Table Of ContentESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
MÁSTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL
GASIFICATION OF ALTERNATIVE BIOMASS
FEEDSTOCK IN A DUAL FLUIDIZED BED
GASIFICATION
Autor: Mónica Martín Garijo
Director: Hermann Hofbauer
Madrid
Agosto 2017
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
MÁSTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL
GASIFICATION OF ALTERNATIVE BIOMASS
FEEDSTOCK IN A DUAL FLUIDIZED BED
GASIFICATION
Autor: Mónica Martín Garijo
Director: Hermann Hofbauer
Madrid
Agosto 2017
MASTER’S THESIS
Gasification of alternative biomass feedstock
in a dual fluidized bed gasification
written at the Vienna University of Technology, supervised by
Prof. Hermann Hofbauer
Matthias Kuba
Katharina Wagner
E166 Institute of Chemical Engineering
Monica Martin
01638163
Vienna, July 17th, 2017 Monica Martin
RESUMEN
1. INTRODUCCIÓN
Se estima que el consumo mundial de energía se duplicará en las próximas décadas, y el
problema reside en que la mayor parte de la actual demanda energética se cubre con
combustibles fósiles [1]. Los combustibles fósiles tales como el carbón o el petróleo son
los principales causantes de las alarmantes tasas de emisiones de gases de efecto
invernadero, y lo que agrava aún más la situación es que el sector energético es
considerado como el responsable de dos tercios de dichas emisiones [2]. Por lo tanto, es
sumamente necesario un aumento de la tasa de descarbonización basado en el uso de
fuentes de energía limpias y eficientes. Junto con la reducción de las emisiones de gases
de efecto invernadero, la eliminación de la dependencia en las fuentes de energía no
renovables caracterizadas por precios fluctuantes y generalmente situadas en países con
una situación política inestable, así como la promoción de fuentes de energía disponibles
localmente, son objetivos que pueden significar un impulso en el desarrollo de formas
alternativas de producir energía.
La energía eólica, la solar o la energía hidráulica son actualmente muy conocidas y
ampliamente implementadas con el objetivo de reemplazar una parte significativa de los
combustibles fósiles como energía primaria. Sin embargo, estas fuentes renovables están
caracterizadas por su intermitencia y estacionalidad, siendo la biomasa la única fuente
renovable de carbón con capacidad para ser almacenada [3]. La biomasa, tal y como es
producida, es sólida y difícil de usar si no se convierte previamente a formas líquidas o
gaseosas. Se consideran principalmente tres procesos de conversión [4]: procesos
térmicos (pirólisis, gasificación y combustión), biológicos (digestión aerobia y anaerobia,
y fermentación), y mecánicos o físicos. La conversión térmica conduce a una gran
variedad de productos complejos, y tiene lugar en tiempos de reacción de segundos o
minutos.
La gasificación es un proceso de conversión que tiene lugar a alta temperatura (700 a
1200ºC) en el que un combustible sólido se convierte en gas combustible. El gas producto
(o gas de síntesis) obtenido contiene principalmente H , CO, CO , y CH , pero también
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se encuentran subproductos tales como alquitranes condensables, compuestos de
nitrógeno y partículas sólidas [5]. Las tecnologías de gasificación pueden clasificarse de
diferentes maneras, pero la más conocida es aquella que atiende al diseño del reactor (de
lecho fijo o de lecho móvil, de lecho fluidizado, y de flujo arrastrado). El doble lecho
fluidizado (DFB, por sus siglas en inglés “dual fluidized bed”), es un tipo de gasificación
de lecho fluidizado y es el principio del funcionamiento de la planta piloto desarrollada
i
en la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien). Dicha planta permite no solo tratar
con una amplia gama de materias primas, sino también obtener un gas de gran calidad
para producir electricidad, calor, combustibles, y productos químicos [6].
Las materias primas de biomasa usadas inicialmente se obtenían a partir de cultivos
agrícolas, sin embargo, las voces críticas no lo ven como una forma ética de producir
energía dada su competencia directa con los alimentos y piensos [7]. Posteriormente, se
han desarrollado nuevos combustibles de biomasa con el objetivo de superar dichas
limitaciones, así, los productos de la silvicultura son ampliamente utilizados. Sin
embargo, hay un problema relacionado con los altos precios de la madera que hace que
un reto para la conversión de biomasa sea explorar las posibilidades de materias primas
alternativas, es decir, biomasa que esté caracterizada por su amplia disponibilidad y por
sus bajos precios. El objetivo del presente trabajo es aprovechar la flexibilidad que ofrece
la planta piloto de 100 kW de la TU Wien basada en la tecnología DFB para realizar
diferentes ensayos y así probar la viabilidad técnica al gasificar materias primas
alternativas con nuevos materiales de lecho. Por otro lado, tampoco han de ser
descuidados los aspectos económicos puesto que este tipo de proyectos requieren altas
inversiones iniciales. De acuerdo con ello, este trabajo de fin de máster incluye un
capítulo que permite al lector hacerse un panorama aproximado de la viabilidad
económica de la gasificación de biomasa.
2. METODOLOGÍA
A la hora de establecer brevemente la metodología seguida, decir que en el presente
trabajo se distinguen dos partes. Respecto a la primera parte, está relacionada con los
ensayos realizados en la planta piloto y que pueden representar una base para futuras
implementaciones industriales. El experimento con su correspondiente configuración y
resultados se basa en la gasificación de aglomerados (pellets) de:
- 100% madera blanda,
- 30% estiércol de pollo y 70% corteza de árbol,
- y 100% estiércol de pollo
con una mezcla de feldespato potásico y calcita como material de lecho. La gasificación
de la madera blanda se ha probado y aplicado con éxito a escala industrial. Por otro lado,
el principal problema de las materias primas alternativas, tales como el estiércol de pollo
o la corteza, es el alto contenido de cenizas puesto que algunos compuestos de la ceniza
pueden causar problemas relacionados con su baja temperatura de fusión, conduciendo
a la aglomeración de los materiales de lecho y, en definitiva, llegando a detener en una
etapa temprana la prueba de gasificación.
ii
En cuanto a los materiales de lecho, el olivino se ha utilizado tradicionalmente como
material de lecho para experimentos en la TU Wien debido a su alta resistencia a la
erosión, su alta capacidad calorífica y su actividad catalítica en la reducción de
alquitranes. Sin embargo, el olivino tiene algunos inconvenientes tales como la presencia
de una pequeña cantidad de metales pesados. Así, el objetivo es la investigación en
nuevas formas de materiales de lecho que estén ampliamente disponibles, no tengan
metales pesados y que, además, sean baratos. En el experimento se utilizan materiales
de lecho fresco, sirviendo la adición de calcita para simular capas de partículas ricas en
Ca que se obtienen con una larga utilización del material de lecho.
Una vez que las partes de la planta son descritas, incluyendo también el equipo de
medida, y las materias primas de biomasa y los materiales de lecho son caracterizados,
los resultados de las tres pruebas se muestran utilizando la gasificación de madera
blanda y olivino como referencia.
En relación a la segunda parte del trabajo, se trata de una evaluación económica, ya que
los proyectos de gasificación necesitan de una gran inversión inicial y ningún inversor
está dispuesto a destinar dinero a ello sin considerar los posibles beneficios y riesgos.
Dado que la TU Wien ha demostrado la tecnología DFB a escala industrial por primera
vez en Güssing (Austria), se ha decidido establecer Güssing como la planta de referencia
a partir de la cual se han obtenido los datos. Así, los datos se consideran suficientes y de
calidad satisfactoria para llevar a cabo el estudio económico del presente trabajo de fin
máster, incluyendo a su vez dos secciones.
El objetivo de la primera sección es determinar los costos de gasificación de astillas de
madera en una planta como Güssing, variando su propósito y considerando que el gas
producto se vende para ser quemado. Además, se consideran aumentos en la capacidad
de la planta para así estudiar posibles beneficios de las economías de escala. El primer
paso es determinar el precio al que se debería vender el gas producto para que el
operador de la planta alcanzara el punto de equilibrio con beneficio nulo y sin pérdidas
(Valor Actual Neto=0), para posteriormente comparar los resultados con los precios
actuales de los combustibles fósiles.
La segunda sección consiste en establecer una comparativa entre los costes incurridos
durante la gasificación de diferentes materias primas con distintos materiales de lecho
en una planta de 8 MW. Los parámetros de funcionamiento de dicha planta también se
obtienen de Güssing, pero el comportamiento de las diferentes materias primas se
establece a partir de varios experimentos llevados a cabo en la planta pilo de la TU Wien,
los cuales son:
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- Gasificación tradicional de materias primas madereras con olivino como material
de lecho.
- Gasificación de madera y materias primas alternativas usando feldespato
potásico como material de lecho (los tres ensayos analizados profundamente en
este trabajo).
- Además, se incluye la gasificación de orujillo extractado (EOP) y olivino puesto
que supone una fuente de biomasa muy abundante en algunas regiones de
España.
3. RESULTADOS
En la planta de la TU Wien se llevaron a cabo con éxito tres ensayos, lo que demuestra
la viabilidad técnica de la gasificación de materias primas alternativas como la corteza
de árbol y el estiércol de pollo utilizando feldespato potásico como material de lecho.
Los principales resultados obtenidos del experimento y en comparación con la
gasificación tradicional de madera y olivino pueden resumirse en los siguientes puntos:
• El proceso no está influenciado por cambios rápidos en los combustibles de
biomasa y es posible alcanzar la operación estacionaria durante un período de
horas.
• Aunque el contenido de cenizas es significativamente alto, no se observan
problemas relacionados con la temperatura de fusión de dichas cenizas, lo que
evita paradas no programadas y tiempos de inactividad.
• A pesar de la diversidad en la composición química de los combustibles, la
composición de gas producto no se ve notablemente afectada. Las variaciones
atendiendo al contenido de amoniaco, polvo y alquitranes sí que deben ser
analizadas en más profundidad.
• Por último, y con respecto a los materiales de lecho, el experimento demuestra la
mayor capacidad de transferencia de calor, así como la mayor actividad catalítica
del olivino en comparación con el material de lecho investigado, feldespato
potásico.
Aunque los resultados anteriores muestran que la flexibilidad de combustible que ofrece
el sistema de gasificación de biomasa basado en la tecnología DFB es viable técnicamente
hablando, la evaluación económica lleva a la conclusión de que no es posible competir
directamente con los combustibles fósiles debido a la madurez de esta tecnología y su
desplome en los precios de los últimos años. De este modo, si una planta como Güssing
vendiera su gas producto directamente para la producción de calor en calderas o hornos,
el precio de venta del gas sería superior s los 93€/MWh, muy lejos de los precios de los
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Description:fluidizado (DFB, por sus siglas en inglés “dual fluidized bed”), es un tipo de está dispuesto a destinar dinero a ello sin considerar los posibles
