DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE PARA GASIFICACIÓN DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS NATURALES

La Valle Daniel1; De la Vega Federico1; Cornacchiulo Franco1; Nassini Daniela2,4; Fouga Gastón Galo2,3 y Bohé Ana Ester2,3,5

(1) Instituto Sábato Universidad Nacional de San Martín, Av. Gral. Paz 1499, cp. 1650, San Martín, Buenos Aires, Argentina.

(2) Centro Atómico Bariloche - Comisión Nacional de Energía Atómica. Avenida Bustillo 9500, cp. 8400 San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina.

(3) Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Argentina.

(4) Instituto Balseiro – Universidad Nacional de Cuyo, Avenida Bustillo 9500, cp. 8400 San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina

(5) Centro Regional Universitario Bariloche - Universidad Nacional del Comahue, Quintral 1250, cp. 8400 San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina.

Introducción

Combustibles Sólidos Naturales

Conclusiones y Perspectivas

Los carbones y otros materiales naturales que contienen carbono eran, en otro tiempo, empleados esencialmente en la

producción de calor y fuerza por combustión directa, de modo que la energía almacenada en estos recursos naturales

resultaba aprovechada muy ineficientemente. Desde hace algunas décadas se tiende cada vez más a “afinar” nuestros

combustibles brutos en productos tales que permitan un aprovechamiento más económico, bajo la forma de combustibles

líquidos o de sustancias químicas de gran valor. La tecnología de gasificación permite la producción de gas de síntesis a

partir de materias primas carbonosas. Este gas puede utilizarse en reemplazo del gas natural para la generación de

energía o como material de partida en la producción de combustibles líquidos. El proceso de gasificación de carbón

involucra la utilización de calor y un agente gasificante como CO2 o vapor de agua para producir un gas compuesto

principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno. En trabajos anteriores [1-2] se investigó la cinética de gasificación

de chars de distintos combustibles sólidos naturales. En este trabajo se presenta el diseño de un reactor de lecho

fluidizado burbujeante (RLFB) para reacciones de gasificación de combustibles sólidos naturales.

El objetivo de este trabajo es el diseño y construcción de un reactor

de lecho fluidizado tipo burbujeante, el cual será empleado para

evaluar las reacciones de gasificación de combustibles sólidos

naturales.

Dos modelos en frio (construidos en acrílico) de distintas

dimensiones para evaluar la dinámica de la fuidización

empleando distintos materiales como lecho.

Un sistema de inyección de muestra (en batch) refrigerado, para

evitar que la muestra pirolice antes de ingresar en el reactor.

Un sistema de enfriamiento de gases de síntesis a la salida del

reactor.

Un separados solido – gas tipo ciclón para separar las partículas

que podrían ser transportadas en suspensión.

CAFQI 2017 XX CONGRESO ARGENTINO DE FISICOQUÍMICA Y QUÍMICA

INORGÁNICA (XX CAFQI)

16 al 19 de mayo de 2017, Villa Carlos Paz, Córdoba, Argentina

Carbones

Antracita Antracítico

Bituminoso

Lignítico

Sub-bituminoso

Semi Antracita

Bajo Volátil

Meta Antracita

Medio Volátil

Alto Volátil

Clase A

Clase B

Clase C

Clase A

Clase B

Asfaltitas Orto Asfaltita

Meta Asfaltita

Combustibles Sólidos

Naturales [3-4] Según %

de Materia

volátil

Según

Poder

Calorífico Hulla

Turba

Cla

sifi

caci

ón

H2O Materia

Volátil

Carbón

Fijo Ceniza + + +

Pirólisis CHAR

Tratamiento Térmico en aire

(105 °C)

Tratamiento Térmico en Ar

(950 °C)

% de Char - % de Cenizas

Tratamiento Térmico en aire

(950 °C)

ASTM

D3173 – 03

ASTM

D3175 – 07

ASTM

D3174 – 04

%CF %MV

≥ 98 ≤ 2

92-98 8-2

86-92 14-8

78-86 22-14

69-78 31-22 Poder

Calorífico

11500-13000

10500-11500

9500-10500

8300-9500

6300-8300

≤ 6300

Reactividad Rango

Determinación

Combustibles sólidos

Carbón

Río Turbio

Asfaltitas de Neuquén

EM (Meta-asfaltita) F4 (Orto-asfaltita)

Humedad (% en peso) 3.5 11.47 0.26

Materia Volátil a (% en peso) 36.4 26.18 58.97

Carbón Fijo a (% en peso) 51.2 68.67 40.57

Ceniza a (% en peso) 12.3 5.13 0.46

Densidad (g·cm3) 1.107 0.679 0.412

CT 59.8 64.3 78.0

NT 2.78 3.27 2.92

ST 0.86 2.36 4.5

Poder Calorífico kJ/kg 25104 24895 39472

Reacciones de Gasificación

Caracterización del Lecho

Producción de

Energía

Materia prima

precursora

Síntesis de

combustibles

2 2 2(2 ) n nnCO n H C H nH O

2 2 1 2(2 ) ( 1)n nnCO n H C H OH n H O

2 2 2 2(2 1) n nnCO n H C H nH O

Alquenos

Alcoholes

Parafinas

Char (s) + H2O(g) → H2(g) + CO(g)

Char (s) + CO2(g) → 2CO(g)

Las tecnologías de gasificación

permiten la producción de gas de

síntesis a partir de materias

primas carbonosas, [5-7]. Char (s) + 2H2(g) → CH4(g)

dsph = diámetro de una

esfera con igual volumen

que la partícula, [8].

def = Diámetro Efectivo.

𝑬𝒔𝒇𝒆𝒓𝒊𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝜙𝑆 =𝑆𝑢𝑝. 𝐸𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎

𝑆𝑢𝑝. 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑉𝑜𝑙. 𝐶𝑡𝑒.

𝜙𝑆 = 1 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 0 ≤ 𝜙𝑆 ≤ 1 𝐹𝑜𝑟𝑚𝑎𝑠 𝑖𝑟𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠

𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕

Luego de una clasificación granulométrica por tamizado se obtiene una fracción pasante #x y una

retenida en #y.

𝑑𝑝 =#𝑥 + #𝑦

2

#x

#y

Determinación del diámetro promedio:

Tamizado.

Microscopía.

Difracción Laser.

100 1000-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

V/V

Tota

l x 1

00

Tamaño de Partículas (m)

100 1000

0

20

40

60

80

100

#100 ASTM

#70 ASTM

Volu

men

Acu

mula

do (

%)

Tamaño de Partículas (m)

#50 ASTM

Superficie específica de las partículas:

𝒂´ =𝑆𝑢𝑝. 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎

𝑉𝑜𝑙. 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎=

𝜋 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕2

𝜙𝑠

𝜋 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕3

6

=6

𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕

𝒂 =𝑆𝑢𝑝. 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑠 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎

𝑉𝑜𝑙. 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑃𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎=6 ∙ 1 − 𝜀𝑚𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕

Partículas Irregulares, alto ≈ ancho.

𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕 ≅ 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑝

Partículas Irregulares, alto > ancho ≡ 2:1

𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕 ≅ 𝑑𝑝

Partículas Irregulares, alto > ancho ≡ 2:1

𝑑𝑒𝑓 = 𝜙𝑆 ∙ 𝑑𝑠𝑝𝑕 ≅ 𝜙𝑆2 ∙ 𝑑𝑝

∆𝑃𝑓𝑟

𝐿𝑚∙ 𝑔𝑐 = 150 ∙

1 − 𝜀𝑚2

𝜀𝑚3 ∙

𝜇 ∙ 𝜈0

𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑝2 + 1.75 ∙

1 − 𝜀𝑚𝜀𝑚

3 ∙𝜌𝑔 ∙ 𝜈0

2

𝜙𝑠 ∙ 𝑑𝑝

Lm = Altura del lecho (en CMF).

gc = Factor por la aceleración gravitacional.

μ = Viscosidad del gas.

υ = Velocidad del gas de fluidización.

ρg = Densidad del Gas.

εm = Porosidad.

Caída de presión en función de las características del lecho

Parámetro RLFB1 RLFB2

Int 25,8 mm 44,4 mm

Masa de lecho 38 g 135.15

Altura del lecho 5 cm 5 cm

Altura del lecho (cmf) 8 cm No determinada

Vmf 30 l/min No determinada

∆Pfr No detectable No determinada

d) e)

Densidad aparente: 0.924 g/cm3.

Densidad real: 2.58 g/cm3.

Lecho N° 1: Arena Merck Lecho N° 3: Arena Miramar

Densidad aparente: 1.40 g/cm3.

Densidad real: 3.41 g/cm3.

Lecho N° 2: Arena Cantera

Densidad aparente: 1.578 g/cm3.

Densidad real: 2.608 g/cm3.

Como lecho se testearon tres arenas diferentes; una comercial marca Merck, una procedente de una cantera local y una arena de mar de la ciudad de Miramar. De estas dos últimas se separó una fracción granulométrica pasante #25 (710 μm ASTM) y retenido en #35 (500 μm ASTM). Se caracterizaron tres lechos distintos mediante difracción Laser (DL), Difracción de Rayos x (DRX) y Microscopía Óptica. Fue posible determinar la velocidad de mínima fluidización empleando 38 g de la arena Merck como lecho. Se determinó que la caída de presión entre el lecho y el tubo de conexión de salida de los gases de síntesis empleando un manómetro diferencial marca Magnehelic no es detectable por este método. En base a los resultados de los parámetros de operación ,se diseñó un separador ciclónico de partículas ubicado en la salida de los gases de síntesis para separar las partículas que podrían ser arrastradas por el gas. Fue posible construir un horno eléctrico tipo libro capaz de alcanzar 1000 °C. Como trabajos a futuro se evaluará el comportamiento fluidodinámico inyectando muestras sólidas de combustibles sólidos naturales de diferentes granulometrías.

Referencias 1 2 3 4 5 6 7 8

El plato distribuidor es intercambiable.

Testeo de fluidización