La gasificación es un proceso que convierte materiales carbonosos de biomasa o combustibles fósiles en gases, incluyendo en fracciones más grandes: nitrógeno (N 2 ), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H 2 ) y dióxido de carbono (CO 2 ). Esto se logra haciendo reaccionar el material de la materia prima a altas temperaturas (normalmente >700 °C), sin combustión, mediante el control de la cantidad de oxígeno y/o vapor presente en la reacción. La mezcla de gases resultante se llama gas de síntesis (de gas de síntesis) o gas de productor y es en sí misma un combustible debido a la inflamabilidad del H 2 y el CO de los que se compone en gran parte el gas. Se puede derivar energía de la combustión posterior del gas resultante, y se considera una fuente de energía renovable si los compuestos gasificados se obtuvieron a partir de materia prima de biomasa. [1] [2] [3] [4]
Una ventaja de la gasificación es que el gas de síntesis puede ser más eficiente que la combustión directa de la materia prima original porque puede quemarse a temperaturas más altas, de modo que el límite superior termodinámico de la eficiencia definida por la regla de Carnot es mayor. El gas de síntesis también puede utilizarse como fuente de hidrógeno en las pilas de combustible; sin embargo, el gas de síntesis producido por la mayoría de los sistemas de gasificación requiere un procesamiento y reformado adicionales para eliminar los contaminantes y otros gases como el CO y el CO 2 para que sea adecuado para su uso en pilas de combustible de baja temperatura, pero las pilas de combustible de óxido sólido de alta temperatura son capaces de aceptar directamente mezclas de H 2 , CO, CO 2 , vapor y metano. [5]
El gas de síntesis se quema más comúnmente directamente en motores de gas , se utiliza para producir metanol e hidrógeno, o se convierte a través del proceso Fischer-Tropsch en combustible sintético . Para algunos materiales, la gasificación puede ser una alternativa al vertido y la incineración , lo que da como resultado menores emisiones de contaminantes atmosféricos como el metano y las partículas . Algunos procesos de gasificación tienen como objetivo refinar elementos de ceniza corrosivos como el cloruro y el potasio , lo que permite la producción de gas limpio a partir de materia prima que de otro modo sería problemática. La gasificación de combustibles fósiles se utiliza actualmente ampliamente a escala industrial para generar electricidad. La gasificación puede generar menores cantidades de algunos contaminantes como SO x y NO x que la combustión. [6]
Desde principios del siglo XIX se ha producido energía a escala industrial mediante gasificación. En un principio, se gasificaba carbón y turba para producir gas de ciudad para iluminación y cocina; el primer alumbrado público se instaló en Pall Mall, Londres, el 28 de enero de 1807 y pronto se extendió para suministrar iluminación comercial a gas a la mayoría de las ciudades industrializadas hasta finales del siglo XIX [7], cuando fue reemplazado por iluminación eléctrica. La gasificación y el gas de síntesis siguieron utilizándose en altos hornos y, de manera más significativa, en la producción de productos químicos sintéticos , donde se han utilizado desde la década de 1920. Los miles de sitios dejaron residuos tóxicos. Algunos sitios han sido remediados, mientras que otros siguen contaminados. [8]
Durante ambas guerras mundiales , especialmente la Segunda Guerra Mundial , resurgió la necesidad de combustible producido por gasificación debido a la escasez de petróleo. [9] Los generadores de gas de madera , llamados Gasogene o Gazogène, se utilizaron para impulsar vehículos de motor en Europa . En 1945, había camiones, autobuses y máquinas agrícolas que funcionaban con gasificación. Se estima que había cerca de 9.000.000 de vehículos que funcionaban con gas de productor en todo el mundo.
Otro ejemplo, el Xe than (que literalmente significa "coche de carbón" en vietnamita ) era un minibús que se había adaptado para funcionar con carbón en lugar de gasolina . Esta modificación recuperó popularidad en Vietnam durante el período de subsidios , cuando la gasolina escaseaba. El Xe than se volvió mucho menos común durante el período Đổi Mới , cuando la gasolina volvió a ser ampliamente accesible.
En un gasificador, el material carbonoso sufre varios procesos diferentes:
En esencia, se introduce una cantidad limitada de oxígeno o aire en el reactor para permitir que parte del material orgánico se "queme" y produzca dióxido de carbono y energía, lo que impulsa una segunda reacción que convierte más material orgánico en hidrógeno y dióxido de carbono adicional. Se producen reacciones posteriores cuando el monóxido de carbono formado y el agua residual del material orgánico reaccionan para formar metano y exceso de dióxido de carbono (4CO + 2H 2 O → CH 4 + 3CO 2 ). Esta tercera reacción se produce con mayor abundancia en reactores que aumentan el tiempo de residencia de los gases reactivos y los materiales orgánicos, así como el calor y la presión. Los catalizadores se utilizan en reactores más sofisticados para mejorar las velocidades de reacción, acercando así el sistema al equilibrio de reacción durante un tiempo de residencia fijo.
Actualmente existen varios tipos de gasificadores disponibles para uso comercial: lecho fijo a contracorriente, lecho fijo a corriente paralela, lecho fluidizado , flujo arrastrado, plasma y radicales libres. [1] [10] [11] [12]
Un lecho fijo de combustible carbonoso (por ejemplo, carbón o biomasa) a través del cual el "agente de gasificación" (vapor, oxígeno y/o aire) fluye en configuración de contracorriente. [13] La ceniza se elimina en estado seco o como escoria . Los gasificadores de escoria tienen una menor relación de vapor a carbono, [14] logrando temperaturas más altas que la temperatura de fusión de la ceniza. La naturaleza del gasificador significa que el combustible debe tener una alta resistencia mecánica e idealmente debe ser antiapelmazante para que forme un lecho permeable, aunque los desarrollos recientes han reducido estas restricciones hasta cierto punto. [ cita requerida ] El rendimiento de este tipo de gasificador es relativamente bajo. La eficiencia térmica es alta ya que las temperaturas en la salida del gas son relativamente bajas. Sin embargo, esto significa que la producción de alquitrán y metano es significativa a temperaturas de operación típicas, por lo que el gas del producto debe limpiarse exhaustivamente antes de su uso. El alquitrán se puede reciclar al reactor.
En la gasificación de biomasa fina no densificada, como la cáscara de arroz , es necesario introducir aire en el reactor mediante un ventilador. Esto crea una temperatura de gasificación muy alta, de hasta 1000 °C. Por encima de la zona de gasificación, se forma un lecho de carbón fino y caliente y, a medida que el gas se impulsa a través de este lecho, la mayoría de los hidrocarburos complejos se descomponen en componentes simples de hidrógeno y monóxido de carbono. [ cita requerida ]
Similar al tipo de contracorriente, pero el gas del agente de gasificación fluye en configuración de corriente paralela con el combustible (hacia abajo, de ahí el nombre de "gasificador de corriente descendente"). Es necesario agregar calor a la parte superior del lecho, ya sea quemando pequeñas cantidades del combustible o a partir de fuentes de calor externas. El gas producido sale del gasificador a alta temperatura y la mayor parte de este calor se transfiere a menudo al agente de gasificación agregado en la parte superior del lecho, lo que da como resultado una eficiencia energética al nivel del tipo de contracorriente. Dado que todos los alquitranes deben pasar a través de un lecho caliente de carbón en esta configuración, los niveles de alquitrán son mucho más bajos que en el tipo de contracorriente.
El combustible se fluidiza en oxígeno y vapor o aire. La ceniza se elimina en seco o como aglomerados pesados que se desfluidifican. Las temperaturas son relativamente bajas en los gasificadores de cenizas secas, por lo que el combustible debe ser muy reactivo; los carbones de baja calidad son particularmente adecuados. Los gasificadores aglomerantes tienen temperaturas ligeramente más altas y son adecuados para carbones de mayor rango. El rendimiento del combustible es mayor que para el lecho fijo, pero no tan alto como para el gasificador de flujo arrastrado. La eficiencia de conversión puede ser bastante baja debido a la elutriación de material carbonoso. Se puede utilizar el reciclaje o la combustión posterior de sólidos para aumentar la conversión. Los gasificadores de lecho fluidizado son más útiles para combustibles que forman cenizas altamente corrosivas que dañarían las paredes de los gasificadores de escoria. Los combustibles de biomasa generalmente contienen altos niveles de cenizas corrosivas.
Los gasificadores de lecho fluidizado utilizan material de lecho inerte en estado fluidizado que mejora la distribución del calor y la biomasa dentro del gasificador. En estado fluidizado, la velocidad superficial del fluido es mayor que la velocidad mínima de fluidización requerida para levantar el material del lecho contra el peso del lecho. Los gasificadores de lecho fluidizado se dividen en gasificadores de lecho fluidizado burbujeante (BFB), de lecho fluidizado circulante (CFB) y de lecho fluidizado dual (DFB).
Un sólido pulverizado seco, un combustible líquido atomizado o una suspensión de combustible se gasifica con oxígeno (mucho menos frecuente: aire) en corriente paralela. Las reacciones de gasificación tienen lugar en una densa nube de partículas muy finas. La mayoría de los carbones son adecuados para este tipo de gasificadores debido a las altas temperaturas de funcionamiento y porque las partículas de carbón están bien separadas entre sí.
Las altas temperaturas y presiones también permiten alcanzar un mayor rendimiento, aunque la eficiencia térmica es algo menor, ya que el gas debe enfriarse antes de poder limpiarse con la tecnología existente. Las altas temperaturas también implican que el gas producto no contiene alquitrán ni metano, pero el requerimiento de oxígeno es mayor que en los otros tipos de gasificadores. Todos los gasificadores de flujo arrastrado eliminan la mayor parte de las cenizas en forma de escoria, ya que la temperatura de operación es muy superior a la temperatura de fusión de las cenizas.
Una fracción más pequeña de la ceniza se produce como ceniza volante seca muy fina o como una suspensión de ceniza volante de color negro. Algunos combustibles, en particular ciertos tipos de biomasas, pueden formar escoria que es corrosiva para las paredes interiores de cerámica que sirven para proteger la pared exterior del gasificador. Sin embargo, algunos gasificadores de flujo arrastrado no poseen una pared interior de cerámica, sino que tienen una pared interior enfriada por agua o vapor cubierta con escoria parcialmente solidificada. Estos tipos de gasificadores no sufren escorias corrosivas.
Algunos combustibles tienen cenizas con temperaturas de fusión muy altas. En este caso, se mezcla principalmente piedra caliza con el combustible antes de la gasificación. La adición de un poco de piedra caliza suele ser suficiente para reducir las temperaturas de fusión. Las partículas de combustible deben ser mucho más pequeñas que en otros tipos de gasificadores. Esto significa que el combustible debe pulverizarse, lo que requiere algo más de energía que en otros tipos de gasificadores. Sin duda, el mayor consumo de energía relacionado con la gasificación por flujo arrastrado no es la molienda del combustible, sino la producción de oxígeno utilizado para la gasificación.
En un gasificador de plasma se alimenta una corriente de alto voltaje a una antorcha, lo que crea un arco de alta temperatura. El residuo inorgánico se recupera en forma de una sustancia similar al vidrio.
Existe una gran cantidad de diferentes tipos de materias primas para su uso en un gasificador, cada una con diferentes características, que incluyen tamaño, forma, densidad aparente, contenido de humedad, contenido de energía, composición química, características de fusión de cenizas y homogeneidad de todas estas propiedades. El carbón y el coque de petróleo se utilizan como materias primas primarias para muchas plantas de gasificación de gran tamaño en todo el mundo. Además, se puede gasificar una variedad de materias primas derivadas de biomasa y desechos, como pellets y astillas de madera, desechos de madera, plásticos y aluminio, residuos sólidos urbanos (RSU), combustible derivado de residuos (CDR), desechos agrícolas e industriales, lodos de depuradora, pasto varilla, semillas de maíz desechadas, rastrojo de maíz y otros residuos de cultivos. [1]
Chemrec ha desarrollado un proceso para la gasificación de licor negro . [16]
La gasificación de residuos tiene varias ventajas sobre la incineración:
Un reto importante para las tecnologías de gasificación de residuos es alcanzar una eficiencia eléctrica bruta aceptable (positiva). La alta eficiencia de la conversión de gas de síntesis en energía eléctrica se ve contrarrestada por el importante consumo de energía en el preprocesamiento de residuos, el consumo de grandes cantidades de oxígeno puro (que se utiliza a menudo como agente de gasificación) y la limpieza de los gases. Otro reto que se hace evidente al implementar los procesos en la vida real es obtener intervalos de servicio prolongados en las plantas, de modo que no sea necesario cerrar la planta cada pocos meses para limpiar el reactor.
Los defensores del medio ambiente han calificado la gasificación de "incineración disfrazada" y sostienen que la tecnología sigue siendo peligrosa para la calidad del aire y la salud pública. "Desde 2003, numerosas propuestas de instalaciones de tratamiento de residuos que pretendían utilizar... tecnologías de gasificación no recibieron la aprobación final para funcionar cuando las afirmaciones de los proponentes del proyecto no resistieron el escrutinio público y gubernamental de las afirmaciones clave", según la Alianza Global para Alternativas a la Incineración. [17] Una instalación que funcionó entre 2009 y 2011 en Ottawa tuvo 29 "incidentes de emisiones" y 13 "derrames" durante esos tres años. Además, solo pudo funcionar aproximadamente el 25% del tiempo. [18]
Se han propuesto varios procesos de gasificación de residuos, pero pocos se han construido y probado aún, y sólo unos pocos se han implementado como plantas que procesan residuos reales, y la mayoría de las veces en combinación con combustibles fósiles. [19]
Una planta (en Chiba , Japón, que utiliza el proceso Thermoselect [20] ) ha estado procesando desechos industriales con gas natural y oxígeno purificado desde el año 2000, pero aún no ha documentado una producción neta positiva de energía del proceso.
En 2007, Ze-gen construyó una planta de demostración de gasificación de residuos en New Bedford, Massachusetts . La instalación fue diseñada para demostrar la gasificación de flujos específicos de residuos no municipales mediante gasificación de metal líquido . [21] Esta instalación se creó después de que la oposición pública generalizada archivara los planes para una planta similar en Attleboro, Massachusetts . [22] Hoy Ze-gen parece estar inactiva, y el sitio web de la empresa fue eliminado en 2014. [23]
También en Estados Unidos, en 2011 se probó un sistema de plasma suministrado por PyroGenesis Canada Inc. para gasificar residuos sólidos urbanos, residuos peligrosos y residuos biomédicos en la base aérea Hurlburt Field del Comando de Operaciones Especiales de Florida. La planta, cuya construcción costó 7,4 millones de dólares, [24] se cerró y se vendió en una subasta de liquidación del gobierno en mayo de 2013. [25] [26] La oferta inicial fue de 25 dólares. La oferta ganadora fue sellada.
En diciembre de 2022 se inauguró la planta Sierra BioFuels en Reno, Nevada, que convierte los desechos de los vertederos en petróleo crudo sintético. [27]
El gas de síntesis se puede utilizar para la producción de calor y para la generación de energía mecánica y eléctrica. Al igual que otros combustibles gaseosos, el gas de producción permite un mayor control sobre los niveles de energía en comparación con los combustibles sólidos, lo que conduce a un funcionamiento más eficiente y limpio.
El gas de síntesis también se puede utilizar para su posterior procesamiento en combustibles líquidos o productos químicos.
Los gasificadores ofrecen una opción flexible para aplicaciones térmicas, ya que pueden instalarse en dispositivos alimentados con gas, como hornos, calderas , etc. , donde el gas de síntesis puede reemplazar a los combustibles fósiles. Los valores caloríficos del gas de síntesis suelen rondar los 4-10 MJ/ m3 .
En la actualidad, la gasificación a escala industrial se utiliza principalmente para producir electricidad a partir de combustibles fósiles como el carbón, donde el gas de síntesis se quema en una turbina de gas. La gasificación también se utiliza industrialmente en la producción de electricidad, amoníaco y combustibles líquidos (petróleo) mediante ciclos combinados de gasificación integrada ( IGCC ), con la posibilidad de producir metano e hidrógeno para pilas de combustible. El IGCC también es un método más eficiente de captura de CO2 en comparación con las tecnologías convencionales. Las plantas de demostración de IGCC han estado funcionando desde principios de la década de 1970 y algunas de las plantas construidas en la década de 1990 están entrando ahora en servicio comercial.
En las pequeñas empresas y en las aplicaciones de construcción, donde la fuente de madera es sostenible, se han instalado en Europa plantas de gasificación de biomasa de 250 a 1000 kWe y nuevas que producen gas de síntesis sin alquitrán a partir de madera y lo queman en motores alternativos conectados a un generador con recuperación de calor. Este tipo de planta se suele denominar unidad de cogeneración de biomasa de madera, pero es una planta con siete procesos diferentes: procesamiento de biomasa, suministro de combustible, gasificación, limpieza de gases, eliminación de residuos, generación de electricidad y recuperación de calor. [28]
Los motores diésel pueden funcionar en modo de combustible dual utilizando gas de productor. Se puede lograr fácilmente una sustitución del diésel de más del 80% en cargas elevadas y del 70-80% en variaciones de carga normales. [29] Los motores de encendido por chispa y las pilas de combustible de óxido sólido pueden funcionar con un 100% de gas de gasificación. [30] [31] [32] La energía mecánica de los motores se puede utilizar, por ejemplo, para impulsar bombas de agua para riego o para acoplarlas a un alternador para generar energía eléctrica.
Si bien los gasificadores a pequeña escala existen desde hace más de 100 años, ha habido pocas fuentes para obtener una máquina lista para usar. Los dispositivos a pequeña escala suelen ser proyectos que uno puede hacer por sí mismo . Sin embargo, actualmente en los Estados Unidos, varias empresas ofrecen gasificadores para hacer funcionar motores pequeños.
En principio, la gasificación puede proceder de casi cualquier material orgánico, incluyendo biomasa y residuos plásticos . El gas de síntesis resultante puede quemarse. Alternativamente, si el gas de síntesis es lo suficientemente limpio, puede usarse para la producción de energía en motores de gas, turbinas de gas o incluso celdas de combustible, o convertirse eficientemente en dimetiléter (DME) mediante deshidratación de metanol, metano mediante la reacción de Sabatier o combustible sintético similar al diésel mediante el proceso Fischer-Tropsch . En muchos procesos de gasificación, la mayoría de los componentes inorgánicos del material de entrada, como metales y minerales, se retienen en la ceniza. En algunos procesos de gasificación (gasificación por escoria), esta ceniza tiene la forma de un sólido vítreo con bajas propiedades de lixiviación , pero la producción neta de energía en la gasificación por escoria es baja (a veces negativa) y los costos son más altos.
Independientemente de la forma final del combustible, la gasificación en sí y el procesamiento posterior no emiten ni retienen directamente gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono. Sin embargo, el consumo de energía en los procesos de gasificación y conversión de gas de síntesis puede ser significativo y puede causar indirectamente emisiones de CO2 ; en la escorificación y la gasificación por plasma, el consumo de electricidad puede incluso superar la producción de energía a partir del gas de síntesis.
La combustión de gas de síntesis o combustibles derivados emite exactamente la misma cantidad de dióxido de carbono que la que se habría emitido a partir de la combustión directa del combustible inicial. La gasificación y combustión de biomasa podrían desempeñar un papel importante en una economía de energía renovable, porque la producción de biomasa elimina la misma cantidad de CO2 de la atmósfera que la que se emite a partir de la gasificación y la combustión. Si bien otras tecnologías de biocombustibles, como el biogás y el biodiésel , son neutras en carbono , la gasificación, en principio, puede funcionar con una variedad más amplia de materiales de entrada y puede utilizarse para producir una variedad más amplia de combustibles de salida.
En la actualidad existen algunas plantas de gasificación de biomasa a escala industrial. Desde 2008, en Svenljunga, Suecia, una planta de gasificación de biomasa genera hasta 14 MW th , que abastecen a las industrias y a los ciudadanos de Svenljunga con vapor de proceso y calefacción urbana , respectivamente. El gasificador utiliza combustibles de biomasa como CCA o residuos de madera impregnados con creosota y otros tipos de madera reciclada para producir gas de síntesis que se quema en el lugar. [33] [34]
Algunos ejemplos de proyectos de demostración incluyen:
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