ados globales a 800ºC pa a el Caso 3, del sis ema 2.
Como esul ado inal, se ha ob enido un caudal de 28.767,85 Nm³/h de gas seco, cuya
composición, en base seca, p esen a una concen ación de hid ógeno de 0,431 kg de gas po kg de
biomasa seca.
Compues os
F acc. Mola
BS
F acc. Mola
BH
Flujo
(Kg/h )
Yields
Nm3/h
H2
0,431
0,215
1.213,73
0,0377
13.500,99
CH4
0,0766
0,0383
1.710
0,0533
2.608,97
C2H4
2,08E-09
1,04E-09
8,14E-05
2,53E-09
6,89E-05
C2H6
1,91E-07
9,56E-08
8,02E-03
2,49E-07
0,00625
CO
0,0373
0,0186
1.460,28
0,0454
1.280,95
CO2
0,449
0,224
27.572,10
0,857
13.946,43
O2
2,85E-18
1,43E-18
1,28E-13
3,96E-18
8,92E-14
N2
0,0047
0,0023
185,03
0,00575
228,44
NH3
5,34E-06
2,67E-06
0,126
3,94E-06
0,173
H2O
0
0,500
25.126,71
0
25,20
C6H6
2,02E-28
1,01E-28
2,21E-23
6,86E-28
0
C10H8
3,40E-31
1,70E-31
6,08E-26
1,89E-30
5,33E-29
HCN
5,47E-09
2,74E-09
0,000206
6,42E-09
3,00E-07
C6H6O2
7,69E-29
3,85E-29
1,18E-23
3,67E-28
9,0E-27
C6H12
7,15E-27
3,57E-27
8,19E-22
2,54E-26
1,21E-24
64
Ilus ación 21. Composición másica de gas en el escena io au o é mico.
Ilus ación 22. Composición mola de gas en el escena io au o é mico.
Como se obse a en las an e io es igu as, en condiciones au o é micas, la p oducción óp ima de
H2 ecae en los escena ios con empe a u as más al as mien as que el es o de especies disminuye en
g an medida, a excepción del CO2, el cual se man iene en condiciones es ables. Es e g á ico sugie e
que el escena io más adecuado en condiciones au o é micas es el escena io 3 en el sis ema en
equilib io, po el mayo en iquecimien o del gas.
Cabe des aca que, si bien se ha analizado de mane a in eg al la p oducción de gas en ambos
escena ios plan eados, los esul ados no se han expues o, dado que, en odos los casos y pa a cualquie
empe a u a, el alo ob enido es simila y supe io a 0,99.
65
5. Conclusiones
El p esen e es udio ha pe mi ido e alua la p oducción de hid ógeno y biocombus ibles con la
me odología de gasi icación de biomasa, u ilizando el so wa e de modelado y simulación Aspen Plus.
• Se ha demos ado que la gasi icación de biomasa en eac o es de lecho luidizado ep esen a
una al e na i a iable y sos enible pa a la gene ación de combus ibles con bajo impac o
ambien al. Los esul ados ob enidos mues an que la e iciencia del p oceso es á al amen e
in luenciada po a iables ope a i as cla e, ales como la empe a u a, la elación de oxígeno
(ER) y la elación apo /biomasa (S/B), las cuales a ec an di ec amen e la composición y el
endimien o del gas de sín esis. Un mayo ER pe mi e alcanza empe a u as más ele adas, lo
que a o ece la educción de alqui án, aunque ambién puede disminui el con enido de H₂ y
CO en el gas, educiendo su pode calo í ico. Po o o lado, un inc emen o en la elación S/B
p omue e eacciones como el e o mado con apo y el desplazamien o del gas de agua, lo que
aumen a la p oducción de H₂ y mejo a la calidad del gas, aunque un exceso de apo puede
educi la empe a u a del eac o . Po lo an o, pa a la p oducción de gas de sín esis es
ecomendable una empe a u a mode ada – al a, jun o con alo es in e medios en las a iables
ope a i as.
• El análisis compa a i o con modelos de equilib io e modinámico ha pe mi ido iden i ica las
limi aciones impues as po el modelo empí ico en las eacciones de gasi icación, es ableciendo
di e encias en la con e sión de eac i os y en la composición inal del gas p oducido.
Asimismo, se ha obse ado que el modelo ealizado en condiciones de equilib io p esen a
esul ados lige amen e mejo es en cuan o a la p oducción de gas y disminución de alqui án,
debido a que se alcanza el máximo eó ico po la suposición de condiciones ideales sob e la
con e sión. Sin emba go, es e esul ado no es ealis a. También, el es udio de sensibilidad ha
pe mi ido de e mina las empe a u as au o é micas del sis ema, iden i icando los pun os
óp imos de ope ación pa a maximiza la p oducción de syngas.
Como p opues a de abajo u u a, se p opone el desa ollo de un modelo de simulación basado
en un en oque ciné ico pa a ep esen a con mayo p ecisión los p ocesos pos e io es de gasi icación
de cha , eacciones de oxidación y de e o mado, que inco po e ecuaciones de elocidad dependien es
de la empe a u a, la composición y la p esión pa cial de los eac i os.
66
6. Re e encias
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