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

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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