Diseño de una planta de gasificación de residuos sólidos urbanos para generación de electricidad con una pila de combustible

1 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía Química Diseño de una plan a de gasi icación de esiduos sólidos u banos pa a gene ación de elec icidad con una pila de combus ible Alumno: San iago He nández López Tu o : Albe o Gómez Ba ea Dep. Ingenie ía Química y Ambien al Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2015 2 3 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía Química Diseño de una plan a de gasi icación de esiduos sólidos u banos pa a gene ación de elec icidad con una pila de combus ible Au o : San iago He nández López Tu o : Albe o Gómez Ba ea Dep. de Ingenie ía Química y Ambien al Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2015 4 5 RESUMEN En es e abajo se p e ende diseña una plan a de gene ación eléc ica median e pilas de combus ible, que u ilice pa a la gasi icación combus ible ob enido a pa i de esiduos sólidos u banos. Se analiza cuál es la escala óp ima de p oducción pa a el desa ollo come cial de es a ecnología. Se selecciona en e las dis in as al e na i as posibles pa a la gasi icación la que eúne las ca ac e ís icas que más se adecúan al obje i o conc e o de uso del gas pa a una pila de combus ible. Pa a pode diseña el sis ema de gasi icación y limpieza, se ealiza un análisis de los con aminan es p esen es en el gas y de las posibilidades écnicas de eliminación. Del mismo modo, se es udian los dis in os ipos de pilas de combus ible disponibles, y se selecciona la que p esen e mejo pe spec i a de uso, analizando asimismo las condiciones de ope ación del equipo. Den o de los con aminan es p esen es en el gas, es e abajo se cen a en la depu ación del ácido sul híd ico, H2S. Pa a es e caso, se es udia la e icacia que p esen an so ben es con encionales como la dolomi a y los óxidos de cinc, y las condiciones de ope ación más a o ables pa a cada uno de ellos. Finalmen e, se es udia la iabilidad del sis ema p opues o en la ac ualidad y sus pe spec i as u u as. 6 7 ABSTRACT This pape aims o design a powe plan using uel cells. The used uel is ob ained om gasi ica ion o municipal solid was e. I is analyzed he op imal le el o p oduc ion o he comme cial de elopmen o his echnology. The a ious possible al e na i es o gasi ica ion a e analyzed, and i is selec ed he one which has he ea u es ha bes sui he speci ic aim o using gas o a uel cell. To design he gasi ica ion sys em and clean-up, an analysis o con aminan s in he gas and he echnical possibili ies o emo al a e pe o med. Simila ly, he a ious ypes o a ailable uel cells a e s udied, and which has he bes pe spec i e o use is selec ed, also analyzing he ope a ing condi ions o he equipmen . Among he con aminan s in he gas, his pape ocuses on he pu i ica ion o hyd ogen sul ide, H2S. In his case, i is s udied he e icacy o he con en ional so ben s such as dolomi e and zinc oxides, and hei mo e a o able condi ions o each ope a ion. Finally, he easibili y o he p oposed oday and i s u u e p ospec s sys em is s udied. 8 9 ÍNDICE Resumen……………………………………………………………………………………..………….5 Abs ac …………………………………………………………………………………………………7 Índice…………………………………………………………………………………..……………….9 1 In oducción………………………………………………………………………………………11 1.1 Selección del combus ible sólido…………………………………………………………….……….11 1.2 Fundamen os de la gasi icación……………………………………………………………..………..13 1.3 Fundamen os de las pilas de combus ible…………………………………………………………...17 1.4 Obje i os y alcance del p oyec o……………………………………………………………………..19 2 Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es……………………………………..….21 2.1 Ca ac e ís icas de los esiduos sólidos u banos……………………………………………………21 2.1.1 His o ia y p oducción………………………………………………………………...21 2.1.2 C i e ios de calidad…………………………………………………………………...22 2.1.2.1 Ca ac e ís icas económicas……………………………………………………....22 2.1.2.2 Ca ac e ís icas écnicas…………………………………………………………..24 2.1.2.3 Ca ac e ís icas ambien ales……………………………………………………....25 2.1.3 Especi icaciones ípicas………………………………………………………………26 2.2 Posibilidades écnicas en el diseño del gasi icado ………………………………………………..27 2.2.1 Lecho ijo……………………………………………………………………………..27 2.2.1.1 Co ien e descenden e……………………………………………………………27 2.2.1.2 Co ien e ascenden e……………………………………………………………..28 2.2.2 Lecho luido…………………………………………………………………………..28 2.2.2.1 Lecho luido bu bujean e………………………………………………………...29 2.2.2.2 Lecho luido ci culan e…………………………………………………………..29 2.3 Con aminan es p incipales del gas de sín esis……………………………………………………...32 2.3.1 Pa ículas……………………………………………………………………………..32 2.3.2 Alqui anes……………………………………………………………………………33 2.3.3 Compues os alcalinos………………………………………………………………...34 2.3.4 Compues os ni ogenados…………………………………………………………….35 2.3.5 Compues os clo ados…………………………………………………………………35 In oducción 16 - Agen e gasi ican e u ilizado: Los dis in os ipos se án de allados a con inuación. - Tipo de eac o u ilizado: Los dis in os diseños se án es udiados en el apa ado 2.2. - Pe il é mico del eac o : La e olución y la es a i icación de la empe a u a a ec a a la con e sión del combus ible y a la o mación de con aminan es, especialmen e alqui anes. - Tiempo de esidencia del gas: A ec a p incipalmen e a la con e sión del ca bono y a la composición del gas. El abanico de posibilidades del agen e gasi ican e hace que exis an muchas con igu aciones de p oceso y calidades de gas posibles. Los componen es del gas y su p opo ción a ían según el agen e gasi ican e u ilizado. La abla 1-2 mues a los alo es ípicos del gas de sín esis (Rod íguez Muñoz, 2013). Los da os se apo an en base seca, ya que se analizan con el gas en iado y po an o el apo ha condensado en su mayo ía (excep o la acción en equilib io). También se debe ene en cuen a que el gas de sín esis se u iliza no malmen e ío y sin agua, sal o que se queme a al a empe a u a. El con enido ap oximado suele es a en e 10 y 15 %. Un pequeño análisis de los ipos se comen a a con inuación: - Ai e: La gasi icación con un lujo de ai e subes equiomé ico p o oca la combus ión pa cial del combus ible, libe ando cie as can idades de apo de agua y gene ando el apo e de calo necesa io pa a que se p oduzcan las eacciones de gasi icación. La gasi icación con ai e conlle a la en ada de ni ógeno, po lo que el gas de sín esis ob enido es á muy diluido, educiendo así su pode calo í ico. - Vapo : La gasi icación con apo de agua e i a la dilución en ni ógeno y consigue un gas de sín esis de al a calidad al aumen a su pode calo í ico, pe o p ecisa de un apo e de calo ex e no pa a man ene el p oceso. Su uso es á especialmen e indicado pa a la gene ación eléc ica a g an escala. - Oxígeno pu o: El uso de oxígeno pu o conlle a que el gas p oducido no con enga ni ógeno, pe o supone una ope ación di ícil de con ola po los iesgos de una combus ión excesi a que inu ilice el gas p oducido. Además el cos e de la gasi icación se e ía inc emen ado, haciéndolo p ác icamen e in iable a pequeña escala. - Ai e en iquecido: Ob ene un ai e con un po cen aje de oxígeno en e 40 y 50% es ac ible median e el uso de memb anas de sepa ación. Supond ía una mejo a impo an e espec o a la gasi icación con ai e di ec amen e, ya que la can idad de ni ógeno en el gas se ía In oducción 17 conside ablemen e meno . El cos e a p io i no se ía demasiado ele ado, po lo que se analiza á es a opción en el apa ado 4.1. Tabla 1-2. Composición ípica de los gases de sín esis Agen e Gasi ican e PCS (MJ/m3) H2CO CO2N2CH4 Ai e 4-6 9-20 14-24 9-20 48-53 1-7 Oxígeno 10-20 32 48 15 32 Vapo de Agua 10-20 50 20 22 -6 Composición del gas (% olumen, base seca) 1.3 Fundamen os de las pilas de combus ible Las pilas de combus ible son equipos que gene an elec icidad median e eacciones elec oquímicas g acias a la oxidación de un lujo con inuo de combus ible. El p ocedimien o u ilizado es de al a e iciencia eléc ica, ya que no se basa en un p oceso é mico o mecánico, cuyas e iciencias es án limi adas po el ciclo de Ca no . Es e hecho pe mi e ob ene endimien os supe io es al 50%. O as en ajas que ienen son la simplicidad de su uncionamien o, las bajas emisiones de con aminan es espec o a la al e na i a de la combus ión di ec a, la ope ación silenciosa, que e i a la con aminación acús ica; y la lexibilidad de ope ación a ca ga pa cial (La minie e al.,2003). William G o e descub ió el p incipio de las pilas de combus ible en 1839. U ilizó cua os g andes pilas donde in oducía hid ógeno y oxígeno pa a ob ene elec icidad, que luego u ilizaba pa a p oduci la elec ólisis del agua y ob ene nue amen e hid ógeno y oxígeno. En 1959 la NASA comenzó a u iliza es a ecnología pa a p opo ciona ene gía du an e los uelos espaciales (en e o as cosas, p oduce el agua que beben los as onau as), lo que es imuló el desa ollo de la in es igación de aplicaciones en la década de los 60, aunque las imposibilidades écnicas y las al as in e siones impidie on su come cialización en o as indus ias. Un nue o impulso se dio en 1984 cuando la O icina de Tecnologías de T anspo es del Depa amen o de Ene gía de Es ados Unidos comenzó a apoya la in es igación y el desa ollo de la ecnología de las pilas de combus ible. Ac ualmen e exis en g an can idad de compañías que des inan buena pa e de sus ecu sos a aplicaciones de es a ecnología, en e ellas muchas emp esas au omo ilís icas. La igu a 1-3 mues a una celda de una pila de combus ible básica, que se á u ilizada pa a explica su uncionamien o. El lujo de combus ible, hid ógeno en su e sión más sencilla, en a en el ánodo de la pila, donde se oxida median e una se ie de eacciones, libe ando elec ones que son en iados median e un ci cui o eléc ico al cá odo. Allí se educe el oxígeno p o enien e de la co ien e de ai e de en ada, gene ando agua median e su eacción con los iones mó iles de hid ógeno. Según el ipo de pila las In oducción 18 eacciones se án dis in as, igual que a ia án los iones mó iles que se desplazan a és del elec oli o. Su uncionamien o de allado se á analizado en el capí ulo 3. El elec oli o de la pila hace las unciones de aislan e eléc ico, conduc o de iones mó iles y sepa ado de las eacciones anódicas y ca ódicas. Las dis in as clases de pilas se di e encian p incipalmen e según el ipo de elec oli o que con engan (apa ado 3.1). La ole ancia a los con aminan es que enga la pila depende ambién en g an medida de la composición del elec oli o que enga. Su in es igación y mejo a es cla e en el u u o desa ollo de las pilas de combus ible como al e na i a iable pa a la gene ación de ene gía eléc ica. Cada pila uni a ia puede gene a una di e encia de po encial de 0,7 V y una densidad de co ien e de 300 mA/cm2 ap oximadamen e, po lo que es necesa ia la combinación de a ias pa a alcanza una po encia su icien e. Las in e conexiones se ealizan con ma e iales de al a conduc i idad eléc ica, o mando unas ba e ías cuya es uc u a puede se plana o ubula , dependiendo del uso al que es é des inada la pila. La po encia uni a ia de cada pila ambién es un ac o cla e en el desa ollo, pues pe mi e aumen a la capacidad y op imiza el núme o de celdas necesa ias, lo que supone un g an a ance compe i i o pa a las pilas de combus ible. Uno de los p incipales ac o es a ene en cuen a es la ole ancia a los con aminan es que p esen an las pilas de combus ible. Los ma e iales u ilizados como ca alizado es de las eacciones son especialmen e sensibles a compues os de clo o y azu e, po lo que se debe diseña un sis ema de limpieza que pe mi a alcanza las especi icaciones de la pila de combus ible. Ac ualmen e no ep esen an una opción iable pa a la gene ación eléc ica a escala indus ial, pe o se espe a que en los p óximos años su desa ollo haga iable la p oducción a g an escala. Países como Alemania o Co ea del Su ienen como obje i o p io i a io la u ilización de pilas de combus ible pa a gene a la ene gía su icien e pa a man ene edi icios públicos como hospi ales y cen os de adminis ación, en un in en o po aumen a el po cen aje de ene gías eno ables en su consumo ene gé ico o al. In oducción 19 Figu a 1-3. Funcionamien o de una pila de combus ible (Simbolo i, 2007) 1.4 Obje i os y alcance del p oyec o El es udio de es e p oyec o se cen a en el diseño de una plan a de gasi icación de esiduos sólidos u banos median e pilas de combus ible. Pa a ello, se han analizado cada una de las pa es del p oceso y se ha seleccionado el mé odo y el equipo más adecuado en cada momen o. En el capí ulo 1 se han in oducido las bases de la plan a. Se han analizado las ca ac e ís icas de los dis in os combus ibles que pueden se u ilizados, así como las al e na i as de con e sión e moquímica. Se han es ablecido y jus i icado las bases de diseño de la plan a, como son el combus ible seleccionado (RSU), la gasi icación, la limpieza necesa ia, y el equipo inal pa a la gene ación eléc ica (pilas de combus ible en es e caso). En el capí ulo 2 se plan ean las posibilidades écnicas pa a el p oceso de gasi icación y los dis in os diseños y con igu aciones de los equipos. Los con aminan es más impo an es del gas p oducido son las pa ículas, alqui anes, compues os alcalinos, ni ogenados, clo ados y sul u ados. Se de e minan los p oblemas que gene an y se las al e na i as de aba imien o. En el capí ulo 3 se analizan las clases de pilas de combus ible y las que más se adecúan a sis emas de gene ación eléc ica y de calo . En el capí ulo 4 se diseña la plan a y se jus i ica cada uno de los equipos que se incluyen, así como su disposición y colocación den o del sis ema. Se es ablece ambién la escala de la plan a, conside ando las pe spec i as de uso ac uales. Se incluye un sis ema de ap o echamien o de los esiduos que gene a una población In oducción 20 Una ez diseñada la plan a, se conside a que la eliminación de los compues os de azu e es un aspec o cen al, po lo que se ealiza un es udio de los so ben es con encionales pa a su depu ación, señalando las condiciones de ope ación más a o ables pa a cada uno de ellos. Es e aspec o se es udia en el capí ulo 5. Se decide di idi el aba imien o en dos e apas. La depu ación p ima ia se ealiza con dolomi a, como un p ime paso pa a aho a en so ben es más ca os, que se u iliza án en la segunda e apa pa a asegu a la eliminación o al del azu e. En la e apa secunda ia se es udian so ben es de óxidos de cinc y i anio, y se analiza si alcanzan la depu ación necesa ia pa a el uso del gas en las pilas de combus ible. Finalmen e, en el capí ulo 6 se enume an las conclusiones y se hace un esumen del p oyec o. 21 2 GASIFICACIÓN DE RESIDUOS Y LIMPIEZA DE CONTAMINANTES A con inuación se de alla el es udio de los aspec os p incipales de la gasi icación y del aba imien o de los con aminan es. 2.1 Ca ac e ís icas de los esiduos sólidos u banos Los RSU ienen una la ga ayec o ia como combus ibles, que se á analizada en el siguien e apa ado. Pa a su uso deben cumpli una se ie de c i e ios mínimos de calidad, basados en ca ac e ís icas económicas, écnicas y ambien ales. 2.1.1 His o ia y p oducción Según un in o me del Ins i u o Nacional de Es adís ica publicado en 2010, la p oducción de esiduos u banos en España se si uó en 26,3 millones de oneladas, de las cuales el 39% se ecicló, el 52% se des inó a e ede os y únicamen e el 9% se ap o echó pa a la p oducción de ene gía. Po enciando es a ía se puede educi conside ablemen e la ex ensión y los p oblemas que aca ean de los e ede os, eniendo en cuen a la cada ez más exigen e no ma i a al espec o. Siguiendo de la es a egia de gene ación ene gé ica a pa i de esiduos, la p oducción de RSU se ha des inado adicionalmen e a la coincine ación. La apa en e en abilidad de ob ene ene gía a la ez que se eliminaban los esiduos gene ados hizo que muchos municipios decidiesen in e i en incine ado as. Los p oblemas gene ados po es a p ác ica, ales como la emisión de gases con al o con enido en con aminan es y la necesidad de u iliza un combus ible adicional, han p opiciado la in es igación de nue as al e na i as, en e las que des acan la gasi icación y la pi ólisis. Exis en di e en es concep os que es con enien e acla a pa a de ini con exac i ud los esiduos sólidos u banos, den o de la es a egia de ob ene ene gía a pa i de esiduos, o E W (Ene gy om Was e). A pa i de MSW (Municipal Solid Was e) se puede ob ene WDF (Was e De i ed Fuel), que se puede de ini como “g upo he e ogéneo de esiduos no pelig osos que no dejan de se lo al se usados pa a gene a ene gía sin el g an impac o ambien al de su eliminación en e ede os” (Cozens e al., 2012). Se denomina RDF (Re use De i ed Fuel) a los esiduos sin especi icación ob enidos a pa i de MSW y Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 22 ma e iales indus iales que se some en a un p oceso básico pa a inc emen a su pode calo í ico. Finalmen e, se conside a SRF al combus ible de i ado de esiduos que cumple con unas es ic as especi icaciones. Es es a acción la que se puede conside a como RSU. Los RSU se some en a un p oceso de p epa ación an es de pode se u ilizados como combus ible. El esiduo es p e iamen e secado pa a educi los al os ni eles de humedad. Se incluyen ambién a ias e apas de sepa ación ( an o manual como magné ica), educción de amaño y compac ación an es de alcanza su es ado inal, no malmen e en o ma de pelle s, como se ap ecia en la igu a 2-1. Figu a 2-1. P oduc o inal de SRF en o ma de pelle s (Shah e al., 2013) 2.1.2 C i e ios de calidad Se denomina RSU al combus ible sólido ob enido a pa i de esiduos no pelig osos que cumple con las no mas eu opeas especi icadas po el Comi é Eu opeo de No malización (CEN). Los p incipales c i e ios que de e minan su calidad como combus ibles son el pode calo í ico, el ni el de humedad, el con enido en cenizas, los ni eles de con aminan es indeseables y las p opiedades isicoquímicas. Dichos c i e ios se pueden engloba en es g andes clases de ca ac e ís icas (Cozens e al., 2012). 2.1.2.1 Ca ac e ís icas económicas A ec an p incipalmen e al alo inancie o del combus ible. Condicionan la asa de salida al me cado ene gé ico y la posibilidad de eclama ing esos po sub enciones. Des acan los siguien es aspec os: - Con enido en biomasa: De inido como la acción biodeg adable de ca bono (exp esado como C-14) del o al de ca bono p esen e en el esiduo. Es un ac o cla e, pues o que la ene gía gene ada con esa acción es conside ada eno able, y po lo an o ma ca la cuan ía de la sub ención a ecibi . El con enido ípico en biomasa debe se supe io al 80% (Eu opean Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 23 Commission – Di ec o a e Gene al En i onmen , 2003). La abla 2-1 di ide los combus ibles en clases según el po cen aje. - Pode calo í ico in e io (PCI): Clasi icado según el alo ene gé ico del combus ible al ecibi lo, es deci , analizado en labo a o io sin su i ningún p oceso de ans o mación, pa a o ece un esul ado más ep esen a i o. La abla 2-1 mues a la clasi icación de las ca ac e ís icas económicas del combus ible, que es án elacionadas en e sí. La clase V no iene la calidad su icien e pa a asegu a la iabilidad de una plan a a pequeña escala. En caso de que se p e enda u iliza los RSU pa a la combus ión, se ecomienda PC > 6 MJ/kg, pa a asegu a la au osu iciencia de la combus ión, es deci , que no se necesi e un combus ible adicional. - Ni el de humedad: Fac o c í ico debido a su in luencia en el pode calo í ico. Un al o con enido en humedad implica mayo olumen de gas po cada unidad de ene gía, po lo que pa a una misma gene ación ene gé ica el amaño de los equipos de limpieza se á mayo , aumen ando los cos es. Además, educe la empe a u a del p oceso, pudiendo necesi a se un combus ible suplemen a io pa a asegu a la ope ación, esul ando en mayo es emisiones. Po o o lado, la p esencia de apo de agua in luye mucho en las p opiedades del gas de sín esis gene ado. La abla 2-1 mues a las dis in as clases de combus ibles según su ni el de humedad cuando se ecibe. La clase I (<10%) co esponde a pelle s, esiduos de políme os y esinas, o as de il ación, ca bón ac i o, e c. La clase V (<40%) iene un PCI ap oximado de 3 MJ/kg. Tabla 2-1. Ca ac e ís icas económicas (Cozens e al., 2012) Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 24 2.1.2.2 Ca ac e ís icas écnicas Las p opiedades isicoquímicas de los combus ibles a ec an a los pa áme os de ope ación del p oceso, condicionando su iabilidad écnica. Los p incipales ac o es écnicos son los siguien es: - Con enido en clo o: Puede p oduci co osión y acumulación de esco ia en los equipos, así como p opicia la o mación de compues os al amen e con aminan es como ácido clo híd ico, dioxinas y u anos. El clo o es á undamen almen e p esen e en esiduos o gánicos (que con engan clo u o de sodio, NaCl, y clo u o de po asio, KCl), bolsas de plás ico que han sido halogenadas, PVC p o enien e de ube ías, es os de papel o made a que hayan sido blanqueados, disol en es indus iales, e c. El lími e máximo de clo o es de 0,8% en peso (base seca), pues o que un con enido mayo hace p ác icamen e inasumible el cos e de limpieza. La abla 2-2 mues a la clasi icación según los po cen ajes. Un combus ible de la clase I o II es iable pa a plan as a pequeña escala. - Con enido en cenizas: Es la acción mine al ino gánica que queda como esiduo as el consumo del combus ible. Los elemen os mayo i a iamen e p esen es son silicio (Si), aluminio (Al), hie o (Fe), calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na), po asio (K), azu e (S) y ós o o (P), a iando su concen ación según la p ocedencia del combus ible. Un al o po cen aje de cenizas p ecisa de un e icaz sis ema de eliminación, además de educi conside ablemen e el PCI de los RSU. Además, la empe a u a del p oceso es á condicionada po la empe a u a de sin e ización de la ceniza, que puede eblandece se y adhe i se a las pa edes de los equipos, inhabili ándolos. Un combus ible de clase V (<50%) suele ene un PCI meno de 6,5 MJ/kg. - Densidad apa en e (ρB): De e minada po la écnica de o mación de RSU empleada, es la ca ac e ís ica ísica más impo an e. Un alo bajo de densidad (kg/m3) apa en e supone meno PC po unidad de olumen, además de una mayo di icul ad de con ol de p oceso (el con ol de la alimen ación debe se más p eciso). Implica ambién mayo es cos es de anspo e y un mayo espacio necesa io pa a su almacenamien o. El alo ípico de los esiduos es ap oximadamen e 100 kg/m3. Siguiendo la clasi icación de la abla 2-2, la clase I es ca ac e ís ica de bio uel sólido en o ma de lad illos o pelle s. Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 25 Tabla 2-2. Ca ac e ís icas écnicas (Cozens e al., 2012) 2.1.2.3 Ca ac e ís icas ambien ales Algunos elemen os p esen es en el combus ible pueden gene a con aminan es al amen e noci os as su i p ocesos é micos. Es necesa io ene en cuen a, además de la composición, el diseño y las condiciones de ope ación de los sis emas y equipos empleados pa a consegui una isión amplia de las consecuencias ambien ales del combus ible. - Con enido en me cu io (Hg): Elemen o óxico pa a el medio ambien e y la salud humana. Su p esencia se debe p incipalmen e a los lodos indus iales, las o as de il ación y a los esiduos elec ónicos, que en mayo o meno medida o man pa e de los esiduos que gene an el combus ible. Su pelig osidad se debe a su al a p esión de apo y su g an ola ilidad, po lo que escapa con los gases e luen es. En la abla 2-3 se mues a la clasi icación de los combus ibles según su concen ación. Las clases I y II son ap opiadas pa a el uso del combus ible a pequeña escala. Las clases IV y V no son enidas en cuen a po supe a el alo lími e pe mi ido. - Con enido en cadmio (Cd): Elemen o óxico que puede acumula se en la ag icul u a, po lo que supone un pelig o po encial pa a el se humano. Vola iliza p incipalmen e como pa e de compues os clo ados y óxidos. Es á p esen e en pin u as, disol en es indus iales, esiduos elec ónicos, ba e ías y me ales elec ochapados. - Con enido en o os me ales pesados: Se incluyen en es a clasi icación elemen os ales como plomo (Pb), c omo (C ), cobal o (Co), cob e (Cu), manganeso (Mn), níquel (Ni) y anadio (V). Es os componen es ola izan como compues os clo ados y óxidos, que pueden se aba idos en su mayo ía po los sis emas de con ol de polución del ai e. Los compues os no olá iles pe manecen en la ceniza. El máximo alo pe mi ido pa a el conjun o de me ales pesados es de 2.500 mg/kg. Un con enido mayo se conside a a como esiduo pelig oso con el código H14 po eco oxicidad (di ec i a 67/548/CE). Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 32 2.3 Con aminan es p incipales del gas de sín esis Los componen es del gas es án de e minados po la p ocedencia de o igen del combus ible u ilizado. En el caso de esiduos, el gas p esen a una se ie de con aminan es muy pe judiciales an o pa a el medio ambien e como pa a los equipos de gene ación de po encia pos e io es. De es e modo, se hace es ic amen e necesa io un sis ema de depu ación del gas. El ni el de limpieza necesa io queda de e minado po el uso inal del gas. Pa a el caso de las pilas de combus ible, la depu ación debe se muy exhaus i a, como se de alla á pos e io men e en el capí ulo 3. Los p incipales con aminan es de la co ien e de gas son pa ículas, a s, compues os alcalinos, ni ogenados, clo ados y sul u ados. Sus p incipales consecuencias y al e na i as de aba imien o se de allan a con inuación. 2.3.1 Pa ículas La p esencia de pa ículas en la co ien e de gas puede p o oca la obs ucción de los equipos, debido a su deposición con inua. En el gasi icado pueden obs ui las zonas de paso del gas y bloquea los cen os ac i os. La can idad de pa ículas y pol o p esen e iene de e minada p incipalmen e po el con enido en cenizas y el amaño del combus ible alimen ado, que p opicia que los inos escapen a as ados po la co ien e de gas. Los mé odos de eliminación de pa ículas son muy a iados. La elección del sis ema end á de e minada po la limpieza ob enida y el cos e del equipo. - Ciclones: Se consigue un endimien o ce cano al 90% pa a pa ículas de un amaño supe io a 5 µm. Sopo an empe a u as muy al as, de has a 900 ºC. - Fil os de mangas: Se elimina la p ác ica o alidad de las pa ículas de un amaño comp endido en e 0,1 y 100 µm. Al sopo a ambién al as empe a u as, su uso combinado con un ciclón puede se una con igu ación especialmen e indicada pa a es e es udio. - Fil os elec os á icos: P esen an un endimien o del 99% pa a amaños de pa ícula in e io es a 0,1%. Su al o p ecio acompañado de la complejidad de ope ación y el hecho que la empe a u a máxima pe mi ida son 500 ºC (el gas sale del gasi icado ap oximadamen e a 850 ºC, po lo que se ía necesa ia una e apa p e ia de en iamien o) hacen que no sea una opción a ene en cuen a. - Sc ubbe s: Con el la ado de los gases se consegui ían elimina las pa ículas de más de 1 µm, pe o la empe a u a no debe supe a los 100 ºC, pa a asegu a que el agua no e apo e, po lo que su uso ambién queda muy es ingido. Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 33 2.3.2 Alqui anes Se conside a alqui anes o a s a los hid oca bu os o mados du an e la gasi icación que con engan a ios á omos de ca bono y que condensen a empe a u as en e 200 y 600 ºC, es deci , bajo las condiciones de ope ación de los equipos co ien e abajo. La abla 2-6 mues a su clasi icación según las ases de o mación (Milne y E ans, 1998). Tabla 2-6. Fo mación de alqui anes Ca ego ía Tempe a u a de o mación Componen es p incipales P ima ios 400 – 600 ºC Oxigenados y é e es enólicos Secunda ios 600 – 800 ºC É e es he e ocíclicos y alqui enoles Te cia ios 800 – 1000 ºC A omá icos polinucleicos Los p ima ios son p oduc os de la pi olisis. Con o me aumen an de empe a u a se an ans o mado en secunda ios y e cia ios, a iando las p opo ciones según las condiciones del gasi icado . El con enido o al de alqui anes a la salida del gasi icado puede a ia en e 0,1 y 10%, po lo que su eliminación es un ac o c í ico, ya que cuando la empe a u a del gas baja a lo la go de la plan a se p oduce la condensación y pos e io deposición de ca bono en equipos como comp eso es, in e cambiado es de calo , il os ce ámicos, u binas de gas, mo o es, pilas de combus ible, e c. Desg aciadamen e, su eliminación educe mucho el pode calo í ico del gas, pues o que los a s pueden supone más del 10% del con enido ene gé ico. Los mé odos de eliminación de alqui anes se pueden di idi en p ima ios y secunda ios. Mé odos p ima ios: Son los que se aplican den o del gasi icado y a ec an a su diseño. - Aumen o del caudal de apo : Pa a gasi icado es con apo , aumen a el caudal educe los ni eles de alqui anes y coque. Es o conlle a mayo necesidad de ai e pa a man ene la empe a u a, po lo que el pode calo í ico del p oduc o se e se iamen e a ec ado, como se comen ó p e iamen e. - En ada de ai e secunda io: Supone un aumen o de la empe a u a, que a o ece la des ucción é mica. Sin emba go, como en el caso an e io , se educe el pode calo í ico del gas. - Uso de ca alizado es: El empleo de ma e iales del lecho como dolomi a, caliza u oli ino, que ac úen como ca alizado es, es una buena opción pa a educi los ni eles de alqui anes. Debe con ola se en onces los ni eles de azu e, coque y cenizas, pues ac úan como inhibido es. Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 34 Mé odos secunda ios: Se aplican as el paso po el gasi icado - Sc ubbe s: Su condensación as el paso de una co ien e de agua donde se disuel en es el mé odo más sencillo de eliminación. De es e modo se a as a ía ambién pa ículas, ácido clo híd ico, óxidos de azu e y me ales alcalinos. Sin emba go la co ien e de agua queda ía al amen e con aminada, po lo que se ía necesa io un cos oso p oceso de eliminación. - C aqueo é mico: A empe a u as supe io es a 1200 ºC los alqui anes se descomponen en gases más lige os. De es e modo, se consegui ía su eliminación sin pe de pode calo í ico, ya que segui ía el ca bono p esen e. Sin emba go, es a opción conlle a g andes incon enien es, pues o que las al as empe a u as pod ían p o ocan la sin e ización de la ceniza, además de g a es daños en el e ac a io y en los in e cambiado es de calo . Es e mé odo de eliminación de alqui anes aún no es á disponible come cialmen e po es os p ecisos mo i os. - OLGA: Se a a de un sis ema ideado po el ECN (Ene gy Resea ch Cen e o Ne he lands), donde se el gas ci cula po una o e de abso ción en con aco ien e con un sol en e especial. Después es a co ien e sa u ada es egene ada en un s ippe de ai e calien e o apo , po lo que los alqui anes se pueden econduci al gasi icado , aumen ando la e iciencia é mica del sis ema global. La p incipal en aja es que los elimina an es de la condensación del agua, de mane a que se e i a ene una co ien e muy con aminada. P ecisa de un gas lib e de pol o, que se eliminan p e iamen e en il os a al a empe a u a, y un en iado del gas. Es e sis ema esul a muy no edoso y su uso se á ampliamen e in es igado en los p óximos años. La ausencia de un p oceso e ec i o y ba a o pa a la eliminación de alqui anes es el p incipal impedimen o pa a el desa ollo come cial de la gasi icación y de los ciclos combinados. Debe se pa e cen al de u u as in es igaciones. 2.3.3 Compues os alcalinos Los me ales alcalinos como sodio y po asio p esen es en el combus ible pueden aca ea se ios p oblemas al sis ema, ya que son olá iles a al as empe a u as y se deposi an al en ia se el gas. En e es os p oblemas des acan la o mación de esco ia con la sin e ización, la posible deposición en las cenizas olan es del gasi icado p o ocando la de luidización del lecho o la eacción con los elec oli os de la pila de combus ible. La concen ación ípica del sodio en los gases p oceden es de esiduos es de 3000 a 5000 ppm, mien as que la de po asio es á no malmen e en e 2000 y 3000 ppm (Klein e al., 2003). Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 35 La mayo ía de es os compues os, jun o con o os me ales pesados como cadmio y plomo, ienen una empe a u a de condensación en e 500 y 650 ºC, a pa i de la cual comienzan a deposi a se sob e las pa ículas, pudiendo e ec ua se su eliminación conjun a. 2.3.4 Compues os ni ogenados Al ealiza se la combus ión pa cial del combus ible en p esencia de ai e, pa e del ni ógeno in oducido eacciona ambién. Debido a la a mós e a educ o a de la gasi icación, se p e iene la oxidación de elemen os como el azu e o el ni ógeno. Po lo an o el ni ógeno se encuen a p incipalmen e en o ma molecula (N2), amoníaco (NH3) y cianu o (HCN), siendo mínima la concen ación de NOx. Los p oblemas que gene a el amoníaco son p incipalmen e medioambien ales, pues o que su p esencia a o ece la gene ación de NOx en mo o es y u binas. Su eliminación se puede consegui median e we sc ubbe s (donde el gas se debe en ia p e iamen e has a los 50 ºC) o median e su paso a a és de un ca alizado . Un lecho me álico o de dolomi a puede consegui la eliminación de has a el 99% del amoníaco alimen ado (Klein, 2002) median e la eacción [2.1]. Cabe des aca la posibilidad de elimina simul áneamen e alqui anes y amoníaco a a és de un lecho de dolomi a. Es a con igu ación se á analizada más adelan e, jun o con las ca ac e ís icas y p opiedades de la dolomi a. [2.1] Las pilas de combus ible de al a empe a u a, g acias a su ánodo de níquel, ac úan como ca alizado as del amoníaco, e o mándolo. Po lo an o, el con enido en amoníaco no es un ac o c í ico pa a los gases cuando se des inan a una pila de combus ible, como se comen a á en el capí ulo 3. 2.3.5 Compues os clo ados El clo o p esen e en el combus ible puede pe manece e enido en las cenizas o ola iliza y lui con el gas en o ma de ácido clo híd ico, HCl. El po cen aje ola ilizado depende mucho de la a iación de la empe a u a en el gasi icado , como se de alla á en el apa ado 4.6. Los ácidos de halógenos como el ácido clo híd ico (HCl), el ácido luo híd ico (HF) o el ácido b ómico (HB ) son muy dañinos pa a el sis ema, pues p o ocan g a es p oblemas de co osión. Además, ac úan como eneno de los elec oli os de las pilas de combus ible, cuyo componen e p incipal es el níquel (pa a las pilas de combus ible de óxidos sólidos), po lo que su eliminación se an oja muy c í ica. La concen ación de HB suele a ia en e 30 y 200 ppm, mien as que el p incipal Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 36 con aminan e de es e ipo de compues os es el HCl, cuya concen ación inicial a ía en e 3.000 y 6.000 ppm en el gas b u o gene ado a pa i de los RSU (Klein e al., 2003). Los p incipales mé odos de eliminación son los siguien es: - D y-sc ubbe s: Basados en la adso ción química del clo o en so ben es como ca bona os de sodio y óxidos de calcio. Se puede consegui la eliminación de HCl has a concen aciones más bajas que 1 ppm de HCl, usando como adso ben e bica bona o de sodio (NaHCO3) o mine ales ac i os que lo con engan(como la ona), a empe a u as en e 400 y 500 ºC (Van Paasen e al., 2006). - Wa e sc ubbe s: El agua abso be bas an e bien el HCl. Algunos modelos ma emá icos asegu an que, al condensa se, el agua p oducida en la gasi icación puede abso be has a 500 ppm de HCl (Van Paasen e al., 2006). Sin emba go, la co ien e de agua de salida es á al amen e con aminada, po lo que su depu ación ele a ía demasiado los cos es. - Caus ic sc ubbe s: P ocedimien o e ec i o pa a la eliminación conjun a de compues os clo ados y sul u ados median e el uso de sosa o hid óxido de sodio (NaOH). Puede se ú il como paso p e io a una depu ación pos e io , pues o que la limpieza ob enida no es su icien e. 2.3.6 Compues os sul u ados El azu e, al igual que el clo o, es un elemen o enenoso pa a el níquel p esen e en los elec oli os de las pilas de combus ible ya que pasi a los cen os ac i os. Como sucede con el ni ógeno, la a mós e a educ o a de la gasi icación hace que el azu e es é p esen e en o ma de ácido sul híd ico (H2S) y sul u o de ca bonilo (COS) en ez de oxida se pa a da SOx. Es un con aminan e más pelig oso que el clo o, pues o que sus e ec os pueden se i e e sibles si la concen ación es demasiado al a. Exis en di e sos sis emas pa a la eliminación del azu e de las co ien es gaseosas: - Memb ana de sepa ación: Diseño basado en la di e encia de pe meabilidad de los componen es del gas. Se puede consegui educi la concen ación de H2S has a alo es in e io es a 1 ppm. Sus incon enien es p incipales es la poca iabilidad más allá de la p oducción a pequeña escala, además de que la empe a u a del gas debe es a en e 20 y 50 ºC. No es una opción especialmen e señalada pa a el diseño de la plan a. El azu e ob enido po es e mé odo se puede ans o ma en S elemen al median e el p oceso Claus. - Abso ción: Ya sea ísica o química, la abso ción p ome e concen aciones de salida de en e 1 y 2 ppm. Ambos p ocesos es án especialmen e indicados pa a depu a g andes olúmenes de gas, pe o se en muy a ec ados po la p esión pa cial de los gases ácidos. La abso ción ísica Gasi icación de esiduos y limpieza de con aminan es 37 (median e ec isol) es á a o ecido po al as p esiones pa ciales de H2S, mien as que la abso ción química en sol en es de aminas p ecisan de una p esión pa cial muy baja. La empe a u a en ambos casos debe se bas an e baja, menos de 100 ºC, po lo que su uso ambién es limi ado. El azu e ob enido ambién se puede ans o ma en S elemen al median e el p oceso Claus. - Lecho de so ben es basados en calcio: G an a iedad de es udios asegu an que mine ales como la dolomi a (CaCO3-MgCO3) y la caliza (CaCO3), gene almen e as un p oceso p e io de calcinación, eliminan el H2S a empe a u as en e 800 y 900 ºC con g an e icacia. El hecho de que la dolomi a pueda ac ua ambién como ca alizado de alqui anes y NH3 jun o con el bajo cos e del ma e ial indican que un lecho de dolomi a puede se implan ado en el sis ema de limpieza con unos esul ados muy sa is ac o ios. Dichos es udios se analiza án con pos e io idad pa a decidi la con igu ación del sis ema inal. - Lechos de óxidos me álicos: Exis e una g an a iedad de lechos de es e es ilo: MnO, CuO, ZnO, ZnFe2O4, ZnTiO3, Zn2TiO4, Fe2O3, e c. Pe mi en educi la concen ación de H2S has a alo es ce canos a 0,5 ppm, a empe a u as en e 400 y 500 ºC. Dado el al o cos e de es os ma e iales, se an oja i al la capacidad de egene ación del lecho. Me kel e al. (2003), en su es udio sob e el diseño de un sis ema de limpieza pa a desa olla un gas ul alimpio, asegu an que los pelle s de úl ima gene ación basados en óxidos de cinc y i anio ienen la capacidad de egene ación mayo , po lo que el es udio se cen a á en es e ipo de lecho. El componen e mayo i a io es H2S, pe o ambién exis e una acción de COS, que es a á p esen e según la siguien e eacción [2.2] En las condiciones de ope ación de la plan a, la acción de COS es signi ica i amen e in e io a la can idad de H2S, po lo que a e ec os p ác icos en es e es udio se conside a la eacción en equilib io. Los es ue zos pa a la eliminación de azu e se cen a án en el aba imien o de H2S, que end á asociada una acción de COS según la empe a u a y la acción de los o os compues os p esen es en la eacción [2.2]. Es e hecho se analiza á con más de alle en el capí ulo 4. 38 39 3 GENERACIÓN ELÉCTRICA CON PILAS DE COMBUSTIBLE Exis en g an a iedad de con igu aciones de las pilas, dependiendo del elec oli o usado, el combus ible que se debe usa y la ole ancia a los con aminan es, en e o os ac o es. A con inuación se analiza án y es a gama de diseños y se selecciona á la pila más adecuada pa a la plan a. 3.1 Tipos de pilas de combus ible Una de las p incipales di e encias en e las pilas de combus ibles adica en su empe a u a de ope ación, pudiéndose clasi ica en e pilas de baja empe a u a (50-200 ºC) y pilas de al a empe a u a (650-1.000 ºC). Los diseños que más des acan en e las pilas de baja empe a u a son las alcalinas (AFC son sus siglas en inglés), las de memb ana de in e cambio de p o ones (PEMFC), las de uso di ec o de me anol (DMFC) y las de ácido os ó ico (PAFC). En e las pilas de al a empe a u a des acan las de ca bona o undido (MCFC) y las de óxidos sólidos (SOFC). Su denominación iene ma cada según el ipo de elec oli o que u ilicen. La igu a 3-1 mues a el uncionamien o de cada pila. Los iones mó iles ci cula án del cá odo al ánodo o ice e sa según se ob engan del agen e oxidan e o del combus ible, espec i amen e. La abla 3-1 esume las ca ac e ís icas p incipales de las pilas de combus ible. La empe a u a de ope ación, ce cana a la empe a u a de la gasi icación, además de pode u iliza CO como combus ible, hacen de las pilas de al a empe a u a las p incipales candida as pa a su uso en el diseño de la plan a de gasi icación. El monóxido de ca bono ac úa como un eneno pa a los elec oli os de las PEMFC, AFC y PAFC, debido a la p esencia de me ales p eciosos como el pla ino, po lo que su uso pa a la gene ación de ene gía eléc ica como complemen o de la gasi icación es in iable, dados los al os ni eles de CO p esen es en el gas. Es a clase de pilas p esen an unos iempos de a anque ela i amen e bajos, debido a su baja empe a u a, po los que su uso es á especialmen e indicado pa a aplicaciones po á iles, es deci , en ehículos de pilas de combus ible. Las pilas de al a empe a u a como MCFC y SOFC no sólo no en a ec ado su endimien o po la p esencia de CO, sino que son capaces de e o ma lo y usa lo como combus ible. Es a clase de pilas es á especialmen e indicada pa a la gene ación de po encia a escala indus ial. Gene ación eléc ica con pilas de combus ible 40 Una ez que las pilas de combus ible de baja empe a u a han sido desca adas po su in ole ancia a componen es mayo i a ios del gas, se debe hace un minucioso es udio pa a escoge la con igu ación de la pila que más se adap e a las ca ac e ís icas de la plan a. Las en ajas que p esen an las pilas de combus ible de al a empe a u a son a iadas. Las eacciones elec oquímicas son más ápidas debido al aumen o de los coe icien es ciné icos, po lo que ya no son necesa ios elec oli os de me ales nobles como ca alizado es pa a acele a la eacción. Es o conlle a que el CO deja de se un componen e enenoso pa a la pila, pudiendo se e o mado, además de la educción de cos es. La al a empe a u a de ope ación pe mi e el e o mado del CH4 in e namen e en la pila, según la eacción [3.1], g acias al calo gene ado en la pila. Como incon enien e, el uso de combus ibles con base de ca bono conlle a el iesgo de la deposición de coque en la pila, según la eacción [3.2] (la in e sa de la eacción de Boudoua d). Es e ipo de pilas p esen an iempos de a anque ele ados, po lo que es án des inadas pa a su uso con ca ga cons an e. Al se las de mayo u ilidad en es e p oyec o, las pilas analizadas con mayo p o undidad se án las MCFC y las SOFC. [3.1] [3.2] Figu a 3-1. Funcionamien o de las pilas de combus ible (San Ma ín e al., 2009) Gene ación eléc ica con pilas de combus ible 41 Tabla 3-1. Ca ac e ís icas de las pilas de combus ible Tipo AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC Elec oli o Hid óxido de po asio Memb ana de políme o Memb ana de políme o Ácido os ó ico Ca bona os alcalinos Y ia- S abilized Zi conia Tempe a u a de ope ación 20-90 ºC 50-80 ºC 80-110 ºC 180-220 ºC 650-700 ºC 750-1.000 ºC Iones mó iles OH - H+ H+ H+ CO3-2 O-2 Es ado del elec oli o Solución acuosa Sólido Sólido Líquido inmo ilizado Líquido inmo ilizado Sólido Ca alizado del ánodo Me ales no p eciosos Pla ino Pla ino Pla ino Níquel Níquel Agen e oxidan e Oxígeno, ai e Oxígeno, ai e, agua Oxígeno, ai e, agua Oxígeno, ai e, agua Oxígeno, ai e, dióxido de ca bono Oxígeno, ai e Combus ible H2 H2 CH3OH H2, CO H2, CO, (pe mi e e o mado) H2, CO, (pe mi e e o mado) Venenos CO, CO2, H2S, COS, HCl CO, H2S, COS, HCl H2S, COS, HCl CO, H2S, COS, HCl H2S, COS, HCl H2S, COS, HCl E iciencia (% PCI) 60-70 40-50 20-30 40-50 50-60 50-60 Rango de po encia 1-10 kW 1 W - 100 kW 1-100 W 10 kW - 1 MW 1-10 MW 10 kW - 10 MW Aplicaciones Espaciales y mili a es T anspo e Equipos elec ónicos po á iles Residenciales y anspo e Gene ación de po encia Gene ación de po encia 48 49 4 DISEÑO DE LA PLANTA DE GASIFICACIÓN Una ez analizadas las posibilidades écnicas, se p ocede a diseña el p oceso más adecuado pa a una plan a de gasi icación de esiduos sólidos u banos des inada a la gene ación eléc ica median e pila de combus ible. 4.1 Jus i icación de las bases de diseño En es e apa ado se de e mina á y jus i ica á el amaño más adecuado pa a la plan a, el diseño del gasi icado seleccionado y el ipo de pila de combus ible escogido 4.1.1 Selección del amaño de la plan a Los esiduos son una uen e de ene gía descen alizada, es deci , epa ida po cada luga donde se asien e una población. Exis e la posibilidad de desa olla una plan a de gene ación eléc ica a g an escala, donde se eúnan los esiduos gene ados de dis in as poblaciones alejadas en e sí, pa a cen aliza el p oceso. De es e modo se pod ía concen a la p oducción y dis ibui pos e io men e la elec icidad p oducida en mayo es p opo ciones. Sin emba go, la logís ica complica ía g a emen e el p oceso, pues o que los cos es de anspo e aumen a ían conside ablemen e. La calidad del combus ible alcanza ía una magni ud c í ica, pues o que un con enido excesi o en humedad y cenizas supond ía que el pode calo í ico de cada unidad de esiduos anspo ada se e ía educido. Además, la he e ogeneidad de la alimen ación se ía o o aspec o a ene en cuen a, debido a las dis in as p ocedencias de los esiduos. Es udios pos e io es debe ían cen a se en la iabilidad de es e ipo de p oducción, eniendo en cuen a los ca gamen os de esiduos disponibles. En 2011 se puso en uncionamien o en Lah i, Finlandia, la mayo plan a de gene ación de po encia a pa i de esiduos del mundo. Se p oducen 50 MW de elec icidad a pa i de 250.000 /año de RSU. P ime o iene luga la gasi icación del combus ible en lechos luidos ci culan es, y as la limpieza del gas, se queman en calde as (la po encia é mica de es e pa e del p oceso es 160 MW, que se puede ecupe a pa cialmen e). La elec icidad se gene a median e u binas. La in e sión o al del p oyec o ue 160 millones de eu os, y ecibe impo an es sub enciones del Es ado inlandés. Ac ualmen e la Diseño de la plan a de gasi icación 50 ecnología de las pilas de combus ible no puede alcanza es os ni eles de p oducción, po lo que se desca a la gene ación de elec icidad a g an escala. Po odo es o, se ha conside ado que la p oducción a pequeña y mediana escala (en e 0,5 y 5 MWe) o ece las mejo es pe spec i as pa a el desa ollo de la gasi icación de los esiduos sólidos u banos. Se ha decidido que la p oducción obje i o de la plan a sea de 3 MWe. A lo la go de es e capí ulo se desa olla á el diseño de la plan a pa a alcanza esa po encia eléc ica. Du an e el es udio de es e abajo se ha in en ado inclui da os de combus ibles gene ados a pa i de esiduos en España, pa a pode analiza la iabilidad de uso y los cos es de anspo e gene ados, así como el luga idóneo pa a la cons ucción de la plan a. Desg aciadamen e, no se han encon ado especi icaciones conc e as de la p oducción en España. La mayo ía de las indus ias del sec o consumen el p opio combus ible que gene an, de modo que su en a no se e como un negocio de la emp esa. Es e hecho puede se debido a que el alo añadido del negocio es á en la gene ación eléc ica, y no en la p epa ación de combus ible a pa i de los esiduos. Los da os publicados es án e e idos al uso que se le da al combus ible (gene almen e la incine ación) y no especí icamen e al a amien o que eciben los esiduos pa a su p epa ación como combus ible. 4.1.2 Selección del diseño del gasi icado Pa a la selección del gasi icado se deben alo a aspec os como la po encia gene ada, el cos e del equipo y la acilidad de ope ación. Dado que la plan a de gene ación eléc ica que se p e ende diseña es de pequeña/mediana escala (0,5–5 MWe), y suponiendo que el endimien o de la pila de combus ible es é en o no al 50%, la capacidad del equipo debe se supe io a 10 MW , po lo que los lechos ijos quedan p ác icamen e desca ados. Los lechos luidos pueden alcanza la po encia é mica necesa ia, pe o aumen ando los cos es. En el caso de los lechos luidos ci culan es, el cos e de los equipos y de la ope ación hace que el uso de la gasi icación indi ec a a pequeña y mediana escala no sea en able, po lo que se desca a su u ilización. El diseño escogido inalmen e es un gasi icado de lecho luido bu bujean e, po la acilidad de ope ación que p esen a. La calidad del gas p oducido es bas an e buena, y con un cos e de equipo asumible. Pa a la selección del agen e gasi ican e se debe decidi en e la gasi icación con ai e o el uso simul áneo de una co ien e de apo con o a de ai e en iquecido. La gasi icación con apo (indi ec a) es demasiado ca a pa a la p oducción a mediana escala, y su uso se asocia a los lechos luidos ci culan es. La gasi icación con apo y ai e en iquecido puede se una opción iable que mejo e la calidad del gas de sín esis a un cos e ela i amen e bajo, po lo que se ha con emplado es a posibilidad. Di Ca lo e al. (2012) es udia on las en ajas de u iliza un lecho luidizado con ai e en iquecido y apo en la Diseño de la plan a de gasi icación 51 gasi icación de biomasa pa a gene ación de po encia median e la combinación de SOFC y una mic o u bina de gas. El es udio es á o ien ado a las condiciones de ope ación de los gene ado es de po encia, pe o se pueden saca conclusiones de la gasi icación. La alimen ación e a 0,35 kg/h, con una co ien e de 0,7 kg apo /kg biomasa y o a co ien e de ai e al 50% de pu eza de oxígeno, siendo el a io de en ada de 0,25 kg oxígeno/kg biomasa. La empe a u a del eac o e a 855 ºC. El modelo ma emá ico ue alidado con un p ocedimien o expe imen al, cuyos esul ados ue on analizados. La g an can idad de hid ógeno y monóxido de ca bono ob enidos además de la conside ablemen e meno dilución en ni ógeno augu an buenos esul ados en la pila de combus ible. Queda po alida su uncionamien o con combus ible gene ado a pa i de esiduos. A ena e al. (2013) ealiza on un es udio sob e gasi icación de SRF en lecho luido bu bujean e, cuyos da os se án comen ados más adelan e. Un es expe imen al ue lle ado a cabo con una mezcla de ai e y apo pa a la gasi icación el a io apo - esiduo ue ijado como 0,69 kg apo /kg esiduo. Los esul ados no ue on concluyen es pues o que la empe a u a del eac o bajó conside ablemen e debido al aumen o de las necesidades ene gé icas de las eacciones endo é micas de gasi icación. Es o supone el descenso de la con e sión del ca bono o el necesa io aumen o de la can idad de ai e alimen ada pa a ea i a la combus ión y man ene el p oceso, lo que conlle a un descenso del pode calo í ico del gas p oducido. De es e modo, no es á asegu ado el co ec o uncionamien o de la gasi icación de SRF con ai e en iquecido y apo , po lo que su análisis p o undo no se á lle ado a cabo en es e es udio. Po es e mo i o, se decide diseña la plan a con un gasi icado de lecho luido bu bujean e, u ilizando ai e como agen e gasi ican e. La gasi icación con ai e o ece las peo es p opiedades del gas, po es a an diluido po el ni ógeno p esen e, pe o las demás opciones no son iables a pequeña o mediana escala. El uso de es e ipo de gasi icado es debe asegu a la ope ación con RSU, pues o que la es abilidad del p oceso se e a ec ada po la he e ogeneidad de la alimen ación. A pa i de las 5000 ho as, el ensuciamien o y las di icul ades de ope ación c ecen exponencialmen e (Koch, 2007). 4.1.3 Selección de la pila de combus ible Pa a la gene ación de elec icidad se ha de e minado que las dos opciones que o ecen las mejo es pe spec i as de uso son las MCFC y las SOFC. Los aspec os que deben condiciona la elección deben se la ole ancia a los con aminan es, la po encia eléc ica que pueden desa olla y la acilidad de ope ación. Pa a ello, se ha analizado dis in os a ículos sob e aplicaciones p e ias de es e ipo de pilas. Como se señaló con an e io idad en el caso de las MCFC, se pod ía u iliza una co ien e de gases de salida de un gene ado de po encia pa a alimen a el cá odo de es e ipo de pila. La MCFC acoplada oma ía pa e de la ene gía ob enida del gene ado pa a a o ece las eacciones anódicas. Finalmen e, se o ma ía O2 y CO2, es ando es e úl imo lo su icien emen e concen ado pa a acili a su pos e io Diseño de la plan a de gasi icación 52 eliminación. La con igu ación del sis ema se mues a en la igu a 4-1. Su p incipal des en aja se ía el consumo de ene gía necesa io, educiendo así la e iciencia global de la plan a. Un diseño que pudiese in eg a una MCFC sin e educido su endimien o pod ía supone un g an a ance en la ecnología de cap u a de CO2. Figu a 4-1. Funcionamien o de la MCFC pa a la concen ación de CO2 (K. Sugiu a e al., 2003) Sugiu a e al. (2003) analiza on la posibilidad de acopla una MCFC a los sis emas gene ado es de po encia en Japón, undamen almen e calde as de combus ión y ciclos combinados, u ilizando el gas e luen e de de los equipos como alimen ación al cá odo. Pa e del gas combus ible se alimen a di ec amen e al ánodo, pa a a o ece la gene ación de ene gía. Las con igu aciones analizadas se mues an en la igu a 4-2. El es udio concluyó que las MCFC p ecisan de unas concen aciones de CO2 en el cá odo ela i amen e al as (supe io es al 10%) pa a su co ec o uncionamien o, pe o que mayo in luencia iene la p opo ción con el oxígeno, según el a io de p esiones pa ciales pO2/pCO2, cuyo alo óp imo es á en o no a 3. El ol aje que puede man ene la celda desciende cuando es e a io disminuye, po lo que la gene ación de po encia es meno . Pa a el gas p oducido median e la gasi icación, se debe ía alimen a una co ien e ex a de ai e pa a man ene la ope ación, debido a la ausencia de oxígeno en el gas. Pa a el caso es udiado de la cen al de gene ación é mica es necesa io añadi una co ien e de ai e que suponga el 20% de la co ien e de salida de la plan a, pa a que unidas puedan alcanza el alo del a io de p esiones pa ciales adecuado pa a el uncionamien o de la MCFC. Pa a el caso del ciclo combinado el a io inicial o ece unas buenas condiciones. Diseño de la plan a de gasi icación 53 Figu a 4-2. Con igu aciones con la inclusión de MCF (K. Sugiu a e al., Jou nal o Powe Sou ces 118, 2003) Es e es udio ue pione o en la in es igación de la aplicación de las MCFC como mé odo de cap u a de CO2. El obje i o e a comp oba si u iliza las MCFC pod ía se una al e na i a a ene en cuen a pa a alcanza los acue dos i mados en el P o ocolo de Kio o, po lo que sólo se cen a en asegu a la co ec a educción de los ni eles de CO2 emi idos a la a mós e a con los sis emas gene ado es de po encia, y el apo e ene gé ico que supond ía el uso de las MCFC. Sin emba go, no iene en cuen a la p esencia de o as con aminan es, po lo que su aplicación es muy limi ada. Además, no conside a las pilas de combus ible como elemen o cen al del sis ema de gene ación de ene gía, po lo que los esul ados a ojados sólo pueden se o ien a i os pa a el diseño de la plan a de es e es udio. Las MCFC p esen an meno ole ancia a los con aminan es que las SOFC, además de p esen a mayo di icul ad en la ope ación po que se deben man ene ni eles ap opiados de CO2 en la alimen ación del cá odo. Diseño de la plan a de gasi icación 54 Finalmen e, se ha escogido una SOFC pa a el diseño de la plan a, po los siguien es mo i os: - El amplio ango de empe a u a de ope ación (650-1000 ºC), que aumen a la lexibilidad del sis ema. - P esen an mayo ole ancia a los compues os clo ados y sul u ados. Es e es un ac o cla e a desa olla pa a la implan ación de ini i a de las pilas de combus ible en el me cado. - Las MCFC p ecisan de CO2 en la co ien e del cá odo, añadiendo complejidad al sis ema, como se analizó en el apa ado 3.2. 4.2 Diag ama del p oceso La con igu ación gene al de la plan a sigue el desa ollo de la igu a 4-3. A con inuación se de allan los pun os cla e de cada e apa:  Lecho luido bu bujean e (E-1): Se p oduce la gasi icación con ai e de los RSU en un lecho de oli ino. El gas p oducido sale del equipo ap oximadamen e a 850 ºC, con los componen es y ca ac e ís icas comen ados en los capí ulos 1 y 2.  Lecho de dolomi a (E-2): El gas ci cula a a és pa a educi los ni eles de azu e. Se a a de una depu ación p ima ia de es e con aminan e, debido al bajo cos e de la dolomi a compa ada con o as opciones. Se á necesa ia una e apa secunda ia de eliminación con un so ben e más p eciso pa a asegu a la limpieza necesa ia pa a la pila.  En iamien o (E-3): La empe a u a del gas se educe has a los 400 ºC as su paso po un in e cambiado de calo . A es a empe a u a los me ales condensan y se deposi an sob e la supe icie de las pa ículas, po lo que se p ocede a su eliminación a con inuación.  Ciclón (E-4): Se eliminan de la co ien e de gas las pa ículas de mayo amaño. Es e se ha is o inc emen ado po la deposición de los me ales comen ada an e io men e, po lo que la e icacia de la sepa ación es mayo .  Lecho de ona (E-5): Es e mine al es á o mado po bica bona o de sodio (NaHCO3), y se u iliza pa a educi los ni eles de HCl del gas. La empe a u a óp ima del p oceso es á en e 400 y 500 ºC, de ahí el en iamien o an e io .  OLGA (E-6): El sis ema ideado po el ECN se á u ilizado pa a la eliminación comple a de a s y inos. La empe a u a de salida de es a pa e del p oceso se á ap oximadamen e 80 ºC. Diseño de la plan a de gasi icación 55  Calen amien o (E-7): La empe a u a del gas debe aumen a has a los 400 ºC an es de la e apa secunda ia de eliminación de H2S, pa a a o ece la depu ación. Es necesa io que el gas llegue lo más limpio posible a es a e apa pa a que no se p oduzca la desac i ación del so ben e, debido a su al o p ecio. Po es e mo i o ienen luga e apas de en iamien o y calen amien o, pese a que aumen an las pé didas de ene gía.  Lecho de óxidos de cinc (E-8): El gas pasa a a és de un lecho de so ben es basados en óxidos de cinc pa a la depu ación inal de los compues os sul u ados, a una empe a u a ap oximada de 400 ºC.  Calen amien o (E-9): El gas ya lib e de con aminan es debe se p ecalen ado has a los 650 ºC ap oximadamen e, pa a asegu a la au osu iciencia del p oceso den o de la pila de combus ible  SOFC (E-10): Finalmen e se consigue la gene ación de ene gía median e el paso de la co ien e de gas po una pila de combus ible de óxidos sólidos, a una empe a u a ap oximada de 900 ºC. Figu a 4-3. Diag ama del p oceso E-1 E-2 E-4 E-8 3 2 4 5 67 8 9 10 11 12 1 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 E-3 18 E-5 E-6 E-7 E-9 E-10 13 Diseño de la plan a de gasi icación 56 Es a plan a de gene ación debe ene gía eléc ica puede se in eg ada en un sis ema comple o de ap o echamien o de esiduos, como se ap ecia en la igu a 4-4. Los esiduos se lle a ían a una plan a de sepa ación, de donde se ob end ía una co ien e des inada al compos aje (po su al o con enido en humedad) y se ecicla ían elemen os como plás icos, ca ones, papel, me ales, e c. La acción de esiduos no pelig osos ue a de especi icación se des ina ía a una sección donde se ap o echa ía como combus ible, ob eniendo los RSU que se des ina ían a la plan a diseñada. Únicamen e los esiduos de es a úl ima e apa se des ina ían a e ede os, disminuyendo la supe icie necesa ia de los mismos, educiendo eno memen e su impac o ambien al. Las cla es de un desa ollo sos enible es a ían en asegu a el ap o echamien o máximo de los ecu sos, y en e ellos se inclui ían los esiduos u banos. Figu a 4-4. Sis ema global pa a el ap o echamien o de esiduos (A ena e al., 2013) Los apa ados pos e io es se dedica án al análisis y jus i icación de las dis in as e apas de diseño Diseño de la plan a de gasi icación 57 4.3 Gasi icación del combus ible en lecho luido bu bujean e Una ez seleccionado el diseño del gasi icado que más se adap a a las ca ac e ís icas del combus ible, se ha analizado la bibliog a ía exis en e pa a encon a un es udio donde enga luga la gasi icación de esiduos sólidos u banos con un lecho luido bu bujean e. A ena e al. (2013) pusie on en ma cha un gasi icado con ai e a escala pilo o de es as ca ac e ís icas, que ha sido omado como e e encia en es e p oyec o. Dicho gasi icado se alimen a con un lujo de 70 kg/h de SRF pa a consegui una po encia de salida de 400 kW . En una e aluación ecnoeconómica pos e io (A ena e al., 2014) señalan que es un eac o ácilmen e escalable, sin e ec os des iado es, po lo que su uso es aplicable a es e es udio. El combus ible u ilizado, RSU, se p oduce come cialmen e en el cen o de I alia. El diáme o nominal de las pa ículas es de 5 mm, mien as que la longi ud es ap oximadamen e 30 mm. El amaño máximo de las pa ículas no debe supe a los 10-20 cm pa a asegu a el man enimien o del lecho luido, pe o no deben se demasiado pequeñas pues o que g an can idad de inos se e ían a as ados con el gas de sín esis. Las ca ac e ís icas p incipales y la composición del combus ible u ilizado se de allan en la abla 4-1. La a iación de los da os se debe a que los análisis se han ealizado a mues as omadas de di e en es s ocks de combus ible. Pese a odo, son muy p ecisos, aunque hayan sido omadas en di e en es á eas y momen os (pos e io men e se publicó un “co igendum” anunciando un e o en el cálculo del pode calo í ico in e io del combus ible, como se ecoge en la abla 4-2). Una ez que se ienen es os da os, se puede clasi ica el combus ible según lo comen ado en el apa ado 2.1. - Ca ac e ís icas económicas: Si bien el con enido en biomasa se desconoce, los o os ac o es si pueden analiza se. El pode calo í ico in e io del combus ible cuando se ecibe se conside a en e 16,6 y 21,3 MJ/kg (según da os del co igendum, median e co elaciones). Un análisis expe imen al a ojó un alo de 16,5 MJ/kg. Es o conlle a que el combus ible se ía de la clase II-III. El bajo con enido en humedad (3,7-9-1%) supone un excelen e da o, de clase I pa a es e caso. El análisis de es os aspec os lle a a la conclusión de que el combus ible p esen a buenas ca ac e ís icas económicas. - Ca ac e ís icas écnicas: Los bajos ni eles de clo o p esen es en el combus ible (0,1-0,2%) suponen que es é conside ado como clase I en dicha clasi icación. Es e hecho augu a una óp ima e apa de eliminación de HCl pos e io . Su con enido en cenizas, in e io al 20%, lo enma ca en la clase II. Todo es o, jun o con el p esumible buen alo de su densidad apa en e, hacen que el combus ible enga unas excelen es ca ac e ís icas écnicas. Diseño de la plan a de gasi icación 64 Abad Secades (2003) es udió los di e en es compo amien os de la dolomi a según el p ocedimien o seguido. Expe imen ó con la sul u ación de los calcinados de dolomi a y con la calcinación y sul u ación simul áneas de la dolomi a. De e minó que la p esión pa cial de CO2 en el gas in luye mucho en la ciné ica de la sul u ación di ec a. Conside ando la g an p esión pa cial del CO2 en el gas de es a plan a, la sul u ación di ec a de la dolomi a se e ía muy limi ada, po lo que se hace necesa ia la calcinación p e ia. Además, o o aspec o que lle a a decan a se po es a opción es la al a ca ga en me ales alcalinos (sodio y po asio p incipalmen e) que ae la dolomi a, que se ían libe ados al gas si se decidiese u iliza la sul u ación di ec a. Es e hecho se e i a ía calcinando la dolomi a p e iamen e du an e 20 minu os a 870 ºC (Keai ns e al., 1976), libe ando g an pa e de los alcalinos del mine al. Es os aspec os hacen que se decida u iliza dolomi a p e iamen e calcinada en el lecho. Adánez e al. (1998) analiza on los ac o es que in luían en la sul u ación de dolomi a pa cialmen e calcinada, conc e amen e la impo ancia de la empe a u a, el amaño de pa ícula y la composición del gas. Se ealiza on dis in os es a empe a u as que a iaban en e 600 y 850 ºC, de e minándose que siemp e se a o ecía la eacción con el aumen o de la empe a u a. Respec o al amaño de la pa ícula, se obse a on dos compo amien os dis in os según la empe a u a a la que u ie a luga . A empe a u as meno es de 650 ºC la sul u ación no depende del amaño de pa ícula, mien as que a empe a u as supe io es la elocidad de eacción aumen a con el descenso del amaño. Es o puede se debido a las di e en es esis encias en cada momen o. A empe a u as bajas no se obse a el e ec o de la di usión del gas a a és de los po os, siendo las esis encias con olan es la di usión a a és de la capa de CaS o la eacción química. A empe a u as al as la di usión a a és de los po os in luye en la esis encia global. Respec o a la composición del gas, se de e minó que no a ec a si se man iene cons an e la p opo ción de H2S a la en ada. El equilib io químico de la eacción [4.3] ambién se puede calcula pa a conoce cuál es la concen ación mínima de H2S posible. Conside ando que la concen ación en el gas debe se de pocos miles de ppm (10.000 ppm equi ale a 1%), la gene ación de H2O con la eacción [4.3] no a ia á en exceso el alo inicial, que se puede conside a de es e modo cons an e e igual a 7,37%. La p opo ción de CO2 en base húmeda es 13,01%. (4.5) (4.6) Diseño de la plan a de gasi icación 65 Como se ha es ablecido an e io men e, se ha conside ado que el H2S y el COS se encuen an en equilib io químico según la eacción [2.2], donde K es la cons an e de equilib io (Towle , 1993). Las acciones mola es de H2O y CO2 se conside an las mismas que a la salida del gas. (4.7) (4.8) De las ecuaciones (4.5), (4.6), (4.7) y (4.8) se ob iene que la concen ación en equilib io a 822 ºC (la empe a u a de salida del gas del gasi icado ) de H2S es 86,12 ppm, es ando en equilib io con 4,6 ppm de COS. De es e modo se pone de mani ies o la necesidad de una e apa secunda ia de depu ación de azu e, ya que ni en el mejo de los casos se alcanza ía la especi icación necesa ia. 4.4.1 Regene ación del so ben e En es a ope ación de limpieza se gene a CaS como esiduo sólido, que si deposi a en un e ede o se descompone en con ac o con la humedad del ai e, emi iendo H2S a la a mós e a y sul u os median e la in il ación en el e eno. Po an o, su ge la necesidad de un p oceso de es abilización de los esiduos. Uno de los mé odos más comunes es la oxidación con olada de CaS pa a p oduci CaSO4, un compues o más es able medioambien almen e, según la eacción [4.6]. Es e mé odo asegu a cie a inocuidad del esiduo, pe o no consigue su egene ación pa a el p oceso. [4.6] Nume osos mecanismos se han in en ado implan a pa a asegu a la egene ación del so ben e, sin emba go, exis en nume osas complejidades de ope ación y la e iciencia de la egene ación se e disminuida con cada ciclo. Keai ns e al. (1976) p opusie on un mecanismo basado en la eacción con CO2 y H2O a empe a u as en e 500 y 700 ºC y p esiones en e 1 y 3 MPa. La eacción [4.7] mues a el mecanismo conside ado. De es e modo se consigue una co ien e con una al a concen ación de H2S que pe mi e su pos e io con e sión en azu e elemen al median e p ocesos complemen a ios, como el p oceso Claus. [4.7] Diseño de la plan a de gasi icación 66 No exis e consenso espec o a es e mecanismo, cen ándose la dispa idad en la e iciencia de la egene ación. Nume osos es udios a i man que la capacidad de egene ación no se e me mada po el núme o de ciclos, mien as que o os es udios concluyen la e iciencia se e muy disminuida según las condiciones de p esión y empe a u a. En la ac ualidad, la egene ación de CaS o ece demasiadas incógni as como pa a pode se aplica con iabilidad. 4.5 Depu ación de pa ículas La p esencia de pa ículas en el gas se obse a en la abla 4-3, escapando 62,7 g pa ículas/kg RSU. Si conside amos que con el combus ible en aban 200 g/kg RSU (ap oximadamen e el 20% del combus ible e a cenizas), quie e deci que más del 30% de las cenizas luyen con el gas (en o os es las pa ículas en el gas suponen más del 50% de las que se alimen a on con el combus ible.) Además, as su paso po el lecho de dolomi a, el gas a as a á pa ículas de es e ma e ial, aumen ando su ca ga. Es o implica que es necesa ia una depu ación exhaus i a de las pa ículas en el gas pa a e i a que se deposi en en los equipos pos e io es. Un análisis de las cenizas en el gasi icado y as el paso del gas po un ciclón en los es #2 y #3 puede e se en la abla 4-4. El pa áme o EF es el ac o de en iquecimien o en la ceniza, de inido po la ecuación (4.9). Su alo an al o en elemen os como hie o, silicio, c omo y magnesio se debe a la p esencia de oli ina en el lecho. Un da o in e esan e es que p ác icamen e el 100% del cinc y del cob e, así como el 50% del plomo, escapan del gasi icado y son e enidos en el ciclón. Es e hecho se debe p incipalmen e a la baja empe a u a de ebullición (caso del cinc) y a los compues os o mados en a mós e a educ o a (hid óxidos y sul a os pa a el cob e y clo u os pa a el plomo). (4.9) Diseño de la plan a de gasi icación 67 Tabla 4-4. Composición de las pa ículas del lecho y del ciclón (A ena e al., 2013) 4.6 Aba imien o de HCl con adso ción en seco El clo o p esen e en el combus ible puede su i dis in as eacciones du an e la gasi icación. De la na u aleza de es as depende á la can idad p esen e en el gas. El clo o puede es a p esen e p incipalmen e en las cenizas del gasi icado , en las pa ículas e enidas en el ciclón o p esen e en el gas en o ma de HCl. La p esencia de clo o en las cenizas es un ac o muy impo an e, pues o que de e mina á la limpieza necesa ia pos e io . Quyn e al. (2001) es udia on la ola ilización del clo o y del sodio du an e la pi olisis y la gasi icación de ca bón, que con enía un po cen aje de clo o de 0,1%, como el combus ible u ilizado en es a plan a. El es udio puede se muy álido pa a es e abajo, ya que el clo o puede es a inicialmen e p esen e en o ma de clo u o de sodio, NaCl, debido al o igen o gánico de una acción de los esiduos. El es udio de e minó que clo o y sodio ola ilizan de o ma independien e, y no como moléculas de NaCl. La ola ilización del clo o es á al amen e condicionada po el pe il de empe a u as. La ola ilización del clo o aumen a conside able en el aumen o de la empe a u as de 200 a 500 ºC, si uándose en o no al 60% del clo o alimen ado. Es a pa i de es a empe a u a cuando la ola ilización a ía eno memen e según la e olución de la empe a u a con el iempo. Si se p oduce un calen amien o len o desde 500 has a 800 ºC, la can idad de clo o ola ilizado aumen a p opo cionalmen e has a un 80% ap oximadamen e. Sin emba go, si el aumen o de empe a u a iene luga muy ápidamen e, la can idad de clo o ola ilizado dec ece d ás icamen e, has a el 20% únicamen e. Es o es debido a la o mación de coque po la pi olisis, que se p oduce a empe a u as Diseño de la plan a de gasi icación 68 ce canas a los 600 ºC, y a la posible eacción de los compues os de clo o con los adicales lib es que se o man en el mismo, e i ando así su ola ilización. Si el calen amien o se ealiza de un modo len o, los adicales lib es del coque se ecombina ían de un modo dis in o, lo que hace que la can idad de clo o ola ilizado sea mayo . En el caso del calen amien o ápido, en el in e alo de 800 a 900 ºC la can idad de clo o libe ada aumen a has a el 50% del o al en el combus ible. Del mismo modo ocu e en el caso del calen amien o len o, y la can idad de clo o ola ilizado aumen a con la empe a u a. La u ilización de écnicas de gasi icación que minimicen el con enido en clo o del gas p oducido son aspec os cla e pa a el u u o desa ollo de la ecnología. La op imización del mé odo de gasi icación pa a minimiza la gene ación de HCl en el gas debe se complemen ada po una e apa especí ica de depu ación. La inyección de un so ben e en la co ien e de gas es el sis ema más a o able pa a su eliminación. Las en ajas que o ece son un bajo cos e capi al, acilidad de ope ación, y lexibilidad de condiciones de gas. Los so ben es más u ilizados son mine al de ona (Na2CO3·NaHCO3·2H2O) y bica bona o de sodio (NaHCO3). Cuando se inyec an en la co ien e de gas el bica bona o de sodio se calcina según la siguien e eacción. [4.8] Duo e al. (1996) es udia on el compo amien o de es e so ben e. De e mina on que, si bien el HCl eacciona únicamen e con Na2CO3, la ope ación con ona o ece mejo es condiciones debido a la mayo po osidad de es e mine al. La empe a u a óp ima de la ope ación es á en e 400 y 500 ºC, ya que a empe a u as supe io es se p oduce la sin e ización de Na2CO3, educiéndose d ás icamen e la po osidad de las pa ículas y el coe icien e de di usión. Po o o lado, añaden que es necesa io un es udio más p o undo de es a clase de so ben es. La ausencia de ciné icas de eacción ap opiadas ha hecho imposible la simulación del sis ema, po lo que no se han incluido en es e es udio. Es a clase de so ben es ienen la capacidad de elimina an o compues os halógenos como SOX, aunque es e úl imo no se encuen a p esen e en el gas de es e es udio. En la p ác ica, SO3 compi e con el me cu io pa a deposi a se en las cenizas olan es del gas, po lo que su eliminación acili a ambién la depu ación de me cu io (Kong e al., 2012). Diseño de la plan a de gasi icación 69 [4.9] [4.10] [4.11] [4.12] [4.13] Los sólidos que se o man con es as eacciones (Na2SO4, NaCl y NaF) deben se depu ados de la co ien e de gas median e il ación. La capacidad de depu ación de NaHCO3 es á ampliamen e p obada en gases e luen es de incine ado as de esiduos, como se puede e en la abla 4-5. Tabla 4-5. E icacia de NaHCO3 (Kong e al., 2012). Diseño de la plan a de gasi icación 70 4.7 Aba imien o de alqui anes median e abso ción/condensación La p esencia de alqui anes en el gas es de 5 g/Nm3 en el es #1, según la abla 4-3. Dado que es án mayo i a iamen e compues os po na aleno (su peso molecula 128 g/mol), se puede conside a que la concen ación es ap oximadamen e de 1.000 ppm, una can idad que pod ía se ácilmen e eliminada po el equipo OLGA. Es e alo es muy bajo en compa ación con los o os es , que alcanzan incluso las 13.500 ppm, como es el caso del es #4, po lo que pa ece que el es #1 no esul a iden i ica i o. Es espe able una concen ación de 50 g/Nm3, que supond ían unas 10.000 ppm, haciendo de la limpieza un ac o c í ico. OLGA consis e en un p oceso de la ado en a ias e apas. P ime o el gas debe es a lib e del g ueso de pa ículas y a una empe a u a en o no a 400 ºC, especi icaciones que se cumplen con la con igu ación de la plan a diseñada. El gas ci cula po una columna en con aco ien e con un sol en e especial que condensa los alqui anes pesados en las pa ículas, que luego son sepa ados y eci culados al gasi icado . En una segunda e apa en o a columna de abso ción se e ienen los alqui anes lige os, sa u ando la co ien e de sol en e. Es a co ien e es egene ada median e un s ipping de ai e o apo , que se econduce al gasi icado . La co ien e de gas ya lib e de pa ículas y alqui anes sale de la segunda e apa a 80 ºC ap oximadamen e. La igu a 4-5 mues a las e apas del p oceso OLGA. La en aja del p oceso es que sepa a los alqui anes an es de la condensación del agua, po lo que no se gene a una co ien e al amen e con aminada. En la abla 4-6 se compa a la capacidad de eliminación de alqui anes en e dis in os mé odos, siendo OLGA el que mejo es condiciones o ece. Coloca el sis ema OLGA en el diseño de la plan a jus o an es del lecho de ZnO implica que el gas debe p ecalen a se jus o después de habe se en iado, eniendo que calen a se nue amen e a la salida del lecho. Es o supone a p io i un apa en e gas o ene gé ico innecesa io, ya que se en ía una co ien e pa a luego ol e a calen a la. Un diseño al e na i o pod ía conside a se in i iendo el o den de los p ocesos. P ime o el gas pasa ía po el lecho de ZnO a 400-500 ºC (no se ía necesa ia ninguna modi icación de la empe a u a), y luego end ía luga el p oceso OLGA, depu ando el gas de alqui anes y las pa ículas que pod ía habe a as ado el gas del lecho an e io . Sin emba go, es a con igu ación p esen a el p oblema de que el gas a ca gado de alqui anes cuando en a en el lecho, po lo que se p o oca ía su deposición en las pa ículas de ZnO, muy sensibles a es e con aminan e, po lo que la depu ación de H2S se e ía me mada. De es e modo, se hace necesa ia la limpieza p e ia de alqui anes con el p oceso OLGA. El diseño de sis emas que pe mi en la depu ación del gas a al a empe a u a debe se cen o de la in es igación u u a pa a asegu a el desa ollo de la gasi icación de RSU. Diseño de la plan a de gasi icación 71 Figu a 4-5. OLGA (Zwa e al., 2008) Tabla 4-6. Compa a i a educción de a s (Zwa e al., 2008) Diseño de la plan a de gasi icación 72 4.8 Aba imien o secunda io de H2S con lecho de óxidos de cinc Pa a la eliminación comple a de H2S es necesa ia una segunda e apa de depu ación, donde se puedan alcanza las especi icaciones de la pila de combus ible. Se ha escogido es a con igu ación di idida en dos e apas pa a educi los cos es de so ben e. El cos e de la dolomi a es ela i amen e bajo compa ado con o as posibilidades, po lo que su uso es muy aconsejable como p ime a e apa, donde se ha educido el con enido de H2S has a 100 ppm. Es a concen ación oda ía no es ap opiada pa a la u ilización del gas en la SOFC, po lo que se p ecisa de una segunda e apa. Los mé odos disponibles ac ualmen e pa a educi los ni eles de H2S has a menos de 1 ppm son lechos de ca bón ac i o, abso ben es de amices molecula es y pelle s de óxido de cinc (ZnO). Los p oblemas asociados al uso de ca bón ac i o y amices molecula es son p incipalmen e su baja ac i idad, la necesidad de ope a a empe a u a ambien e y especialmen e la can idad de so ben e de desecho (Me kel e al., 2003). El gas o asociado a la eliminación de desechos as usa ZnO no egene able hacen que su u ilización no sea iable pa a la limpieza de un gas de sín esis. Sin emba go, se han p oducido a ances en la come cialización de abso ben es egene ables basados en óxidos de cinc que asegu en la iabilidad de la limpieza. Wes mo eland e al. (1976) ealiza on p uebas en e 28 óxidos de me ales pa a conoce la capacidad de eliminación de H2S que enían. Según es e es udio, ZnO es aba en e las mejo es opciones debido a su g an cons an e de equilib io. Las p incipales ca ac e ís icas que hacen escoge ZnO como so ben e son su al a ac i idad, su g an cons an e de equilib io y la posibilidad de egene a el ZnS p oducido (Rao e al., 1981). La eacción de ZnO con H2S se mues a en la eacción [4.14]. El equilib io de la misma es á muy desplazado a la de echa. El alo de la cons an e de equilib io K es ap oximadamen e 6·10-6 a 300 ºC (Kolb, 2008). La igu a 4-6 mues a las cu as de equilib io de H2S con la concen ación de H2O en unción de la empe a u a (Liu e al., 2010). De es e modo se asegu a que eó icamen e es posible educi los ni eles de H2S a alo es in e io es a 0,5 ppm, conside ando que el po cen aje de H2O es ap oximadamen e de 7,5%. La empe a u a pa ece que a ec a nega i amen e a la educción de H2S en el gas. Es e ex emo se e alua á en las simulaciones du an e el capí ulo 5. [4.14] (4.10) Diseño de la plan a de gasi icación 73 Figu a 4-6. Equilib io H2S – H2O en p esencia de ZnO (Liu e al., 2010) Ranade e al. (1980) es udia on los cambios es uc u ales que enían luga en el ZnO a al as empe a u as. Descub ie on p ocesos de sin e ización, que hacían que el amaño de las pa ículas se eduje a adialmen e, disminuye así la supe icie especí ica de la pa ícula. Pa a soluciona lo se p opuso la u ilización de un sopo e que man u ie a las condiciones de ZnO a al a empe a u a. A im ay e al. in en a on ap o echa la es abilidad é mica de la zeoli a pa a combina la con ZnO, con esul ados nega i os. La po osidad del so ben e ob enido no e a su icien e pa a el obje i o que se enía de eliminación de H2S. Sin emba go, concluyen que la posibilidad de u iliza sopo es é micamen e es ables pa a los óxidos me álicos debe se enida en cuen a pa a u u as in es igaciones. Lew e al. (1992) de e mina on que uno de los mayo es p oblemas que p esen a el ZnO es la pé dida de so ben e a al as empe a u as. Es o se debe a la a mós e a educ o a, po lo que el óxido de cinc, ZnO, se educe pa cialmen e a cinc elemen al, Zn. A empe a u as supe io es a 600 ºC la pé dida de so ben e debido a la ola ilización del Zn es demasiado g ande como pa a man ene la ope ación. Pa a subsana es e p oblema adicionalmen e se ha in en ado mezcla dis in os óxidos me álicos pa a mejo a las p opiedades. G indley e al. (1983) combina on ZnO con Fe2O3 o mando ZnFe2O4. El nue o so ben e o ecía buenas ca ac e ís icas pa a la eliminación de H2S, pe o p esen aba un p oblema simila al an e io . Es e so ben e se descompone de nue o en la a mós e a educ o a, de modo que se sigue pe diendo Zn en g andes can idades. Hi schwald e al. (1972) es udia on la posibilidad de disminui la educción de ZnO añadiendo pequeñas can idades de o os compues os. Descub ie on que añadiendo Li2O, Al2O3 o Ga2O3 en p opo ciones de 1% mola se conseguía inhibi la educción. Es e hecho lo a ibuye on a un cambio en la es uc u a elec ónica de ZnO. Lew e al. (1989) descub ie on que el óxido de cinc asociado con óxido de i anio se educe mucho más len amen e que el óxido de cinc pu o, a una elocidad has a cinco eces meno . En un es udio 80 81 5 ABATIMIENTO DE H2S CON SORBENTES CONVENCIONALES En es e capí ulo se desa olla el análisis de las e apas de depu ación de H2S. Se p e ende así de e mina si los so ben es con encionales pueden alcanza las especi icaciones necesa ias pa a el uso en pilas de combus ible del gas p oceden e de esiduos sólidos u banos. Los es udios p e ios se han ealizado en labo a o io median e lechos ijos, po lo que se an a in en a aplica pa a el uncionamien o de un lecho mó il a escala indus ial. Se puede dis ingui en e lujo con aco ien e y en pa alelo. En el modelo de lujo con aco ien e, el gas se in oduce po la pa e in e io del equipo, y asciende en sen ido de la meno pé dida de ca ga; po su pa e, el sólido se in oduce po la pa e supe io y desciende po g a edad. En el modelo de lujo pa alelo, an o el gas como el sólido son in oducidos po la pa e supe io del equipo. Compa ando las dos con igu aciones, el lujo con aco ien e es p e e ible pues o que la ans e encia de ma e ia es mayo . Figu a 5-1. Con igu aciones del lecho En ada Sólido En ada Gas Salida Sólido Salida Gas Salida Sólido Con igu ación Equico ien e En ada Sólido Salida Gas En ada Gas Con igu ación Con aco ien e Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 82 5.1 Dolomi a Desa ollo del modelo Pa a simula el lecho mó il, la ciné ica que se ha escogido ha sido la apo ada po Abbasian e al. (1989). Es e es udio con i ma que el o den de eacción es 1. Pa a el cálculo de la di usi idad e ec i a u iliza una co elación apo ada po Fulle e al. (1966). Las ecuaciones (5.1) y (5.2) son los cálculos de los pa áme os. La composición de la dolomi a u ilizada en es a simulación se puede obse a en la abla 5-1. El po cen aje en peso del calcio es del 28,5%, de modo que conociendo que la densidad de la dolomi a es 2.950 kg/m3, se calcula que la concen ación de CaO en el so ben e es de 21,02 kmol/m3. La po osidad del lecho se conside a como 0,4 (Ádanez e al., 1998). (5.1) (5.2) Donde: De = Di usi idad e ec i a de H2S en la pa ícula, cm2/s T = Tempe a u a, K p = P esión, a m kS = Cons an e ciné ica, cm/s kS0 = Fac o de ecuencia, 66,44 cm/s EA = Ene gía de ac i ación, 32.240 J/mol R =Cons an e uni e sal de los gases, 8,314 J/mol Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 83 Tabla 5-1. Composición en peso de la dolomi a Análisis de la composición % en peso Calcio 28,5 Magnesio 4,79 Silicio 3,11 Po asio 0,46 Hie o 0,34 Es oncio 0,10 Dióxido de ca bono 40,84 Di e sos es udios (Adánez e al.,1998; Abad Secades, 2003; Hu e al., 2006) asegu an que el modelo de núcleo sin eacciona se asemeja a las ca ac e ís icas de la pa ícula, pudiéndose u iliza ambién el modelo de amaño de pa ícula cambian e. Es a simulación se ha ealizado con el modelo de núcleo sin eacciona , MNSR, en lecho mó il. El modelo, aplicado a un lecho mó il, se obse a en las ecuaciones (5.3), (5.4) y (5.5). (5.3) (5.4) (5.5) Donde: A = H2S B = CaO XB = Con e sión de CaO z = Longi ud del lecho, m uS = Velocidad del sólido, m/s b = Coe icien e es equiomé ico de la eacción, igual a 1 Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 84 R = Radio de la pa ícula, m CB0 = Concen ación de B inicial en el sólido, 21,02 kmol/m3 CA = Concen ación de A en el seno del luido, kmol/m3 kG = Coe icien e de ans e encia ex e na de ma e ia, cm/s = Caudal másico de sólidos, kg/s AT = Á ea ans e sal del lecho, m2 ε = Po osidad del lecho, 0,4 ρS = Densidad del sólido, 2.950 kg/m3 Pa a la aplicación del modelo se han ealizado las siguien es conside aciones: - Pa a calcula el núme o de lechos necesa io pa a que los equipos engan unas dimensiones cohe en es, se oma como e e encia que la elocidad del gas pa a un lecho mó il debe se ap oximadamen e de 1 m/s. Si se diseña un lecho de 1m2 de á ea, el caudal de gas que ci cula po el lecho a esa elocidad se puede es ima como 3.600 m3/h, según la ecuación (5.6). De es e modo, se necesi a ían 4,5 equipos. Se decide di idi la co ien e de gas en cua o lechos de 1 m2 de á ea ans e sal cada uno, po lo que el caudal de gas en cada lecho es 4.091 m3/h, a una elocidad de 1,14 m/s. (5.6) Donde: QGAS = Caudal olumé ico del gas, m3/s uGAS = Velocidad del gas, m/s - Si la elocidad del gas es supe io a 7,9 cm/s, la esis encia a la ans e encia ex e na de ma e ia es desp eciable (Abad Secades, 2003). Como en el caso de es e lecho se supe a esa elocidad, se ha á uso de es a simpli icación. - Debido a la poca concen ación de H2S en el gas, y a la gene ación de agua con la eacción, se conside a la elocidad del gas cons an e. - No se conside a la a iación de masa del sólido cuando eacciona pa a ob ene CaS, así como se conside a el adio de pa ícula cons an e. Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 85 - La empe a u a y la p esión se conside an cons an es en el lecho. - El cálculo de la e olución de CA se á dis in o según el lujo sea en con aco ien e o en pa alelo, con las ecuaciones (5.7) ó (5.8), espec i amen e, as ealiza un balance mola en el lecho, con las conside aciones p e ias. (5.7) (5.8) Donde: CA0 =Concen ación inicial de H2S, kmol/m3 FB0 = Flujo mola inicial de CaO, kmol/s xB = Con e sión inal de CaO en la con igu ación con aco ien e Du an e la simulación el modelo u ilizado en el p og ama EES no dio esul ados en la con igu ación en con aco ien e. Es os p oblemas se deben a que es un p oblema de con o no y se desconoce la con e sión inal del equipo. De es e modo, el sis ema de ecuaciones plan eado pa a la con igu ación en con aco ien e no ha podido se analizado. Po lo an o, el análisis que se mues a a con inuación co esponde a la con igu ación en pa alelo Dicho sis ema de ecuaciones es á e e enciado a la con e sión del sólido, xB. Debido a las bajas concen aciones de H2S, su concen ación sigue disminuyendo, has a sob epasa la ba e a del equilib io pese a que la con e sión de CaO se man iene p ác icamen e es able. Según una se ie de p uebas ealizadas, se comp ueba que cuando la con e sión de CaO comienza a es abiliza se, la concen ación de H2S es á p óxima al equilib io. De es e modo, se conside a á esa longi ud como lími e máximo del lecho, pues o que a pa i del cual los da os no son iables pues o que sob epasan el equilib io químico. Como la p opo ción en e el sólido y el H2S es muy g ande, pequeñas a iaciones en la con e sión de sólido hacen que las ppm del gas desciendan mucho. El modelo o ece dudas con o ma aumen a la longi ud del lecho, pues o que no iene en cuen a la e iciencia del con ac o en e las pa ículas de sólido y las cada ez más diluidas moléculas de H2S. Pa a es e es udio se p e ende ealiza un análisis donde se ponga de mani ies o la in luencia de la concen ación inicial del con aminan e gaseoso, del amaño de pa ícula y de la can idad de sólido alimen ado. Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 86 In luencia de la concen ación inicial Se ha simulado el lecho de dolomi a con un caudal de sólidos de 15 kg/h, de 0,005 m de adio de pa ícula, a iando la concen ación inicial de H2S. Los esul ados se ep esen an en las igu as 5-2 y 5-3. Si enemos en cuen a la p emisa de la es abilidad de la con e sión, es a se alcanza á a una al u a de lecho dis in a según la concen ación inicial de sólido. Po ejemplo, con 2.500 ppm se alcanza una con e sión es able ap oximadamen e a 1,2 m de lecho, mien as que pa a 1.000 ppm sucede a 0,5 m. Pa a 2.500 ppm la con e sión es de 0,96 y la concen ación inal es 240 ppm ap oximadamen e, mien as que con 1000 ppm se ob iene 0,39 de con e sión y 86 ppm inales de H2S. De es e modo se pone de mani ies o que es necesa io una elación de con e sión-concen ación que sea óp ima, dependiendo p incipalmen e de la concen ación inicial de con aminan e y del caudal de en ada de sólido. Pos e io men e se op imiza á según la concen ación inicial. Figu a 5-2. Con e sión de CaO ( =15 kg/h; R=0,005 m) 0 0,5 1 1,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Al u a de lecho (m) Con e síon de CaO 2500 ppm2500 ppm 2000 ppm2000 ppm 1500 ppm1500 ppm 1000 ppm1000 ppm Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 87 Figu a 5-3. Concen ación de H2S ( =15 kg/h; R=0,005 m) In luencia del amaño de pa ícula En las igu as 5-4 y 5-5 se puede obse a la e olución de la con e sión de sólido y de la concen ación de H2S según el amaño de pa ícula. La con e sión inal es la misma pa a los dis in os adios, pe o la al u a de lecho a la que se alcanza es dis in a, po lo que se conside a que la es abilidad se alcanza an es si el adio de la pa ícula es meno , a o eciendo la eliminación del componen e. Po lo an o se con i man las conclusiones de abajos an e io es. Cuando el adio de la pa ícula es muy pequeño, del o den de mic as, la concen ación de H2S alcanza alo es que sob epasan el lími e del equilib io, po lo que no son enidos en cuen a. De es e modo, se pone en duda la iabilidad de los pa áme os ciné icos y de di usión escogidos cuando el amaño de la pa ícula disminuye. Los da os de longi ud de lecho no se conside an ep esen a i os, ya que los alo es no son iables. Se u ilizan como medida de e e encia pa a compa a la e ec i idad de la ans e encia. La a iación del sis ema con la empe a u a no se ha enido en cuen a, pues es a se conside a ija e igual a la de la salida del gasi icado (822 ºC), no pudiendo a ia se en el lecho. Se p esupone que un aumen o de la empe a u a a o ece la ciné ica de la eacción, educiendo así la concen ación inal. 0 0,5 1 1,5 0 1000 2000 3000 Al u a de lecho (m) CH2S (ppm) 2500 ppm2500 ppm 2000 ppm2000 ppm 1500 ppm1500 ppm 1000 ppm1000 ppm Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 88 Figu a 5-4. Con e sión de CaO ( =15 kg/h; CA=2000 ppm) Figu a 5-5. Concen ación de H2S ( =15 kg/h; CA=2000 ppm) 0 0,5 1 1,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Al u a de lecho (m) Con e sión de CaO 0,005 m0,005 m 0,004 m0,004 m 0,003 m0,003 m 0,002 m0,002 m 0 0,5 1 1,5 0 500 1000 1500 2000 2500 Al u a de lecho (m) CH2S (ppm) 0,005 m0,005 m 0,004 m0,004 m 0,003 m0,003 m 0,002 m0,002 m Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 89 In luencia del caudal de sólido Las siguien es simulaciones end án como obje i o de e mina el caudal de sólido óp imo según la concen ación de en ada de H2S. El adio de pa ícula conside ado es 0,04 m. Como se ha comen ado an e io men e, se decide escoge la máxima con e sión de sólido pa a una concen ación inal mínima y iable. Se ealiza la p ime a p ueba conside ando 2.000 ppm de con aminan e a la en ada. En las igu as 5-6 y 5-7 se mues a la e olución de es os pa áme os a iando el caudal de sólidos de 12,5 a 20 kg/h. La op imización lle a a elegi un caudal de 15 kg/h. Con es e alo del caudal, y pa a una longi ud de lecho de 0,8 m, se ob iene una con e sión de sólido de 0,81 y 100,8 ppm a la salida. La al u a del lecho depende á mucho del amaño de la pa ícula, siendo es e meno con o ma más pequeña sea la pa ícula, con una con e sión ija de 0,8. Es e alo supone un consumo o al de 60 kg/h de dolomi a. Si po cada lecho ci culan 4091 m3/h, el pa áme o /QGAS es de 3,67·10-3 kg/m3, ó 1,47·10-2 kg/Nm3 de gas. Si conside amos sólo el caudal de H2S (2000 ppm equi alen a 0,2%), el pa áme o /QH2S es de 1,8 kg/m3 ó 7,35 kg/Nm3. Se espe a que en con aco ien e es e alo sea meno . Si se calculan las p opo ciones mola es, la elación Ca/S es 1,17:1. Es e alo es muy p óximo al apo ado en el capí ulo 4, de 1,2:1 ( omado de un es udio dis in o a los da os ciné icos u ilizados). Figu a 5-6. Con e sión de CaO (CA=2.000 ppm; R=0,004 m) 0 0,5 1 1,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Al u a de lecho (m) Con e sión de CaO 12,5 kg/h12,5 kg/h 15 kg/h15 kg/h 17,5 kg/h17,5 kg/h 20 kg/h20 kg/h Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 96 In luencia de la empe a u a La p ime a p ueba se hace con 100 ppm de en ada de H2S a 400 ºC, a iando el caudal de sólidos de en ada desde 0,5 a 2 kg/h pa a de e mina cuál es la can idad necesa ia. Las igu as 5-12 y 5-13 mues an la e olución de la con e sión de sólido y de la concen ación de H2S a lo la go del lecho. Pa a un caudal de 1 kg/h, la con e sión comienza a es abiliza se en o no a 0,8 m de lecho. En ese pun o, la con e sión es de 0,49 y la concen ación de salida es 1,4 ppm. Con ese caudal de sólido no se consegui ía a p io i la especi icación necesa ia pa a la pila (conside ando lujo equico ien e), po lo que es necesa io aumen a la can idad de sólido de en ada. En el caso de 2 kg/h de alimen ación de sólido, a 0,4 m de lecho se es abiliza la con e sión a ap oximadamen e 0,24 con una concen ación de 0,99 ppm a la salida. Compa ando los dos casos se comp ueba que un aumen o del caudal de so ben e implica una meno longi ud de lecho, con una con e sión bas an e meno y una concen ación a la salida ela i amen e in e io . A p io i, so p ende el hecho de que se consiga mejo a depu ación del con aminan e con meno con e sión de sólido. Teó icamen e, si se consigue educi la concen ación de H2S es po que una mayo can idad de sólido ha eaccionado, es deci , se aumen a la con e sión. Si el alo lími e del equilib io de H2S es á p óximo a alcanza se, signi ica que un aumen o de la can idad de sólido no consegui á que eaccione más can idad de es e, de modo que la con e sión disminuye (de inida como la acción de sólido que eacciona espec o de la can idad o al alimen ada. Po es a azón so p ende que se consiga una educción en la concen ación inal de sólido. Es e hecho puede se debido a que la elocidad y el lujo mola de sólido aumen an. Según el modelo empleado, un aumen o en el lujo mola educe la concen ación inal de H2S, mien as que el aumen o de la elocidad educe la a iación de la con e sión con la longi ud del lecho. Po lo an o, un aumen o del caudal de sólido acili a la depu ación de H2S, pe o conlle a la educción de la con e sión. Puede da se el caso de ealiza a ios ciclos de depu ación, donde la co ien e de sólido ci cule a ias eces po el lecho pa a aumen a la con e sión y así su ap o echamien o, además de educi la concen ación de H2S en el gas. Después de es a se ie de ciclos, el so ben e con una al a con e sión se ía egene ado en un eac o apa e. Es a con igu ación debe se analizada más p o undamen e en un lecho mó il a escala pilo o, pa a de e mina si las conclusiones sacadas a pa i de es e es udio son co ec as, y en ese caso, de e mina el núme o de ciclos óp imos pa a ap o echa el so ben e adecuadamen e. Simulaciones pos e io es con i ma on es a endencia: aumen a el caudal de sólido educe la con e sión del mismo y la concen ación de con aminan e a la salida. Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 97 Figu a 5-12. Con e sión de ZnO (CA=100 ppm; T=400 ºC) Figu a 5-13. Concen ación de H2S (CA=100 ppm; T=400 ºC) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Al u a de lecho (m) Con e sión de ZnO 0,5 kg/h0,5 kg/h 1 kg/h1 kg/h 1,5 kg/h1,5 kg/h 2 kg/h2 kg/h 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 20 40 60 80 100 Al u a de lecho (m) CH2S (ppm) 0,5 kg/h0,5 kg/h 1 kg/h1 kg/h 1,5 kg/h1,5 kg/h 2 kg/h2 kg/h Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 98 La siguien e p ueba se ealizó a 500 ºC, a iando igualmen e el caudal de sólidos desde 0,5 a 2 kg/h. Los esul ados se pueden e en las igu as 5-14 y 5-15. Pa a una alimen ación de 1 kg/h, la con e sión alcanza un alo es able de 0,49 y una concen ación de salida de 0,64 ppm. Compa ando con la p ueba a 400 ºC, la longi ud del lecho es meno pa a la misma con e sión, consiguiéndose una mayo depu ación del con aminan e. Es o se debe al aumen o de la empe a u a los coe icien es DE y kS aumen an, po lo que la eacción química se e a o ecida. Con un caudal de sólidos de 2 kg/h se alcanza una con e sión de 0,25 y una concen ación inal de 0,37 ppm. Los esul ados sigue la endencia mos ada descubie a a 400 ºC. Se mejo a la depu ación a la ez que la concen ación se e educida. Es o se debe, como se comen ó an e io men e, al aumen o del lujo mola y la elocidad del sólido. Respec o al aumen o de la empe a u a, se ap ecia ambién una mejo a de los esul ados. Figu a 5-14. Con e sión de ZnO (CA=100 ppm; T=500 ºC) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Al u a de lecho (m) Con e sión de ZnO 0,5 kg/h0,5 kg/h 1 kg/h1 kg/h 1,5 kg/h1,5 kg/h 2 kg/h2 kg/h Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 99 Figu a 5-15. Concen ación de H2S (CA=100 ppm; T=500 ºC) Conclusiones del diseño Las conclusiones que se pueden ex ae de es os esul ados no son demasiado cla as. Dadas la baja con e sión po paso, se puede eci cula la co ien e de sólido pa a ap o echa la mejo a la ez que se depu a aún más el gas. Es e ex emo debe con i ma se en un lecho mó il eal donde se op imice el núme o de ciclos. Po o o lado, la pé dida del so ben e es ac o muy impo an e a ene en cuen a. Según la bibliog a ía ( igu a 4-6), el aumen o de la empe a u a de 400 a 500 ºC iene e ec os nega i os en la eliminación de H2S, debido al aumen o de la concen ación en equilib io según la eacción [4.14]. Sin emba go, según los esul ados del modelo, a 500 ºC la eliminación del con aminan e es mayo . Es a incohe encia no debe a ibui se a la pé dida de so ben e (que no es enida en cuen a en el modelo), ya que la concen ación en equilib io no se e a ec ada po es e hecho, sino po la p esencia de H2O. Si bien es espe able que la ope ación mejo e en con aco ien e, no se asegu a que se alcance la especi icación de concen ación inal de H2S, que depende mucho del caudal de sólido de en ada y de la e icacia del con ac o en e so ben e y con aminan e Po es e mo i o se debe es udia la inclusión de óxidos de y i anio en el so ben e, y e alua así la capacidad de eliminación de H2S. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 20 40 60 80 100 Al u a de lecho (m) CH2S (ppm) 0,5 kg/h0,5 kg/h 1 kg/h1 kg/h 1,5 kg/h1,5 kg/h 2 kg/h2 kg/h Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 100 5.3 Zn2TiO4 Desa ollo del modelo La u ilización de Zn2TiO4 disminuye la ola ilización del so ben e, mejo ando así las condiciones de la ope ación. En es e caso, la eacción que iene luga es la siguien e. [5.1] En es e caso los pa áme os de la ciné ica y la di usión se exponen a con inuación, conside ándose que el o den de eacción es 1 (Lew e al., 1992). Los da os del sólido se conside an ijos. El adio de pa ícula de es de 5·10-8 m. El so ben e es 100 % Zn2TiO4, con una densidad de 5.280 kg/m3 (Sukon, 2011) y con una concen ación de 21,8 kmol/m3. La po osidad del lecho se es ima en 0,42. (5.10) Tabla 5-4. Di usi idad e ec i a de H2S en Zn2TiO4 (Lew e al., 1992) Tempe a u a DE (cm2/s) 400 ºC 1,8·10-10 500 ºC 2,2·10-9 600 ºC 1,3·10-8 700 ºC 8,3·10-8 Donde: DE = Di usi idad e ec i a de H2S en la pa ícula, cm2/s T = Tempe a u a, K kS = Cons an e ciné ica, cm/s kS0 = Fac o de ecuencia, 0,40 cm/s EA = Ene gía de ac i ación, 9.300 Cal/mol R =Cons an e uni e sal de los gases, 1,987 Cal/mol K Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 101 Pa a la simulación se u iliza el modelo de núcleo sin eacciona , MNSR, pe o conside ando en es e caso que la es equiome ía de la eacción hace que el pa áme o b sea igual a 0,5. La elocidad de gas y el á ea ans e sal del lecho se conside an las mismas que en el lecho de ZnO. Pa a las simulaciones ealizadas se sigue el mismo p ocedimien o que en los apa ados an e io es. Se obse a que el caudal de sólidos necesa io es mayo , debido p incipalmen e al mayo peso molecula de es e so ben e y po an o la meno concen ación mola . La es abilidad de la con e sión se alcanza an es que con ZnO, po lo que la escala de las g á icas ha sido aumen ada. In luencia de la empe a u a La p ime a p ueba se ha ealizado a 400 ºC, a iando el caudal de sólidos de 2 a 10 kg/h, como se puede e en las igu as 5-16 y 5-17. Con 2 kg/h la con e sión se es abiliza en 0,72 pa a una concen ación de salida de 2,7 ppm. Cuando se alimen an 6 kg/h se consigue una con e sión de 0,24 y 1 ppm de H2S a la salida. Pa a una en ada de 10 kg/h de sólido, la con e sión alcanzada es de 0,14, con 2,2 ppm de concen ación de con aminan e a la salida. Como se puede obse a , en ningún caso se alcanza la especi icación necesa ia pa a la pila. Po o o lado, el aumen o del caudal de sólido de en ada no consigue mayo depu ación del con aminan e, como se obse ó en el lecho de ZnO. Sólamen e se consigue educi la longi ud de lecho necesa ia pa a alcanza una concen ación es able. Se puede de e mina que a 400 ºC la capacidad de depu ación de Zn2TiO4 no es su icien e pa a la aplicación del gas en una pila de combus ible. Queda po de e mina el uncionamien o en con aco ien e y con la eci culación de sólido. Las simulaciones ealizadas a 500 ºC se mues an en las igu as 5-18 y 5-19. Pese a e se a o ecida la eacción, no se asegu a que se alcance la concen ación deseada. Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 102 Figu a 5-16. Con e sión de Zn2TiO4 (CA=100 ppm; T=400 ºC) Figu a 5-17. Concen ación de H2S (CA=100 ppm; T=400 ºC) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Al u a del lecho (m) Con e sión de Zn2TiO4 2 kg/h2 kg/h 4 kg/h4 kg/h 6 kg/h6 kg/h 8 kg/h8 kg/h 10 kg/h10 kg/h 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 20 40 60 80 100 Al u a de lecho (m) CH2S (ppm) 2 kg/h2 kg/h 4 kg/h4 kg/h 6 kg/h6 kg/h 8 kg/h8 kg/h 10 kg/h10 kg/h Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 103 Figu a 5-18. Con e sión de Zn2TiO4 (CA=100 ppm; T=500 ºC) Figu a 5-19. Concen ación de H2S (CA=100 ppm; T=500 ºC) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Al u a de lecho (m) Con e sión de Zn2TiO4 2 kg/h2 kg/h 5 kg/h5 kg/h 10 kg/h10 kg/h 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 20 40 60 80 100 Al u a de lecho (m) CH2S (ppm) 2 kg/h2 kg/h 5 kg/h5 kg/h 10 kg/h10 kg/h Aba imien o de H2S con so ben es con encionales 104 Conclusiones del modelo Se puede conclui , po an o, que la u ilización de Zn2TiO4 como so ben e pa a la eliminación de H2S no alcanza las especi icaciones necesa ias cuando el gas se des ina a una pila de combus ible. El descenso de la ola ilización de so ben e pa ece no compensa el hecho de no pode alcanza la especi icación necesa ia. Po o o lado, se ap ecia el mismo e ec o espec o al aumen o de la empe a u a que el lecho de ZnO. Es e hecho puede supone que el modelo aquí analizado pie da alidez. Se ía adecuado un análisis expe imen al del so ben e en un lecho a escala pilo o cuando el lujo es con aco ien e, pudiendo inclui se la eci culación de sólido, pa a asegu a la iabilidad del modelo de es e es udio. 105 6 CONCLUSIONES Con es e apa ado se p e ende conclui el p oyec o y esumi los aspec os más impo an es 6.1 Resumen del p oyec o Se han analizado las posibilidades pa a la gene ación de ene gía eléc ica median e una pila de combus ible. Pa a ello se ha u ilizado un combus ible p oceden e de esiduos sólidos u banos. La p oducción que se ha conside ado más co ec a pa a es e ipo de combus ible es la pequeña/mediana escala, omando como e e encia 3 MWe. Se han analizado las con igu aciones que p esen asen las mejo es ca ac e ís icas pa a la gasi icación del combus ible, escogiéndose un lecho luido bu bujean e con ai e, po su ela i o bajo cos e, adecuado pa a gene ación de po encia a mediana escala. Los p incipales con aminan es de la co ien e de gas han sido es udiados, así como sus e ec os y los mé odos de aba imien o posibles. Se ha de e minado que los p incipales con aminan es son las pa ículas, los alqui anes, los me ales alcalinos y los compues os de azu e, clo o y ni ógeno. Se han analizado las posibilidades écnicas de las pilas de combus ible, seleccionando las de al a empe a u a. En e es as, se han escogido las SOFC po su acilidad de ope ación y su mayo ole ancia a los con aminan es. Du an e la limpieza se debe asegu a que la concen ación de HCl y H2S no supe e 1 ppm, ya que la ope ación en la pila se e ía g a emen e pe judicada. Se ha seleccionado la con igu ación del sis ema que o ece las mejo es condiciones pa a la depu ación de los con aminan es. El es udio se ha cen ado en el aba imien o de H2S en dos e apas, pa a aho a en el so ben e más cos oso, u ilizando un so ben e más ba a o pe o menos e icaz en la e apa p ima ia de depu ación. Un lecho mó il de dolomi a a la salida del gasi icado ha sido escogido pa a la p ime a e apa de aba imien o de H2S, a una empe a u a de 820 ºC ap oximadamen e. Se espe a que con la inclusión de es e lecho ambién se eduzcan los ni eles de alqui anes y NH3. A con inuación el gas se en ía has a los 400 ºC pa a que los me ales pesados condensen y se deposi en en la supe icie de las pa ículas, siendo depu ados conjun amen e en un sis ema de ciclones. A con inuación se p oduce la adso ción en seco del HCl median e el mine al de ona, donde se consigue la depu ación de es e con aminan e. Bibliog a ía 112 Hi schwald, W., Noack, D., (1972), The mog a ime ischee Un e suchung de Reduk ionskine ik on Zinkoxid mi Wasse s o . Zei . Phys. Chemie Neue Folge 77, l-20. Hu, Y., Wa anabe, M., Aida, C. and Ho io, M. (2006). Cap u e o H2S by limes one unde calcina ion condi ions in a high-p essu e luidized-bed eac o . Chemical Enginee ing Science, 61(6), pp.1854- 1863. 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AIChE J. 1978, 24 (5), 885-903. 115 8 ANEXO En es e apa ado se p esen an los códigos u ilizados en el p og ama EES pa a la ealización de los cálculos y las simulaciones en es e abajo. 8.1 Modelos desa ollados "EQUILIBRIO REACCIÓN [4.1]" K_1=(y_CO2*y_H2)/(y_CO*y_H2O) y_CO=0,1273*(1-y_H2O) y_CO2=0,1404*(1-y_H2O) y_H2=0,0708*(1-y_H2O) K_1=0,0265*exp(7860/(R*T)) T=822+273 R=8,314/4,184 "EQUILIBRIO REACCIÓN [2.2]" K_2=(y_COS*y_H2O)/(y_CO2*y_H2S) K_2=0,4347*exp(-2917/T) "EQUILIBRIO REACCIÓN [4.3]" K_3=y_H2O/y_H2S K_3=1,127*exp(7262/T) “LECHO MÓVIL DE DOLOMITA” R=0,004 "supues o 0,004 m" m_s_0=20/3600 "supues o 20 kg/h" epsilon=0,4 L=1,5 T=822+273 p=1 ho_dolomi a=2950 "kg/m3" R_g=8,314/4,184 "Cal/mol K” D_e=k_d/(2*R) "m/s" k_d=(2,6*10^(-6)*T^(1,75)/p)/10^4 "co elación de Fulle " Anexo 116 K_s=k_s_0*exp(-E_a/(R_g*T)) k_s_0=66,44*10^(-2) "m/s" E_a=7700 "Cal/mol" Q_Ng_0=2,04*2000/4 "Nm^3/h syngas, po cada una de las 4 líneas" "suponemos 2 /h SRF, 3 MWe" Q_g_0=Q_Ng_0*(T/273) "m^3/h syngas" u_g=u_g_0 "conside amos cons an e" u_g_0=(Q_g_0/3600)/A_ A_ =pi#*D_ ^2/4 A_ =1 C_H2S_0=2000 "suponemos 2000 ppm de H2S" "ppm =cm3/m3" C_A=(C_H2S*10^(-6))/(0,082*T) "kmol/m3" {Pa ícula} dxdz=((3*C_A)/(R*C_B_0))/((R_c+R_ )*u_s) R_c=(R*(1-((1-x)^(1/3))))/(D_e*((1-x)^(1/3))) R_ =(1-x)^(-2/3)/K_s {Velocidad} u_s=m_s_0/(A_ * ho_dolomi a*(1-epsilon)) {Concen ación de B} F_B_0=0,285*(56/40)*m_s_0/56 "kmol/s" C_B_0=0,285*(56/40)* ho_dolomi a/56 "kmol/m3" {Concen ación de A} C_A_0=(C_H2S_0*10^(-6))/(0,082*T) "kmol/m3" C_A=((u_g_0*C_A_0)-(F_B_0*(x)/A_ ))/u_g {In eg al} x=x_0+In eg al(dxdz;z;z_0;z_ ) z_0=0 z_ =L x_0=0 $In eg al able z;x;C_A;C_H2S Anexo 117 “LECHO MÓVIL DE ZnO” R=1,6*10^(-7) "m" m_s_0=2/3600 "suponemos 2 kg/h" R_g=8,314/4,184 "(Cal/mol*K)" epsilon=0,59 L=1 T=400+273 p=1 ho_ZnO=5610 "kg/m3" D_e=2,7*10^(-10)/10^4 "m^2/s" K_s=k_s_0*exp(-E_a/(R_g*T)) k_s_0=1,31*10^(-2) E_a=10310 Q_Ng_0=2,04*2000/3 "Nm^3/h syngas, po cada una de las 3 líneas""suponemos 2 /h SRF, 3 MWe" Q_g_0=Q_Ng_0*(T/273) "m^3/h syngas" u_g=u_g_0 "conside amos cons an e" u_g_0=(Q_g_0/3600)/A_ A_ =pi#*D_ ^2/4 A_ =0,9 C_H2S_0=100"suponemos ppm de H2S" "ppm =cm3/m3" C_A=(C_H2S*10^(-6))/(0,082*T) "kmol/m3" {Pa ícula} dxdz=((3*C_A)/(R*C_B_0))/((R_c+R_ )*u_s) R_c=(R*(1-((1-x)^(1/3))))/(D_e*((1-x)^(1/3))) R_ =(1-x)^(-2/3)/K_s {Velocidad} u_s=m_s_0/(A_ * ho_ZnO*(1-epsilon)) {Concen ación de B} F_B_0=m_s_0/81,41 "kmol/s" C_B_0=68,9 "kmol/m3" {Concen ación de A} C_A_0=(C_H2S_0*10^(-6))/(0,082*T) "kmol/m3" C_A=((u_g_0*C_A_0)-(F_B_0*(x)/A_ ))/u_g Anexo 118 {In eg al} x=x_0+In eg al(dxdz;z;z_0;z_ ) z_0=0 z_ =L x_0=0 $In eg al able z;x;C_A;C_H2S “LECHO MÓVIL DE Zn2TiO4” R=5*10^(-8) "m" m_s_0=10/3600 "suponemos 10 kg/h" R_g=8,314/4,184 "(Cal/mol*K)" epsilon=0,42 L=0,5 T=400+273 p=1 ho_ZnO=5280 "kg/m3" D_e=1,8*10^(-10)/10^4 "m^2/s" K_s=k_s_0*exp(-E_a/(R_g*T)) k_s_0=0,4*10^(-2) E_a=9300 Q_Ng_0=2,04*2000/3 "Nm^3/h syngas, po cada una de las 3 líneas""suponemos 2 /h SRF, 3 MWe" Q_g_0=Q_Ng_0*(T/273) "m^3/h syngas" u_g=u_g_0 "conside amos cons an e" u_g_0=(Q_g_0/3600)/A_ A_ =pi#*D_ ^2/4 A_ =0,9 C_H2S_0=100"suponemos ppm de H2S" "ppm =cm3/m3" C_A=(C_H2S*10^(-6))/(0,082*T) "kmol/m3" {Pa ícula} dxdz=((3*0,5*C_A)/(R*C_B_0))/((R_c+R_ )*u_s) R_c=(R*(1-((1-x)^(1/3))))/(D_e*((1-x)^(1/3))) R_ =(1-x)^(-2/3)/K_s {Velocidad} u_s=m_s_0/(A_ * ho_ZnO*(1-epsilon)) {Concen ación de B} F_B_0=m_s_0/242,62 "kmol/s" C_B_0=21,8 "kmol/m3" Anexo 119 {Concen ación de A} C_A_0=(C_H2S_0*10^(-6))/(0,082*T) "kmol/m3" C_A=((u_g_0*C_A_0)-(F_B_0*(x)/A_ ))/u_g {In eg al} x=x_0+In eg al(dxdz;z;z_0;z_ ) z_0=0 z_ =L x_0=0 $In eg al able z;x;C_A;C_H2S