Modelado unidimensional y multipartícula del proceso de gasificación de biomasa lignocelulósica en una planta industrial

Abstract

En esta Tesis Doctoral se presenta un trabajo de modelado y simulación del proceso de gasificación de biomasa lignocelulósica en un gasificador de lecho fijo tipo equicorriente a escala industrial, que utiliza aire como agente gasificante; el cual admite biomasa que ha sido previamente astillada, resultando una distribución heterogénea de tamaño o clases. Se centra en el desarrollo de un modelo cinético-químico unidimensional del proceso de gasificación de biomasa, bajo un planteamiento euleriano; el cual evalúa e identifica los principales factores que inciden en el mismo; prediciendo resultados que permite optimizar el diseño y las condiciones de operación de una planta industrial de producción eléctrica, conformada por el sistema de gasificación, limpieza y acondicionamiento de gas, y conjunto motor generador. El modelo considera los subprocesos de secado, pirólisis, oxidación y reducción; reacciones de reformado de metano y de hidrocarburos pesados (alquitranes), intercambios de energía, transferencia de calor por radiación entre sólidos, transferencia de calor entre sólido-gas, sólido-paredes, gas-paredes, variación de la fracción libre del lecho a lo largo del gasificador, pérdida de carga del lecho, composición del gas a lo largo del reactor; temperatura del gas producido y de las distintas clases de sólido, distribución de tamaño de partícula y cantidad de carbón residual generado en el proceso. Se ha abordado de manera extensa la evaluación del tamaño de partícula de las distintas clases de combustible a medida que va alimentando el proceso de gasificación con biomasa fresca; por tanto es posible hacer estimaciones de la fracción libre al interior del reactor, y por ende; evaluar la pérdida de carga del lecho; posibilitando la evaluación de las ecuaciones del proceso de manera confiable. El modelo desarrollado permite simular y caracterizar la operación de una planta industrial en función de parámetros como el tipo de combustible utilizado, potencia requerida (régimen de carga) y pérdida de carga en el lecho aceptada en el gasificador; contribuyendo con el entendimiento del proceso, y por ende, con el procedimiento de diseño de nuevos reactores. Con la información obtenida se realizaron estudios paramétricos del proceso, estableciendo los perfiles de evolución de variables de gran utilidad; como, flujo de combustible y carbón producido, temperatura de las clases de sólidos y de gas, composición de especies sólidas y gaseosas, pérdida de carga del lecho y localización del frente de oxidación; buscando encontrar el punto de máximo rendimiento del proceso; obteniendo diferencias entre los resultados experimentales y los modelados de menos del 1 % para la composición del gas y 5 % para la temperatura de salida de gases.