Gasificación de biomasa en un reactor de lecho fijo en equicorriente: un modelo de diagnóstico en tiempo real a partir de la composición del gas pobre

RESUMEN: Este artículo se centra en la técnica de diagnóstico utilizada en el Laboratorio de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad de Valladolid (España) en una planta piloto de gasificación de biomasa, con el fin de monitorear y almacenar las variables calculadas en tiempo real y de esta manera caracterizar el proceso. Esta técnica se desarrolla mediante el análisis de la composición del gas pobre y otras mediciones, tales como temperaturas locales y el flujo másico del gas pobre. Asumiendo algunas hipótesis simplificadas es posible calcular los principales parámetros que caracterizan la gasificación, tales como tasa de consumo de biomasa, dosado relativo de gasificación, eficiencia térmica, potencia térmica generada, etc. El objetivo de este trabajo es describir la técnica implementada y presentar su gran potencial de aplicabilidad, destacando su sencillez, fiabilidad y el bajo costo de la instrumentación utilizada.ABSTRACT: This article is focused on the diagnostic technique used in the Thermal Engines Laboratory of the University of Valladolid (Spain), to perform real time calculation, monitoring and recording of gasification physical variables, only from gas composition analysis and some other measurements such as local temperatures and gas flow rate. By assuming some simplifying hypothesis it is possible to calculate the main gasification parameters such as biomass consumption, air/fuel ratio, thermal efficiency, and generated thermal power. The aim of this work is to explain the technique implemented and to give an idea of the wide range of applications that it can have, underlining its simplicity, its reliability and the low costs of the equipment needed

Thermochemical equilibrium model of synthetic natural gas production from coal gasification using aspen plus

ABSTRACT: The production of synthetic or substitute natural gas (SNG) from coal is a process of interest in Colombia where the reserves-to-production ratio (R/P) for natural gas is expected to be between 7 and 10 years, while the R/P for coal is forecasted to be around 90 years. In this work, the process to produce SNG by means of coal-entrained flow gasifiers is modeled under thermochemical equilibrium with the Gibbs free energy approach. The model was developed using a complete and comprehensive Aspen Plus model. Two typical technologies used in entrained flow gasifiers such as coal dry and coal slurry are modeled and simulated. Emphasis is put on interactions between the fuel feeding technology and selected energy output parameters of coal-SNG process, that is, energy efficiencies, power, and SNG quality. It was found that coal rank does not significantly affect energy indicators such as cold gas, process, and global efficiencies. However, feeding technology clearly has an effect on the process due to the gasifying agent. Simulations results are compared against available technical data with good accuracy. Thus, the proposed model is considered as a versatile and useful computational tool to study and optimize the coal to SNG process

Physicochemical characterization of representative firewood species used for cooking in some colombian regions

ABSTRACT: Socioeconomic conditions and the main firewood species used for cooking in three Colombian regions are studied in this work. The species collected were Cordia alliodora, Guazuma ulmifolia, Eucalyptus grandis, and Pinus patula. The used patterns of biomass and socioeconomic conditions of the selected regions were defined by means of secondary information. Firewood was physicochemically characterized and the species are compared with fossil fuels with regard to emissions of CO2, energy density, and costs. The studied regions require solutions to use firewood in eco-efficient systems, since in these rural regions people use biomass as an energy source. Studied firewood species are suitable to be gasified in fixed bed reactors due to their high volatile matter content (>80%) and low ash content (<1.8%). Pinus patula is the one with the highest fuel value index, mainly due to its low ash content (0.4%). The firewood consumption in advanced stoves has environmental advantages resulting from its low CO2 emissions: a cubic meter of Eucalyptus could replace 113 liters of kerosene or 120 m3 of natural gas for cooking application

Efecto del rango de carbones colombianos y su tecnología de alimentación en la producción de gas natural sustituto, mediante gasificación en lecho arrastrado

RESUMEN: Presenta los resultados de un estudio del efecto del rango del carbón usado (desde subbituminoso hasta semiantracita) y de la tecnología de alimentación (seca o húmeda) sobre el proceso de producción de gas natural sustituto (GNS) en gasificadores de flujo arrastrado. Se analizaron diez carbones provenientes de importantes minas de Colombia. El proceso de producción de GNS a partir de gasificación de carbón se modeló bajo equilibrio termoquímico en Aspen Plus. El rendimiento del proceso se evaluó en términos de parámetros de salida, que incluyen el poder calórico del GNS, el índice de Wobbe, la eficiencia de conversión de carbón, la eficiencia en frío, la eficiencia del proceso, la eficiencia global y la tasa de producción de GNS, entre otros. En orden descendente, el proceso carbón-GNS mejora energéticamente con el uso de carbones con alta relación material volátil/carbón fijo, bajo contenido de ceniza, alta relación C+H/O y alto valor calórico del carbón. La eficiencia energética global para la producción de GNS vía gasificación es 17% mayor para la tecnología de alimentación en húmedo con respecto a la tecnología de alimentación en seco; esto posiblemente se da por la mayor concentración de CH4 en el syngas (alrededor del 7% vol.) cuando se usa alimentación en húmedo. El GNS simulado cumple los estándares de calidad de gas natural (GN) en Colombia; por lo tanto, el combustible gaseoso sustituto podría transportarse directamente por gasoductos. Por lo anterior, es técnicamente viable considerar el proceso carbón-GNS como una alternativa no convencional para la producción de GN.ABSTRACT: The effect of coal rank (from sub-bituminous to semi-anthracite) and type of fuel feeding technology (slurry and dry) on the production of substitute natural gas (SNG) in entrained flow gasifiers is studied. Ten coals from important Colombian mines were selected. The process is modeled under thermochemical equilibrium using Aspen Plus, and its performance is evaluated in function of output parameters that include SNG heating value, Wobbe index, coal conversion efficiency, cold gas efficiency, process efficiency, global efficiency, and SNG production rate, among others. In descending order, the coal-to-SNG process improves energetically with the use of coals with: higher volatile-matter to fixed-carbon ratio, lower ash content, higher C+H/O ratio, and higher coal heating value. The overall energy efficiency of the slurry-feed technology (S-FT) to produce SNG by gasification is 17% higher than the dry-feed technology (D-FT), possibly as a consequence of the higher CH4 concentration in the syngas (around 7 vol. %) when the coal is fed as aqueous slurry. As the simulated SNG meets the natural gas (NG) quality standards in Colombia, the substitute gaseous fuel could be directly transported through pipelines. Therefore, the coal-to-SNG process is a technically feasible and unconventional alternative for NG production

Kynetic study of the biomass devolatilization process in particles sizes between 2-19 mm by means of thermogravimetric analysis

RESUMEN: Con el objetivo de proporcionar herramientas que mejoren el diseño de los sistemas de gasificación/combustión de biomasa, y los modelos cinético-químicos de dichos procesos, se presenta un estudio de la cinética química asociada al proceso de devolatilización de biomasa mediante pruebas de termogravimetría utilizando tamaños de partícula que varían de 2 a 19 mm, y tasas de calentamiento de 10, 15 y 20 K/min. El desarrollo de este trabajo se justifica debido a que no hay resultados disponibles en la bibliografía que estudien tamaños superiores a 1 mm. Mediante el ajuste de los puntos experimentales utilizando un modelo de primer orden se determinan los parámetros de las constantes cinéticas (forma de Arrhenius). El estudio muestra que la energía de activación es directamente proporcional a la tasa de calentamiento y al tamaño de partícula, se comprueba que el proceso de descomposición térmica de la biomasa se da a temperaturas más altas con el aumento del tamaño de las partículas, debido a la importancia que toman los procesos de transferencia calor y masa. Los parámetros cinéticos calculados pueden ser utilizados en los modelos dimensionales del proceso de gasificación-combustión de biomasa, considerando el tamaño de las partículas intrínseco en la cinética.ABSTARCT: A chemical kinetic study of the biomass devolatilization process is presented looking for to improve the design of the biomass gasification-combustion systems and their kinetics (dimensional) models. The study is carried out by means of thermogravimetric tests, with biomass size between 2 – 19 mm, and with the heating rate of 10, 15 and 20 K/min. This work is developed because there are not available results on the literature with biomass size bigger than 1 mm. The experimental points are fitted by means of a first order model, to calculate the parameters of the kinetic constants (Arrhenius form). The activation energy is proportional to the heating rate and the biomass size. It can be seen that the thermal decomposition of the biomass is gotten at higher temperatures; due to the transports phenomena (heat and mass) are more relevant. The kinetic parameters calculated can be used in the biomass gasificationcombustion dimensional models, in function of the biomass size, to improve the simulation results

Decentralized power generation through biomass gasification: a technical – economic analysis and implications by reduction of CO2 emissions

RESUMEN: Este artículo presenta el análisis de prefactibilidad de dos proyectos de generación de electricidad a partir de biomasa (madera). El primero considera la madera cosechada para energía en un núcleo forestal con plantación de Pino (caso 1), y el segundo, biomasa residual de un núcleo con plantación de Teca (caso 2). La potencia eléctrica que puede ser producida de forma sostenible por el núcleo forestal es de 2,2 MWe para el Pino, y 1,0 MWe para la Teca. Considerando las potencias a generar, luego de una rigurosa búsqueda bibliográfica, se concluye que el método más apropiado para la generación de energía es el proceso termoquímico de gasificación acoplado a motores de combustión. Mediante un análisis técnico-económico se obtiene el costo de generación (USD/kWe-h) de cada una de las alternativas tecnológicas, concluyendo que las opciones de menor costo de generación están alrededor de 0,061 USD/kWe-h para 1,0 MWe, y 0,058 USD/kWe-h para 2,2 MWe, asumiendo que la biomasa no tiene costo de adquisición (0USD/ton). Este cálculo es considerado como la línea base para proyectos de generación de energía con biomasa en Colombia. El estudio se complementa con un análisis de aplicabilidad a proyectos MDL, donde la venta de Certificados de Emisiones Reducidas (CERs) reduciría el costo del kWe-h entre 0,003 y 0,01 USD/kWe-h, para los dos proyectos de generación. No obstante, no se podría asegurar ni el precio, ni la venta de los CERs, pues a la fecha no existe un instrumento que prorrogue el protocolo de Kioto, el cual comprende un primer período entre los años 2008 a 2012.ABSTRACT: projects with wood biomass. The first one considers a wood harvested for energy from a forest with pine plantation (case 1), and the second one, biomass residues from a teak plantation (case 2). Electric power that can be produced is 2.0 MWe for pine’s case, and 1.0 MWe for teak. Considering the power to generate and after a strict literature search and analysis, the most suitable electricity generation technology is thermo-chemical process of gasification coupled with combustion engines. Generation cost (USD/kWe-h) is calculated for each technological alternative with a technical-economic analysis, as result the lowest costs are approx. 0.061 USD/kWe-h for 1.0 MWe, and 0.058 USD/kWe-h for 2.2 MWe, assuming that biomass’ cost is zero (0 USD/ton). This is considered the baseline for electricity generation projects with biomass in Colombia. The research is complemented with a CDM projects applicability analysis, finding that the sale of Certified Emission Reductions (CERs) would reduce kWe-h cost between from 0.003 to 0.01 USD/kWe-h, in the studied power plants. However, neither the price neither the sale of CERs can be guarantee because there is not a tool to extend the Kyoto protocol, which comprises a first period between 2008 and 2012

Biomass gasification process: theoretical and experimental studies a review

RESUMEN: La situación energética y medioambiental mundial hace que la generación de energía mediante sistemas basados en energías renovables tome cada vez una mayor relevancia. Estos sistemas tienen una doble ventaja ya que posibilitan la diversificación energética y reducen la dependencia del petróleo a la vez que se disminuyen las emisiones globales de CO2 La biomasa es uno de los recursos energéticos con mayor potencial tanto en países desarrollados como emergentes pero sigue sin sufrir el desarrollo esperado. La gasificación de biomasa es uno de los sistemas con gran potencial ya que permite la generación tanto de energía térmica como eléctrica, mediante tecnologías de bajo costo como los gasificadores de lecho fijo (potencias medias – bajas), o reactores de lecho fluidizado con tecnología más exigente y con mayor capacidad de generación. La transformación de la biomasa en un combustible gaseoso, aprovechable en motores de combustión interna alternativos o en turbinas de gas como combustible, exige que la biomasa atraviese varios procesos termoquímicos, compuestos por reacciones endotérmicas (secado, devolatilización y reducción) y exotérmicas (oxidación de volátiles y carbón). La selección de un gasificador requiere conocer las propiedades de la biomasa, mientras que el diseño del mismo exige conocer el fenómeno termoquímico por completo. El objetivo de este trabajo es presentar una revisión actualizada de los diferentes planteamientos tanto teóricos como experimentales desarrollados para estudiar el proceso de gasificación de biomasa, tanto en lecho fijo como en lecho fluidizado, con miras a diseñar gasificadores de biomasa.ABSTRACT: Each day the energy systems relying on renewable resources are more relevant in the world energy politics due to the fossil energy and environmental crisis. These systems increase energy resources of countries, reduce the oil dependency, and diminish CO2 global emissions. Biomass is one of the renewable resources with higher potential in developing and developed countries. Biomass gasification has huge possibilities to be developed. Such as fixed bed gasifiers, or fluidized bed reactors with more technology demanding and more power capacity. Biomass transformation in a gaseous fuel to be used in a reciprocating internal combustion engine or gas turbines requires that biomass passes through several thermochemical stages. Endothermic reactions (drying, pyrolysis and reduction) and exothermic process (volatiles and carbon oxidation). To select a specific gasifier it is necessary to know biomass properties (chemical and physical), whereas to design a reactor it is necessary to know and understand the complete phenomena. The aim of this work is to show an actualized review about different theoretical and experimental approaches to study biomass gaification process in fixed and fluidized bed reactors in order to design biomass gasifiers

Integración de plantaciones forestales comerciales colombianas en conceptos de biorrefinería termoquímica: una revisión

The technical, energy, social and environmental benefits of the integration of commercial forest crops in Colombia under biorefinery concepts are evaluated. This concept is part of various programs and government policies that consider the energy use of biomass as an alternative source to the silvicultural potential of the country. In this paper we review some specific processes that can be evaluated as integration strategies with high potential to use the wood planted in Colombia under biorefinery concepts. The processes considered are low-middle power gasification, industrial scale gasification to high quality biofuel production, wood pretreatment to improve the solid biofuel and alternative methods for biochar production. Finally, we also review the value-added wood products market. To conclude we highlight the potential of Colombian forest in this industry, Through strategic alliances between universities, research centers and the forestry sector, more efficient and innovative development of new value-added products should be sought, taking advantage of the unexplored market opportunities in Colombia for bioenergy and bioproducts. This review aims to advance knowledge on the features and possible uses of forest species to produce bioenergy, biofuels, and bioproducts sustainably.La integración de las plantaciones forestales comerciales colombianas en conceptos de biorrefinería se justifica desde las perspectivas técnica, energética, social y ambiental; adicionalmente se enmarca dentro de diversos planes y políticas de gobierno que consideran el aprovechamiento energético de la biomasa como alternativa recursiva para el potencial silvicultural del país. En este trabajo se revisan algunos procesos específicos que pueden evaluarse como posibles estrategias de integración de la madera plantada en Colombia bajo el concepto de biorrefinería. Se abarcan procesos de gasificación de baja-media potencia, gasificación a escala industrial para producción de biocombustibles de alta calidad, procesos de mejoramiento de la madera como biocombustible sólido, y la producción de biocarbón mediante métodos alternativos; por último, se revisa el mercado potencial de productos forestales de valor agregado. A modo de conclusión se destaca el alto potencial forestal de Colombia, por tanto, la unión estratégica entre universidades, centros de investigación y el sector forestal debe buscar la eficiencia e innovar para ofrecer productos diferenciadores y con valor agregado, aprovechando la existencia de nichos de mercado prácticamente inexplorados en Colombia, como la bioenergía y los bioproductos. A ese punto se dirige esta revisión, pues es necesario avanzar en el conocimiento que se tiene de las características y posibles usos de algunas especies forestales que se cultivan en el país desde conceptos de biorrefinería para bioenergía, biocombustibles y bioproductos bajo una perspectiva de sostenibilidad

Dynamic and energy behavior of a bus fuelled with natural gas

RESUMEN: En este artículo se calculó la potencia teórica requerida por un vehículo para cuatro casos de funcionamiento (2 velocidades y dos pendientes diferentes) con la ayuda de la dinámica longitudinal. Mediciones experimentales del consumo instantáneo de combustible, en conjunto con las potencias teóricas permitieron hallar la eficiencia energética global de un bus con motor a gas natural. Al aumentar la pendiente de la carretera o aumentar la velocidad del bus, la eficiencia energética global se incrementó. La variación de la pendiente de 0 a 7% hizo cambiar la eficiencia de 25,4 a 27,6% mientras que el cambio de velocidad de 15 a 40 km/h hizo que la eficiencia pasara de 25,9 a 27,1%. Para los rangos seleccionados de velocidad y pendiente, la eficiencia presentó un incremento al aumentar velocidad y pendiente, siendo un poco mayor con la pendiente.ABSTRACT: In this paper the theoretical power of a vehicle under four operating conditions was calculated using longitudinal dynamics. Experimental measurements were carried out in order to find the specific fuel consumption under those operating conditions, in such a way that the global energy efficiency was obtained for a bus provided with natural gas engine. When the slope was changed from 0 to 7%, the efficiency varied from 25.4 to 27.6%; while the velocity change from 15 to 40 km/h, produced a change of 25.9 to 27.1% in energy efficiency. Both, velocity and slope produced an increase in energy efficiency when moved from low to high values. The slope has higher effect on efficiency than velocity

Wood gasification to obtain a syngas useful for biofuels and/or chemicals production

RESUMEN: En el presente trabajo se desarrolló un modelo en equilibrio que permite simular el proceso de producción de un syngas útil para la obtención de biocombustibles líquidos y/o productos químicos mediante gasificación en lecho arrastrado. El proceso fue modelado mediante el software Aspen Plus, considerando las etapas de pretratamiento y acondicionamiento de la biomasa (secado, torrefacción y molienda), gasificación en lecho arrastrado, limpieza y acondicionamiento del syngas producido, y ajuste de la relación H2/CO, adicionalmente se modela la Unidad de Separación de Aire (ASU) para la producción de oxígeno como agente gasificante. La validación del modelo se realizó a partir de datos experimentales reportados en la literatura, mediante el análisis de los errores relativos para las variables de interés: relación H2/CO, poder calorífico inferior (LHV, de sus siglas en inglés Lower Heating Value) y eficiencia en frío, obteniendo errores de 7,8%, 11,8% y 8,8%, respectivamente. Adicionalmente, se evaluó la sensibilidad del modelo para predecir el efecto de variables de proceso como la temperatura de torrefacción y la relación equivalente sobre las variables respuesta H2/CO y LHV, obteniendo con el modelo tendencias similares a las reportadas en la literatura bajo diferentes condiciones de operación, lo cual muestra que el modelo es sensible a cambios en los parámetros del proceso. Por tanto, se considera que el modelo desarrollado es una herramienta computacional útil para realizar análisis de sensibilidad en procesos de producción de biocombustibles líquidos y/o productos químicos a partir de gasificación de biomasa en lecho arrastradoABSTRACT: A model to simulate the entrained flow gasification process to produce a syngas useful in the synthesis of liquid biofuels and/or chemicals was developed. The model is simulated in Aspen Plus and includes the stages of: pretreatment and conditioning of biomass (drying, torrefaction and grinding), entrained flow gasification, cleaning and conditioning of syngas produced, adjustment of H2/CO relation, and an Air Separation Unit (ASU) for oxygen production as gasifying agent. The model validation was performed from experimental data reported in the literature, by analyzing the relative errors for the interest variables: H2/CO, lower heating value and cold gas efficiency, founding errors of 7.8%, 11.8% and 8.8% respectively. Additionally, the sensibility of the model to predict the effect of process variables as torrefaction temperature and equivalence ratio on response variables, showed similar tendencies to those found in the literature. Thus the model is considered a useful computational tool for sensitivity analysis of entrained flow gasification of biomass to produce liquid biofuels and/or chemicals