An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004

 

Gasificación de fangos de depuradora en lecho fluidizado: influencia de la temperatura y de la relación estequiométrica

 

 

J.J. Manyà^I; A. Gonzalo^I; J.L. Sánchez^I; J. Arauzo^I; J.D. Rocha^{II, IV}; J.M. Mesa Pérez^{III, IV}

^IGrupo de Procesos Termoquímicos (GPT). Instituto de Investigación de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, España
^IINúcleo Interdisicplinar de Planejamento Energético, NIPE/UNICAMP, Campinas, SP, Brasil
^IIIFaculdade de Engenharia Agrícola, FEAGRI/UNICAMP
^IVBioware Tecnologia, www.bioware.com.br, Campinas, SP, Brasil

 

 

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RESUMEN

Mediante una instalación de lecho fluidizado a escala de laboratorio, se han llevado a cabo experimentos de gasificación de lodos de depuradora de aguas residuales. Estos lodos han sido sometidos, previamente, a un proceso de digestión anaerobia seguido de un proceso de secado térmico.
Para cada experimento, se ha determinado la calidad del gas generado y la producción de alquitranes. Las variables de proceso que se han estudiado han sido dos: la temperatura y la relación estequiométrica.
Estas dos variables explican las variaciones sufridas por la composición del gas. Sin embargo, los resultados relativos a la producción de alquitranes no han seguido una evolución esperada.

Palabras Clave: Gasificación, lecho fluidizado, fangos de depuradora, alquitranes.

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ABSTRACT

The gasification of a dry granular sewage sludge has been experimentally studied. The gasification was carried out in a bench scale BFB facility, operated at steady state.
The attention was focused on the presence of tar in the produced gas which affect the process efficiency and give negative drawbacks in the utilization in motors.
The influence of two operating variables (bed temperature and equivalence ratio) on the gasification performances has been explored. Results show that the composition of produced gas is quite dependent of the variables analyzed. However, the results of tar yield show an unexpected behaviour.

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1. Introducción

Los lodos activos, o fangos, constituyen un residuo generado en el tratamiento de aguas residuales de procedencia urbana o industrial. La tasa de generación de estos residuos va a incrementar, según previsiones en el ámbito de la Unión Europea (UE), hasta 10 Mt/año (Werther y Ogada, 1999).

Hasta la fecha, las vías principales de eliminación y/o gestión de lodos han sido las siguientes: aplicaciones en tierras de cultivo, deposición controlada en vertederos, incineración y vertido al mar. En la figura 1 se muestra una estimación de la evolución de las distintas alternativas de gestión de los lodos para la UE hasta el 2005 (Werther y Ogada, 1999).

 

 

La aplicación en tierras de cultivo (agricultura) es una alternativa problemática debido a la acumulación de metales pesados y fosfatos (Unión Europea, 1991). Por otro lado, la deposición controlada es la vía de gestión menos sostenible y debe considerarse como la ópción última a aplicar.

Las vías alternativas de tratamiento comprenden procesos termoquímicos de índole diversa. Estos procesos transforman la materia orgánica de los lodos. De este modo, se consigue una reducción muy importante del volumen de residuo (se reduce a la materia inorgánica presente) además de la posibilidad de generar combustibles almacenables.

En el presente trabajo, se han realizado pruebas de gasificación en lecho fluidizado (soportado con arena) con fangos procedentes de una estación depuradora de aguas residuales de la provincia de Madrid (España). Estos lodos han sido sometidos, previamente, a un proceso de digestión anaerobia y de secado térmico posterior.

Los experimentos de gasificación se han realizado a diferentes condiciones de temperatura del lecho (750, 800 y 850ºC) y relación estequiométrica de aire (25 y 30%). Los parámetros más significativos evaluados han sido: producción y composición del gas producto, generación de alquitranes y rendimiento energético térmico del proceso.

 

2. Metodología Experimental

2.1. Instalación experimental

Los experimentos se han llevado a cabo en una planta a escala de laboratorio. El reactor de lecho fluidizado (Bubbling Fluidized Bed) ha operado a presión atmosférica, con un sistema de eliminación en continuo de cenizas y con alimentación en continuo de sólido (fango y arena en proporción 100/20) y aire. Asimismo, se ha equipado la planta con un sistema de limpieza de gases. La figura 2 muestra un diagrama de la instalación experimental.

El reactor -de acero refractario (ANSI 310)- tiene un diámetro interior de 38,1 mm y una altura de 800 mm. Mediante un tubo (de 13,1 mm de diámetro interior) soldado al cuerpo del reactor, se alimenta la biomasa en continuo. El tubo anteriormente citado se refrigera con aire para evitar que se produzca descomposición térmica del sólido en la zona de alimentación. La altura del lecho se mantiene en 150 mm durante el experimento gracias a un tubo soldado interior (de 13,1 mm de diámetro interior) que actúa de rebosadero.

El calentamiento del reactor se lleva a cabo mediante la acción de tres resistencias eléctricas situadas, respectivamente, en la zona del lecho, en la zona del ciclón y, por último, en la zona del freeboard.

La alimentación de los lodos se realiza a través de un sistema de tornillo sinfín accionado por un motor de frecuencia variable, que permite ajustar el flujo de sólido introducido. Por otro lado, la acción de un controlador de flujo másico permite ajustar en todo momento el flujo de aire. Este flujo de aire se introduce por dos zonas: un 66% del caudal se introduce directamente en el lecho, mientras que el 33% restante se inyecta en la zona de alimentación de sólido para ayudar a éste a entrar en el lecho.

El gas producido, una vez ha pasado por el ciclón para retener el arrastre de finos, entra en el sistema de limpieza. En una primera fase, el gas atraviesa los dos condensadores, donde se retienen el agua y los alquitranes generados. A continuación, el gas pasa por un filtro de algodón donde se retiene la niebla de pequeñas gotas de alquitranes condensados.

Una parte del gas generado se deriva a un analizador en línea de CO/CO₂ para tener referencia de la marcha del proceso de gasificación. La producción total de gas se mide mediante un totalizador de gases

Finamente, la determinación analítica de la composición del gas se realiza en un cromatógrafo de gases portátil (Agilent 3000A micro GC) que opera en línea. El dispositivo permite realizar un análisis total del gas (CO₂, C₂H₄, C₂H₆, C₂H₂, H₂S, H₂, O₂, N₂, CH₄ y CO) con una frecuencia de 4 minutos.

La duración de los experimentos ha sido de, aproximadamente, 45 minutos.

2. 2. Cuantificación de los alquitranes

Los alquitranes generados en cada experimento se cuantifican siguiendo la metodología detallada a continuación.

a) Filtro de algodón

La diferencia de pesada en el filtro de algodón entre antes y después del ensayo permite cuantificar los alquitranes retenidos en él.

b) Condensadores

Al final del experimento, se pesan los condensadores para saber el valor de agua más alquitranes generados. Con el objetivo de restar el contenido de agua, se limpian los condensadores con isopropanol y, a continuación, se realiza una valoración de Karl-Fischer para cuantificar el agua retenida.

2. 3. Características de los lodos empleados

En la tabla 1, se muestran los resultados de los análisis realizados en el Instituto de Carboquímica del CSIC (Zaragoza, España).

 

 

El lodo se recibió en forma granular, con un diámetro medio de aproximadamente 7-8 mm. Para la realización de los experimentos, el lodo se trituró y se tamizó hasta la obtención de un tamaño de partícula situado entre 250 y 500 μm.

 

3. Experimentos Realizados

Como ya se ha comentado anteriormente, los experimentos se han realizado variando dos variables que, a priori, condicionan el proceso: la temperatura y la relación estequiométrica (λ).

Para determinar la cantidad de aire necesario para lograr una combustión estequiométrica de la materia prima, sólo se han considerado los contenidos de C, H y S. Este parámetro se ha cuantificado en 3,313 l_{(c. n.)} por gramo de lodo. De este modo, el flujo volumétrico de aire se puede determinar mediante la expresión siguiente:

Donde Q_aire es el flujo de aire en l_{(c. n.)}/min y Q_fango es el flujo de fango alimentado en g/min.

En todos los experimentos, se han introducido inicialmente 50 gramos de arena para configurar el lecho fluidizado inicial. Por lo que se refiere al sólido alimentado en continuo, por cada 100 g de lodo, se introducen 20 g de arena. La tabla 2 presenta, a modo de resumen, los resultados obtenidos en los experimentos llevados a cabo.

 

 

La tabla muestra, para cada experimento, el valor experimental de λ, los flujos de fango y aire, la composición media del gas (en base seca), la generación de gas por masa de biomasa alimentada (Y_gas), el valor del poder calorífico inferior del gas generado (PCI), el rendimiento energético del proceso referido a la relación de poderes caloríficos del gas y de la biomasa (η) y, finalmente, el valor del porcentaje de carbono de los lodos convertido a gas (Y_carbono).

La tabla 2 ilustra también la distribución de productos obtenida experimentalmente. Idealmente, los valores de la última fila de la tabla deberían ser 100. Las discrepancias obtenidas con respecto a este valor ideal deben atribuirse al error experimental inherente al cierre del balance.

 

4. Discusión de los Resultados Obtenidos

En líneas generales, los resultados experimentales confirman la posibilidad, mediante la tecnología de gasificación en lecho fluidizado, de generar un gas pobre a partir de lodos secados provenientes de un proceso de digestión anaerobia.

La calidad del gas generado depende, como era de prever, de las variables analizadas: temperatura del lecho y relación estequiométrica. La figura 3 muestra la evolución del PCI del gas en función de las variables anteriormente citadas.

 

 

A la temperatura de 850ºC, el efecto de la relación estequiométrica ejerce mayor influencia en el PCI que a temperaturas más bajas.

Por lo que se refiere a la producción específica (Y_gas), el valor máximo se obtiene a 850ºC para λ=30 (1,14 m³_{(c. n.)}/kg). Este valor es coherente con los obtenidos en trabajos previos en lecho fluidizado con madera (Li y cols. 2004, Gil y cols. 1999, Pan y cols. 2000).

En lo referente a la producción de char, se han obtenido valores idénticos para totalidad de los experimentos (42,1% del fango alimentado). Este valor coincide prácticamente con el contenido de cenizas de la muestra de lodos recibida (ver resultados del análisis inmediato en la tabla 2). Podemos afirmar, en consecuencia, que las condiciones de reacción no son propicias para la generación de residuo carbonoso. La poca presencia de reacciones de charring (reacciones secundarias de descomposición térmica) suele asociarse a producciones elevadas de alquitranes (Pan y cols. 2000, Miccio y cols. 1999).

Sin lugar a dudas, el aspecto más negativo de los resultados experimentales es la elevada generación de alquitranes. Los valores obtenidos son muy parecidos a los publicados por Adegoroye y cols. (2004) para muestras de fangos secos en lecho fluidizado.

La figura 4 muestra los resultados de la producción de alquitranes referida en porcentaje de fango alimentado.

 

 

Los resultados muestran la disminución lógica de la producción de alquitranes con el aumento de la temperatura. Sin embargo, para temperaturas inferiores a 850ºC, se ha advierte un comportamiento inesperado: un aumento de alquitranes directamente proporcional a la relación estequiométrica.

Este resultado, en apariencia contradictorio, puede justificarse en la influencia que puedan ejercer otras variables.

Desde un punto de vista de operatividad experimental, la variación de λ se lleva a cabo variando el caudal de sólido alimentado. De este modo, la velocidad en el lecho, referida al agente gasificante, se mantiene invariable en un valor determinado (8 veces la velocidad mínima de fluidización, determinada esta última mediante las correlaciones de Grace y de Wen y Yu).

Las variaciones del caudal de sólido para ajustar el valor de λ influyen en el tiempo de residencia de las partículas, en la hidrodinámica del lecho y en la cantidad de cenizas depositadas en el lecho de arena. Este último factor puede ser decisivo según varios autores (Miccio y cols. 1999, Adegoroye y cols. 2004). La gran cantidad de materia inorgánica presente en la muestra puede desempeñar un papel destacado en la reducción de alquitranes gracias al efecto catalítico de muchos de sus cationes (calcio y potasio principalmente).

 

5. Conclusiones

Se ha llevado a cabo una serie experimental inicial de gasificación de fangos en lecho fluidizado a escala de laboratorio.

Los resultados obtenidos han evidenciado la influencia que ejercen la temperatura y la relación estequiométrica en el proceso de gasificación. Sin embargo, no son las únicas variables decisivas que intervienen en el proceso. La hidrodinámica del lecho, el tiempo de residencia del sólido, la altura del lecho son algunos ejemplos de variables que deben tenerse en consideración en los estudios de sensibilidad paramétrica a realizar en un futuro inmediato.

Otro aspecto que debe abordarse de inmediato es el referente a los elevados índices de producción de alquitranes. En este contexto, cabe decir que se están llevando a cabo experimentos con catalizadores (primarios y secundarios) para evaluar la reducción en la producción de alquitranes.

 

Agradecimientos

J.J.M. agradece al Ministerio de Educación y Ciencia el soporte económico a través de una beca postdoctoral concedida por la Secretaría de Estado para Educación y Universidades y cofinanciada por el Fondo Social Europeo. Los autores de Brasil agradecen a la FAPESP (Proc. # 98/15448-5 01/10841-5 y 01/08152-7).

 

Referencias

[1] J. WERTHER, T. OGADA; Sewage sludge combustion; Progress in Energy and Combustion Science; 25; pp. 55-116; 1999.

[2] EUROPEAN UNION; Urban Waste Water Treatment; Directiva del Consejo de la UE 91/271/EEC de 21 Mayo de 1991.

[3] P.M. LY, Z.H. XIONG, J. CHANG, C.Z. WU, Y. CHEN, J.X. ZHU; An experimental study on biomass air-steam gasification in a fluidized bed; Bioresource Technology; en prensa; 2004.

[4] J. Gil, J. CORELLA, M.P. AZNAR, M.A. CABALLERO; Biomass gasification in atmospheric and bubbling fluidized bed: Effect of the type of gasifying agent on the product distribution; Biomass and Bioenergy; 17; pp. 389-403; 1999.

[5] Y. G. PAN, E. VELO, X. ROCA, J.J. MANYÁ, L. PUIGJANER; Fluidized-bed co-gasification of residual biomass/poor coals blends for fuel gas production; Fuel; 17; pp. 1317-1326; 2000.

[6] F. MICCIO, O. MOERSCH, H. SPLIETHOFF, K.R.G. HEIN; Gasification of two Biomass Fuels in Bubbling Fluidized Bed; Proceedings of the 15th International Conference on Fluidized Bed Combustión; Savanah (EEUU); Mayo; 1999.

[7] A. ADEGOROYE, N. PATERSON, X. LI, T. MORGAN, A.A. HEROD, D.R. DUGWELL, R. KANDIYOTI; The characterisation of tars produced during the gasification of sewage sludge in a spouted bed reactor; Fuel; en prensa; 2004.