N3 Avanzado · Lección 5 de 8 · 45 min

Gasificación: reacciones, relación de equivalencia y límites del equilibrio

Conversión termoquímica de la biomasa

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Escribir las reacciones heterogéneas y homogéneas de la gasificación y calcular sus entalpías con datos del NIST.
Calcular el PCI de un gas de gasificación y la eficiencia de gas frío con un balance de nitrógeno.
Evaluar críticamente qué predicen bien y qué predicen mal los modelos de equilibrio.

Conviene saber antes

Lección «Estequiometría de la combustión».
Termodinámica: entalpía de reacción y ley de Hess.

Un gasificador combina, en zonas o a la vez, secado, pirólisis, oxidación (que aporta el calor) y reducción (donde el carbono y los gases reaccionan para formar CO, H2 y CH4). La cantidad de oxidante se expresa con la relación de equivalencia (ER): el aire o el oxígeno que se suministra dividido entre el estequiométrico. Con aire como agente, el gas sale diluido en nitrógeno y tiene poder calorífico bajo; con oxígeno o vapor el gas es más rico, pero el proceso es más caro.

Las entalpías de las reacciones principales se obtienen de las entalpías de formación (ley de Hess). Las endotérmicas (Boudouard, gas de agua, reformado) necesitan el calor de las exotérmicas (oxidación).

Tabla 1 Reacciones principales de la gasificación y su entalpía estándar a 298 K
Reacción	Ecuación	Nombre	ΔH° (kJ/mol)
R1	C + O2 → CO2	Combustión completa del carbono	-393,5
R2	C + ½ O2 → CO	Oxidación parcial	-110,5
R3	C + CO2 → 2 CO	Boudouard	172,5
R4	C + H2O → CO + H2	Gas de agua	131,3
R5	CO + H2O → CO2 + H2	Desplazamiento agua-gas	-41,2
R6	C + 2 H2 → CH4	Metanación del carbono	-74,9
R7	CH4 + H2O → CO + 3 H2	Reformado con vapor	206,2

Fuente: Derivado por biomasa360 con la ley de Hess y las entalpías de formación del NIST Chemistry WebBook (CO2 −393,51; CO −110,53; H2O gas −241,826; CH4 −74,87 kJ/mol). Signo negativo: exotérmica.

ER = \frac{m_{aire,real}}{m_{aire,st}} \qquad \mathrm{PCI}_{gas} = \sum_i y_i\,\mathrm{PCI}_i \qquad \eta_{gf} = \frac{V_{gas}\,\mathrm{PCI}_{gas}}{\mathrm{PCI}_{comb}}

Relación de equivalencia, PCI volumétrico del gas como suma ponderada de sus componentes combustibles, y eficiencia de gas frío (energía química del gas frío frente a la del combustible).

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$ER$	relación de equivalencia	adimensional
$y_i$	fracción molar del componente i en el gas seco	mol/mol
$\mathrm{PCI}_i$	PCI volumétrico: H2 10,79; CO 12,63; CH4 35,79 (derivados de NIST, 0 °C y 1 atm)	MJ/Nm³
$V_{gas}$	volumen de gas seco por kg de combustible	Nm³/kg
$\eta_{gf}$	eficiencia de gas frío	fracción

Ejemplo resuelto 1

El poder calorífico del gas de un gasificador de madera

Jayah et al. (2003) midieron en un gasificador de corriente descendente, con 16 % de humedad y ER de 0,35, un gas seco con 18,3 % H2, 20,2 % CO, 1,1 % CH4, 9,7 % CO2 y 50,7 % N2. Calcula su PCI.

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$y_{H_2}, y_{CO}, y_{CH_4}$	0,183; 0,202; 0,011	mol/mol	Jayah et al. (2003), vía Ibrahim (2025), Tabla 4.3
$\mathrm{PCI}_i$	10,789; 12,625; 35,794	MJ/Nm³	derivado de NIST

PCI del hidrógeno: 241,826 kJ/mol ÷ 22,414 L/mol.
$\mathrm{PCI}_{H_2} = \frac{241{,}826}{22{,}414} = 10{,}789\ \mathrm{MJ/Nm^3}$
Suma ponderada.
$0{,}183(10{,}789) + 0{,}202(12{,}625) + 0{,}011(35{,}794) = 4{,}92\ \mathrm{MJ/Nm^3}$

Resultado

\mathrm{PCI}_{gas} \approx 4{,}9\ \mathrm{MJ/Nm^3}

Interpretación: Es un gas pobre: la mitad es nitrógeno del aire. Sirve para quemarlo en un horno o en un motor adaptado, pero no se puede transportar económicamente por tubería a larga distancia.

Ejemplo resuelto 2

Eficiencia de gas frío con un balance de nitrógeno

Supuesto del ejemplo: la madera tiene la composición de las astillas de residuo forestal #3155 (C 51,30; H 6,10; O 40,85 %, bs; PCI seco 19,34 MJ/kg), con 16 % de humedad y ER de 0,35, y el gas es el medido por Jayah et al. (2003) en esas condiciones. Todo el N2 del gas viene del aire (el del combustible es despreciable). Estima el volumen de gas y la eficiencia de gas frío.

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$m_{aire,st}$	6,23	kg/kg bs	derivado de Phyllis2 #3155
$ER, w$	0,35; 0,16	adimensional	Jayah et al. (2003)
$y_{N_2}$	0,507	mol/mol (incluye argón)	Jayah et al. (2003); supuesto: el N2 informado incluye el argón
$\mathrm{PCI}_{bs}$	19,34	MJ/kg	Phyllis2 #3155

Aire real por kg de madera húmeda.
$0{,}35 \times 6{,}233 \times (1 - 0{,}16) = 1{,}832\ \mathrm{kg}$
Moles de N2 + Ar del aire (fracción molar 0,7901).
$\frac{1{,}832}{28{,}965} \times 0{,}7901 = 0{,}04998\ \mathrm{kmol}$
Volumen de gas seco.
$V_{gas} = \frac{0{,}04998}{0{,}507} \times 22{,}414 = 2{,}210\ \mathrm{Nm^3/kg}$
PCI de la madera recibida.
$19{,}34 \times 0{,}84 - 2{,}443 \times 0{,}16 = 15{,}85\ \mathrm{MJ/kg}$
Eficiencia de gas frío.
$\eta_{gf} = \frac{2{,}210 \times 4{,}918}{15{,}85} = 0{,}685$

Resultado

V_{gas} \approx 2{,}21\ \mathrm{Nm^3/kg};\quad \eta_{gf} \approx 69\ \%

Interpretación: Alrededor de dos tercios de la energía del combustible quedan en el gas frío; el resto se va como calor sensible, alquitranes, carbón no convertido y pérdidas. El balance de N2 es la forma más robusta de estimar el caudal de gas cuando no se mide.

Figura 1Gas de un gasificador de corriente descendente: medido frente a modelo de equilibrio (% en volumen, gas seco)

El modelo de equilibrio predice 23,8 % de H2 frente a 18,3 % medido y menos metano que el real. Es el sesgo típico de los modelos de equilibrio: el reactor real no llega al equilibrio.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: Gas de un gasificador de corriente descendente: medido frente a modelo de equilibrio (% en volumen, gas seco)
Componente	Medido	Equilibrio
H2	18,3	23,83
CO	20,2	23,59
CO2	9,7	10,01
CH4	1,1	0,96
N2	50,7	41,57

Fuente: Ibrahim (2025), tesis doctoral, Durham University, Tabla 4.3: datos experimentales de Jayah et al. (2003) con 16 % de humedad y ER 0,35, y la predicción del modelo de equilibrio de la tesis.

Hipótesis contrastadas

¿Sirven los modelos de equilibrio termodinámico para diseñar un gasificador de biomasa?

H1 Sí: a 800–900 °C las reacciones son rápidas y el gas se acerca al equilibrio.
Evidencia a favor
- Los modelos de equilibrio estiman bien las especies mayoritarias como CO, CO2 y N2 y ayudan a evaluar el contenido energético (Ibrahim, 2025).
- Como no dependen de la geometría del reactor, permiten comparar con rapidez combustibles, humedades y ER.
Evidencia en contra
- Tienden a sobrestimar el H2 y a subestimar el CH4 (Ibrahim, 2025); en los datos de Jayah, el error del H2 llega a ≈30 %.
- No predicen alquitranes: un gasificador real produce de 1 a 100 g/Nm³ según el tipo (Milne et al., 1998), algo que el equilibrio no contempla.
Fuentes: Ibrahim (2025); Milne et al. (1998)
H2 Solo como cota y para tendencias: el diseño requiere modelos cinéticos o correcciones empíricas calibradas.
Evidencia a favor
- La explicación habitual es que el CH4 formado en la zona de baja temperatura puede saltarse la zona de reacción y no reducirse (Ibrahim, 2025, citando trabajos previos).
- Varios modelos se calibran con factores de corrección para acercar el CH4 y el H2 a los datos (Ibrahim, 2025).
Evidencia en contra
- Los modelos con correcciones empíricas pierden generalidad: funcionan para el reactor con que se calibraron.
Fuentes: Ibrahim (2025)

Certeza alta

Conclusión: Sobrevive H2 con certeza alta: el equilibrio da el «techo» de conversión y las tendencias (más ER, más N2 y menos poder calorífico), pero sobrestima el H2, subestima el CH4 y no ve los alquitranes, que son el problema operativo dominante. Para dimensionar equipos de limpieza y motores se necesitan datos medidos o modelos cinéticos validados.

Figura 2Corte de un gasificador de corriente descendente con sus zonas de secado, pirólisis, oxidación y reducción

Ejercicios

Cálculo●○○
Calcula la entalpía de la reacción de Boudouard con los valores del NIST y explica qué significa su signo.
Ver la solución
ΔH = 2(−110,53) − (−393,51) = 172,45 kJ/mol. Es positiva: endotérmica; necesita calor y se favorece a temperatura alta.
Cálculo●○○
Calcula el PCI del gas medido por Jayah et al. con 18,5 % de humedad y ER 0,33 (17,2 % H2; 19,6 % CO; 1,4 % CH4).
Ver la solución
0,172 × 10,789 + 0,196 × 12,625 + 0,014 × 35,794 = 4,83 MJ/Nm³.
Criterio●●●
En la eficiencia de gas frío del ejemplo, ¿qué supuesto pesa más y cómo lo reducirías en una planta real?
Ver la solución
La composición del combustible (se usó la de otra madera) y el caudal de gas derivado del N2. En planta se mide el caudal de aire con un medidor calibrado, se analiza el combustible del ensayo y se cierra el balance de N2 y de carbono; además se mide el caudal de gas para contrastar.

Autoevaluación

¿Cuál de estas reacciones es exotérmica?
1. Boudouard
2. Gas de agua
3. Desplazamiento agua-gas
4. Reformado con vapor
Ver la respuesta
Respuesta: C. CO + H2O → CO2 + H2 tiene ΔH ≈ -41,2 kJ/mol.
Los modelos de equilibrio, frente a los datos de gasificadores de corriente descendente, tienden a…
1. Subestimar el H2 y sobrestimar el CH4
2. Sobrestimar el H2 y subestimar el CH4
3. Acertar en todo
4. Predecir bien los alquitranes
Ver la respuesta
Respuesta: B. Es el sesgo típico descrito por Ibrahim (2025).
¿Por qué el gas de gasificación con aire tiene poder calorífico bajo?
1. Porque no tiene CO
2. Porque está diluido en el nitrógeno del aire
3. Porque tiene mucha ceniza
4. Porque es líquido
Ver la respuesta
Respuesta: B. Cerca de la mitad del volumen es N2.

Referencias

Ibrahim, A. (2025). New thermodynamic equilibrium and computational fluid dynamics approaches for modelling biomass gasifiers [Tesis doctoral, Durham University]. https://etheses.durham.ac.uk/id/eprint/16243/
Jayah, T. H., Aye, L., Fuller, R. J., & Stewart, D. F. (2003). Computer simulation of a downdraft wood gasifier for tea drying. Biomass and Bioenergy, 25(4), 459–469. https://doi.org/10.1016/S0961-9534(03)00037-0
Linstrom, P. J., & Mallard, W. G. (Eds.). (2026). NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology. Consultado el 25 de octubre de 2026. https://webbook.nist.gov/chemistry/
Milne, T. A., Evans, R. J., & Abatzoglou, N. (1998). Biomass gasifier «tars»: Their nature, formation, and conversion (NREL/TP-570-25357). National Renewable Energy Laboratory. https://doi.org/10.2172/3726
TNO. (2026). Phyllis2: Database for the physico-chemical composition of (treated) lignocellulosic biomass, micro- and macroalgae, various feedstocks for biogas production and biochar [Base de datos]. Consultado el 25 de octubre de 2026. https://phyllis.nl/

Para profundizar

Puig-Arnavat, Bruno y Coronas (2010), Renewable and Sustainable Energy Reviews. — Revisa los modelos de gasificación (equilibrio, cinéticos, redes neuronales) y sus limitaciones.
Ibrahim (2025), tesis doctoral, Durham University. — Desarrolla un modelo de equilibrio que incluye alquitranes y char y lo compara con datos de varios gasificadores; de acceso abierto.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Gasificación: reacciones, relación de equivalencia y límites del equilibrio (Versión 2026-10) [Lección del curso «Conversión termoquímica de la biomasa»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/conversion-termoquimica/gasificacion-reacciones-y-equilibrio/

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