Gasificación de lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas (EDAR)

Andrés Almeida, Juan Manuel de (2010). Gasificación de lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas (EDAR). Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Gasificación de lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas (EDAR)
Autor/es:
  • Andrés Almeida, Juan Manuel de
Director/es:
  • Rodríguez Hurtado, María de la Encarnación
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2010
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La gasificación de lodos de depuradora consiste en la conversión termoquímica del lodo en presencia de un agente gasificante, generalmente aire, oxígeno o vapor de agua, bajo condiciones subestequiométricas. Mediante gasificación se transforma el residuo en un gas limpio y combustible con múltiples aplicaciones, además de alquitranes y un residuo carbonoso denominado char. En la presente Tesis Doctoral se ha estudiado el comportamiento de la gasificación de lodos de depuradora en una planta de gasificación de lecho fluido burbujeante a escala de laboratorio bajo distintas condiciones de gasificación. Para ello, se han modificado el ratio equivalente (cociente entre el aire introducido y el aire estequiométrico, ER) entre 0,2 y 0,4, la temperatura entre 750ºC y 850ºC, la velocidad de fluidificación (velocidad superficial del aire a la entrada del lecho del gasificador) entre 3 y 6 veces la velocidad mínima de fluidificación (umf) y la altura del lecho entre 100 mm y 200 mm. Adicionalmente, se ha analizado el efecto del agente gasificante en los productos de la gasificación y en la composición de los gases. Para ello, se han utilizado dos agentes gasificantes diferentes, aire y mezcla de aire-vapor de agua, modificando el ratio vapor-biomasa (relación entre la cantidad de vapor de agua y de lodo libre de humedad y cenizas introducidas en el gasificador, SB) hasta valores de 0, 0,5 y 1. Uno de los principales problemas a solucionar en la gasificación de lodos de depuradora es la formación de alquitranes. La producción de alquitranes se puede reducir optimizando las condiciones de operación pero, normalmente, si se quiere obtener gases con la calidad suficiente para ser utilizados en la mayoría de aplicaciones es necesario el uso de catalizadores. En la presente Tesis Doctoral se han realizado ensayos para conocer la actividad de distintos catalizadores en la destrucción de alquitranes y su efecto sobre los productos de la gasificación y composición de los gases. Los catalizadores utilizados han sido olivina ((Mg,Fe)2SiO4), alúmina (óxido de aluminio hidroxilado) y dolomía (CaCO3MgCO3). En estos ensayos se ha mantenido constante el ratio equivalente (ER=0,3) y se ha modificado la temperatura entre 750-850ºC y el ratio vapor-biomasa entre 0, 0,5 y 1. Además de estos experimentos, se han determinado las características físicas y químicas de los lodos a partir de técnicas y normas aceptadas a nivel internacional (Una Norma Española, UNE). Se ha investigado el efecto del nitrógeno, aire y mezclas N2-aire en la conversión térmica del lodo de depuradora mediante análisis termogravimétricos utilizando distintas velocidades de calentamiento y masa de muestra. Existen tres zonas principales de pérdida de peso centradas alrededor de 300ºC, 560ºC y 675ºC. Se han determinado los parámetros cinéticos (energía de activación aparente, Ea y factor preexponencial, kO) para cada una de estas zonas. Con anterioridad a los ensayos de gasificación en continuo, se han realizado un conjunto de experimentos discontinuos en un reactor de cuarzo para conocer la distribución de los productos bajo diferentes condiciones de temperatura (400-900ºC), atmósfera de reacción (nitrógeno, aire, mezclas de N2-aire y de N2-vapor) y “tiempo de activación” (definido como el periodo de tiempo durante el cual se mantiene constante la máxima temperatura). El residuo carbonoso de estos ensayos se molió y tamizó (500 μm) para utilizarlo en ensayos de adsorción con azul de metileno como adsorbato. La capacidad de adsorción del char se comparó con la capacidad de adsorción de dos carbonos activos comerciales (PWX y PAX) y del lodo sin tratar térmicamente. Abstract Sewage sludge gasification consist in the thermochemical conversion of sewage sludge under substoichiometric conditions of an oxidant agent, usually air, oxygen or water vapour. Sewage sludge gasification converts this solid waste into combustible-clean gas, tars and a carbonaceous material, usually referred to as “char”. The performance of dried sewage sludge gasification in a bubbling fluidized-bed laboratory-scale plant under different gasification conditions is studied in this Ph. D. Thesis. The equivalence ratio (ratio of actual to stoichiometric air flow rate, ER) was varied from 0,2 to 0,4, temperature from 750ºC to 850ºC, fluidizing velocity (superficial gas velocity at the inlet of the gasifier bed) from 3 to 6 times the minimun fluidizing velocity (umf) and bed height from 100 mm to 200 mm. In adittion, the effect on product distribution and gas composition depending on the gasifying agent used in the process is analyzed. For this purpose, two different gasifying agents were used, air and air-steam mixtures, with alternative steam-to-biomass ratios (ratio of steam to sewage sludge, dry and ash free, flow rates, SB) of 0, 0.5 and 1. How to deal with the tars produced during the process is one of the mayor issues in gasification of sewage sludge. Tar production can be reduced by optimizing operation conditions but, usually, catalysts are required to produce clean gas useful for most of applications. A serie of tests were conducted to gain knowledge of the performance of three different catalysts in tar reduction, product distribution and gas composition. The catalysts used were olivine ((Mg,Fe)2SiO4), alumina (nonequilibrium forms of partially hydroxylated aluminium oxide) and dolomite (CaCO3MgCO3). Temperature was varied from 750ºC to 850ºC and steamto- biomass ratio from 0 to 1, for a constant value of equivalence ratio (ER=0.3), Besides these experiments, physical and chemical analyses of sewage sludge were carried out following internationally accepted techniques and standards (UNE Standards). The effect of nitrogen, air and nitrogen-air mixtures on the termal conversion of sewage sludge was investigated by means of thermogravimetric analysis using different heating rates and mass of sewage sludge. Major thermal losses occured in three stages, centered around 300ºC, 560ºC and 675ºC. Kinetic parameters (apparent activation energies, Ea and preexponential factors, kO) were estimated for each of these three stages. Previously to the continuos gasification tests, a set of discontinuous experiments were undertaken in a quartz gasifier to find out the product distribution under different gasification conditions of temperature (400- 900ºC), reaction environment (nitrogen, air, mixtures N2-air and N2-steam) and “time of activation” (defined as the timespan in which the maximum temperature is kept constant). The carbonaceous waste of these experiments (char) were crushed and sieved (500 μm) and used in adsorption tests with methylene blue as adsorbate. The adsorption capacity of char, two comercial activated carbons (PWX and PAX) and untreated sewage sludge was compared.

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ID de Registro: 3388
Identificador DC: http://oa.upm.es/3388/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:3388
Depositado por: Archivo Digital UPM
Depositado el: 17 Jun 2010 15:50
Ultima Modificación: 20 Abr 2016 12:55
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