Oportunidades
para la traNsformación de la biomasa forestal en energía y las posibilidades mediante procesos de gasificación
Experiencia en gasificación de especies forestales de Costa Rica Resultados Preliminares Marco Chaves Flores Ingeniero Químico
Contenido 1. 2. 3. 4. 5.
Introducciรณn Puesta en marcha Resultados preliminares Dificultades operativas Futuros anรกlisis
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CONTEXTO • “Implementación y Evaluación Tecnológica de Gasificación en la Industria de Café, como alternativa para disminuir emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)” financiado por BID/FOMIN, bajo la iniciativa NAMA Café, liderada por el MAG, MINAE, ICAFE y Fundecooperación. • “Energía Química a partir de procesos de gasificación de biomasa” Centro de Investigación en Electroquímica y Energía Química, Universidad de Costa Rica. • “Gasificación catalítica de biomasa: Desarrollo y Caracterización de Catalizador, Modelado cinético” Centro de Investigación en Electroquímica y Energía Química, Universidad de Costa Rica.
Equipo de trabajo ✓ M.Sc. Cindy Torres Quirós ✓ Ing. Luis Urvina Savelli ✓ Ing. Roger Moya Roque, PhD
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PROYECTO UCR-TEC Se estudian los rendimientos en un proceso de gasificación (operativos, generación eléctrica, producción de syngas, entre otros) de 5 especies forestales: 1. 2. 3. 4. 5.
Melina Eucalipto Teca Ciprés Acacia
Estas son parte del grupo de maderas de mayor reforestación, por lo tanto potenciarían la economía forestal del país 4
Gasificación en reactores “downdraft” (lecho descendente) ✓ Biomasa desciende, se inyecta aire desde los lados y se mezclan con los productos de pirólisis. Gases y sólidos se desplazan hacia abajo paralelamente C + O2 → CO2 +E ✓ Efecto de llama pirolítica: gas con menos contenido de alquitrán, pero menor poder calórico Gasificador downdraft de garganta En la constricción (garganta) se producen la mayoría de las reacciones de gasificación Figura 1. Esquema reactor downdraft
C + H2O ↔ CO + H2
C + CO2 ↔ 2CO
Basu, P. (2013). Biomass Gasification and Pyrolysis: Practical Design and Theory. Journal of Chemical Information and Modeling (Vol. 53).
CO + H2O ↔ CO2 + H2
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 5
UNIDAD DEMOSTRATIVA • • • •
Es un sistema integrado y compacto Unidad de Control de Procesos (UCP) supervisa y controla Buen sistema de recuperación de energía
Cumple como planta piloto
Valor Régimen de potencia continua, kW Contenido de humedad en la biomasa % Dimensiones, m Generador
18@60Hz
5-30 1.45x1.45x1.40 (PP20) / 0.83x0.83x1.14 (tolva) Trifásico, 220 V
Figura 2. Unidad Power Pallet PP20
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PREPARACIÓN DEL COMBUSTIBLE Tamizado: Remanente entre mallas de [1”-1/2”]
Figura 3. Recepción
Dimensiones Largo (cm)
Promedio
3-4
Ancho (cm) Grosor (cm)
1-2
0.5-1.5
Figura 4. Tamizado
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Acondicionamiento al 18% de contenido de humedad en base húmeda
Almacenamiento entre 10-14 kg en configuración: Saco/Bolsa/Saco
T amb: 25 °C HR: 88 %
Figura 5. Cámara de control de humedad
Figura 6. Biomasa
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¿Qué variables fueron medidas para describir el sistema de gasificación? • Temperaturas: 17 puntos de medición • Presiones: 5 puntos de medición • Composición de CH4, CO, CO2, O2, H2 y N2. Valor de lamnda, • Flujos de: aire, biomasa, syngas, alquitranes, cenizas reactor, cenizas ciclón • Potencia real, potencia reactiva, voltaje de fases y línea, corriente de fases y línea, factor de potencia • Condiciones de encendido actuadores en el sistema
y
apagado
de
• Humedad de biomasa, humedad relativa del aire
Figura 7. Interfaz de LabView durante recolección de datos
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ADAPTACIONES E INSTRUMENTACIÓN • Vortex: Medición de flujo de aire • Vaisala: Medidor de humedad relativa y temperatura del aire de entra • Medidor de flujo de orificio: Medición de flujo de syngas producido • Medidor de caída de presión en el intercambiador y orificio • DAQ: Data Adquisition (National Instruments), con un módulo de E/S de 16 canales para termocuplas y un módulo de 16 canales 8 de corriente y 8 de voltaje • Toma en línea de syngas para el análisis de composición: Filtros absorbentes de agua y tras • Carburador para la limpieza del motor • Fluke 435 para la medición de potencia y energía • Sistema de agitación manual para mejorar descenso de biomasa • Conexión del sistema de carga al generador
Figura 8. Algunas adaptaciones
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Figura 9. Recepciรณn de la unidad demostrativa
Figura 10. Unidad demostrativa con adaptaciones
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Diagrama de Flujo de Proceso (DFP)
Filtro de lecho empacado Relleno Carbón grande
Masa inicial, kg 1.30
Madera grande
1.30
Carbón mediano
2.00
Madera mediana
2.00
Carbón mediano
1.30
Carbón pequeño
2.00
Peat moss
2.50
Boom polipropileno
0.63
Mecha
0.10
Madera grande
0.70
Tapetes polipropileno TOTAL
0.20 14.03
Masa final, kg
19.33 kg Masa absorbida: 5.05 kg Agua: 3.32 kg Masa recolectada total en filtro: 8.37 kg
Absorción del 60% de su masa inicial para 6 corridas de 4.4 h motor
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Tiempo promedio inicio motor: 20 min Tiempo promedio inicio estado estable: 1 h
¿Por qué la adquisición continua de datos?
1 Trestriction
• Perfiles de calentamiento, estado estable y enfriamiento CH4
H2
CO2
Treduction
Tout reactor
Tout cyclon
Tin exhaust
Tpyro 1
Tout engine
1000
O2
800
25 Temperature T (°C)
Volumetric composition (%)
CO
3
2
20 15 10
600
400
200
5 0 0
1
2 3 Time t (h)
4
Figura 11. Mediciones de composición del syngas
5
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5 Time t (h)
3
3.5
4
4.5
Figura 12. Temperaturas altas dentro del sistema
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Resultados preliminares: Dos especies Temperaturas importantes (°C)
Flujos (kg/h) Ciprés
Ciprés
Teca
Teca
860.20 843.07 20.06
11.27 11.84
21.01
12.50
11.63
385.68 379.02
47.55 48.71
Flujo de Flujo de Flujo de aire, biomasa, kg/h syngas, kg/h kg/h
Temperatura de Temperatura Temperatura restricción, °C salida reactor, °C entrada al motor, °C
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Composiciรณn Syngas libre de aire (%Vol. Fracc) CIPRร S 27.47
TECA
25.84
14.80 14.56 10.19
11.71
4.08 4.84
CO (% Vol. Frac) CH4 (% Vol. Frac) H2 (% Vol. Frac) CO2 (% Vol. Frac)
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Conversión de carbono (CC) (%) Ciprés
99.00 97.00
Teca
Rendimiento eléctrico base húmeda (REh), kWh/t, Energía entregada por tonelada de biomasa húmeda
94.91
95.03
Variable
Rendimiento eléctrico base seca (REs), kWh/t,
95.00
Energía entregada por tonelada de biomasa seca
93.00
Rendimiento de syngas (RY) kg/kg Syngas producido por biomasa alimentada
CIPRÉS
TECA
544.05
522.76
662.13
636.05
1.78
1.78
13.20
13.33
67.72
64.08
19.49
20.80
91.00
89.00
Eficiencia térmica global (TGE), % kW/kW Energía
87.00
entregada/Energía disponible biomasa
85.00
Eficiencia de gas frío (CGE), % kW/kW Energía syngas/ Energía disponible biomasa
Variable
CIPRÉS
TECA Eficiencia de motor/generador (EE), % kW/kW
Flujo de biomasa, kg/h
11.27
11.84
Potencia promedio, kW
6.13
6.19
Energía entregada/ Energía syngas
Potencial térmico syngas: (5769-5804) BTU/Nm3 y (101 324-107 307) BTU/h
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Problemas operativos ✓ Diferencia en tamaño de partícula entre especies ✓ Tamizado manual de chips ✓ Difícil control de contenido de humedad: Eucalipto ✓ Ineficiente descenso de los chips: Eucalipto (100%) y Melina (30%) (“Brinding”) ✓ Rompimiento constante del tornillo sin fin para la alimentación de biomasa al reactor ✓ Baja calidad de sopladores ✓ Control de gases exhaustos del motor
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Futuros análisis ✓ Rendimiento en un proceso de gasificación de biomasa de las especies: Melina, Teca, Eucalipto, Ciprés, Acacia en un reactor “downdraft” o de lecho descendente ✓ Evaluación de la incidencia de la geometría (chips vs pellets) en un proceso de gasificación: Rendimientos, porosidad del lecho, etc
✓ Estudio de composición elemental CHONS (biomasa, cenizas, biochar) para análisis conversión termoquímica de la biomasa ✓ Composición de metales (biomasa, cenizas, biochar) y su efecto catalítico en un proceso de conversión termoquímica de biomasa ✓ Análisis termogravimétricos –TGA- (biomasa, cenizas, biochar) para evaluar las propiedades termofísicas y lograr obtener la cinética de descomposición térmica por especie
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Muchas gracias..!! • Colaboradores • • • • •
Ing. Pablo Mora Rojas Alejandro Jiménez Hamer Salazar Rodríguez Floria Rojas Chávez Didier Tencio Padilla
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