Studies on tar formation and conversion for the development of a three-stage gasifier

Resum

La gasificación autotérmica de biomasa y residuos en lecho fluido para generación eléctrica distribuida presenta notables ventajas respecto a otras opciones. No obstante esta tecnología presenta ciertas limitaciones que frenan su implantación comercial: la limitada conversión del combustible, debida a la incompleta conversión del carbonizado, y la elevada temperatura de condensación del gas, causada por la alta concentración de alquitranes pesados en éste. Las medidas que se han desarrollado para hacer frente a ambos problemas se basan en métodos complejos o caros, haciendo inviable la implantación de esta tecnología en sistemas de pequeña o mediana escala. El Grupo de Bioenergía de la Universidad de Sevilla está desarrollando una nueva tecnología (FLETGAS) que persigue el objetivo de obtener un gas combustible a partir de biomasas y residuos apto para ser quemado en motores de gas. El sistema se basa en tres etapas: gasificación en lecho fluido a baja temperatura (700-800°C), reformado con vapor a alta temperatura (1200°C) y filtración en un lecho móvil de carbonizado. La presente tesis estudia la formación y conversión de alquitranes e hidrocarburos ligeros en las diferentes etapas del nuevo gasificador con objeto de determinar las condiciones de funcionamiento que permitan reducir la concentración de alquitranes pesados en el gas producto y, por tanto, producir un gas con un punto de rocío suficientemente bajo para ser quemado en un motor. En la primera parte de la tesis (Capítulos 3 y 4) se estudia la influencia de las condiciones de operación sobre los productos de la devolatilización de lodos secos de depuradora (DSS) en un lecho fluido de laboratorio. Se ha determinado el efecto de la temperatura y la el vapor sobre la composición de alquitrán, estableciéndose los principales mecanismos de conversión durante la generación primaria de volátiles (en el lecho denso) y secundaria (freeboard). Se ha estudiado también el efecto de la operación con dos temperaturas diferentes en el reactor (lecho denso y freeboard), demostrando que este modo de operación influye decisivamente en la composición de los volátiles. Por el contrario, a temperaturas inferiores a 900°C, el vapor afecta muy poco a la cantidad y naturaleza de los alquitranes generados. Se han obtenido correlaciones entre hidrocarburos ligeros y alquitranes que sirven para estimar de forma rápida el punto de rocío del gas. En la segunda parte de la tesis (capítulo 5) se ha investigado la conversión de alquitranes aromáticos (naftaleno y tolueno) sobre varios lechos de carbonizado en un reactor de lecho fijo de laboratorio. Los resultados experimentales han demostrado que el lecho de carbonizado reduce eficazmente la concentración de alquitrán. A temperaturas superiores a 850°C, tiempos de residencia de 0,3 s y concentraciones de vapor de más del 15 vol% se alcanzan conversiones casi completas de los alquitranes analizados. Se han obtenido expresiones cinéticas para la conversión de alquitrán sobre los diferentes carbonizados teniendo en cuenta su desactivación. Se ha utilizado la cinética obtenida para simular el proceso FLETGAS corroborando trabajos anteriores (Nilsson et al., 2012) donde se demostraba que la tercera etapa del nuevo gasificador sería capaz de convertir el alquitrán pesado hasta los niveles necesarios para generar un gas de salida con el punto de rocío deseado.