Desarrollo de un modelo de simulación para la gasificación mejorada basado en el equilibrio químico.

García Pardos, Francisco Javier
Fonts Amador, Mª Isabel (dir.) ; Gil Lalaguna, Noemí (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2023
Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente department, Ingeniería Química area

Graduado en Ingeniería Química

Abstract: En este Trabajo Fin de Grado se van a desarrollar dos modelos de equilibrio termodinámico estequiométricos que permitan simular a) la gasificación con aire, vapor y residuos del sector agroganadero y b) la gasificación mejorada con vapor y captura in-situ de CO2 mediante Ca-looping. Este proceso está recabando mucho interés científico en la actualidad, ya que permite obtener un gas con un contenido en H2 mayor del 80%, lo que convierte a este proceso en una alternativa para la producción de H2 verde. Ambos procesos de gasificación son costosos de estudiar experimentalmente y por ello, una estrategia para acotar los intervalos de estudio de las distintas variables, así como para conocer su efecto en la calidad del gas de gasificación es simularlos mediante modelos de equilibrio termodinámicos. Existen en la bibliografía numerosos trabajos que desarrollan modelos de equilibrio estequiométricos para la gasificación de biomasa con mezclas de aire y vapor (gasificación convencional), pero existen muchos menos que permitan simular el proceso de gasificación con vapor y captura de CO2 (o gasificación mejorada), y no se pueden encontrar modelos en los que se utilicen biomasas como las estudiadas en este TFG. En el modelo planteado para la gasificación convencional se calculan ocho incógnitas, que se corresponden con los flujos molares de las distintas especies a la entrada y a la salida. Para calcular dichas incógnitas se utiliza un sistema con 8 ecuaciones (constante de equilibrio de la reacción water-gas shift, balances de materia atómicos al C, H y O, balance másico al N2, balance másico a las cenizas, composición del aire y balance de energía para que el proceso sea adiabático). En el modelo de gasificación mejorada, comparándolo con la convencional, se debe eliminar la entrada de aire al gasificador e introducirse CaO, que reaccionará con el CO2 para dar CaCO3. En este modelo habrá 2 incógnitas más que en la gasificación convencional, que corresponden a las cantidades de CaO y CaCO3 a la salida del proceso, y dos ecuaciones más, correspondientes a la constante de equilibrio de la reacción de carbonatación y al balance atómico al Ca. En el estudio paramétrico de la gasificación convencional se ha encontrado que conforme aumentaba la temperatura aumentaba la relación de equivalencia, la producción de gas, pero disminuía el poder calorífico inferior del gas, la eficiencia del gas frio y la relación H2/CO. En el caso de la relación Steam to Carbon, al aumentar la relación aumentaba la RE, la producción del gas y la relación H2/CO, pero disminuía el poder calorífico inferior del gas y la eficiencia del gas frio. En el estudio paramétrico de la gasificación mejorada se ha encontrado que conforme disminuía la temperatura, mejoraba el porcentaje de carbonatación ya que es una reacción exotérmica, también aumentaba el PCI del gas, la relación H2/CO y el rendimiento a H2 y al contrario al aumenta la temperatura aumentaba ligeramente la producción de gas. En el caso de la relación Steam to Carbon trabajando a relaciones más alta se obtiene mejores valores de porcentaje de carbonatación, producción de gas y rendimiento de H2 pero empeora el PCI del gas, por último la relación CaO/Biomasa al aumentarla afecta de manera positiva sobre el calor aportado y de manera negativa sobre el rendimiento a H2 y el % de carbonatación.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Grado