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CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
Página 39
CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN
EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL
1.1.1.1. MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PLANTA PILOTO
En este apartado se va a proceder a la descripción de la planta piloto, en la cual,
se llevan a cabo las experiencias de gasificación de biomasa.
Posteriormente, se van a describir cada uno de los equipos que están
implantados en dicha planta piloto y su ubicación dentro de la misma.
1.1.1.1.1.1.1.1. UBICACIÓNUBICACIÓNUBICACIÓNUBICACIÓN DE LA PLANTA PILOTODE LA PLANTA PILOTODE LA PLANTA PILOTODE LA PLANTA PILOTO
La planta piloto está ubicada en el edificio de laboratorios de la Escuela
Superior de Ingenieros de Sevilla, situada en la Isla de la Cartuja; concretamente en la
planta baja del ala L5, destinada al Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.
Dicha planta piloto ya ha sido explicada con anterioridad en el Proyecto Fin de
Carrera de Juan Carlos Vázquez; por lo que se va a proceder a indicar, simplemente,
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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las características de los equipos que están actualmente siendo utilizados para los
experimentos llevados a cabo y las modificaciones de ubicación de algunos de los
equipos.
1.2. LÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASESLÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASESLÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASESLÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE GASES
Figura 7: Figura 7: Figura 7: Figura 7: Esquema de la línea de alimentación de gases
Reactor de
lecho fluido
Horno eléctrico
de vapor
Bomba
peristáltica
Depósito de
agua
R
Rotámetro de
Entrada de aire
Manorreductor
de aire de entrada
Línea de aire
a alta presión
Controlador
másico de N2
Controlador
másico de CO2
Controlador
másico de H2
Instalación de
suministro de N2
Bombona de N2
Bombona de N2
auxiliar
Bombona de CO2
Bombona de H2
Bombona de CO
Línea de aire
a alta presión
L=0,94 m L=0,91 m
L(tub)=0,8 m
L(horno)=0,6 m
Cable calefactor 1
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1.2.1.1.2.1.1.2.1.1.2.1. BombonasBombonasBombonasBombonas
ImagenImagenImagenImagen 1: 1: 1: 1: Bombonas de gas
• Bombona de nitrógeno (N2): proporcionada por la empresa
Carburos Metálicos. Las características son las siguientes:
Número: 3 bombonas, de las cuales, 2 están colocadas en la
instalación de suministro de nitrógeno a la línea de alimentación y 1
está de reserva.
Presión de carga: 200 bar a 15 ºC
Capacidad: 50,5 L
Pureza: 99,9992 %
• Bombona de dióxido de carbono (CO2): proporcionada por la
empresa Carburos Metálicos. Las características son las siguientes:
Número: 1 bombona
Presión de carga: 49,5 bar a 15 ºC
Capacidad: 50,3 L
Pureza: 99,99 %
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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• Bombona de hidrógeno (H2): proporcionada por la empresa
Carburos Metálicos. Las características son las siguientes:
Número: 1 bombona
Presión de carga: 200 bar a 15 ºC
Capacidad: 50 L
Pureza: 99,995 %
• Bombona de monóxido de carbono (CO): proporcionada por la
empresa Air Liquid. Las características son las siguientes:
Número: 1 bombona
Presión de carga: 200 bar a 15 ºC
Capacidad: 50 L
Pureza: 99,997 %
1.2.2.1.2.2.1.2.2.1.2.2. Manorreductor con regulación de presión para nitrógenoManorreductor con regulación de presión para nitrógenoManorreductor con regulación de presión para nitrógenoManorreductor con regulación de presión para nitrógeno
Ambas bombonas de nitrógenos están conectadas a un sistema de
manorreductores que nos permiten bajar su presión antes de que llegue al
Mass-Flow. Estos manorreductores están construidos en material de acero
inoxidable y sus rangos de presión y utilidades son los siguientes:
o Primer manorreductor: 0-300 bar. Indica la presión que tiene la
bombona de nitrógeno que se esté utilizando en ese momento.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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o Segundo manorreductor: 0-16 bar. Indica la presión a la que se
encuentra la línea aguas arriba de la válvula situada tras el primer
manorreductor.
o Tercer manorreductor: 0-4 bar. Indica la presión a la que se
encuentra la línea aguas arriba de la válvula situada tras el segundo
manorreductor, es decir, la presión a la que el gas va a llegar al
mass-flow. Dicha presión debería de ser un valor ligeramente
superior a 2 bar
.
ImagenImagenImagenImagen 2: 2: 2: 2: Manorreductor de nitrógeno
1.2.2.1. Mass-flow
Un mass-flow es un equipo que, a través de un software informático
instalado en el ordenador, nos permite introducir en el reactor un caudal
concreto de cada uno de los gases que compongan la alimentación al
reactor en cada una de las pruebas.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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ImagenImagenImagenImagen 3: 3: 3: 3: Mass-flow
Los tres mass-flow que están instalados actualmente en la
planta piloto son de la marca BRONKHORST y las especificaciones de cada
uno de ellos son las siguientes:
o Canal 2: es el mass-flow diseñado para controlar el caudal de
hidrógeno.
Modelo:
Caudal máximo: 10 Nl/min de hidrógeno
Fluid 1: H2
Fluid 4: CO cuyo caudal máximo es de 9,909 Nl/min
o Canal 3: es el mass-flow diseñado para controlar el caudal de
nitrógeno.
Modelo:
Caudal máximo: 50 Nl/min de nitrógeno
Fluid 1: N2
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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o Canal 4: es el mass-flow diseñado para controlar el caudal de
dióxido de carbono.
Modelo:
Caudal máximo: 20 Nl/min
Fluid 1: CO2
Fluid 4: CO
1.2.3.1.2.3.1.2.3.1.2.3. Manorreductor de aireManorreductor de aireManorreductor de aireManorreductor de aire
Se requiere de un manorreductor en la línea de aire comprimido debido
a que dicho fluido proviene del compresor exterior al ala L5 y es suministrado
a una presión de 6 bares.
Se trata de un solo manorreductor cuya función es bajar la presión de 6
bares a, aproximadamente, 1,3 bares.
Características:
o Marca: Joucomatic
o Rango: 0-10 bares
o Tiene instalado un filtro previo al manorreductor, ya que la línea de
aire comprimido normalmente trae una cantidad de agua no
despreciable. Con este filtro se trata de evitar la corrosión del
manorreductor por condensación de agua.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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1.2.4.1.2.4.1.2.4.1.2.4. Rotámetro de aireRotámetro de aireRotámetro de aireRotámetro de aire
o Tipo: horizontal con escala sobre tubo
o Material piezas de unión: acero inoxidable 316
o Material tubo: vidrio borosilicatado
o Material flotador: acero inoxidable 316
o Rango de caudal: 0-40 Nl/min
o Presión diseño : 1 bar
o Temperatura diseño: 25 ºC
1.2.5.1.2.5.1.2.5.1.2.5. Bomba peristáltica Bomba peristáltica Bomba peristáltica Bomba peristáltica
La bomba peristáltica tiene la función de dar el caudal de agua
requerido en cada prueba, tomando dicho fluido de un depósito situado a una
cota superior para evitar que se produzca el descebado de la bomba. El caudal
de agua a dosificar se modifica a través de un control de velocidad escalado
que se encuentra en la parte delantera del equipo, dicho control tiene un rango
de 1-99%.
ImagenImagenImagenImagen 4: 4: 4: 4: Bomba peristáltica
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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Las características de la bomba son las siguientes:
o Marca: DINKO Modelo D-25V
o Fluido: agua destilada y desionizada
o Temperatura de trabajo: temperatura ambiente
o Material tubos: silicona
o Diámetro del tubo interior: 1,6 mm
o Altura que da la bomba: 1 bar
o Alimentación monofásica a 220 V
o Curva de calibración:
1.2.6.1.2.6.1.2.6.1.2.6. Horno vapor Horno vapor Horno vapor Horno vapor
Imagen 5: Imagen 5: Imagen 5: Imagen 5: Horno eléctrico de vapor
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Se trata de un horno tubular de la marca Carbolite
Dimensiones exteriores horno:
Ancho= 300 mm
Alto= 350 mm
Longitud= 600 mm
Dimensiones interiores horno:
Diámetro= 65 mm
Longitud= 600 mm
Tubo interior: acero inoxidable con un diámetro de 1”.
Temperatura máxima= 1000 º C
Potencia= 3000W
Termopar tipo K conectado a un PID que es el que controla la
temperatura del horno
Calorifugado con un refractario de tipo fibra cerámica
Elemento calefactor: hilo resistivo
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1.2.7.1.2.7.1.2.7.1.2.7. Cables calefactoresCables calefactoresCables calefactoresCables calefactores
o Cable 1: Cable que calorifuga, enrollándolo de forma helicoidal, la
tubería de 1“ que viene del horno de vapor desde la salida del mismo
hasta el codo que se encuentra justo antes de la brida del
precalentador.
Las características son las siguientes:
Marca: HORST
Temperatura máxima: 450 ºC
Longitud: 1 m
Potencia: 100 W a 230 V
o Cable 2: Cable que calorifuga, enrollándolo de forma helicoidal,
desde el codo, a través de la brida, hasta que la línea del
precalentador entra en el horno del reactor. Este cable comienza
justo donde termina el anterior.
Las características son las siguientes:
Marca: HORST
Temperatura máxima: 450 º C
Longitud: 2 m
Potencia: 250 W a 230 V
1.3. REACTOR DE LECHO FLUIDO REACTOR DE LECHO FLUIDO REACTOR DE LECHO FLUIDO REACTOR DE LECHO FLUIDO
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1.3.1.1.3.1.1.3.1.1.3.1. Reactor lecho fluido Reactor lecho fluido Reactor lecho fluido Reactor lecho fluido
El reactor de lecho fluido está construido en acero inoxidable AISI 316,
es un nuevo reactor que ha sido instalado en diciembre de 2012 y sus
dimensiones son aproximadamente iguales que las del reactor anteriormente
instalado en la planta piloto. Este reactor está constituido por tres zonas
diferenciadas: zona de calentamiento, zona del lecho y zona del freeboard.
o Zona de calentamiento
En esta zona se encuentra el distribuidor de gases y, al final del
mismo, el plato distribuidor.
El distribuidor, para un número determinado de pruebas, tenía en su
interior chinos de forma irregular, con un diámetro medio de 5 mm,
hasta una altura aproximada de 70 mm. Para poder sostener estos
chinos se ha colocado una tela metálica de luz de malla de 2 mm en la
parte inferior del precalentador y una tela metálica de luz de malla
menor a 250 �m, cuya función es retener los finos que puedan caer a
través del plato, procedentes de la zona de lecho. Posteriormente, hubo
que retirar dichos chinos porque, debido a las altas temperaturas que se
alcanzan en el horno del reactor, se apelmazaron pegándose unos a
otros y ello provocó una elevada pérdida de carga en la línea de entrada
de gases.
El precalentador tiene las siguientes dimensiones:
Diámetro= 31 mm
Longitud=123 mm
El plato distribuidor de gas tiene las siguientes características:
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Plato perforado
Diámetro 135 mm
Espesor de 4mm
21 agujeros de 0,75 mm de diámetro
o Zona del lecho
Características:
Diámetro= 53 mm
Longitud=200 mm
o Zona del freeboard
Al final de la zona de lecho se produce un ensanchamiento de 50
mm de longitud, a partir del cual, se localiza la zona de freeboard.
Características:
Diámetro= 81 mm
Longitud= 250 mm
1.3.2.1.3.2.1.3.2.1.3.2. Horno del reactor Horno del reactor Horno del reactor Horno del reactor
El reactor requiere de un horno para calorifugar las tres zonas
anteriormente definidas.
Las características del horno son las siguientes:
Marca: Termolab
Tipo: horno vertical de forma tubular
Alimentación: 400V/50 Hz
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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Potencia: 10 KW repartidas en 2 zonas de 6 resistencias cada
una
Temperatura máxima: 1000 ºC
Dimensiones:
Longitud= 650 mm
Diámetro= 90 mm
El horno se controla a través de un cuadro eléctrico con 2 PID. El
control de temperatura se lleva a cabo por 2 termopares de tipo K insertados en
la zona de freeboard y del lecho. Además dicho cuadro de control tiene función
programadora para mantener el set point establecido.
Imagen 6: Imagen 6: Imagen 6: Imagen 6: PID´s de control de temperatura en el reactor
1.3.3.1.3.3.1.3.3.1.3.3. Descarga de cenizas Descarga de cenizas Descarga de cenizas Descarga de cenizas
El reactor tiene dos tubos roscados que permiten la descarga de las
partículas más finas del lecho fluidificado. Dichas partículas discurren por un
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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tubo de 12 mm de diámetro hasta depositarse en un depósito, antes del cual, se
encuentra una válvula de bola de bola.
Las dimensiones del depósito de recogida de cenizas son las siguientes:
Material: acero AISI 310
Diámetro= 71 mm
Longitud= 70 mm
Espesor= 1 mm
1.3.4.1.3.4.1.3.4.1.3.4. Tolva de alimentación Tolva de alimentación Tolva de alimentación Tolva de alimentación
Se utiliza para la alimentación en discontinuo al reactor. Está fabricada
en acero 316 L y unida al reactor a través de una brida del mismo material.
Consta de: un tapón roscado, 2 válvulas de bola de 1 “ y 2 tolvas, una
tolva colocada justo antes de cada válvula.
1.4. LÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTOLÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTOLÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTOLÍNEA DE SALIDA DE GASES Y ACONDICIONAMIENTO
Como puede observarse en la `Figura 9´ hay dos configuraciones posibles para
la línea de salida de gases. Así los gases pueden dirigirse al depósito anti retorno o
hacia el portafiltros.
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En todas las pruebas llevadas a cabo para la obtención de los datos
experimentales expresados en este Proyecto Fin de Carrera, los gases han pasado por el
depósito anti retorno y los borboteadores de aceite.
La configuración alternativa expresada en la siguiente figura, se utiliza cuando
se realizan pruebas en las que se hace necesaria la recogida de alquitranes. Por
ejemplo, en los ensayos experimentales con lodos de depuradora.
Figura Figura Figura Figura 9999: : : : Esquema de la línea de salida de gases
1.4.1.1.4.1.1.4.1.1.4.1. Ciclón Ciclón Ciclón Ciclón
Se requiere de dicho equipo para que se depositen las partículas que
hayan sido arrastradas del lecho y vayan por la línea de salida de gas.
Reactor Lecho Fluido
Ciclón
Depósito Cenizas
Depósito Antiretorno
Borboteadores Aceite Torre Refrigeración
Baño Refrigeración
Exterior
Filtro
Analizador
Portafiltros
Tren Muestreo
Tren Limpieza
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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Imagen 7: Imagen 7: Imagen 7: Imagen 7: Ciclón y depósito de recogida de partículas
Tiene las siguientes características:
Material: acero inoxidable 316
Dimensiones:
Longitud= 117 mm
Diámetro= 112 mm
Espesor= 3 mm
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Figura 10: Figura 10: Figura 10: Figura 10: Plano del ciclón
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1.4.2.1.4.2.1.4.2.1.4.2. Depósito Depósito Depósito Depósito anti retornoanti retornoanti retornoanti retorno
Su función es retener el aceite que pueda retroceder de los
borboteadores de aceite y que dicho fluido no llegue al ciclón ni al reactor.
En el caso de que se produzca un desequilibrio de presiones en el
sistema y el gas pudiese circular en sentido contrario, es decir, hacia el reactor
de nuevo, las condensaciones y aceite, que acompañen a dicho gas, quedan en
este depósito antirretorno.
Se trata de un depósito cilíndrico fabricado en acero inoxidable AISI
316.
Imagen 8: Imagen 8: Imagen 8: Imagen 8: Depósito anti retorno
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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Tiene las siguientes dimensiones:
Longitud=310 mm
Diámetro = 58 mm
Espesor pared= 2 mm
Volumen interior= 2,29 * 10 -3 m2
1.4.3.1.4.3.1.4.3.1.4.3. Borboteadores aceiteBorboteadores aceiteBorboteadores aceiteBorboteadores aceite
Su función es retener los alquitranes que acompañan al gas de
combustión. En el interior de cada borboteador hay, aproximadamente, 2,5
litros de aceite de girasol comercial. Cada borboteador tiene una válvula de
bola de 1” en su parte inferior, para facilitar la descarga del aceite usado, en la
operación de limpieza del borboteador.
Imagen 9: Imagen 9: Imagen 9: Imagen 9: Borboteador de aceite
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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Actualmente, en el laboratorio se dispone de tres borboteadores de
aceite, dos en uso y uno de reserva. El hecho de que tan sólo haya 2 en la línea
de salida de gases es para reducir la pérdida de carga.
Además, el primero de los borboteadores por los que pasa el gas, tiene
un serpentín interior para refrigeración. Esto se debe a que el aceite puede
alcanzar temperaturas elevadas durante pruebas de larga duración. El
refrigerante utilizado puede ser agua u otro compuesto.
Las características son las siguientes:
Número de borboteadores: 2
Dimensiones:
Longitud= 360 mm
Diámetro= 120 mm
1.4.4.1.4.4.1.4.4.1.4.4. Torre de refrigeraciónTorre de refrigeraciónTorre de refrigeraciónTorre de refrigeración
Debido a las exigencias de pureza con las que ha de llegar el gas de
combustión al analizador de gases, situado al final de la línea, se requiere de
una torre de refrigeración donde puedan condensar las impurezas y el vapor
de agua que aún sigan acompañando al gas de combustión. Las condensaciones
son recogidas en un recipiente esférico conectado a la base de la torre.
La torre tiene un serpentín interior por el que circula el refrigerante,
que proviene del baño térmico. Dicho refrigerante está compuesto por dos
sustancias al 50%: etilenglicol puro y etanol.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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Imagen 10: Imagen 10: Imagen 10: Imagen 10: Torre de refrigeración
Las características de la torre son las siguientes:
Material: vidrio
Forma: cilíndrica
Dimensiones:
Longitud= 600 mm
Diámetro= 45 mm
1.4.5.1.4.5.1.4.5.1.4.5. Filtro Filtro Filtro Filtro
El filtro ha de retener las partículas que acompañan tan sólo al gas de
combustión que va al analizador de gases; ya que si todo el gas de combustión
pasase por dicho filtro, este se obstruiría más frecuentemente, lo que sería
demasiado caro. Además, ha de tener la capacidad de retener la humedad y los
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
Página 62
alquitranes no eliminados en los equipos anteriores. El filtro se encuentra
ubicado en el interior de un portafiltros de acero inoxidable.
Las características son las siguientes:
Marca: Whatman
Material: microfibra de vidrio
Temperatura máxima: 500 ºC
Dimensiones:
Longitud= 90 mm
Diámetro= 19 mm
1.4.6.1.4.6.1.4.6.1.4.6. Analizador de gases Analizador de gases Analizador de gases Analizador de gases
Este equipo es el encargado, como bien indica su nombre, de analizar el
gas de combustión obtenido en la reacción que se da en el reactor de lecho
fluido. Los datos obtenidos del analizador se pueden visualizar en un
ordenador, pasando previamente los mismos por una tarjeta de adquisición de
datos para convertirlos a valores legibles por el usuario. Finalmente, se requiere
de la instalación de un software en el ordenador para la lectura de los datos de
salida de la tarjeta de adquisición.
El equipo realiza el análisis por las técnicas de: infrarrojo no dispersivo
(NDIR) y ultravioleta no dispersivo (NDUV).
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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El equipo tiene los siguientes módulos de análisis:
Ultramat: mide la concentración de CO, CO2 y CH4
Oxymat: mide la concentración de O2
Calomat: mide la concentración de H2
Las características son las siguientes:
Marca: Siemens
Caudal máximo a analizar: 3,5-4 l/min
Imagen 11: Imagen 11: Imagen 11: Imagen 11: Analizador de gases (Módulos Ultramat, Oxymat y Calomat)
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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1.4.7.1.4.7.1.4.7.1.4.7. Cromatógrafo de gasesCromatógrafo de gasesCromatógrafo de gasesCromatógrafo de gases
Imagen 12: Imagen 12: Imagen 12: Imagen 12: Cromatógrafo de gases
Es un detector que, por conductividad térmica, analiza el gas de
combustión obtenido en el reactor. El gas inyectado al equipo se puede obtener
de dos formas:
o Realizando extracciones, con jeringas de acero inoxidable, en la
línea de salida del filtro.
o El equipo realiza extracciones en continuo directamente de la línea
que llega al analizador de gases.
El cromatógrafo es de la marca Agilent y el modelo 3000 micro GC.
1.4.8. Configuraciones de la línea de salidaConfiguraciones de la línea de salidaConfiguraciones de la línea de salidaConfiguraciones de la línea de salida
Ha de explicarse que dependiendo de la etapa del proceso y el gas de
fluidización, el gas de salida del reactor pasa por unos equipos u otros.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
Página 65
En primer lugar, en las pruebas en las que el vapor está presente en el
gas de fluidización, se distinguen dos configuraciones. En la etapa de pirólisis y
combustión, el gas de salida pasa por los borboteadores de aceite, cuya función
es la retención de alquitranes. Sin embargo, en la etapa de gasificación, el gas
no pasa por dichos borboteadores y pasa por un borboteador, refrigerado con
hielo, que contiene agua destilada. Esto se debe a que en esta etapa no se
producen alquitranes; además, si se hiciese pasar el gas por los borboteadores
de aceite, el vapor arrastrado condensaría en los mismos.
En segundo lugar, en aquellas pruebas que no haya vapor, tenemos
igualmente dos configuraciones. En la etapa de pirólisis y combustión, la
configuración es igual a la descrita en las pruebas con vapor. Sin embargo, en
la etapa de gasificación el gas de salida del reactor no pasa por los
borboteadores de aceite, ni por ningún otro borboteador. Así pasaría
directamente desde el depósito anti retorno hacia la torre de refrigeración.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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2. DESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADASDESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADASDESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADASDESCRIPCION DE LAS PRUEBAS REALIZADAS
2.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En primer lugar, el reactor de lecho fluido en el que han sido realizadas todas
las pruebas ha de calentarse hasta una determinada temperatura. Este calentamiento
se lleva a cabo controlando la temperatura a partir de dos PID´s instalados en la zona
de freeboard y en la zona de lecho. El gas de fluidización utilizado es aire y el lecho
está compuesto por, aproximadamente, 300 gramos de bauxita, material inerte, con
una granulometría de 0,25-0,5 mm.
Una vez el reactor está a la temperatura exacta a la que se va a realizar el
ensayo, se deja de alimentar aire y se empieza a alimentar N2. Una vez el oxígeno se ha
eliminado por completo del sistema, se alimenta una cantidad determinada de biomasa
al reactor, de forma discontinua
La biomasa se somete a las tres etapas, ya descritas en otro capítulo anterior:
pirolisis, gasificación y combustión.
• Pirólisis: Pirólisis: Pirólisis: Pirólisis: la velocidad de fluidización es, aproximadamente en todas
las pruebas, de 0,5 m/s. En la etapa de pirolisis, la partícula de
combustible disminuye, aproximadamente, un 20 % su volumen. El
tiempo de pirolisis viene determinado por el tiempo que el
monóxido y dióxido de carbono tardan en llegar de nuevo a un
valor cercano a 0 en el gas de salida.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
Página 67
• Gasificación:Gasificación:Gasificación:Gasificación: en esta etapa ha de indicarse que no se ha podido
realizar la gasificación completa, debido a que según la temperatura
y el gas de fluidización, esto puede tardar un tiempo elevado. Así se
decide gasificar un tiempo concreto, según la temperatura de la
prueba que se esté realizando, de forma que no hay que esperar
hasta que la concentración de monóxido de carbono esté cercana a
cero. El gas de fluidización en gasificación se compone de distintos
componentes (N2, CO2, H20, CO, H2) y proporciones según el ensayo
que esté llevándose a cabo.
• Combustión: Combustión: Combustión: Combustión: en esta etapa el gas de fluidización es aire con un
caudal, aproximado, de 10 Nm3/h. La función de la etapa de
combustión es quemar el char que ha quedado en el reactor tras la
gasificación.
2.2.2.2.2.2.2.2. MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS MÉTODO DE OBTENCIÓN DE DATOS
El método se basa en conocer la cantidad de char que queda en el reactor tras
un determinado tiempo de gasificación. La forma de cuantificar, aproximadamente,
dicha cantidad es registrando las concentraciones de los productos de gasificación y
combustión; ya que a partir de las concentraciones se pueden calcular cuántos moles
de char se están gasificando en cada momento, es decir, se puede obtener la velocidad
de reacción a diferentes estados de conversión.
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
Página 68
En el laboratorio se dispone de un micro cromatógrafo, equipo que permite
medir la concentración de hidrógeno exacto sin interferencias. El problema es que
dicho equipo trabaja en discontinuo y toma medidas cada 3-4 segundos.
En un número determinado de pruebas, se ha utilizado dicho cromatógrafo
para analizar los gases de combustión. Las medidas fueron tomadas con jeringas de
acero inoxidable cada 20-30 segundos. Es necesario tomarlas así para salvar el
problema expuesto anteriormente, ya que los datos más importantes transcurren
durante los tres primeros minutos.
En estas pruebas se mantuvo la gasificación durante un determinado período
de tiempo y durante la combustión se tomaron medidas, para ser analizadas con el
cromatógrafo. Así puede determinarse la cantidad de char que queda en el reactor tras
la etapa de gasificación. Este método se emplea para comprobar que los resultados
obtenidos con el cromatógrafo son iguales a los obtenidos con el analizador de gases;
de forma que puede decirse que los resultados obtenidos con ambos métodos son
válidos.
2.3. CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LOS ENSAYOS
Las pruebas que se han llevado a cabo para la obtención de datos y posterior
estudio cinético de los mismos, han sido bajo las condiciones de operación descritas a
continuación, las cuales han sido desarrolladas en el artículo de S. Nilsson y otros1.
Los ensayos se han realizado a cinco temperaturas distintas: 760, 800, 840 y
900 ºC. La cantidad de biomasa utilizada ha estado comprendida entre 3 y 8 gramos,
dependiendo de la temperatura de la prueba. La velocidad superficial del gas ha sido,
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL
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aproximadamente, en todas las pruebas de 0,5 m/s. La biomasa alimentada tenía un
tamaño comprendido entre los dos siguientes rangos: 1-2,8 mm y 2,8-4 mm.
Cada uno de los ensayos realizados se han repetido dos veces para evitar
errores en los resultado obtenido, los cuales, son una media de ambos ensayos.
En la etapa de gasificación el gas de fluidización ha tenido distintas
composiciones según la prueba a realizar:
o N2 + H2O (presiones parciales de 0,20; 0,30 y 0,40 bar)
o N2 + CO2 (presiones parciales de 0,10; 0,20 y 0,40 bar)
o N2 + CO2 (0,20 bar)+ CO (0,10 bar)
o N2 + H2O (0,20 bar) + H2 (0,10 bar)
o N2 + CO2 (0,20 y 0,40 bar) + H2O (0,20 bar)
Habría de tenerse en cuenta que la presión total en el lecho del reactor era la
atmosférica para todos los experimentos.
2.4. TRATAMIENTO PREVIO DEL TRATAMIENTO PREVIO DEL TRATAMIENTO PREVIO DEL TRATAMIENTO PREVIO DEL MATERIALMATERIALMATERIALMATERIAL
El material utilizado en estas pruebas es poda de olivo, el cual es generado en
las labores de limpieza del olivar tras la recogida de la cosecha.
En principio, se alimentaron al reactor pellets de 1 gramo, los cuales son
realizados manualmente a partir de la poda de olivo molida, de la que se dispone.
Dichos pellets tienen unas medidas de 10 mm de diámetro y 15 mm de longitud.
Debido a la gran cantidad de pellets necesarios para la realización de las
pruebas diarias y considerando el tiempo que se pierde en la producción de los
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mismos, se opta por fabricar 5 kg de pellets en una peletizadora, con unas
dimensiones aproximadas de 6 mm de diámetro y entre 10 y 30 mm de longitud.
Tras la recepción de estos pellets, se utilizan los de un tamaño comprendido
entre 10 y 15 mm para las pruebas, lo cual se debe a la limitación impuesta por la
tolva de alimentación al reactor.
Con posterioridad, el tamaño de estos pellets ha tenido que ser reducido en un
molino y, al no obtenerse un tamaño homogéneo, han tenido que ser clasificados
haciéndolos pasar por tamices moleculares de: 1, 2.8, 4 y 5 mm. Esto se debe a que la
velocidad de gasificación se ve afectada por los efectos de difusión interna, que se
observan en las partículas más grandes, en el rango de temperaturas estudiado.
Los rangos de tamaños obtenidos son los siguientes:
• 5-4 mm
• 4-2,8 mm
• 2,8-1 mm
• <1 mm
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3. TRATAMIENTO DE DATOSTRATAMIENTO DE DATOSTRATAMIENTO DE DATOSTRATAMIENTO DE DATOS
Hay dos formas generales de expresar la reactividad3:
� = − 1�� −�� ∗
�(� −��)��
�� = − 1��� −�� ∗
�(� −��)��
La expresión del grado de conversión puede definirse3,6:
� = 1 − �� −����� −�� = (�� −�)
��
� �� : masa de char antes de comenzar la gasificación
� �� : masa de cenizas o masa de biomasa que queda tras la gasificación
� �: masa de char en un tiempo t
A partir del grado de conversión pueden relacionarse ambas expresiones de
reactividad:
�� = � ∗ (1 − �)
3.1. DETERMIDETERMIDETERMIDETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA NACIÓN DE LA CINÉTICA NACIÓN DE LA CINÉTICA NACIÓN DE LA CINÉTICA
En principio, han de determinarse los efectos que tienen la temperatura y la
presión parcial de CO2 y H2O en la velocidad de gasificación del char para una
conversión del 20 %. La cinética de Langmuir-Hinshelwood es la elegida:
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Reacción con CO2:
� = ������1 +������ + �����
Reacción con H2O:
� = ������1 +������ + �����
Para ello se llevan a cabo ensayos con CO2-N2 y H20-N2, lo que nos permite
determinar los valores de k1 y k2, a partir de la ecuación de Arrhenius expresada en el
capítulo anterior. Esto se debe a que las concentraciones de CO y H2, respectivamente,
en el reactor son bajas. Así puede suponerse que �����≈0 y �����≈0.
Los valores de k3 se obtienen a partir de los datos de los ensayos con mezclas de
dióxido y monóxido de carbono y vapor de agua e hidrógeno. Estas pruebas se llevan a
cabo a 760, 800 y 840 para la gasificación con CO2 y a 800, 840 y 900 para la
reacción con H206.
El modelo cinético empírico de orden `n´ ha sido empleado para caracterizar el
efecto del estado de conversión. Esto se debe a que es un modelo sencillo que
representa bien las velocidades de conversión para conversiones comprendidas entre
0,5-1. La velocidad de conversión puede ser expresada6:
� = ��(1 − �)�
� ��: velocidad de conversión para x=0
La velocidad de reacción a bajas conversiones se ve afectada por un período
transitorio generado antes de que el gas rodee a la partícula de char alcanzando el
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estado estacionario. Esto provoca que los resultados obtenidos a bajar conversiones
sean inciertos6.
Para el tratamiento de los resultados experimentales y las conclusiones
obtenidas a partir de ellos, que se exponen en este proyecto se ha empleado una
conversión del 20 % como referencia para obtener la cinética de gasificación. Así este
modelo queda de la siguiente forma:
� = ��� 1(1 − 0.20)� (1 − �)�
3.2. OBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROOBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROOBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROOBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROSSSS CINÉTICOS CINÉTICOS CINÉTICOS CINÉTICOS
Para determinar la cinética de gasificación hay que hallar experimentalmente
los valores de los parámetros que engloban k1, k2 y k3, cuya expresión tiene forma de
ecuación de Arrhenius. Estos parámetros pueden obtenerse mediante distintos
métodos, los cuales se expresan a continuación.
3.2.1.3.2.1.3.2.1.3.2.1. Método 1Método 1Método 1Método 1
En este método6, para calcular los valores de los parámetros cinéticos k1
y k2 se realizan las pruebas con H2O y CO2 por separado, para obtener la
reactividad para ambas reacciones. Así con los valores de reactividad, a un
grado de conversión determinado, y las presiones parciales de dichos
compuestos en el gas de fluidización, por regresión lineal pueden ser
calculados Ei y Ai. Al tener estos dos últimos parámetros y conocer la
temperatura a la que se ha llevado a cabo el ensayo, puede obtenerse
fácilmente los valores de los parámetros cinéticos k1 y k2.
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Para calcular el valor de k3, el gas de fluidización ha de contener CO2 y
CO o H2O y H2. Al igual que lo descrito anteriormente, con el valor obtenido de
la reactividad y la presión parcial de ambos gases, se calculan los valores de Ei y
Ai. Así ya puede obtenerse el valor del parámetro cinético k3.
3.2.2. Método 2 Método 2 Método 2 Método 2
El objetivo de este método7 es obtener, para cada prueba experimental,
el tiempo necesario para alcanzar un 90 % de conversión de char. La relación
entre dicho tiempo y los parámetros cinéticos es la siguiente:
� � = ! 1(1 − �) ∗ "(�) �� = 1
� !1
(1 − �) ∗ #(�) ���.
�
�.
�
En primer lugar, se realizan experiencias solo con N2 y CO2 o H2O,
siendo la presión parcial del reactivo baja y constante. Los datos obtenidos se
ajustan a una recta por mínimos cuadrados, de forma que se obtiene A1 y E1.
A continuación, las pruebas experimentales son las mismas, pero la
presión parcial del reactivo ha de ser alta y constante. Se procede de igual
forma a lo descrito anteriormente con los datos obtenidos y se calcula A2 y E2.
Por último, los ensayos se realizan con inerte N2, reactivo CO2 o H2O e
inhibidor H2 o CO. Con los resultados obtenidos en estas últimas experiencias
puede ajustarse la ecuación a una curva, con la forma de la expresión de t90,
obteniéndose A3 y E3.
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3.2.3. Método 3 Método 3 Método 3 Método 3
En este caso8, la determinación de k1, k2 y k3, para cada temperatura, se
obtiene por regresión lineal multivariable, a partir de la siguiente ecuación
lineal:
1"$� =
���� +
1��%��� +
��%����%���
Una vez obtenidos dichos parámetros, los valores de energía de
activación (E1, E2 y E3) y los valores de los factores de frecuencia (A1, A2 y A3),
se calculan mediante una regresión no lineal aplicada a la ecuación de
Arrhenius correspondiente a cada parámetro.
�& = '& exp(−+&/"-)
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4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES RESULTADOS Y CONCLUSIONES RESULTADOS Y CONCLUSIONES RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En primer lugar, se han realizado pruebas, con partículas de tamaño medio de
3,2 y 1,9 mm, a 900 ºC. Los ensayos se llevaron a cabo para la reacción con gas de
fluidización de vapor de agua y nitrógeno, ya que esta reacción es, aproximadamente,
tres veces más rápida que la reacción con dióxido de carbono. Los datos obtenidos
son6:
o Para pH2O=0,20 bar y tamaño medio de partícula de 3,2 mm, la
velocidad de reacción, para una conversión de 0,20, es 5,5*10-3 s-1
o Para pH2O=0,20 bar y tamaño medio de partícula de 1,9 mm, la
velocidad de reacción, para una conversión de 0,20, es 6,6*10-3 s-1
En estos resultados se pueden observar los efectos de difusión entre ambos
tamaños de partículas. Así pues, se decide realizar las siguientes pruebas con el menor
tamaño de partícula y en el rango de temperaturas de 760-840 º C; de las cuales se
obtiene la cinética intrínseca, según el método desarrollado en el apartado anterior.
4.1. COMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECACOMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECACOMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECACOMO AFECTAN LAS VARIABLES A LA CINÉTICA INTRÍNSECA
4.1.1. ComposiciónComposiciónComposiciónComposición del gas y temperaturadel gas y temperaturadel gas y temperaturadel gas y temperatura
Se han realizado pruebas con CO2-N2 y H2O-N2 a distintas
temperaturas y presiones parciales de los gases para determinar su influencia
en la velocidad de gasificación. Los resultados obtenidos de los ensayos han
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concluido que la reacción con vapor de agua es del orden de 3-4 veces más
rápida6.
Se han llevado a cabo experimentos con CO2-CO-N2 y H2O- H2-N2
para determinar los efectos de inhibición en ambas velocidades de reacción. Se
ha observado que dichos efectos no pueden ser despreciados y, además, se
observa que la inhibición en más importante a bajas temperaturas; lo que
concuerda con los resultados mostrados por otros investigadores2,3,4,5.
4.1.2. Estado de conversión del charEstado de conversión del charEstado de conversión del charEstado de conversión del char
Se ha observado que el orden de reacción `n´ para la composición de
gas de fluidización H2O-N2 varía con la temperatura; mientras que es,
prácticamente, constante e igual a 1,4 para la reacción con CO26. Además, ha
de indicarse, que según los resultados obtenidos, la influencia de la presión
parcial en el gas de alimentación al reactor no afecta al orden de reacción.
4.1.3. Comprobación de efectos difusionalesComprobación de efectos difusionalesComprobación de efectos difusionalesComprobación de efectos difusionales
Para determinar la influencia de las limitaciones de difusión en la
gasificación se estima el valor de la velocidad de reacción intrínseca a 900 º C.
Los resultados se muestran a continuación6:
o Para pCO2=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una conversión
de 20%, es 3,3*10-3 s-1
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o Para pH2O=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una conversión
de 20%, es 8,5*10-3 s-1
Experimentalmente, se realizaron pruebas con las mismas condiciones
de operación pero a 900 º C y se obtuvieron los siguientes datos6:
o Para pCO2=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una
conversión de 20%, es 2,8*10-3 s-1
o Para pH2O=0,20 bar, la velocidad de reacción, para una
conversión de 20%, es 6,6*10-3 s-1
A la vista de los resultados obtenidos puede decirse que las limitaciones
de difusión afectan a la velocidad de reacción con H20 a 900 º C. Así, la
decisión tomada de obtener la cinética intrínseca en un rango de temperaturas
menor, puede considerarse como correcta.
Sin embargo, los resultados obtenidos con el gas de fluidización H2O- H2-N2 no
se ven afectados por las limitaciones de transferencia de masa, debido a que la
velocidad de reacción, en este caso, es menor por los efectos de inhibición.
4.1.4. Gasificación simultánea, COGasificación simultánea, COGasificación simultánea, COGasificación simultánea, CO2222 y Hy Hy Hy H2222OOOO
Se han llevado a cabo ensayos con pCO2=0,20/0,40 bar y pH2O=0,20 bar
a distintos tiempos de gasificación en el rango de temperaturas 760-840 º C. Se
han comparado la suma de las velocidades individuales de reacción con las
velocidades de reacción obtenidas experimentalmente en estos ensayos. Al
observarse la similitud de la comparativa, se puede asumir que la suma de las
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velocidades de reacción individuales se asemeja, considerablemente, a los
resultados experimentales obtenidos6.
4.2. CONCLUSIONES CONCLUSIONES CONCLUSIONES CONCLUSIONES
Se ha estudiado la velocidad de gasificación de char de poda de olivo en un
reactor de lecho fluido, en el rango de temperaturas de 760-900 º C. El gas de
alimentación utilizado en las pruebas tenía distintas composiciones de CO2, CO, H2O y
H2.
La cinética de Langmuir-Hinshelwood ha sido obtenida en un rango más bajo
de temperaturas, entre 760-840 º C, para un tamaño de partícula de 1,9 mm. La
aplicación de estas condiciones al estudio experimental se debe a las limitaciones de
transferencia de masa que son más significativas a mayores temperaturas y tamaños y
de partículas.
Se ha comprobado experimentalmente que los efectos de inhibición, tanto de
CO como de H2O, son importantes a tener en cuenta y que la velocidad de gasificación
simultánea con CO2 y H2O puede ser aproximadamente igual a la suma de las
velocidades individuales de gasificación.
En futuros proyectos, podría estudiarse la gasificación simultánea con CO2,
H2O, H2 y CO. Dichos experimentos estaban previstos que fuesen realizados en este
proyecto; pero varios factores, como una cantidad insuficiente de poda de olivo y el
reducido número de manorreductores disponibles, no han permitido que se puedan
llevar a cabo.
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5. REFERENCIASREFERENCIASREFERENCIASREFERENCIAS
1- S. Nilsson, A. Gómez-Barea, D. Fuentes-Cano, M. Campoy, 2012.
GASIFICATION OF CHAR FROM OLIVE TREE PRUNING IN FLUIDIZED BED
2- C. Di Blasi, 2009. COMBUSTION AND GASIFICATION RATES OF
LIGNOCELLULLOSIC CHARS
3- M.Barrio, B. Gobel, H. Rimes, U. Henriksen, J.E. Hustad, L.H. Sorensen, 2008.
STEAM GASIFICATION OF WOOD CHAR AND THE EFFECT OF HYDROGEN
INHIBITION ON THE CHEMICAL KINETICS
4- M. Barrio, J.E. Husted, 2008. CO2 GASIFICATION OF BIRCH CHAR AND THE
EFFECT OF CO INHIBITION ON THE CALCULATION OF CHEMICAL KINTECS
5- R.B. Woodruff, A.W. Weimer, 2013. A NOVEL TECHNIQUE FOR MEASURING
THE KINETICS OF HIGH-TEMPERATURE GASIFICATION OF BIOMASS CHAR
WITH STEAM
6- S. Nilsson, A. Gómez-Barea, D. Fuentes-Cano, 2013. GASIFICATION OF CHAR
FROM OLIVE TREE PRUNING IN FLUIDIZED BED
7- D. Manzorro Moreno, PFC. DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
A ESCALA DE LABORATORIO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE
GASIFICACIÓN DE BIOMASA
8- P. Ollero, A. Serrera, R. Arjona, S. Alcantarilla, 2003. THE CO2 GASIFICATION
KINETICS OF OLIVE RESIDUE
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