Procesos de pirolisis y gasificación de los residuos sólidos de tomate (página 2)
Los procesos
térmicos a partir de biomasa son objetivo de
investigación de gran parte del mundo
científico, pero sobre todo del Mundo Desarrollado, que
tratan de adquirir esta tecnología,
amenazados por la crisis
energética actual y por los problemas de
contaminación ambiental.
Cuba cuenta con grandes volúmenes de biomasa
producida por sus fundamentales industrias, la
cual se utiliza para la producción de energías, por ejemplo:
el bagazo, la cascarilla de arroz, la paja de caña, el
aserrín, la madera,
residuos de tomate etc.,
sin embargo, las tecnologías con que disponemos no son lo
suficientemente eficientes como lo exige la competencia con
otras fuentes
tradicionales de energía y no a todos los residuos
industriales se le ha valorado su aporte energético en
función
de la tecnología utilizada para su aprovechamiento en tal
sentido.
Las características de gran parte de la biomasa
hacen que en la mayoría de los casos no sea adecuada como
tal para reemplazar a los combustibles convencionales, por lo que
es necesaria una transformación previa de la biomasa en
combustibles de mayor densidad
energética y física,
contándose para ello con diversos procedimientos,
que generan una gran variedad de productos.
Los combustibles así obtenidos cuentan con las
siguientes ventajas:
Presentan escaso contenido en azufre.
No forman escorias en su combustión.
Tienen bajo contenido de cenizas.
Así, proceda de residuos industriales o de
cultivos energéticos, la biomasa generalmente se
transforma en calor,
combustibles o electricidad, que
conducen a la forma de energía útil requerida en
cada caso.
Algunos combustibles pueden obtenerse de la biomasa
directamente por extracción, pero es más frecuente
someter la biomasa a distintas manipulaciones, según su
naturaleza y
contenido en humedad, para su transformación en
combustibles. Estas transformaciones pueden dividirse en dos
grupos.
Procesos termoquímicos:
Aplicación de elevadas temperaturas con exceso de
oxígeno (combustión), en
presencia de cantidades limitadas de oxígeno
(gasificación) o en ausencia del mismo (pirolisis);
los materiales
generan mezclas de
combustibles sólidos, líquidos y
gaseosos.Procesos bioquímicos: Se
llevan a cabo mediante diversos tipos de microorganismos, que
degradan las moléculas complejas a compuestos simples
de alta densidad energética; los más corrientes
son la fermentación alcohólica para
producir etanol y la digestión anaerobia, para la
producción de metano.Las
materias primas que se estudian actualmente para someterlas a
estos procesos son las plantaciones forestales y de podas de
ciudades, los residuos industriales y de explotación
(residuos de industrias papeleras
o lejías negras, tratamiento a los neumáticos y
plásticos, residuos de la industria
de la madera como el aserrín y las astillas, residuos
sólidos urbanos provenientes de las depuradoras o
lodos de depuradoras), etc.
Independientemente de que se busquen alternativas
energéticas renovables para aliviar la crisis que enfrenta
el mundo, en los próximos años se seguirá
dependiendo de los combustibles fósiles para mantener el
desarrollo
económico, por lo que se trata de buscar soluciones que
disminuyan la
contaminación ambiental por conceptos de gases que se
emitan al exterior, aun utilizando estas fuentes de
energía, así como buscar combustibles que
sustituyan a los fósiles en vía de
agotamiento.
En esta investigación nos centraremos en el
proceso de
gasificación de los residuos sólidos de tomate con
el objetivo de obtener los parámetros experimentales que
logren un mejor aprovechamiento energético de los
gases.
Los gases que se obtienen en el proceso de gasificación
se pueden utilizar en varios procesos: de calentamiento
(combustión directa en quemadores y obtención de
energía térmica usada en varios procesos de
potencia) o en
motores de
combustión interna, procesos que son entre un 10 a un 15 %
más eficiente que la combustión directa de
cualquier sólido y menos contaminante.
CAPÍTULO I:
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.1 La
biomasa.
La biomasa es el conjunto de recursos
forestales, plantas
terrestres y acuáticas, y de residuos y subproductos
agrícolas, ganaderos, urbanos e industriales.Esta fuente
energética puede ser aprovechada mediante su
combustión directa a través de su
transformación en biogás, bioalcohol,
etc.
– Los métodos de
conversión de la biomasa en combustible pueden agruparse
en dos tipos: conversión bioquímica
y conversión termoquímica. De la primera, se puede
obtener el etanol y metano mediante la fermentación
alcohólica y digestión anaerobia. De la segunda, se
puede obtener gas pobre,
carbón y jugos piroleñosos mediante
gasificación y pirolisis.
1.1.1 Tipos de biomasa.
Biomasa natural: Es la que se produce en la
naturaleza sin la intervención humana.
Fig. 1 Biomasa natural.
Biomasa residual: Es la que genera cualquier
actividad humana, principalmente en los procesos
agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, tal
como, basuras y aguas residuales.
Fig. 2 Biomasa residual.
Biomasa producida: Es la cultivada con el
propósito de obtener biomasa transformable en combustible,
en vez de producir alimentos, como
la caña de azúcar
en Brasil, orientada
a la producción de etanol para carburante.
Fig. 3 Biomasa producida.
La naturaleza de la biomasa es muy variada, ya que
depende de la propia fuente, pudiendo ser animal o vegetal, pero
generalmente se puede decir que se compone de hidratos de
carbono,
lípidos y
prótidos. Siendo la biomasa vegetal la que se compone
mayoritariamente de hidratos de carbono y la animal de
lípidos y prótidos.
http://www.clavis.es/entidad/inice/Per/BioMa/B00.htm
1.1.2 Fuentes de extracción.
– Bosques: La única biomasa explotada
actualmente para fines energéticos es la de los bosques.
No obstante, el recurso de la biomasa de los bosques para cubrir
la demanda
energética sólo puede constituir una opción
razonable en países donde la densidad territorial de dicha
demanda es muy baja, así como también la de la
población (Tercer mundo). En España
(país deficitario de madera) sólo es razonable
contemplar el aprovechamiento energético de la tala, de la
limpieza de las explotaciones forestales (leña, ramaje,
follaje, etc.) y de los residuos de la industria de la
madera.
Fig. 4 Bosques.
– Residuos agrícolas y
deyecciones y camas de ganado: Estos
constituyen otra fuente importante de bioenergía, aunque
no siempre sea razonable darles este tipo de utilidad. En
España sólo parece recomendable con ese fin el uso
de la paja de los cereales en los casos en que el retirarla del
campo no afecte apreciablemente a la fertilidad del suelo, y de las
deyecciones y camas del ganado cuando el no utilizarlas
sistemáticamente como estiércol no perjudique las
productividades agrícolas.
http://www.geocities.com/Capecanaveral/Launchpad/2405/energia.htm#Biomasa
– Cultivos energéticos: Es muy discutida
la conveniencia de los cultivos o plantaciones con fines
energéticos, no sólo por su rentabilidad,
sino también por la competencia que ejercerían con
la producción de alimentos y otros productos necesarios
(madera, etc.). Las dudas aumentan en el caso de las regiones
templadas, donde la asimilación fotosintética es
inferior a la que se produce en zonas tropicales. Así y
todo, en España se ha estudiado de modo especial la
posibilidad de ciertos cultivos energéticos, especialmente
sorgo dulce y caña de azúcar, en ciertas regiones
de Andalucía, donde ya hay tradición en el cultivo
de estas plantas de elevada asimilación
fotosintética. No obstante, el problema de la competencia
entre los cultivos clásicos y los cultivos
energéticos no se plantearía en el caso de otro
tipo de cultivo energético: los cultivos acuáticos.
Una planta acuática particularmente interesante desde el
punto de vista energético sería el jacinto de
agua, que
posee una de las productividades de biomasa más elevadas
del reino vegetal. Podría recurrirse también a
ciertas algas microscópicas, que tendrían la
ventaja de permitir un cultivo continuo. Así, el alga
unicelular Botryococcus braunii, en
relación a su peso, produce directamente importantes
cantidades de hidrocarburos.
(Brandon, O. H., King, G. H., Kinsey, D. V. (1984), ,
págs. 11-34)
1.1.3 Formas de aprovechamiento de la
biomasa.
De forma genérica, por biomasa se entiende el
conjunto de materia
orgánica de origen vegetal, animal o procedente de la
transformación natural o artificial que haya tenido su
origen inmediato como consecuencia de un proceso
biológico.
La biomasa puede aprovecharse de diversas formas,
mediante los llamados procesos de conversión, y en general
se quema directamente en plantas energéticas tradicionales
con ciclos de vapor, como sucede desde antaño en los
centrales azucareros; o en sistemas
más avanzados y eficientes que emplean la
gasificación en ciclos combinados, en los que se usan los
gases de escape de las turbinas de gas, el cual alimenta un
generador de tipo ordinario. Esta última es la vía
más eficiente de aprovechamiento de la biomasa y la que
tiene un futuro más prometedor. (CDTI (Centro para
el Desarrollo
Tecnológico Industrial), 1983).
Otra vía de obtener combustible de la biomasa es
mediante la fermentación, como el biogás y la
obtención de combustibles como el etanol por
fermentación y el metanol por hidrólisis,
así como el bio-Diesel a partir de la extracción de
aceites vegetales. En países como Brasil existe una vasta
experiencia en la producción de etanol para su uso en los
motores de combustión interna.
Entre las posibles fuentes de biomasa se encuentran los
residuos agrícolas; los cultivos energéticos, como
la caña
energética y los bosques de eucalipto; los desechos de
la industria maderera, como el aserrín; el bagazo de
caña; los desechos urbanos, como cajas de embalaje,
cartón, muebles rotos y papel; los residuos de madera de
la construcción; y las aguas residuales
urbanas. (CIEMAT (Centro de Investigaciones
Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas),
1995).
Como desventajas comunes de la biomasa se significan su
falta de uniformidad y su baja densidad, de ahí que deben
producirse cerca de su lugar de utilización, ya que el
empleo de
transporte a
largas distancias minimizaría sus ventajas. Ambas
dificultades pueden eliminarse mediante la peletización o
la construcción de briquetas, pero esto implicaría
un incremento en el costo de
explotación. Otra desventaja es su bajo valor
calórico comparado con otros combustibles. Dos ejemplos
concretos se verifican en la industria azucarera, donde setenta
millones de toneladas de caña se convierten en siete
millones de toneladas de azúcar y diecisiete y medio
millones de toneladas de bagazo; y en la industria maderera es
posible que hasta 75 % del árbol original termine
convertido en residuos. En los bosques energéticos se
cultivan árboles
de rápido crecimiento, como los sauces y los
eucaliptos.
Con la utilización de la biomasa, así como
de cualquier tipo de energía renovable debemos hacer un
análisis total del «ciclo de
vida», o sea, la cadena completa, pues si en el proceso
existen pasos intermedios contaminantes en la fabricación
y transportación de equipos y componentes necesarios, o se
emplea en algunas etapas energía no renovable, esto debe
ser valorado para conocer realmente cuán limpia es esta
forma de energía.
http://193.145.98.203/Biomasa/bio01/bio01_10.htm
1.1.4 Ventajas e inconvenientes medioambientales del
uso de la biomasa.
Ventajas:
Es renovable.
Es la única fuente de energía que
aporta un balance de CO2 favorable, de manera que la materia
orgánica es capaz de retener durante su crecimiento
más CO2 del que se libera en su
combustión.No depende de ninguna fuerza
(como en la eólica).Los combustibles que se generan a partir de la
biomasa tienen una gran variedad de usos (probablemente sean
los únicos combustibles primarios que puedan sustituir
a la gasolina para el transporte).La construcción de una central y su mantenimiento generan puestos de trabajo.
Es una forma de crear infraestructura rural, abre
nuevas oportunidades.Tiene un gran potencial para rehabilitar tierras
degradadas.Se evita la contaminación del medio aprovechando
los residuos orgánicos para la obtención de
energía.Ausencia de emisión de azufres e
hidrocarburos altamente contaminantes (lluvia
ácida).Obtención de productos
biodegradables.
Inconvenientes:
Para conseguir un buen aporte energético se
necesita gran cantidad de biomasa y por lo tanto ocupar
grandes extensiones de tierra en
el caso del cultivo energético.Menor rendimiento de los combustibles derivados de
la biomasa respecto de los combustibles
fósiles
El potencial energético de la biomasa existente
en el planeta podría bastar para cubrir la totalidad de
las necesidades energéticas mundiales. No obstante, una
serie de circunstancias limitan notablemente su aprovechamiento.
Por ejemplo:
Alrededor del 40% de la biomasa es acuática.
Se produce fundamentalmente en los océanos y es de muy
difícil recuperación.De la biomasa terrestre, una gran parte está
muy dispersa y es imposible utilizarla de forma
eficaz.El aprovechamiento directo y a gran escala de
los recursos forestales para fines energéticos
podría conducir a un agotamiento de dichos recursos y
dar lugar a efectos medioambientales negativos.Aprovechar la parte utilizable de la biomasa
existente exige aportar una notable cantidad de
energía para su recolección, transporte y
transformación en combustible útil, lo cual
reduce considerablemente la energía neta
resultante.Por el momento, la mayor parte de la biomasa que se
utiliza para fines energéticos es explotada a
través de medios
tradicionales, poco eficaces y productivos, y que permiten
únicamente el aprovechamiento de una pequeña
parte de su potencial energético.
http://html.rincondelvago.com/biomasa_1.html
1.1.5 La biomasa en Cuba.
La biomasa constituye algo más del 96 % de la
energía renovable total en Cuba, y continuará
dominando en el futuro, debido a las grandes cantidades de
residuos de las industrias de agroforestales como las del
azúcar, la madera, el café,
el arroz y otras fuentes como las leñas, el biogás
y las plantaciones de oleaginosas no comestibles. (Berris,
L., Abril 15, 2007).
Las principales fuentes renovables de energía en
explotación se encuentran concentradas en la biomasa
(bagazo, leñas combustibles y el biogás) con
alrededor de 156 850 t equivalentes de petróleo (96,42 %) o 2,000 MW, seguido por
la energía hidroeléctrica con 69,6 MW (3,22 %) y en
menores proporciones la energía
solar con 5,3 MW (0,24 %) y la energía eólica
con 2,25 MW (0,12 %), respectivamente. (AEN, Anuario
Estadístico de Cuba 2005, ISBN: 959-7119-39-0, Editado por
la Oficina Nacional
de Estadísticas, 2006, págs.
159-172).
El principal potencial energético a partir de la
biomasa está concentrado en el bagazo con 95 950 TEP (52,3
%), seguido por las leñas combustibles con 60,000 TEP (33
%), la paja de caña con 12 515 TEP (6,8 %), la cascarilla
de café con 12 000 TEP (6,5 %), y en menores proporciones,
la cascarilla de arroz con 1 200 TEP (0,7 %), el biogás
con 900 TEP (0,5 %) y el aserrín con 700 TEP (0,4 %). La
cantidad total de energía renovable a partir de la biomasa
se estima en alrededor de 183 265 t equivalentes de petróleo,
anualmente. (Grogg, P., Septiembre 8, Cuba,
2007).
1.2 Procesos de
conversión de la biomasa.
1.2.1 Métodos
termoquímicos.
Estos métodos se basan en la utilización
del calor como fuente de transformación de la biomasa.
Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y, en
particular, a los de la paja y la madera.
ººº0(Bridgwater, A. V. (1992),,
págs. 73-107).
a) – La combustión: Oxidación de la
biomasa por el oxígeno del aire, libera
simplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la
calefacción doméstica y para la producción
de calor industrial.
b) – La pirolisis: Combustión incompleta
de la biomasa en ausencia de oxígeno, a unos 500 grados
centígrados, se utiliza desde hace mucho tiempo para
producir carbón vegetal. Aparte de este, la pirolisis
lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de
monóxido y dióxido de carbono, de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este
gas, de débil poder
calórico, puede servir para accionar motores diesel, o
para producir electricidad, o para mover vehículos. Una
variante de la pirolisis, llamada pirolisis flash, llevada a
1000 grados centígrados en menos de un segundo, tiene la
ventaja de asegurar una gasificación casi total de la
biomasa. De todas formas, la gasificación total puede
obtenerse mediante una oxidación parcial de los productos
no gaseosos de la pirolisis. Las instalaciones en las que se
realizan la pirolisis y la gasificación de la biomasa
reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido
puede utilizarse directamente como se indica antes, o bien servir
la base para la síntesis
de un alcohol muy
importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas
para la alimentación de los motores de
explosión (carburol).
c) – Gasificación: Es una de las
tecnologías más avanzadas, y consiste en la
utilización del gas combustible generado en una turbina de
gas, donde se recupera el calor de los gases de salida para
producir vapor y mover una turbina. El rendimiento de esta
tecnología puede duplicar al de la combustión
directa.
http://www.conae.gob.mx/renovables/biomasa.htm
1.2.2 Métodos
biológicos.
Existen dos tipos distintos:
a) – La fermentación alcohólica: Es
una técnica empleada desde muy antiguo con los
azúcares, que puede utilizase también con la
celulosa y el
almidón, a condición de realizar una
hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos
sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol
etílico prácticamente anhidro, es una
operación muy costosa en energía. En estas
condiciones la transformación de la biomasa en etanol y
después la utilización de este alcohol en motores
de explosión, tienen un balance energético global
dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil,
E.U.A.) tienen importantes proyectos de
producción de etanol a partir de biomasa con un objetivo
energético (propulsión de vehículos; cuando
el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe
el nombre de gasohol).
b)- La fermentación metánica: Es la
digestión anaerobia de la biomasa por bacteria. Es
idónea para la transformación de la biomasa
húmeda (más del 75% de humedad relativa). En los
fermentadores, o digestores, la celulosa es esencialmente la
sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60%
de metano y 40% de gas carbónico. El problema principal
consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo
en la temperatura
óptima de 30-35 grados centígrados. No obstante, el
empleo de digestores es un camino prometedor hacia la
autonomía energética de las explotaciones
agrícolas, por recuperación de las deyecciones y
camas del ganado. Además, es una técnica de gran
interés
para los países en vías de desarrollo. Así,
millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas
chinas.
http://quipu.uni.edu.pe/RpcyT/p13.htm
1.3 Proceso de
Gasificación.
La gasificación es un proceso térmico que
permite la conversión de un combustible sólido, tal
como la biomasa en un combustible gaseoso, mediante un proceso de
oxidación parcial. El gas pobre resultante puede ser
utilizado en turbinas de gas o en motores de combustión
interna. Ambos motores térmicos pueden ser acoplados a un
generador para la producción de electricidad. Como agente
oxidante se emplea el vapor, el oxígeno o el aire. El gas
resultante contiene monóxido de carbono (CO),
dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H), metano
(CH4), alquitrán, agua y pequeñas cantidades de
hidrocarburos tales como el etano. Este gas posee un bajo poder
calórico, del orden de cuatro a siete MJ/m3; en
cambio, si se
emplea como agente oxidante el O2 se pueden alcanzar de 10 a 18
MJ/m3. La tecnología más empleada
es, sin embargo, la que utiliza aire como agente oxidante, por
razones económicas y tecnológicas.
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia21/HTML/articulo04.htm
La gasificación de la biomasa es la
conversión de los residuos sólidos y
líquidos derivados de la descomposición
termoquímica de la materia orgánica a altas
temperaturas a un combustible gaseoso mediante la adición
de reactantes oxidantes.
El principal objetivo de la gasificación es
transferir la máxima energía química desde la
alimentación a la fracción gaseosa y recibir un
alto rendimiento del gas combustible compuesto principalmente de
productos gaseosos de bajo peso molecular. (Arauzo, J.;
Radlein, D.; Piskorz, J.; Scott, D.S. ,1997).
1.3.1 Fases de la gasificación.
Dependiendo del tipo de gasificador y de las condiciones
del proceso, la gasificación de biomasa tiene las
siguientes fases:
Calentamiento y secado de la biomasa.
Desgasificación de la biomasa.
Oxidación parcial de la biomasa y
reducción parcial de los productos de oxidación
(CO2 y H2O a CO e H2) y simultáneamente,
gasificación del carbón sólido a
CO.
Antes de que tenga lugar cualquier reacción
química, es evaporada el agua a
temperaturas sobre 200ºC. El vapor es más tarde
reducido a H2 o deja el gasificador como parte del producto
gaseoso. Como se necesita una cierta cantidad de energía
para calentar y secar la biomasa, es preferible tener la
alimentación con un contenido de humedad inferior al
30%.El proceso de gasificación requiere de calor para
secar la alimentación, para realizar varias reacciones
endotérmicas de pirolisis y para compensar las
pérdidas de calor. En la mayoría de los casos, el
calor es proporcionado por la combustión parcial de la
alimentación mediante la adición de aire,
oxígeno, vapor o una mezcla de estos reactivos. Estos
agentes gasificantes sirven también como agentes oxidantes
para la conversión del carbón sólido en CO
gaseoso.
Con aire como agente gasificante, se alcanzan
temperaturas de 800 a 1000ºC. Mayores temperaturas se
obtienen con el aire enriquecido con oxígeno o con
oxígeno puro (1000 a 1400ºC). Se utiliza vapor como
agente gasificante para obtener un gas rico en hidrógeno.
También se puede añadir vapor al agente gasificante
para reducir y controlar la temperatura de
reacción.
http://www.citma.net/tecnologia_ficha2.asp?id=6
1.3.2 Clasificación de los procesos de
gasificación.
La gasificación de la biomasa puede ser
clasificada atendiendo a los siguientes criterios:
? Agente gasificante: Aire, oxígeno,
vapor de agua, C02, H2? Forma de suministrar el calor: Método
directo o indirecto? Tipo de reactor: Lecho móvil en
contracorriente o en corriente paralela. Lecho fluidizado.Transporte neumático, sistemas
combinados o circulantes.? Presión y temperatura del
reactor.? Forma de separar las cenizas.
Atendiendo al agente gasificante el proceso de
gasificación con aire, es el que, a nuestro juicio,
presenta un mayor interés económico y social. En
este proceso, el oxígeno del aire quema parcialmente el
residuo carbonoso procedente de la pirolisis (proceso
simultáneo al de gasificación), y se genera el
calor necesario para el proceso. Al no necesitar fuente de calor
externa, este proceso permite con un bajo costo
el aprovechamiento local en diversos pueblos, granjas, comarcas o
cooperativas, de diversos residuos agrícolas y
forestales mediante su conversión termoquímica en
gases de bajo contenido energético.
Existen sistemas y procesos de gasificación con
aire en desarrollo
o ya disponibles comercialmente, que aprovechan los más
variados tipos de biomasa en función del país donde
se han implantado. Por otra parte, las tecnologías de
gasificación y purificación de gases son muy
diversas dependiendo fundamentalmente de la aplicación
posterior del gas.
La evaluación
y comparación de estos sistemas o procesos no es sencilla,
debido a los numerosos factores a tener en cuenta y al hecho de
que algunos de ellos están diseñados para una
única aplicación, no pudiéndose comparar
para otras aplicaciones.
El aire se introduce principalmente para aporte de calor
mediante la combustión de parte del residuo carbonoso. El
producto a obtener es un gas combustible de bajo contenido
energético (inferior a seis MJ/Nm3). Los reactores
más utilizados son los de lecho móvil en
contracorriente (ó updraft) o en corriente paralela
(ó downdraft) y los de lecho fluidizado. Este gas puede
emplearse como combustible en quemadores de calderas
o turbinas de gas, o en aparatos de combustión
interna.
La gasificación con oxígeno y/o vapor de
agua se utiliza para obtención de gas de medio contenido
energético (10-20 MJ/Nm³) o de gas de
síntesis. Es un gas de mayor calidad
al no estar diluido con nitrógeno.
El lecho fluidizado es el más apropiado para la
gasificación de biomasa con aire o vapor de agua. Sin
embargo, no se puede utilizar con todos los tipos de residuos
agrícolas y forestales ya que el tamaño y la forma
de éstos puede limitar su uso. El tamaño debe ser
inferior a 1 cm, pudiendo ocasionar un aumento en el coste de
trituración del residuo. Este factor puede solucionarse
añadiendo un segundo sólido inerte (arena, alúmina)
que ayude a fluidizar la biomasa.
Con la gasificación con H2 se produce un gas con
alto contenido energético (superior a 30 MJ/Nm3) que por
tener altos porcentajes de metano y olefinas, puede utilizarse
como sustituto el Gas
Natural.
También pueden utilizarse catalizadores durante
la reacción. Las razones que hacen atrayentes el
empleo de catalizadores son:
Alto incremento de las reacciones de
conversión dadas.Temperaturas de reacción más bajas,
mayores eficacias.Reduce el contenido de metano en el gas de
síntesis.Permite obtener una composición de producto
adecuada para una aplicación particular tales como
CH4, H2, CH3OH, NH3.
http://www.monografias.com/trabajos27/gasificacion-citricos/gasifiacion-citricos.shtml#discus
1.4 Tipos de
gasificadores.
Los tipos de reactores utilizados en la
gasificación de biomasa son los de lecho móvil (en
contracorriente y corriente paralelas) y los de lecho fluidizado
(burbujeante y circulante). Cada uno de estos reactores presenta
una serie de ventajas e inconvenientes, lo que hace que su
elección dependa de diversos factores. Los principales
criterios de elección son el tamaño y la densidad
del combustible a procesar, la capacidad de procesamiento y la
calidad deseada del gas que se va a obtener.
Los tres tipos principales de gasificadores empleados
actualmente son: downdraft o flujo concurrente, updraft o flujo
ascendente y lecho fluidizado.La selección
del tipo de gasificador que se va a emplear depende de la
potencia que se desee. Los de lecho fluidizado se utilizan para
instalaciones de gran escala, mientras que para pequeñas
potencias se prefieren los de flujo concurrente o downdraft.
Otros tipos de reactores son los de lecho fluidizado burbujeante,
los de lecho fluidizado circulante, y los de lecho fluidizado
presurizados. Otros tipos de reactores son los ciclónicos
y los rotatorios, además de diferentes tipos de reactores
de cama móvil.
Hasta potencias de 1 MW se recomienda la
utilización de gasificadores de flujo concurrente, casi
exclusivamente. Este tipo de gasificador es, además, el
más sencillo de todos; y para potencias mayores de 10 y
hasta alrededor de 50 MW compiten los reactores de tipo
updraft y los de lecho fluidizado burbujeante. Para potencias
mayores de 100 MW se usan exclusivamente los de lecho
fluidizado presurizados. (Aznar, M.P.; Corella, J.;
Delgado, J.; Lahoz, J. , 1993)
Fig. 5. Esquema de un reactor de lecho fluidizado
burbujeante: catalizadores (1), economizadores (2),
sobrecalentadores (3), silo de arena (4), silo de combustible
(5), arranque del quemador (6) y piso (7).
En el Centro de Estudio de Tecnologías
Energéticas Renovables (CETER), del Instituto Superior
Politécnico José Antonio Echeverría, se
diseñó, construyó y se encuentra en fase de
montaje un reactor de tipo downdraft, con la finalidad de
producir gases que se emplearán en un motor de
combustión interna para suministrar electricidad a una
comunidad
rural, con el objetivo de generar una potencia eléctrica
de 20 kW, lo que cubriría las necesidades
básicas de la población. El esquema de la
instalación se muestra en la
(Fig. 5).
En este tipo de reactor la biomasa y el aire entran por
la parte superior, y en la parte inferior se obtienen los gases
que a una temperatura de 800 ºC salen por la camisa
exterior (Fig. 6). El reactor estará aislado
térmicamente. Se observa en la parte inferior una pantalla
donde cae parte de las cenizas. Con posterioridad estos gases
pasan a un ciclón separador de partículas, y las
cenizas se colectan en la parte inferior del ciclón.
(García, P.; Bilbao, R.; Arauzo, J.; Salvador,
M.L., 1994).
Fig. 6 Esquema simplificado de un reactor
downdraft.
Para tener una idea de cómo funciona la
instalación en su totalidad se muestra la (Fig. 7), en una
proyección isométrica. Los gases salen del
ciclón y van hacia una torre de enfriamiento o scrubber.
De aquí pasarán a través de un filtro
compuesto por dos secciones, una de arena sílice y la otra
de fibra vegetal. Para simular el motor de combustión
interna se ha colocado todo el sistema a la
succión de un ventilador centrífugo, por lo que la
instalación funciona al vacío.
Fig. 7 Esquema de la instalación de prueba
para la gasificación: reactor downdraft (1), precalentador
de aire (2), ventilador(3), ciclón (4), colector de
cenizas (5), bomba de agua (6), sistema de limpieza de gases (7),
bases (8, 9, 10, 12 y 14), filtro (11) y motor de
combustión interna (13).
Con fines de investigación se colocará una
caja de resistencias y
un soplador adicional para poder obtener diferentes temperaturas
a la entrada y regular el vacío del sistema con dos tiros,
hasta la puesta a punto. Se emplearán diversos tipos de
biomasa, y en esta etapa se acoplará la instrumentación que permita obtener los
fundamentales parámetros de la instalación, como
temperaturas, presiones, flujo y composición gaseosa,
acoplados a un sistema de adquisición de datos.
El futuro de la gasificación en gran escala para
la generación de electricidad deberá emplear esta
tecnología en ciclos combinados, una vez que las
investigaciones permitan eliminar las dificultades actuales de
estos sistemas.
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia21/HTML/articulo04.htm
1.4.1 Reactor de lecho móvil en
contracorriente o updraft.
Los gasificadores de lecho móvil se utilizan para
biomasas trituradas o «pelletizadas» con dimensiones
de uno a diez cm. El de lecho móvil en contracorriente es
el reactor más simple. El gas, que se produce en la zona
de gasificación, sale del reactor junto con los productos
de la pirolisis y del vapor procedente de la zona de secado. El
gas de proceso tiene un alto porcentaje de tars y una temperatura
de unos 400 ºC, pudiendo utilizarse para calefacción.
(Beenackers, A. A. C. M., Maniatis, K. , 1997,
págs. 24-52).
1.4.2 Reactor de lecho móvil en corrientes
paralelas o downdraft.
La principal característica de este tipo de
reactor es que todos los productos procedentes de la zona de
pirolisis son forzados a pasar por la zona de oxidación.
De esta forma, los tars pasan a hidrocarburos ligeros y a gases
de peso molecular bajo, como son el CO y el CH4. El gas obtenido
sale del gasificador a 700 ºC y contiene alrededor de 1g/Nm3
de tars. Así, aunque siempre sea necesario un sistema de
limpieza del gas, es muy interesante su uso en motores de
combustión interna. La principal desventaja de este
reactor frente al gasificador en contracorriente es la alta
temperatura del gas de salida, originando una eficiencia
más baja. (Hos, J. J., Groeneveld, M. J. (1987),
págs. 237-255).
1.4.3 Reactor de lecho fluidizado.
Se utiliza como gasificador un lecho fluidizado con un
lecho de partículas de arena mantenido constantemente por
el agente gasificante. El gas de fluidización se
distribuye a través de unas toberas situadas en la parte
inferior del reactor y la biomasa se puede alimentar en
algún o en varios puntos del lecho. El resultado es una
temperatura promedio uniforme en el lecho entre 800 y 1000
ºC. El gas de proceso obtenido tiene la misma temperatura y
contiene pequeñas cantidades de tar y grandes cantidades
de partículas y cenizas. Este tipo de lecho se aplica para
gasificar biomasas de dimensiones inferiores a un cm. Aunque la
operación de este tipo de gasificador es más
compleja que la de un lecho fijo, las ventajas que tiene frente a
este último son:
Mayor flexibilidad con respecto al combustible, ya
que acepta un amplio rango de tamaños de
partícula del combustible y un combustible con alto
contenido en cenizas.Buen control de
la temperatura en el lecho y velocidad
de reacción altas.Alta conversión de carbono.
El tener flexibilidad con las características del
combustible es especialmente importante cuando se quieren operar
sistemas a escala mayor de planta piloto (> 10 MWth). Los
gasificadores de lecho fluidizado se pueden clasificar atendiendo
a la variable de operación «velocidad de
fluidización», en lecho fluidizado burbujeante
(velocidad de fluidización de uno a dos m/s) y lecho
fluidizado circulante (velocidad de fluidización mayor de
cinco m/s). (Schenk, E. P., van Doorn, J., Kiel, J. H. A.
(1997), págs. 129-138).
1.4.3.1 Gasificadores de lecho
fluidizado.
Los gasificadores de lecho fluidizado fueron
originalmente desarrollados para la gasificación del
carbón y han sido adaptados para la conversión de
biomasa. En estos gasificadores, el agente gasificante se
alimenta por la parte inferior del gasificador a una velocidad
suficiente para fluidizar la alimentación. Al contrario
que los gasificadores de lecho fijo, no existen diferentes zonas
de reacción en el gasificador. El secado, la
oxidación, la pirolisis y la reducción se dan lugar
en la misma área. Los lechos fluidizados son gasificadores
versátiles y no son sensibles a las características
del combustible, exceptuando el tamaño que debería
de ser pequeño.
Los lechos fluidizados tienen altos niveles de
transferencia de masa y energía y proveen una buena mezcla
de la fase sólida, lo que significa que los niveles de
reacción son altos, el tiempo de residencia de las
partículas es pequeño y la temperatura es
más o menos constante en el lecho.
http://www.citma.net/tecnologia_ficha2.asp?id=6
1.4.3.2 Funcionamiento del gasificador de lecho
fluidizado.
Se sopla aire a través de un lecho de
partículas sólidas a la velocidad suficiente para
mantenerlas en estado de
suspensión. Se comienza por calentar externamente el lecho
y el material de alimentación se introduce tan
rápido como se alcanza una temperatura suficientemente
elevada. Las partículas del combustible se introducen por
el fondo del reactor, se mezclan rápidamente el material
del lecho y se calientan casi instantáneamente, alcanzando
así la temperatura de este.
Como resultado de este tratamiento, el combustible se
pirroniza muy rápidamente, dando como resultado una mezcla
de componentes, con una cantidad relativamente elevada de
materiales gaseosos, en la fase de gas se reproduce una nueva
gasificación y reacciones de los alquitranes. La
mayoría de los sistemas van equipados con un ciclón
interno a fin de reducir el mínimo de escape de
alquitrán por soplado. La partícula de ceniza se
transporta también por la parte superior del reactor,
debiendo extraerse de la corriente de gas si este se emplea en
aplicaciones para motores.
http://www.citma.net/tecnologia_ficha2.asp?id=6
1.5 Proceso de
Pirolisis.
La pirolisis se puede definir como la
descomposición térmica de un material en ausencia
de oxígeno o cualquier otro reactante. Esta
descomposición se produce a través de una serie
compleja de reacciones
químicas y de procesos de transferencia de materia y
calor. La pirolisis también aparece como paso previo a la
gasificación y la combustión.
Se puede considerar que la pirolisis comienza en
torno a los
250 °C, llegando a ser prácticamente completa en torno
a los 500°C, aunque esto está en función del
tiempo de residencia del residuo en el reactor.
A partir de la pirolisis pueden obtenerse diferentes
productos secundarios útiles en función de la
tecnología de tratamiento que se utilice. En la siguiente
tabla pueden verse estos productos y
tecnologías.
Tabla 1. Productos secundarios de la
Pirolisis.
Los productos primarios formados son los siguientes (en
diferentes proporciones según el proceso
empleado):
Gases: Compuestos principalmente de CO, CO2, CH4,
C2H6 y pequeñas cantidades de hidrocarburos
ligeros.Líquidos: Compuesto por una gran mezcla de
distintos productos como pueden ser: cetonas, ácido
acético, compuestos aromáticos, y otras
fracciones más pesadas.Sólidos: El producto sólido de la
pirolisis es un residuo carbonoso (char) que puede ser
utilizado como combustible o para la producción de
carbón activo.
Existen diferentes tipos de Pirolisis en función
de las condiciones físicas en las que se realice.
Así, factores como la velocidad de calentamiento, el
tiempo de residencia, la presión, etc., tienen una
influencia muy grande en la distribución de productos que se obtienen.
Esto puede verse resumido en la siguiente tabla.
Tabla 2. Tipos de Pirolisis.
La carbonización es quizá el proceso de
pirolisis conocido desde hace más tiempo de todos los
mostrados en el cuadro anterior, y el que más importancia
tiene industrialmente para la producción de carbón
vegetal. Esta carbonización se puede llevar a cabo en
diferentes tipos de instalaciones:
Tabla 3. Instalaciones para la
carbonización.
Algunas de las ventajas del proceso de
gasificación son:
Versatilidad en la valorización del residuo,
ya que se puede aprovechar la energía que contiene en
forma de calor, electricidad o como gas de síntesis
para la obtención de productos
químicos.Buen rendimiento eléctrico, en el caso de que
esa sea la vía más adecuada para el
aprovechamiento del residuo.Menor impacto
ambiental.
Actualmente la
investigación sobre la pirolisis se lleva a cabo sobre
materias primas variadas, como pueden ser los residuos
agrícolas y forestales, los residuos sólidos
urbanos o los neumáticos.
http://www.cps.unizar.es/~proter/Gasificaci%F3n.htm
La pirolisis se lleva a cabo habitualmente a
temperaturas de entre 400 ºC y 800 ºC. A estas
temperaturas los residuos se transforman en gases,
líquidos y cenizas sólidas denominadas "coque" de
pirolisis. Las proporciones relativas de los elementos producidos
dependen de la composición de los residuos, de la
temperatura y del tiempo que ésta se aplique. Una corta
exposición a altas temperaturas recibe el
nombre de pirolisis rápida, y maximiza el producto
líquido. Si se aplican temperaturas más bajas
durante períodos de tiempo más largos,
predominarán las cenizas sólidas.
El calor requerido para la pirolisis es generado por
combustibles tradicionales (gas natural, petróleo, etc.),
o mediante el uso de electricidad para crear plasmas de altas
temperaturas. En los sistemas de plasma la fuente principal de
calor es una antorcha o un arco de plasma que puede alcanzar
temperaturas de entre 3.000 ºC y 20.000 ºC. Los plasmas
se generan normalmente mediante un arco o descarga
eléctrica de gran energía y, por tanto, requieren
considerables cantidades de energía para funcionar.
(Mohr, K.; Nonn, Ch.; y Jager, J., 1997. págs
1053-1064).
1.5.1 Clasificación de los procesos de
pirolisis.
La pirolisis rápida y la
gasificación.
Cortéz (Brasil) y Olivares (Cuba) han
realizado importantes trabajos sobre la gasificación y la
pirolisis rápida de bagazo y paja de caña de
azúcar.
El diseño,
construcción y puesta en marcha de un reactor en lecho
fluidizado, trabajando en las instalaciones de UNICAMP y de
COPERSUCAR, ha permitido obtener valiosos resultados de
importancia práctica y teórica.
En la actualidad se han realizado reformas al
fluidizador que permitirán una mejor alimentación
de la biomasa así como una recuperación más
completa de los líquidos pirolíticos.
(Bridgwater, A. V. (1998), págs.
268-271).
Pirolisis lenta a presión
atmosférica.
El convencional proceso de carbonización ha
formado parte de los estudios conjuntos
UNICAMP – Universidad de
Oriente. Se ha trabajado en dos direcciones
principales:
– La producción de Carbón
Vegetal.
– La producción y composición de la
fracción condensable.
Con respecto a la producción de carbón
vegetal a partir de bagazo de caña, (BROSSARD,
CORTÉZ Y COL., 2000A), se ha estudiado el proceso
a escala de laboratorio en
las siguientes condiciones:
El procesamiento estadístico de los resultados
obtenidos dio el siguiente modelo
matemático para un nivel de significación ? = 0.05
y un R2=93.9%
Esto indica un rendimiento medio de un 28% dentro de la
región experimental estudiada y establece claramente que
el tiempo de permanencia de la biomasa carbonizada a la
temperatura final (X2), es el factor que mas influye en la
producción de carbón vegetal. No obstante se
considera que en este estudio (aún no publicado) debe
incluirse como factor la velocidad de calentamiento.
Con respecto al rendimiento del carbón a partir
de cáscara de arroz se obtienen valores medios
de 45% lo cual es significativamente mayor que en el caso del
bagazo. Sin embargo ambos carbones difieren notablemente en
cuanto a % de carbono fijo y de cenizas cuando se obtienen en
iguales condiciones experimentales.
Así por ejemplo:
El alto contenido de cenizas del carbón de
cáscara de arroz parece ser un serio impedimento para su
uso posterior como combustible.
Pirolisis al vacío.
Por otro lado y bajo condiciones similares excepto por
la aplicación de un pequeño vacío en el
sistema (0,7 kgf/cm2) se estudió la producción de
líquidos durante la pirolisis lenta obteniéndose el
siguiente modelo empírico (BROSSARD, CORTEZ Y COL.,
2000B).
El modelo anterior tiene la misma codificación que el arriba expuesto y puede
observarse que la producción de líquido
pirolítico tiene también como factor principal,
pero negativo, el tiempo de residencia de la biomasa a la
temperatura final.
Estos estudios se continuaron aumentando el vacío
en el sistema, esta vez a 0.4 kgf/cm2 (BROSSARD Y COL.
2000C).
Como factores se contemplaron
El rendimiento de líquidos en estas condiciones
obedece al siguiente modelo
Como se aprecia la velocidad de calentamiento (X4) es en
estas nuevas condiciones, el factor más importante en la
producción de líquidos. Además en segundo
término mientras menor sea la densidad aparente de la
biomasa pirolizada mayor será la producción de
condensables.
El estudio por cromatografía gaseosa –
espectrometría de masa muestra los principales productos
químicos presentes en los efluentes condensables listados
en orden de abundancia relativa:
1. Levoglucosan
2. Ciclopropilcarbinol
3. 4-metil-2(5H)-furanona
4. 2(5H)-furanona,3metil
5. Ácido acético
6. 4-etilfenol
7. 4-metilfenol
8. 4-metoxifenol
9. fenol
1.5.2 Aplicaciones del alquitrán de pirolisis
lenta.
Varios trabajos de Brossard y Cortéz
(BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1997, 1999A,
1999B), han tratado sobre el empleo práctico de
la fracción condensada insoluble en agua
(alquitrán) proveniente de la pirolisis de diversos
residuos lignocelulósicos.
Durante la 4ta Conferencia de
Biomasa de Las Américas celebrada en Estados Unidos en
1999, el grupo de
investigadores UNICAMP – Universidad de Oriente
presentó varias comunicaciones
científicas y entre ellas hubo dos relativas al uso de las
soluciones alcalinas de alquitrán (S.A.A.). Una se
refería al uso de la S.A.A. como agente espumante para el
beneficio de menas sulfuradas de cobre
(BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1999A) y la otra
se refería a la confección de concreto
ligero celular (BROSSARD, CORTÉZ Y COL.,
1999B).
La importancia de estos trabajos radica en la
utilización del alquitrán de pirolisis lenta como
un todo no sometido a previo fraccionamiento.
En el caso a la aplicación referida al beneficio
del mineral de cobre, se llega a la conclusión de que
mediante el empleo de S.A.A. convenientemente dosificadas, es
posible obtener porcientos de recuperación de cobre y
porcientos de cobre en el concentrado final equivalentes a cuando
se utiliza aceite de pino
como agente espumante.
La otra dirección explorada permitió
establecer el modo de obtención industrial de concreto
ligero celular que posee además de baja densidad aparente
(300 – 500 kg/m3), baja conductividad eléctrica y
acústica.
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Canarreos", Diario Granma, Habana, Junio 15,
pág. 3, 2007.
TABLAS Y
FIGURAS
Autor:
Ing. Yanet Guerra
Reyes
Ing. Boris A. Ramos Robaina
Aspirantes a Master
Abril de 2008
"Año 50 de la Revolución"
Provincia Pinar del Río
UNIVERSIDAD DE PINAR DEL
RÍO
"HERMANOS SAÍZ MONTES DE
OCA"
FACULTAD
GEOLOGÍA-MECÁNICA
"CENTRO DE ESTUDIOS DE ENERGÍA
Y
TECNOLOGÍAS
SOSTENIBLES"
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