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Procesos de pirólisis y gasificación, de los residuos sólidos de toronja (página 2)

Enviado por Yanet Guerra Reyes



Partes: 1, 2


Los dos tipos de reactores que se suelen emplear en el proceso de gasificación de residuos sólidos son fundamentalmente los de lecho móvil (en contracorriente y corrientes paralelas) y los de lecho fluidizado. Cada uno de ellos presenta una serie de ventajas e inconvenientes. El gasificador de lecho fluidizado permite más fácilmente el escalado del proceso, presenta una mayor capacidad de procesamiento y un mejor control de la temperatura del proceso que el gasificador de lecho móvil. Otra ventaja muy importante que presenta el lecho fluidizado frente al lecho móvil es que permite la adición de catalizadores en el lecho para llevar a cabo gasificaciones catalíticas. Sin embargo, el lecho fluidizado también presenta una serie de inconvenientes, por ejemplo, se necesita una trituración previa del material sólido a alimentar puesto que para obtener una buena fluidización el tamaño de partícula debe ser inferior a 2 cm. Por otro lado, no todos los materiales sólidos fluidizan fácilmente, en ocasiones es necesario añadir otro sólido coadyuvante de la fluidización. Por último, otro inconveniente puede ser la pérdida de fluidización como consecuencia de las aglomeraciones y sinterización del lecho, determinado por las propiedades termoplásticas del material, así como por la temperatura de fusión de sus cenizas. Cuando la gasificación está integrada en un ciclo combinado, el residuo sólido se transforma en gases combustibles de bajo-medio poder calorífico que son los que posteriormente se queman en un motor de combustión interna, generador de vapor o turbina generándose energía. Está científicamente comprobado que el rendimiento energético de la combustión de gases puede ser en torno a un 10-15% superior al obtenido en la combustión de un sólido. Por otro lado, desde el punto de vista medioambiental, la gasificación es también una tecnología más limpia, ya que al llevarse a cabo en condiciones menos oxidantes, la producción de contaminantes tales como, NOx y SOx es menor. En cuanto a la posible generación de dioxinas y furanos hay que indicar que debido al mayor rendimiento obtenido en la combustión de gases cabría esperar una reducción en el nivel de dioxinas en el supuesto de que se generasen durante la transformación del residuo sólido en gases. Se ha demostrado que las dioxinas se destruyen a temperaturas superiores a 850 ºC, de modo que se quemarían en el motor de gas donde el rendimiento de combustión es muy alto, ocurriendo lo mismo con cualquier compuesto fenólico originado durante la transformación del sólido en gas que pudiera ser susceptible de formar dioxinas o furanos a temperaturas menores mediante el proceso de la síntesis Novo.

http://www.monografias.com/trabajos27/gasificacion-citricos/gasifiacion-citricos.shtml#discus

CAPÍTULO I: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

1.1 La biomasa.

La biomasa es toda sustancia orgánica renovable de origen tanto animal como vegetal. La energía de la biomasa proviene de la energía que almacenan los seres vivos. En primer lugar, los vegetales al realizar la fotosíntesis, utilizan la energía del sol para formar sustancias orgánicas. Después los animales incorporan y transforman esa energía al alimentarse de las plantas. Los productos de dicha transformación, que se consideran residuos, pueden ser utilizados como recurso energético.

Desde principios de la historia de la humanidad, la biomasa ha sido una fuente energética esencial para el hombre. Con la llegada de los combustibles fósiles, este recurso energético perdió importancia en el mundo industrial. En la actualidad los principales usos que tiene son domésticos.

En Europa, Francia es el país que mayor cantidad de biomasa consume (más de 9 millones de toneladas equivalentes de petróleo (tep)) seguido de Suecia. España ocupa el cuarto lugar dentro de esta lista con 3,6 millones de tep.

http://www.miliarium.com/Monografias/Energia/E_Renovables/Biomasa/Biomasa.asp

1.1.1 Tipos de biomasa.

Existen diferentes tipos de biomasa que pueden ser utilizados como recurso energético.

Biomasa natural: Es la que se produce en la naturaleza sin ninguna intervención humana. El problema que presenta este tipo de biomasa es la necesaria gestión de la adquisición y transporte del recurso al lugar de utilización. Esto puede provocar que la explotación de esta biomasa sea inviable económicamente.

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Fig. 1 Biomasa natural.

Biomasa residual (seca y húmeda): Son los residuos que se generan en las actividades de agricultura (leñosos y herbáceos) y ganadería, en las forestales, en la industria maderera y agroalimentaria, entre otras y que todavía pueden ser utilizados y considerados subproductos. Como ejemplo podemos considerar el serrín, la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, etc.

Se denomina biomasa residual húmeda a los vertidos llamados biodegradables, es decir, las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines).

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Fig. 2 Biomasa residual.

Cultivos energéticos: Estos cultivos se generan con la única finalidad de producir biomasa transformable en combustible. Estos cultivos los podemos dividir en :

  • Cultivos ya existentes como los cereales, oleaginosas, remolacha, etc.;

  • Lignocelulósicos forestales (chopo, sauces, etc.)

  • Lignocelulósicos herbáceos como el cardo Cynara cardunculus

  • Otros cultivos como la pataca

http://www.miliarium.com/Monografias/Energia/E_Renovables/Biomasa/Biomasa.asp

1.1.2 Fuentes de extracción.

Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la producción de energía cubren un amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la agricultura, los desechos urbanos y las plantaciones energéticas), se usan, generalmente, para procesos modernos de conversión que involucran la generación de energía a gran escala, enfocados hacia la sustitución de combustibles fósiles. Los residuos agrícolas, como la leña y el carbón vegetal, han sido usados en procesos tradicionales en los países en vías de desarrollo y a usos primarios en pequeña escala; por ejemplo, la cocción de alimentos o las pequeñas actividades productivas como panaderías, calderas, secado de granos, etc.

Plantaciones energéticas:

Estas son grandes plantaciones de árboles o plantas cultivadas con el fin específico de producir energía. Para ello se seleccionan árboles o plantas de crecimiento rápido y bajo mantenimiento, las cuales usualmente se cultivan en tierras de bajo valor productivo. Su período de cosecha varía entre los tres y los diez años. También se utilizan arbustos que pueden ser podados varias veces durante su crecimiento, para extender la capacidad de cosecha de la plantación.

Existen también muchos cultivos agrícolas que pueden ser utilizados para la generación de energía: caña de azúcar, maíz, sorgo y trigo. Igualmente, se pueden usar plantas oleaginosas como palma de aceite, girasol o soya y algunas plantas acuáticas como jacinto de agua o las algas, para producir combustibles líquidos como el etanol y el biodiesel. Adicionalmente, este tipo de cultivos sirve para controlar la erosión y la degradación de los suelos; además puede proveer otros beneficios a los agricultores. Una granja típica, usualmente, solo genera uno o dos productos de mayor valor comercial como maíz, café, leche, carne o tomate. El ingreso neto de ello es, a menudo, vulnerable a las fluctuaciones del mercado, al aumento del costo en los insumos, a las variaciones climáticas y a otros factores. Dado que las plantas de generación de energía requieren un suministro estable de combustible, los cultivos asociados a ellas pueden proveer un ingreso permanente a los granjeros que decidan diversificar su producción.

La principal limitante para este tipo de plantaciones está en la escala, pues se requieren grandes extensiones de tierra para lograr una producción de energía rentable. Por esta razón, son factibles cuando se desarrollan con algún tipo de producción agrícola paralela, como por ejemplo, el maíz, la caña de azúcar y la palma de aceite.

Desechos agrícolas:

La agricultura genera cantidades considerables de desechos (rastrojos): se estima que, en cuanto a desechos de campo, el porcentaje es más del 60%, y en desechos de proceso, entre 20% y 40%.

Al igual que en la industria forestal, muchos residuos de la agroindustria son dejados en el campo. Aunque es necesario reciclar un porcentaje de la biomasa para proteger el suelo de la erosión y mantener el nivel de nutrientes orgánicos, una cantidad importante puede ser recolectada para la producción de energía. Ejemplos comunes de este tipo de residuos son el arroz, el café y la caña de azúcar. Los campos agrícolas también son una fuente importante de leña para uso doméstico: más del 50% del volumen total consumido.

Por otro lado, las granjas producen un elevado volumen de "residuos húmedos" en forma de estiércol de animales. La forma común de tratar estos residuos es esparciéndolos en los campos de cultivo, con el doble interés de disponer de ellos y obtener beneficio de su valor nutritivo. Esta práctica puede provocar una sobre fertilización de los suelos y la contaminación de las cuencas hidrográficas.

Desechos industriales:

La industria alimenticia genera una gran cantidad de residuos y subproductos, que pueden ser usados como fuentes de energía, los provenientes de todo tipo de carnes (avícola, vacuna, porcina) y vegetales (cáscaras, pulpa) cuyo tratamiento como desechos representan un costo considerable para la industria. Estos residuos son sólidos y líquidos con un alto contenido de azúcares y carbohidratos, los cuales pueden ser convertidos en combustibles gaseosos.

Desechos urbanos:

Los centros urbanos generan una gran cantidad de biomasa en muchas formas, por ejemplo:

Residuos alimenticios, papel, cartón, madera y aguas negras. La mayoría de los países centroamericanos carecen de adecuados sistemas para su procesamiento, lo cual genera grandes problemas de contaminación de suelos y cuencas; sobre todo por la inadecuada disposición de la basura y por sistemas de recolección y tratamiento con costos elevados de operación. Por otro lado, la basura orgánica en descomposición produce compuestos volátiles (metano, dióxido de carbono, entre otros) que contribuyen a aumentar el efecto invernadero. Estos compuestos tienen un considerable valor energético que puede ser utilizado para la generación de energía "limpia".

A corto y mediano plazo, la planificación urbana deberá incluir sistemas de tratamiento de desechos que disminuyan eficazmente las emanaciones nocivas de los desechos al ambiente, dándoles un valor de retorno por medio del aprovechamiento de su contenido energético, pues aproximadamente el 80% de toda la basura orgánica urbana puede ser convertida en energía.

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Fig. 3 Fuentes de extracción de la biomasa.

1.1.3 Algunas características de la biomasa.

Para evaluar la factibilidad técnica y económica de un proceso de conversión de biomasa en energía, es necesario considerar ciertos parámetros y condiciones que la caracterizan.

Tipo de biomasa: Los recursos biomásicos se presentan en diferentes estados físicos que determinan la factibilidad técnica y económica de los procesos de conversión energética que pueden aplicarse a cada tipo en particular. Por ejemplo, los desechos forestales indican el uso de los procesos de combustión directa o procesos termo-químicos; los residuos animales indican el uso de procesos anaeróbicos (bioquímicos), etc.

Composición química y física: Las características químicas y físicas de la biomasa determinan el tipo de combustible o subproducto energético que se puede generar; por ejemplo, los desechos animales producen altas cantidades de metano, mientras que la madera puede producir el denominado "gas pobre", que es una mezcla rica en monóxido de carbono (CO). Por otro lado, las características físicas influyen en el tratamiento previo que sea necesario aplicar.

Contenido de humedad (HR): El contenido de humedad de la biomasa es la relación de la masa de agua contenida por kilogramo de materia seca. Para la mayoría de los procesos de conversión energética es imprescindible que la biomasa tenga un contenido de humedad inferior al 30%. Muchas veces, los residuos salen del proceso productivo con un contenido de humedad muy superior, que obliga a implementar operaciones de acondicionamiento, antes de ingresar al proceso de conversión de energía.

Porcentaje de cenizas: El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. En los procesos que incluyen la combustión de la biomasa, es importante conocer el porcentaje de generación de ceniza y su composición, pues, en algunos casos, ésta puede ser utilizada; por ejemplo, la ceniza de la cascarilla de arroz es un excelente aditivo en la mezcla de concreto o para la fabricación de filtros de carbón activado.

Poder calórico: El contenido calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía disponible en la biomasa. Su poder calórico está relacionado directamente con su contenido de humedad. Un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustión debido a que una gran parte del calor liberado se usa para evaporar el agua y no se aprovecha en la reducción química del material.

Densidad aparente: Se define como el peso por unidad de volumen del material en el estado físico que presenta, bajo condiciones dadas. Combustibles con alta densidad aparente favorecen la relación de energía por unidad de volumen, requiriéndose menores tamaños de los equipos y aumentando los períodos entre cargas. Por otro lado, materiales con baja densidad aparente necesitan mayor volumen de almacenamiento y transporte, algunas veces presentan problemas para fluir por gravedad, lo cual complica el proceso de combustión y eleva los costos del proceso.

Recolección, transporte y manejo: Las condiciones para la recolección, el transporte y el manejo en planta de la biomasa son factores determinantes en la estructura de costos de inversión y operación en todo proceso de conversión energética. La ubicación del material con respecto a la planta de procesamiento y la distancia hasta el punto de utilización de la energía convertida, deben analizarse detalladamente para lograr un nivel de operación del sistema por encima del punto de equilibrio, con relación al proceso convencional.

1.1.4 Ventajas de la utilización de la biomasa.

La utilización de la biomasa con fines energéticos tiene las siguientes ventajas medioambientales:

  • Disminución de las emisiones de CO2

Aunque para el aprovechamiento energético de esta fuente renovable tengamos que proceder a una combustión, y el resultado de la misma sea agua y CO2, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este gas a la atmósfera.

  • No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas.

Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce en un reciclaje y disminución de residuos. Canaliza, por tanto, los excedentes agrícolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las tierras de retirada.

Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios en el mercado de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola.

  • Permite la introducción de cultivos de gran valor rotacional frente a monocultivos cerealistas.

  • Puede provocar un aumento económico en el medio rural.

  • Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.

1.1.5 Inconvenientes de la utilización de la biomasa.

  • Tiene un mayor coste de producción frente a la energía que proviene de los combustibles fósiles.

  • Menor rendimiento energético de los combustibles derivados de la biomasa en comparación con los combustibles fósiles.

  • Producción estacional.

  • La materia prima es de baja densidad energética lo que quiere decir que ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte y almacenamiento.

  • Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.

1.2 Procesos de conversión de la biomasa en energía

Existen diferentes métodos que transforman la biomasa en energía aprovechable, expondremos los dos métodos más utilizados en este momento, los termoquímicos y los biológicos.

  • Métodos termoquímicos.

Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están muy desarrollados para la biomasa seca, sobretodo para la paja y la madera.

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Fig. 4 Planta termoquímica.

Se utilizan los procesos de:

  • a) Combustión: La combustión es el proceso de conversión en el cual se produce la oxidación completa del combustible. La combustión directa de la biomasa es el sistema más elemental y, por supuesto, más antiguo de recuperación energética de la misma. La combustión de la biomasa puede caracterizarse por la siguiente reacción química:

Exceso de oxígeno + celulosa + hemicelulosa + lignina + minerales ? CO2 + H2O + cenizas + calor

La energía obtenida en forma de calor (producto primario del proceso) se utiliza en calderas para la producción de vapor y como calor de proceso en una multitud de aplicaciones, como son para uso doméstico o industrial, calefacción, etc. (Faaij, A. P. C., 1997).

  • b) Pirólisis: La pirólisis es la degradación térmica en ausencia de oxígeno. El objetivo de este proceso es obtener tanto combustible líquido como sea posible. La principal ventaja de este proceso es que este líquido o aceite pirolítico obtenido es fácil de manipular en cuanto a transporte y almacenamiento, pero tienen la desventaja de su inestabilidad química y física. (Diebold, J. P. y Bridgwater, A. V. , 1997, Vol. 1, págs. 5-26). Se añaden agentes estabilizadores o aditivos a estos combustibles para aprovechar sus ventajas, por ejemplo como combustibles de transporte. Sin embargo esta tecnología está todavía en una etapa de desarrollo, y por tanto los costes son todavía muy altos y se han de reducir significativamente para alcanzar una introducción en el mercado. (Bridgwater, A. V., 1998, págs. 268-271).

  • c) Gasificación: En este proceso, se produce una conversión de la biomasa en un gas combustible, que actúa de portador de energía, mediante una oxidación parcial a alta temperatura. Como se ha mencionado anteriormente, en la tecnología convencional de combustión la biomasa se quema utilizando un exceso de aire para asegurar una combustión completa; sin embargo en el proceso de gasificación la cantidad de oxígeno generalmente es de un quinto a un tercio de la cantidad requerida teóricamente para la combustión completa. El principal producto del proceso es un gas combustible, cuyo poder calorífico varía dependiendo de la atmósfera de gasificación (la atmósfera de gasificación, también denominada agente gasificante, es el medio gaseoso que reacciona con el combustible sólido desencadenando una serie de reacciones heterogéneas y homogéneas) y del contenido en humedad del combustible. Esta conversión se puede llevar a cabo en diferentes tipos de reactores que se dividen principalmente en gasificadores de lecho fijo o móvil y gasificadores de lecho fluidizado. (Beenackers, A. A. C. M., Maniatis, K. (1997), págs. 24-52).

  • Métodos biológicos.

  • a) Fermentación alcohólica: Transforma la biomasa en etanol (biocombustible). Este alcohol se produce por la fermentación de azúcares

  • b) Fermentación metánica: Es la digestión anaerobia de la biomasa por bacterias. Se suele utilizar para la transformación de la biomasa húmeda en los fermentadores, o digestores. La celulosa es la sustancia que se degrada en un gas, el cual contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. Para este proceso se requiere una temperatura entre 30-35 º C.

http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/energias/biomasa.htm

1.3 Proceso de Gasificación

Es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (residuo orgánico) es transformado en un gas combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente gasificante ( aire, oxígeno y/o vapor de agua ).

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Fig. 5 Proceso de Gasificación.

La Gasificación es un término genérico bajo cuya denominación se recogen todos los procesos en los que se produce una combustión incompleta con defecto de oxígeno y en los que se producen los siguientes gases (monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano e hidrocarburos de cadena pequeña), en proporciones diversas según la composición de la materia prima y las condiciones del proceso.

Algunas de las biomasas, normalmente residuales, que pueden usarse en los procesos de gasificación, son:

  • Residuos agrícolas: paja de cereal, poda de frutales, cáscara de frutos secos, etc. Residuos forestales: corta, entresaca, poda, otros tratamientos silvícolas, monte bajo, etc.

  • Residuos ganaderos: purines, cama, estiércoles, gallinaza,...

  • Residuos industriales: orujos, ramas y hojas, serrín, cortezas de aserraderos, rechazos orgánicos de proceso, harinas cárnicas, desperdicios de papel, algunos residuos plásticos, embalajes, etc.

  • Residuos urbanos: fracción orgánica de los residuales solidos urbanos, lodos de depuradoras de aguas residuales, neumáticos fuera de uso, residuo orgánico de las fragmentadotas.

  • Mezclas de biomasas/ residuos, adecuadas.

Se parte de una biomasa en las condiciones en que se encuentre. Una vez en la planta se acondiciona la biomasa, limpieza, secado, homogeneizado. El reactor gasificador se alimenta de forma continua de biomasa y aire atmosférico en las proporciones requeridas. En el interior del reactor gasificador se producen las reacciones de la gasificación, alcanzándose altas temperatura en la zona de oxidación. Los productos de la gasificación son el gas de gasificación y los residuos (cenizas) que alcanzan valores entre el 4 % y el 12 % según la biomasa utilizada.

El gas de gasificación obtenido, es un gas relativamente limpio que requerirá tratamiento o no, según el uso que se le dé. Posibles usos del gas: reactivo en procesos químicos y combustible en procesos energéticos tales como caldera de gas, motor de gas, turbina de gas, generador de vapor, La exigencia de cada uno de los usos que se le pueden dar al gas, condiciona el tratamiento que este necesita. En este caso que se valora la posibilidad de emplearlo en un motor de combustión interna acoplado a un generador es vital eliminarle el contenido en alquitranes.

La gasificación constituye una combustión incompleta que se lleva a cabo sometiendo la biomasa a una descomposición térmica a altas temperaturas (600-1500 grados Celsius) en una atmósfera pobre en oxígeno, es decir, con una cantidad de oxígeno por debajo del punto estequiométrico necesario para la combustión completa. Como producto de la gasificación se obtiene gas pobre, un gas combustible constituido por una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y vapor de agua, así como pequeñas cantidades de metano, etano, etilo, etileno y otros hidrocarburos ligeros, óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, alquitranes y cenizas.

1.3.1 Termoquímica de los procesos de gasificación.

En el proceso de gasificación tienen lugar una gran variedad de reacciones cuyo orden de importancia relativa depende de las condiciones de operación y del agente gasificante utilizado, pero que pueden agruparse en tres bloques o etapas en los que conceptualmente puede dividirse el proceso:

Pirólisis o descomposición térmica: Mediante calor, el sólido original se descompone en una mezcla de sólido, líquido y gas. Al sólido se le suele denominar "char" y a los líquidos, debido a la presencia mayoritaria de alquitranes y vapores condensables, "tar". Puede incluirse aquí el proceso de secado que tiene lugar al entrar la biomasa al gasificador.

Oxidación o combustión: Tiene lugar cuando el agente gasificante es un oxidante como oxígeno o aire e implica el conjunto de reacciones de oxidación, tanto homogéneas como heterogéneas, fundamentalmente exotérmicas, mediante las que se genera el calor necesario para que el proceso se mantenga.

Reducción o gasificación: La constituyen las reacciones sólido-gas o en fase gas, mediante las que el sólido remanente se convierte en gas. Se trata de reacciones fundamentalmente endotérmicas, algunas de las cuales tienen lugar en muy poca extensión, o solo tienen lugar en determinadas condiciones, como ocurre con la hidrogenación y/o reformado.

Es importante constatar que la pirólisis, aparte de ser un proceso termoquímico en sí mismo, es también la etapa inicial de la gasificación en la que se producen los residuos característicos. El conocimiento de esta fase es, por tanto, interesante ya sea como etapa precursora de la gasificación de un material, como por la obtención de char y biocombustibles, productos por lo general de gran aplicabilidad, para la producción de carbones activados o como combustibles. (Pirogas.pdf)

1.3.2 Clasificación de los procesos de gasificación.

El término genérico "gasificación" engloba una gran variedad de procesos en los que pueden obtenerse productos muy diversos.

Basándose en el agente gasificante empleado puede establecerse una primera clasificación de los procesos de gasificación:

  • Con aire: La combustión parcial con el aire da lugar a una reacción exotérmica cuyo producto es un gas de bajo poder calorífico, susceptible de ser aprovechado con fines de carácter energético.

  • Con oxígeno: Se produce un gas de poder calorífico medio, de mayor calidad al no estar diluido con N2. Además de aplicaciones de carácter energético, puede utilizarse como gas de síntesis para la obtención de metanol.

  • Con vapor de agua y/o oxígeno (o aire): Se produce un gas enriquecido en H2 y CO que se puede utilizar como gas de síntesis para diversos compuestos (amoníaco, metanol, gasolinas, etc.).

  • Con hidrógeno: Se produce un gas de alto contenido energético que, por tener altos porcentajes de metano, puede utilizarse como sustituto del gas natural.

Otra clasificación interesante de los procesos de gasificación utiliza como criterio el movimiento entre el agente gasificante y el sólido gasificado en el interior del gasificador. Basándose en este criterio los principales tipos de gasificadores son: de lecho móvil en corrientes paralelas (downdraft) o en contracorriente (updraft), y de lecho fluidizado, en régimen burbujeante o circulante. Otros tipos de gasificadores utilizados en menor medida son los hornos rotatorios, reactores ciclónicos, de arrastre, etc.

1.4 Tipos de gasificadores

1.4.1 Gasificador de corriente ascendente o tiro directo.

El tipo de gasificador más antiguo y sencillo es el de tiro directo o gasificador ascendente que se presenta esquemáticamente en la Figura

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Fig. 6 Gasificador de corriente ascendente o tiro directo.

La toma de aire se encuentra en el fondo y los gases salen por arriba. Cerca de la parrilla, en el fondo, tienen lugar las reacciones de combustión, que van seguidas de reacciones de reducción algo más arriba, en el gasificador. En la parte alta del gasificador tiene lugar el calentamiento y pirólisis de la carga, como resultado de la transferencia de calor, por convección forzada y radiación, de las zonas inferiores. Los alquitranes y productos volátiles producidos durante este proceso son transportados por la corriente de gas. Se remueven las cenizas del fondo del gasificador.

Las principales veo tejes de este tipo de gasificador consisten en su simplicidad, alta proporción de carbón vegetal quemado e intercambio interno de calor que motiva unas bajes temperaturas de salida del gas y alta eficiencia del equipo y también la posibilidad de funcionar con muchos tipos de carga (serrín, cascaras de cereales, etc.).

Los principales inconvenientes provienen de la posibilidad de que se produzcan "chimeneas" en el equipo, lo que puede motivar la salida de oxígeno y situaciones explosivas peligrosas y la necesidad de instalar parrillas de movimiento automático y también problemas relacionados con la eliminación de líquidos condensados que contienen alquitranes, resultantes de las operaciones de depuración del gas. Esto último tiene poca importancia si el gas se emplea para aplicaciones directas del calor, en cuyo caso los alquitranes simplemente se queman.

1.4.2 Gasificadores de corriente descendente o tiro invertido

Se ha encontrado una solución al problema del arrastre de alquitrán con la corriente de gas, diseñando gasificadores de tiro invertido o corriente descendente, en los cuales el aire de primera gasificación se introduce en la zona de oxidación del gasificador o por encima de ésta. El gas pobre sale por el fondo del aparato de modo que el combustible y el gas se mueven en la misma dirección, como se muestra esquemáticamente en la Figura 2.8.

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Fig. 7 Gasificador de corriente descendente o de tiro invertido.

En su camino hacia abajo, los productos ácidos y alquitranes de la destilación procedentes del combustible deben pasar a través de un lecho incandescente de carbón vegetal y se transforman por ello en gases permanentes de hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y metano.

Dependiendo de la temperatura de la zona incandescente y del tiempo de paso de los vapores con alquitrán, se logra una descomposición más o menos completa de los alquitranes.

La principal ventaja de los gasificadores de tipo invertido radica en la posibilidad de producir un gas sin alquitrán apropiado para aplicarlo a motores.

Sin embargo, en la práctica es muy raro lograr un gas libre de alquitranes, en todo el funcionamiento del equipo: se considera normal un índice tres de relación entre los alquitranes existentes y los remanentes al final de la operación; se considera excelente un factor 5 a 6.

Debido al menor contenido de componentes orgánicos en el liquido condensado, los gasificadores de tiro invertido sufren menos objeciones ambientales que los gasificadores de tiro directo.

Un inconveniente importante de los equipos de tiro invertido es la imposibilidad de funcionar con una serie de combustibles no elaborados. En particular, los materiales blandos y de baja densidad ocasionan problemas de circulación y una caída excesiva de presión y, el combustible sólido hay que convertirlo en gránalos o briquetas antes de utilizarlo. Los gasificadores de tiro invertido sufren también los problemas relacionados con los combustibles de alto contenido de cenizas (formación de escoria), en mayor proporción que los gasificadores de tiro directo.

Un pequeño inconveniente del sistema de tiro invertido en comparación con el de tiro directo es su eficiencia algo inferior, debida a la falta de intercambio interno de calor y al menor valor calorífico del gas. Además de esto, la necesidad de mantener unas temperaturas altas uniformes en una sección transversal determinada, hace imposible el uso de los gasificadores de tiro invertido en una serie de potencias superior a los 350 kW (potencia en el eje).

1.4.3 Gasificadores de tiro transversal.

Los gasificadores de tiro transversal, que se ilustran esquemáticamente en la Figura 2.9. son una adaptación para el empleo de carbón vegetal. La gasificación del carbón vegetal produce temperaturas muy elevadas (1 500°C y mas) en la zona de oxidación que pueden producir problemas en los materiales. En los gasificadores de tiro transversal, el propio combustible (carbón vegetal) sirve de aislamiento contra estas altas temperaturas.

Las ventajas del sistema están en poder funcionar en muy pequeña escala, pudiendo resultar económicamente viables, en ciertas condiciones, instalaciones inferiores a 10 kW (potencia en el eje). La razón está en la gran sencillez del conjunto de depuración del gas (sólo un quemador de ciclón y un filtro caliente) que se puede emplear cuando se utiliza este tipo de gasificador junto con motores pequeños.

Un inconveniente de los gasificadores de tiro transversal es su capacidad mínima de transformación del alquitrán y la necesidad consiguiente de emplear carbón vegetal de alta calidad (bajo contenido de productos volátiles).

Debido a la incertidumbre sobre la calidad del carbón, cierto numero de gasificadores de carbón vegetal emplean el sistema de corriente descendente para mantener al menos una capacidad mínima de cracking del alquitrán.

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Fig. 8 Gasificador de tiro transversal.

1.4.4 Gasificador de lecho fluidizado

El funcionamiento de los gasificadores de tiro directo y de tiro invertido se ve afectado por las propiedades morfológicas, físicas y químicas del combustible. Los problemas que se encuentran corrientemente son: la falta de tiro en el depósito, la formación de escoria y la excesiva caída de presión en el gasificador.

Un sistema de diseño que pretende eliminar tales dificultades es el gasificador de lecho fluidizado, que se ilustra esquemáticamente en la Figura 2.10.

Se sopla aire a través de un lecho de partículas sólidas a velocidad suficiente para mantenerlas en estado de suspensión. Se comienza por calentar externamente el lecho y el material de alimentación se introduce tan pronto como se alcanza una temperatura suficientemente elevada. Las partículas del combustible se introducen por el fondo del reactor, se mezclan muy rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente alcanzando la temperatura del lecho. Como resultado de este tratamiento, el combustible se piroliza muy rápidamente, dando como resultado una mezcla de componentes, con una cantidad relativamente elevada de materiales gaseosos. En la fase de gas, se produce una nueva gasificación y reacciones de transformación de los alquitranes. La mayoría de los sistemas van equipados con un ciclón interno, a fin de reducir al mínimo el escape de alquitrán por soplado. Las partículas de ceniza se transportan también por la parte superior del reactor, debiendo extraerse de la corriente de gas si este se emplea en aplicaciones para motores.

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Fig. 9 Gasificador de lecho fluidizado.

Las principales ventajas de los gasificadores de lecho fluidizado, tal como lo indican (Van der Aarsen) y otros, proceden de su flexibilidad en cuanto al material de alimentación debida al fácil control de la temperatura que puede mantenerse por debajo del punto de fusión de las cenizas (cáscaras de arroz) y a su capacidad de funcionar con materiales blandos y de grano fino (serrín, etc.) sin necesidad de un proceso previo. Con algunos combustibles de biomasa pueden producirse problemas en cuanto a alimentación, inestabilidad del lecho y entrada de cenizas volantes en los conductos de gas.

Otros inconvenientes del gasificador de lecho fluidizado están en el contenido bastante alto de alquitrán del gas producido (hasta 500 mg/m³ de gas), la combustión incompleta del carbono y lo mal que responde a los cambios de carga.

Debido especialmente al equipo de control necesario para hacer frente a este último inconveniente, no se prevén gasificadores muy pequeños de lecho fluidizado, debiendo establecerse su campo de aplicación, en principio, por encima de los 500 kW (potencia en el eje).

Los gasificadores de lecho fluidizado están actualmente disponibles, con carácter semicomercial, en varios fabricantes de Europa y EE.UU.

1.4.5 Otros tipos de gasificadores

Actualmente se están desarrollando otros sistemas de gasificadores de biomasa (de doble fuego, de lecho retenido, de baño fundido), que son en parte subproductos de la tecnología de gasificación de carbón mineral. En algunos casos estos sistemas incorporan refinamientos y complicaciones innecesarios; en otros, tanto el tamaño como la complicación del equipo hacen casi imposible su aplicación en países en desarrollo. Por estas razones, se omiten en esta relación.

1.5 Pirolisis

El proceso de pirólisis consiste en la descomposición de la materia orgánica por acción del calor y en ausencia de oxígeno u otros reactantes. La importancia de este proceso está, no sólo en su propia aplicación, sino que además se trata de una etapa previa que ocurre en los procesos de gasificación y combustión.

Los productos que se obtienen a través de la pirólisis son: el gas de pirólisis, alquitranes y carbón. Las cantidades y composiciones que se obtienen de cada uno de ellos dependen en gran medida de las condiciones en que se realice esta pirólisis (Janse y Cols., 1997): temperatura, tiempo de residencia y velocidad de calentamiento principalmente; por lo tanto, el tipo de reactor utilizado modificará la distribución de productos. La distribución de productos en la pirólisis depende también del tipo de residuo utilizado.

1.5.1 Clasificación de los procesos de pirólisis.

La influencia de las condiciones de operación es muy grande y condiciona los propios productos de la pirólisis, de modo que ésta se puede clasificar en:

Pirólisis lenta o carbonización. Se maximiza el rendimiento a residuo carbonoso (char) con temperaturas inferiores a los 400 ºC, velocidades de calentamiento bajas y largos tiempos de residencia que pueden ser incluso de varios días.

Pirólisis convencional. Se lleva a cabo con temperaturas inferiores a 500 ºC, bajas velocidades de calentamiento y tiempos de residencia de entre medio minuto y cinco minutos. Se obtienen cantidades parecidas de sólido, líquido y gas.

Pirólisis rápida o "flash" a temperaturas moderadas. Se maximiza el rendimiento a líquido con temperaturas entorno a los 500 ºC, velocidades de calentamiento altas y cortos tiempos de residencia.

Pirólisis rápida o "flash" a altas temperaturas. Se maximiza el rendimiento a gas con altas temperaturas (mayores de 700 ºC), con velocidades de calentamiento altas y cortos tiempos de residencia.

Otra de las no tan modernas técnicas de tratamiento pirolítico es la "gasificación", definida como la transformación de una sustancia sólida o líquida en una mezcla gaseosa mediante oxidación parcial con aplicación de calor. La oxidación parcial se consigue normalmente restringiendo el nivel de oxígeno (o aire) en la cámara de postcombustión (pirólisis). El proceso se optimiza para generar la máxima cantidad de productos gaseosos de descomposición, normalmente monóxido de carbono, hidrógeno, metano, agua, nitrógeno y pequeñas cantidades de hidrocarburos superiores.

Si el oxidante usado es aire, el gas producido se llama "gas pobre" y normalmente su poder calorífico no superará el 25% del gas natural. Si el oxidante utilizado es oxígeno o aire enriquecido, el "gas de síntesis" resultante tendrá un poder calorífico mayor debido a la ausencia de nitrógeno, normalmente entre el 25% y el 40% del gas natural.

Aunque la gasificación es un proceso pirolítico optimizado para la mayor obtención de gases, genera subproductos líquidos y sólidos que pueden contener altos niveles de contaminantes tóxicos. El grado de contaminación dependerá de la cantidad de residuos tratados, del tipo de técnica y de cómo se lleve a cabo. (PNUD 1999., Vol.3, No.4 Septiembre).

www.undp.org.in/programme/GEF/september/page10-25.htm

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Autor:

Ing. Boris Abel Ramos Robaina

Ing. Yanet Guerra Reyes

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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Partes: 1, 2


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