El aumento de las actividades antropogénicas, a raíz del desarrollo industrial y el crecimiento económico y demográfico, está provocando un cambio climático sin precedentes que se está traduciendo en un aumento de la temperatura media global del planeta. El principal causante de este calentamiento proviene de las emisiones de CO2 que, en el primer semestre de 2019, alcanzaron una concentración de 417,7 ppm frente a 278 ppm en 1750. El 70% de las emisiones de CO2 y del resto de gases de efecto invernadero, se derivan de la combustión de recursos fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural.
Existen varias estrategias para reducir las emisiones de CO2, entre las que se encuentran el fomento de las energías renovables y el cambio a combustibles bajos en carbono, el aumento de la eficacia energética o el desarrollo de tecnologías de captura, utilización y almacenamiento de CO2. Gracias a la implementación de nuevas políticas medioambientales, en 2018 las energías renovables han supuesto un 26% del crecimiento de la demanda energética mundial.
La biomasa es una de las principales fuentes renovables para la producción de energía, ya que es el recurso natural más abundante y presenta una serie de ventajas energéticas y medioambientales, como la neutralidad en las emisiones netas de CO2. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral consiste en la utilización de biomasa para la producción de gas de síntesis, mediante el proceso termoquímico de gasificación de biomasa con aire y vapor de agua. Para ello se ha trabajado con biomasas de diferente procedencia: biomasas forestales, agrícolas y residuos obtenidos a partir de la industria alimentaria. Teniendo en cuenta que una de las principales características de la biomasa es su heterogeneidad, se ha estudiado el efecto de someter las biomasas forestales a un tratamiento térmico de torrefacción, con el fin de mejorar sus propiedades de molienda y manejabilidad, e incluso una mayor densidad energética si se combina con un posterior peletizado.
La calidad del gas de síntesis, así como los restantes productos obtenidos en el proceso de gasificación, va a depender de las condiciones de operación. En este trabajo se ha estudiado la influencia de diferentes variables, en la cantidad y composición de las principales corrientes obtenidas en un gasificador de lecho fluidizado, como son la fracción gaseosa (gas de síntesis) y la fracción sólida (char).
El aumento de temperatura favorece la producción de la corriente gaseosa, sin embargo, el rendimiento y composición del gas de síntesis (syngas) va a depender de la composición del agente oxidante. Así, mientras el uso de aire aumenta la cantidad de gas, el empleo de vapor como agente gasificante incrementa su poder calorífico. Por ello, en este trabajo se ha intentado buscar un compromiso entre ambos objetivos.
Atendiendo a la fracción carbonosa, se ha realizado un estudio termogravimétrico de los chares de las diferentes biomasas para evaluar la reactividad de cada uno de ellos. Se ha observado que la cantidad y composición de la materia inorgánica presente en las cenizas, presenta una gran influencia en el comportamiento reactivo de cada biomasa. Por ello, además de evaluar el efecto de las condiciones de operación en la producción de gas de síntesis, también se ha evaluado el efecto que ejerce la composición y propiedades de cada biomasa, sobre la calidad del producto gaseoso y sobre el proceso global.
Asimismo, atendiendo a la complejidad que caracteriza un proceso de gasificación, en la presente memoria también se ha empleado el simulador Aspen Plus®, para predecir el equilibrio termodinámico del proceso, y su comparación con los resultados experimentales obtenidos en la planta piloto de gasificación.
The increase in anthropogenic activities, as a result of industrial development, economic and demographic growth, is causing a climate change that is more noticeable today than ever before, thus leading to an increase in the global average temperature. The main factor causing the current climate change is the increase in CO2 emissions, which during the first half of 2019 reached 417.7 ppm compared to a concentration of 278 ppm in 1750. 70% of CO2 and other greenhouse gas emissions come from the combustion of fossil fuels such as coal, oil and natural gas.
There are several strategies to mitigate CO2 emissions, such as the promotion of renewable energy, the replacement of fossil fuels by low-carbon fuels, the improvement of energy efficiency or the deployment of carbon capture and storage technologies. Thanks to the establishment of new environmental policies, renewable energies accounted for 26% of the global energy demand growth.
Biomass is one of the main renewable sources for energy production since it is the most abundant natural resource and presents energy and environmental advantages, such as neutrality in net CO2 emissions. The main objective of this PhD dissertation is the use of biomass for the production of synthesis gas through the thermochemical process of gasification using air and steam as gasifying agents. For this purpose, several biomass samples of different origins, including woody biomass, forest, and food industry wastes were tested. One of the main biomass features is its heterogeneity; therefore, the effect of biomass thermal treatment at low temperature (torrefaction) has been studied to improve biomass handling and grinding properties, and also to increase its energetic density when combined with a pelletization process.
Syngas quality, as well as the other products resultant of gasification, will depend on the operation conditions. In this work, the influence of different variables on the quantity and composition of the main product streams (syngas and char) obtained in a bubbling fluidized bed gasifier was studied.
The increase in temperature favors the gas production, however, both the yield and composition of the syngas will depend on the composition of the gasifying agent. Thus, whilst the use of air increases the amount of gas, using steam as the gasifying agent increases its calorific value. For this reason, a tradeoff between both objectives has been pursued in this work.
Regarding the carbonaceous fraction, a thermogravimetric study of the chars from different biomasses has been carried out to determine their reactivities towards steam. It has been observed that the quantity and quality of the inorganic matter present in the ashes have a great influence on the reactive behavior of each biomass. Therefore, the influence of biomass properties and composition on the quality of the gaseous product and the overall process has also been evaluated.
Besides, two equilibrium models, stoichiometric and non-stoichiometric, have been developed using Aspen Plus® software to predict the steady-state performance of biomass gasification. The models have been validated with the experimental data obtained in the fluidized bed gasification plant.
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