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Cogeneración por gasificación de madera

Publicado en Energías renovables

Nota: Presentamos un extracto de proyecto real de cogeneración comprendiendo 6 reactores + 6 motores de combustión interna

1 Introducción

La compañía BIOMASS ENGINEERING LTD (BEL), socio tecnológico de ICOGEN ha desarrollado y conseguido la mejor tecnología disponible en gasificadores de biomasa de madera, para el posterior uso del ‘syngás’ en motores de combustión interna. Su proceso de generación de gas no es una combustión y está diseñada para minimizar las emisiones a la atmósfera, permitiendo utilizar el mismo en motores de gas de alto rendimiento. El concepto de no combustión, muy bajas emisiones y alto rendimiento permiten construir plantas de cogeneración modulares, eficientes, fiables y rentables.
El sistema de gasificación, desarrollado por BEL, es adecuado para operar con astillas de madera de tamaño determinado (entre 5 y 100mm) Partículas pequeñas y serrines se deben limitar a un máximo del 2% del total de biomasa procesada. Si la biomasa fuera formada mayoritariamente por piezas de menor tamaño y serrines, se deberá proceder a su briquetado con dimensiones entre 40-70 mm con una humedad entre el 12%-15 % para su utilización óptima en el proceso.

La biomasa leñosa disponible tendrá una composición exenta de partículas metálicas y otros contaminantes, su densidad estará comprendida entre 300 y 400 kg/m3 y su uso se encuadrará en la categoría b.6 del RD 661/07.

Se procederá a un muestreo en un laboratorio de calidad anexo a la caseta de báscula de entrada para corroborar su humedad y PCI. Las cortezas que pudieran venir se limitarán a un máximo de un 3% del total, conel objeto de disminuir los finos asociados a su manipulación, hasta la boca de carga de cada uno de los gasificadotes. Las astillas con una humedad entre el 10 y el 20 % (óptimo el 15%) serán cargadas en un silo de alimentación de dimensiones adecuadas.
La experiencia de BEL demuestra que cada gasificador trabaja con aprox 250 Kg/h de biomasa, produciendo gas entre 280 y 330 KWe en cada uno de los generadores, dependiendo del tipo de motor utilizado y el PCI del gas producido así como su composición. Las condiciones de suministro del gas de síntesis a motores serán de 40ºC de temperatura y 300 mm.c.a
El sistema de gasificación incluye una antorcha común de venteo para su puesta en servicio o para emergencias en cortos períodos. El valor típico de funcionamiento es de aprox 15 minutos en su puesta en marcha, para evitar enviar a los motores gas rico en alquitranes. Al ser considerada chimenea de emergencia y no para servicio continuo, no está sujeta a normativa de emisiones.

El proceso de gasificación genera agua, no importando cual sea el nivel de humedad inicial de la biomasa. La experiencia demuestra que cada gasificador de 250 Kg/h con una biomasa a gasificar del 15% de humedad, genera aprox 35 l/h de agua condensada, incluyendo algunos alquitranes. Los condensados tienen que ser purificados de alquitranes vía filtro de carbón activado, utilizando el mismo carbón generado por el gasificador. El condensado de salida cumple con las normativas de calidad del agua vigentes para su reutilización o vertido.

El sistema ha sido diseñado para obtener en condiciones ISO una producción eléctrica esperada de 1.998 KWe en base a una especificación constante de biomasa y cadencia de alimentación de 1.500 kg/hora +5% con un PCI de 3.820 Kcal/kg, a una humedad no superior al 15-20%. Para alcanzar la producción indicada utilizaremos 6 gasificadores modulares alimentando a 6 motores ICO BM320 preparados para gas pobre con un PCI de 5,4 MJ/Nm3, que entregan una producción de 333 KWe, cada uno, con una aportación de gas natural de hasta el 10% que permite el RD 661/07.

La biomasa disponible en forma de astillas que podemos ofrecer hasta 13.000 T/año durante 30 años, permite asegurar que la planta dispondrá de la alimentación suficiente para su operación (en parámetros normales consume 1.500 Kg/h +5% de tolerancia, estimando que consumirá no más de 13.000 toneladas al año para una disponibilidad individual de gasificador/módulo de 7.500 horas/año), lo que supone que podremos utilizar la planta un total de más de 8.000 horas/año.

La producción eléctrica será de 16,24 GWh/año en bornas de generadores según datos producción esperada y el calor producido en forma de agua caliente a 90ºC será la suma del enfriamiento del gas de síntesis más aquel producido por los módulos de cogeneración, que asciende a 35,38 GWh para los usos de district heating previstos.

2 Preparación de la biomasa leñosa

La biomasa a utilizar en el gasificador requiere una preparación mecánica anterior a su introducción en el mismo. Mediante un transporte de cinta se descarga la biomasa astillada a un secador tipo flash (si la humedad fuera superior al 20%) para, mediante parte del calor del módulo de cogeneración de gas pobre, reducir el contenido de agua en la biomasa para alcanzar un valor aceptable.

El secadero está conectado automáticamente al gasificador, ya que la astilla tiene un tamaño y densidad uniforme según especificación. La alimentación de los gasificadores se realiza mediante un silo equipado con piso móvil de aproximadamente 200 m3

El sistema está diseñado para una capacidad de hasta aprox 1.500 kg/h+5% de biomasa leñosa. El material se transporta hasta una tolva de alimentación con vibrador con una capacidad aproximada de 2 toneladas. El alimentador descarga a continuación a una cinta transportadora, que alimenta a los gasificadores de astillas de madera con un ratio de carga máximo de 262 kg/h x 6. Esta cinta, con un ángulo de ataque no mayor de 35º, descarga sobre la parte superior del gasificador por gravedad. La cinta está diseñada de forma adecuada con goma chevron reforzada y ancho 500 mm.

Tras su paso por la sección de preparación, este combustible apto para gasificar se introduce a través del sistema para una producción aproximada de 4.200 Nm3/h de gas pobre, filtrado de partículas y enfriado. Posteriormente es introducido en seis motores de gas pobre preparados como módulos de cogeneración de calor y electricidad.

3. Gasificador CHP

El sistema de gasificación, está diseñado de acuerdo con el concepto de reactor de lecho fijo down-draft o co-current en el cual el contenido orgánico de la biomasa, en forma de astillas de madera, se extrae y convierte en el denominado gas de síntesis o syngás por medio de un proceso de gasificación controlado con defecto de aire. Dentro del lecho descendente formado por la biomasa tienen lugar de forma discontinua, las 4 siguientes etapas: secado, pirólisis, combustión y reducción.

El flujo descendente de la biomasa en el reactor y el gas de síntesis generado crea el contacto adecuado entre el gas producido y el lecho de carbón caliente. Este fenómeno facilita un cracking eficiente de los alquitranes generados en la fase de pirólisis, dando como resultado un gas de síntesis mucho más limpio que en cualquier otra tecnología, como por ejemplo el proceso en lecho fluidificado. El gas producido, bajo en contenido de alquitranes, se somete a posterior tratamiento de separación de cenizas y condensación, ambos desarrollados y largamente experimentados por BEL en diferentes instalaciones.

El Gasificador CHP es un cuerpo construido en acero templado con algunas partes de acero inoxidable, está diseñado para combustible madera, convirtiendo el mismo en gas de bajo poder calorífico que, procesado en los motores de cogeneración, generará hasta 1.998 kWe.

El proceso está diseñado para convertir hasta 1.575 kg/h de madera en unos 4.200 Nm3/h de gas de síntesis a presión atmosférica y 40ºC de temperatura.

El gasificador no necesita ningún tipo de combustible auxiliar para su arranque y puesta en servicio, con tiempos no superiores a 15 minutos.

El reactor dispone de un sistema automático de parrilla para asegurar que todas las cenizas y residuos se puedan recoger de forma simple, vía tornillo sin fin, hasta un contenedor adecuado dispuesto al efecto. El sistema de actuación de la parrilla es neumático.

El gas producido en el gasificador (extremadamente bajo en contenido de alquitranes) es extraído a través de tuberías de acero inoxidable para pasar posteriormente a un filtro cerámico en caliente, enfriamiento con agua, eliminación de condensados y filtro final de sacrificio para eliminar cualquier tipo de partícula en suspensión que pueda arrastrar la corriente gaseosa.

4. Filtrado, limpieza y enfriamiento del gas

El gas inicialmente extraído de la zona de reacción del gasificador presenta partículas en suspensión. Estos contaminantes se separan primero en una unidad de filtro cerámico. En ella se inyecta gas producido para limpieza automática, vía la misma soplante de gas de proceso, para eliminar las partículas o, alternativamente, N2.

El gas producido presenta un alto contenido de humedad, por lo que es conducido posteriormente a un intercambiador tubular de gases agua donde se produce el enfriamiento primero y la posterior condensación del agua, que se elimina.

Mediante un enfriamiento posterior con aire aseguramos maximizar el poder calorífico del gas producido, resultando en:

  • Máxima densidad del gas a mínima temperatura.
  • Eliminación de un gran porcentaje de vapor de agua inerte presente en el gas.

La energía del gas es así optimizada, permitiendo un buen aprovechamiento en cada uno de los cilindros del motor de gas.

5. Monitorización de temperatura y composición del gas

El sistema de gasificación funciona de forma suave debido a una serie de controles de presión y temperatura que se monitorizan convenientemente en forma continua para actuar sobre el ventilador principal de gasificación, corrigiendo cualquier desviación.

La Planta está preparada para su funcionamiento automático y supervisión remota, vía línea telefónica. Para ello se dispone de los sistemas de control con PLC y sistemas de comunicación adecuados.

6. Motor  de gas pobre

Motores de gas en ciclo Otto de 333 kWe en bornes de generador, equipados, en cabina insonorizada, con nivel de atenuación de 70 dBA a 1 m y con intercambiadores para recuperación de calor (seis módulos completos de cogeneración). Estos equipos están preparados para el funcionamiento en paralelo con la red, disponiendo de las protecciones y aparellaje eléctrico adecuados.

Los conductos de escape de estos motores se reunirán en un colector común para el tratamiento de los gases de combustión. De este modo se instalará un catalizador que permita reducir las concentraciones de CO y NOx para cumplir con la normativa local ambiental (NOx = 90 mg/Nm3 ; CO = 650 mg/Nm3 ; ambos al 5% O2).

Posteriormente, los gases de combustión serán introducidos en una caldera de recuperación de agua caliente, con objeto de obtener el máximo rendimiento energético de la instalación.

Vídeo presentando el sistema de gasificaión de BEL