Gasificación por plasma

Proceso térmico que convierte materia orgánica en gas de síntesis mediante un soplete de plasma

La gasificación por plasma es un proceso térmico extremo que utiliza plasma que convierte la materia orgánica en un gas de síntesis (gas de síntesis) que se compone principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono . Se utiliza una antorcha de plasma alimentada por un arco eléctrico para ionizar el gas y catalizar la materia orgánica en gas de síntesis , quedando escoria ^{[1] [2] [3]} como subproducto. Se utiliza comercialmente como una forma de tratamiento de residuos y se ha probado para la gasificación de combustible derivado de residuos , biomasa , residuos industriales , residuos peligrosos e hidrocarburos sólidos , como carbón , arenas petrolíferas , coque de petróleo y esquisto bituminoso . ^[2]

Proceso

Las antorchas de plasma pequeñas suelen utilizar un gas inerte como el argón , mientras que las antorchas más grandes requieren nitrógeno . Los electrodos varían desde cobre o tungsteno hasta hafnio o circonio , junto con otras aleaciones . Una fuerte corriente eléctrica a alto voltaje pasa entre los dos electrodos como un arco eléctrico . El gas inerte presurizado se ioniza al pasar a través del plasma creado por el arco. La temperatura de la antorcha varía de 2000 a 14 000 °C (3600 a 25 200 °F). ^[4] La temperatura de la reacción del plasma determina la estructura del plasma y el gas formador. ^[5]

Los residuos se calientan, se funden y finalmente se vaporizan . Solo en estas condiciones extremas puede producirse la disociación molecular mediante la ruptura de los enlaces moleculares . Las moléculas complejas se separan en átomos individuales . Los componentes elementales resultantes se encuentran en fase gaseosa ( gas de síntesis ). La disociación molecular mediante plasma se denomina " pirólisis plasmática ". ^[6]

Materias primas

La materia prima para el tratamiento de desechos por plasma suele ser combustible derivado de desechos , desechos de biomasa o ambos. Las materias primas también pueden incluir desechos biomédicos y materiales peligrosos . El contenido y la consistencia de los desechos afectan directamente el rendimiento de una instalación de plasma. La clasificación previa para extraer material tratable para la gasificación proporciona consistencia. Demasiado material inorgánico, como desechos metálicos y de construcción , aumenta la producción de escoria, lo que a su vez disminuye la producción de gas de síntesis . Sin embargo, un beneficio es que la escoria en sí es químicamente inerte y segura de manipular (ciertos materiales pueden afectar el contenido del gas producido, sin embargo ^[7] ). Generalmente se requiere triturar los desechos en pequeñas partículas uniformes antes de ingresar a la cámara principal. Esto crea una transferencia eficiente de energía que permite una descomposición suficiente de los materiales. ^[7]

A veces se añade vapor a los procesos de gasificación para aumentar la generación de hidrógeno ( reformado con vapor ).

Rendimientos

El gas de síntesis puro y altamente calorífico se compone predominantemente de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H ₂ ). ^[8] Los compuestos inorgánicos en el flujo de desechos no se descomponen sino que se funden, lo que incluye vidrio, cerámica y varios metales.

La alta temperatura y la falta de oxígeno impiden la formación de muchos compuestos tóxicos como furanos , dioxinas , óxidos de nitrógeno o dióxido de azufre en la propia llama. Sin embargo, las dioxinas se forman durante el enfriamiento del gas de síntesis.

Los metales resultantes de la pirólisis de plasma se pueden recuperar de la escoria y, en última instancia, venderse como materia prima. La escoria inerte producida en algunos procesos se granula y se puede utilizar en la construcción. Una parte del gas de síntesis producido alimenta las turbinas del lugar, que alimentan las antorchas de plasma y, por lo tanto, sustentan el sistema de alimentación. ^[8]

Equipo

Algunos reactores de gasificación de plasma operan a presión negativa , ^[1] pero la mayoría intenta recuperar ^[9] recursos gaseosos y/o sólidos.

Ventajas

Las principales ventajas de las tecnologías de antorcha de plasma para el tratamiento de residuos son:

• Prevención de que los residuos peligrosos lleguen a los vertederos ^{[10] [11]}
• Algunos procesos están diseñados para recuperar cenizas volantes, cenizas de fondo y la mayoría de las demás partículas, desviándolas en un 95 % o más de los vertederos y sin emisiones nocivas de desechos tóxicos ^[12].
• Producción potencial de escoria vitrificada que podría utilizarse como material de construcción ^[13]
• Procesamiento de residuos de biomasa en gas de síntesis combustible para energía eléctrica y calor ^[14] o para síntesis en combustibles o productos químicos.
• Producción de productos de valor añadido (metales) a partir de escoria ^[15]
• Medios seguros para destruir tanto desechos médicos ^[16] como muchos otros desechos peligrosos . ^{[1] [17]}
• La gasificación con combustión lenta y extinción rápida del gas de síntesis a temperaturas elevadas puede evitar la producción de dioxinas y furanos que son comunes en los incineradores.
• Las emisiones atmosféricas pueden ser más limpias que las de los vertederos y similares a las de los incineradores.

Desventajas

Las principales desventajas de las tecnologías de antorcha de plasma para el tratamiento de residuos son:

• Los costos de inversión inicial son elevados en comparación con otras alternativas, como los vertederos ^[18] y la incineración .
• Los costos operacionales son altos en comparación con los de la incineración.
• La alimentación húmeda da como resultado una menor producción de gas de síntesis y un mayor consumo de energía.
• Producción neta de energía pequeña o incluso negativa si se tienen en cuenta todos los insumos energéticos.
• Mantenimiento frecuente y disponibilidad limitada de la planta.

Comercialización

La gasificación con antorcha de plasma se utiliza comercialmente para la eliminación de residuos ^[30] en un total de cinco sitios en todo el mundo con una capacidad de diseño combinada de 200 toneladas de residuos por día, la mitad de los cuales son residuos de biomasa.

La recuperación de energía de corrientes de residuos mediante gasificación de plasma se implementa actualmente en un total de una (posiblemente dos) instalaciones, lo que representa una capacidad de tratamiento de 25 a 30 toneladas de residuos por día.

Uso militar

La Armada de los Estados Unidos está empleando el Sistema de Destrucción de Residuos por Arco de Plasma (PAWDS) en su portaaviones de última generación de la clase Gerald R. Ford . El sistema compacto que se está utilizando tratará todos los residuos sólidos combustibles generados a bordo del buque. Después de haber completado las pruebas de aceptación en fábrica en Montreal, está previsto que el sistema se envíe al astillero Huntington Ingalls para su instalación en el portaaviones. ^[31]

Véase también

• Gasificación
• Reforma por etapas
• Gestión de residuos
• Residuos a energía
• Clúster de industrias de procesos del noreste de Inglaterra (NEPIC)

Referencias

1. Moustakasa, K.; Fattab, D.; Malamisa, S.; Haralambousa, K.; et al. (31 de agosto de 2005). "Sistema de gasificación/vitrificación por plasma de demostración para el tratamiento eficaz de residuos peligrosos". Journal of Hazardous Materials . 123 (1–3): 120–126. doi :10.1016/j.jhazmat.2005.03.038. PMID  15878635.
2. Kalinenko, RA; Kuznetsov, AP; Levitsky, AA; Messerle, VE; et al. (1993). "Gasificación por plasma de carbón pulverizado". Química del plasma y procesamiento de plasma . 13 (1): 141–167. doi :10.1007/BF01447176.
3. Messerle, VE; Ustimenko, AB (2007). "Gasificación por plasma de combustible sólido". En Syred, Nick; Khalatov, Artem (eds.). Tecnologías aerotérmicas y de combustión avanzada. Protección ambiental y reducción de la contaminación . Springer Netherlands. págs. 141–156. doi :10.1007/978-1-4020-6515-6. ISBN 978-1-4020-6515-6.
4. "El sistema de energía recuperada: debate sobre la gasificación por plasma". Archivado desde el original el 23 de septiembre de 2008. Consultado el 20 de octubre de 2008 .
5. Bratsev, AN; Popov, VE; Rutberg, AF; Shtengel', SV (2006). "Una instalación para la gasificación de plasma de residuos de varios tipos". High Temperature . 44 (6): 823–828. doi :10.1007/s10740-006-0099-7.
6. Huang, H.; Lan Tang; CZ Wu (2003). "Caracterización de productos gaseosos y sólidos de la pirólisis de plasma térmico de caucho de desecho". Environmental Science & Technology . 37 (19): 4463–4467. Bibcode :2003EnST...37.4463H. doi :10.1021/es034193c.
7. "Cómo funcionan las cosas: convertidor de plasma". 25 de abril de 2007. Consultado el 9 de septiembre de 2012 .
8. "Gasificación por plasma". Departamento de Energía de los Estados Unidos . Archivado desde el original el 13 de agosto de 2010. Consultado el 7 de agosto de 2010 .
9. [1], Camacho, Salvador L., "Método de gasificación de materia carbonácea por pirólisis con arco de plasma", publicado el 1 de enero de 1980 
10. [2], Springer, Marlin D.; William C. Burns y Thomas Barkley, "Aparato y método para el tratamiento de residuos peligrosos", publicado el 9 de julio de 1996 
11. [3], Titus, Charles H.; Daniel R. Cohn y Jeffrey E. Surma, "Sistema de conversión eléctrica de plasma de arco fundidor para el tratamiento de residuos y la recuperación de recursos...", publicado el 16 de septiembre de 1997 
12. Lemmens, Bert; Helmut Elslander; Ive Vanderreydt; Kurt Peys; et al. (2007). "Evaluación de la gasificación por plasma de corrientes de residuos de alto contenido calórico". Waste Management . 27 (11): 1562–1569. doi :10.1016/j.wasman.2006.07.027. ISSN  0956-053X. PMID  17134888.
13. Mountouris, A.; E. Voutsas; D. Tassios (2008). "Gasificación por plasma de lodos de depuradora: desarrollo de procesos y optimización energética". Conversión y gestión de energía . 49 (8): 2264–2271. doi :10.1016/j.enconman.2008.01.025.
14. Leal-Quirós, Edbertho (2004). "Procesamiento de residuos sólidos urbanos mediante plasma". Revista Brasileña de Física . 34 (4B): 1587–1593. Bibcode :2004BrJPh..34.1587L. doi : 10.1590/S0103-97332004000800015 .
15. Jimbo, Hajime (1996). "Fusión de plasma y aplicación útil de escoria fundida". Waste Management . 16 (5): 417–422. doi :10.1016/S0956-053X(96)00087-6.
16. Huang, Haitao; Lan Tang (2007). "Tratamiento de residuos orgánicos mediante tecnología de pirólisis de plasma térmico". Conversión y gestión de energía . 48 (4): 1331–1337. doi :10.1016/j.enconman.2006.08.013.
17. Tendler, Michael; Philip Rutberg; Guido van Oost (1 de mayo de 2005). "Tratamiento de residuos basado en plasma y producción de energía". Física del plasma y fusión controlada . 47 (5A): A219. Bibcode :2005PPCF...47A.219T. doi :10.1088/0741-3335/47/5A/016. ISSN  0741-3335.
18. Pourali, M. (2010). "Aplicación de la tecnología de gasificación de plasma en la conversión de residuos en energía #x2014;Desafíos y oportunidades". IEEE Transactions on Sustainable Energy . 1 (3): 125–130. Bibcode :2010ITSE....1..125P. doi :10.1109/TSTE.2010.2061242. ISSN  1949-3029.
19. "Universidad Nacional Cheng Kung - Tainan, Taiwán". TURBA Internacional . Consultado el 9 de abril de 2009 .
20. Williams, RB; Jenkins, BM; Nguyen, D. (diciembre de 2003). Conversión de residuos sólidos: una revisión y base de datos de tecnologías actuales y emergentes (PDF) (Informe). Universidad de California, Davis , Departamento de Ingeniería Biológica y Agrícola. pág. 23. Archivado desde el original (PDF) el 15 de abril de 2007.
21. "Acerca del proyecto". Una alianza para una Ottawa con cero residuos. Archivado desde el original el 20 de abril de 2009. Consultado el 10 de abril de 2009 .
22. Czekaj, Laura (7 de diciembre de 2008). "Problemas mecánicos afectan a Plasco". Ottawa Sun .
23. "AFSOC hace historia 'verde' mientras invierte en el futuro". Comando de Operaciones Especiales de la Fuerza Aérea de Estados Unidos. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2011. Consultado el 28 de abril de 2011 .
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26. "Alter NRG anuncia la puesta en servicio de un gasificador de biomasa en una planta de conversión de residuos en líquidos en China" (Comunicado de prensa). Alter NRG. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2013. Consultado el 29 de enero de 2013 .
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30. ^{[19] [20] [21] [22] [23] [24 ] [25 ] [26] [27] [28] [29]}
31. El sistema de destrucción de desechos por arco de plasma para reducir los desechos a bordo del CVN-78, pág. 13, Seaframe - Carderock Division Publication, 2008, archivado desde el original el 1 de diciembre de 2012

Enlaces externos

• Departamento de Comercio e Industria: Uso de tecnología de plasma térmico para crear un producto valioso a partir de residuos peligrosos