La gasificación es un proceso que convierte materiales carbonosos basados en biomasa o combustibles fósiles en gases, incluidas las 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 alimentación 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 denomina gas de síntesis (proveniente del gas de síntesis) o gas productor y es en sí misma un combustible debido a la inflamabilidad del H 2 y del CO que componen en gran medida el gas. La energía puede derivarse 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 del material de alimentación original porque puede quemarse a temperaturas más altas, de modo que el límite superior termodinámico de la eficiencia definido por la regla de Carnot es mayor. El gas de síntesis también se puede utilizar como fuente de hidrógeno en pilas de combustible; sin embargo, el gas de síntesis producido por la mayoría de los sistemas de gasificación requiere procesamiento y reformado adicionales para eliminar los contaminantes y otros gases como CO y CO 2 para que sea adecuado para el uso en pilas de combustible a baja temperatura. pero las pilas de combustible de óxido sólido de alta temperatura son capaces de aceptar directamente mezclas de H2 , CO, CO2 , 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 mediante el proceso de 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 metano y partículas . Algunos procesos de gasificación tienen como objetivo refinar los elementos corrosivos de las cenizas, como el cloruro y el potasio , permitiendo la producción de gas limpio a partir de una materia prima que de otro modo sería problemática. Actualmente, la gasificación de combustibles fósiles se utiliza 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]
La energía se produce a escala industrial mediante gasificación desde principios del siglo XIX. Inicialmente, el carbón y la turba se gasificaron para producir gas urbano para iluminación y cocina, instalándose el primer alumbrado público en Pall Mall, Londres, el 28 de enero de 1807, extendiéndose poco después para suministrar iluminación comercial a gas a la mayoría de las ciudades industrializadas hasta finales del siglo XIX. siglo [7] cuando fue sustituido por iluminación eléctrica. La gasificación y el gas de síntesis continuaron utilizándose en los altos hornos y, más significativamente, 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 todavía están 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 utilizaban para propulsar vehículos a motor en Europa . En 1945 ya existían camiones, autobuses y máquinas agrícolas que funcionaban con gasificación. Se estima que había cerca de 9.000.000 de vehículos funcionando con gas productor en todo el mundo.
Otro ejemplo, el Xe than (literalmente, "coche de carbón" en vietnamita ) era un minibús que se había convertido para funcionar con carbón en lugar de gasolina . Esta modificación recuperó popularidad en Vietnam durante el período de subsidio , cuando la gasolina escaseaba. Xe 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" para producir 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 más reacciones cuando el monóxido de carbono formado y el agua residual del material orgánico reaccionan para formar metano y un exceso de dióxido de carbono (4CO + 2H 2 O → CH 4 + 3CO 2 ). Esta tercera reacción se produce de forma más abundante en reactores que aumentan el tiempo de residencia de los gases reactivos y 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 la reacción durante un tiempo de residencia fijo.
Actualmente se encuentran disponibles varios tipos de gasificadores para uso comercial: lecho fijo a contracorriente, lecho fijo a cocorriente, lecho fluidizado , flujo arrastrado, plasma y radicales libres. [1] [10] [11] [12]
Lecho fijo de combustible carbonoso (por ejemplo, carbón o biomasa) a través del cual fluye el "agente de gasificación" (vapor, oxígeno y/o aire) en configuración contracorriente. [13] Las cenizas se eliminan en estado seco o como escoria . Los gasificadores de escoriación tienen una menor proporción de vapor a carbono, [14] alcanzando temperaturas superiores a la temperatura de fusión de las cenizas. La naturaleza del gasificador significa que el combustible debe tener una alta resistencia mecánica e idealmente no debe aglutinarse para que forme un lecho permeable, aunque avances recientes han reducido estas restricciones hasta cierto punto. [ cita necesaria ] 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 producido debe limpiarse exhaustivamente antes de su uso. El alquitrán se puede reciclar al reactor.
En la gasificación de biomasa fina y no densificada, como la cáscara de arroz , es necesario inyectar aire en el reactor mediante un ventilador. Esto crea una temperatura de gasificación muy alta, tan alta como 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 necesaria ]
Similar al tipo a contracorriente, pero el gas agente gasificante fluye en configuración paralela con el combustible (hacia abajo, de ahí el nombre "gasificador de tiro descendente"). Es necesario agregar calor a la parte superior del lecho, ya sea quemando pequeñas cantidades de 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 a menudo se transfiere al agente de gasificación agregado en la parte superior del lecho, lo que resulta en una eficiencia energética al nivel del tipo contracorriente. Dado que en esta configuración todos los alquitranes deben pasar a través de un lecho caliente de carbón, los niveles de alquitrán son mucho más bajos que los del tipo contracorriente.
El combustible se fluidiza en oxígeno y vapor o aire. Las cenizas se retiran secas o en forma de aglomerados pesados que desfluidizan. Las temperaturas son relativamente bajas en los gasificadores de cenizas secas, por lo que el combustible debe ser altamente reactivo; Los carbones de baja calidad son especialmente adecuados. Los gasificadores de aglomeración tienen temperaturas ligeramente más altas y son adecuados para carbones de mayor rango. El rendimiento de combustible es mayor que el del lecho fijo, pero no tan alto como el del gasificador de flujo arrastrado. La eficiencia de conversión puede ser bastante baja debido a la elutriación del material carbonoso. Se puede utilizar el reciclaje o la posterior combustión 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 de un gasificador. En un 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 seco pulverizado, un combustible líquido atomizado o una suspensión de combustible se gasifican con oxígeno (mucho menos frecuente: aire) en flujo paralelo. 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 gasificador debido a las altas temperaturas de funcionamiento y porque las partículas de carbón están bien separadas unas de otras.
Las altas temperaturas y presiones también significan que se puede lograr un mayor rendimiento; sin embargo, la eficiencia térmica es algo menor ya que el gas debe enfriarse antes de poder limpiarlo con la tecnología existente. Las altas temperaturas también significan que el alquitrán y el metano no están presentes en el gas producto; sin embargo, el requerimiento de oxígeno es mayor que para 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 funcionamiento está muy por encima de la temperatura de fusión de las cenizas.
Una fracción más pequeña de las cenizas se produce como una 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 escorias que son corrosivas para las paredes interiores cerámicas 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. Este tipo de gasificadores no sufren escorias corrosivas.
Algunos combustibles tienen cenizas con temperaturas de fusión muy altas. En este caso, antes de la gasificación se mezcla principalmente piedra caliza con el combustible. Normalmente basta con añadir un poco de piedra caliza 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 otros tipos de gasificadores. Con diferencia, 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 un soplete, creando un arco de alta temperatura. El residuo inorgánico se recupera como una sustancia similar al vidrio.
Hay una gran cantidad de diferentes tipos de materias primas para usar en un gasificador, cada uno con diferentes características, incluido el tamaño, la forma, la densidad aparente, el contenido de humedad, el contenido de energía, la composición química, las características de fusión de las cenizas y la homogeneidad de todas estas propiedades. El carbón y el coque de petróleo se utilizan como materias primas primarias para muchas grandes plantas de gasificación en todo el mundo. Además, se pueden gasificar una variedad de materias primas derivadas de biomasa y residuos, como pellets y astillas de madera, residuos de madera, plásticos y aluminio, residuos sólidos urbanos (RSU), combustibles derivados de residuos (CDR), residuos agrícolas e industriales, lodos de depuradora. , pasto varilla, semillas de maíz desechadas, rastrojos de maíz y otros residuos de cultivos. [1]
Chemrec ha desarrollado un proceso para gasificación de licor negro . [dieciséis]
La gasificación de residuos tiene varias ventajas sobre la incineración:
Un desafío importante para las tecnologías de gasificación de residuos es alcanzar una eficiencia eléctrica bruta aceptable (positiva). La alta eficiencia de la conversión del gas de síntesis en energía eléctrica se ve contrarrestada por un importante consumo de energía en el preprocesamiento de residuos, el consumo de grandes cantidades de oxígeno puro (que a menudo se utiliza como agente de gasificación) y la limpieza del gas. Otro desafío que se hace evidente al implementar los procesos en la vida real es obtener largos intervalos de servicio 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 llamado a la gasificación "incineración disfrazada" y argumentan que la tecnología sigue siendo peligrosa para la calidad del aire y la salud pública. "Desde 2003, numerosas propuestas para instalaciones de tratamiento de residuos que esperaban utilizar... tecnologías de gasificación no lograron recibir la aprobación final para operar 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 los Incineradores. . [17] Una instalación que operó entre 2009 y 2011 en Ottawa tuvo 29 "incidentes de emisiones" y 13 "derrames" durante esos tres años. Además, sólo pudo funcionar aproximadamente el 25% del tiempo. [18]
Se han propuesto varios procesos de gasificación de residuos, pero aún se han construido y probado pocos, 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 de energía positiva del proceso.
En 2007, Ze-gen construyó una instalación de demostración de gasificación de residuos en New Bedford, Massachusetts . La instalación fue diseñada para demostrar la gasificación de flujos de desechos específicos que no son RSU mediante gasificación de metal líquido . [21] Esta instalación se produjo después de que la oposición pública generalizada archivara los planes para una planta similar en Attleboro, Massachusetts . [22] Hoy en día, Ze-gen parece haber desaparecido y el sitio web de la empresa fue eliminado en 2014. [23]
También en los EE. UU., en 2011 se probó un sistema de plasma entregado por PyroGenesis Canada Inc. para gasificar desechos sólidos municipales, desechos peligrosos y desechos biomédicos en la base de la Fuerza Aérea del Comando de Operaciones Especiales de Florida Hurlburt Field. 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 residuos de 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 productor brinda un mayor control sobre los niveles de potencia en comparación con los combustibles sólidos, lo que lleva a una operación más eficiente y limpia.
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 adaptarse a dispositivos existentes 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 oscilan generalmente entre 4 y 10 MJ/m 3 .
Actualmente, 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, amoniaco y combustibles líquidos (petróleo) mediante Ciclos Combinados de Gasificación Integrada ( IGCC ), con posibilidad de producir metano e hidrógeno para pilas de combustible. IGCC es también un método más eficiente de captura de CO 2 en comparación con las tecnologías convencionales. Las plantas de demostración del IGCC han estado funcionando desde principios del decenio de 1970 y algunas de las plantas construidas en el decenio de 1990 están entrando ahora en servicio comercial.
En aplicaciones de construcción y pequeñas empresas, donde la fuente de madera es sostenible, se han instalado en Europa entre 250 y 1000 kWe y nuevas plantas de gasificación de biomasa sin emisiones de carbono 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 suele denominarse unidad CHP 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 productor. Se puede lograr fácilmente una sustitución del diésel de más del 80% con cargas elevadas y del 70-80% con variaciones de carga normales. [29] Los motores de encendido por chispa y las pilas de combustible de óxido sólido pueden funcionar con gas de gasificación al 100%. [30] [31] [32] La energía mecánica de los motores se puede utilizar, por ejemplo, para accionar 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 de pequeña escala suelen ser proyectos de bricolaje . Sin embargo, actualmente en Estados Unidos varias empresas ofrecen gasificadores para operar motores pequeños.
En principio, la gasificación puede proceder de prácticamente cualquier material orgánico, incluidos la biomasa y los residuos plásticos . El gas de síntesis resultante se puede quemar. 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 éter dimetílico (DME) mediante deshidratación de metanol, metano mediante la reacción de Sabatier o similar al diesel. Combustible sintético mediante el proceso de Fischer-Tropsch . En muchos procesos de gasificación, la mayoría de los componentes inorgánicos del material de entrada, como metales y minerales, quedan retenidos en las cenizas. En algunos procesos de gasificación (gasificación con escoria) esta ceniza tiene la forma de un sólido vítreo con bajas propiedades de lixiviación , pero la producción neta de energía en la gasificación con 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 atrapan 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 causar indirectamente emisiones de CO 2 ; en la escoria y la gasificación por plasma, el consumo de electricidad puede incluso superar cualquier producción de energía procedente del gas de síntesis.
La combustión de gas de síntesis o combustibles derivados emite exactamente la misma cantidad de dióxido de carbono que se habría emitido mediante 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 de la atmósfera la misma cantidad de CO 2 que se emite mediante la gasificación y combustión. Si bien otras tecnologías de biocombustibles, como el biogás y el biodiesel , son neutras en carbono , la gasificación, en principio, puede funcionar con una variedad más amplia de materiales de entrada y puede usarse para producir una variedad más amplia de combustibles de salida.
Actualmente existen algunas plantas de gasificación de biomasa a escala industrial. Desde 2008, en Svenljunga, Suecia, una planta de gasificación de biomasa genera hasta 14 MWth , suministrando a las industrias y a los ciudadanos de Svenljunga vapor de proceso y calefacción urbana , respectivamente. El gasificador utiliza combustibles de biomasa como CCA o madera residual impregnada de creosota y otros tipos de madera reciclada para producir gas de síntesis que se quema en el sitio. [33] [34]
Ejemplos de proyectos de demostración incluyen:
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