Gasificación de 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 un soplete de plasma alimentado por un arco eléctrico para ionizar el gas y catalizar la materia orgánica en gas de síntesis , quedando la 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 bituminosas , coque de petróleo y esquisto bituminoso . ^[2]

Proceso

Los sopletes de plasma pequeños suelen utilizar un gas inerte como el argón, mientras que los sopletes más grandes requieren nitrógeno . Los electrodos varían desde cobre o tungsteno hasta hafnio o circonio , junto con otras aleaciones . Una fuerte corriente eléctrica bajo 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 oscila entre 2000 y 14000 °C (3600 a 25200 °F). ^[4] La temperatura de la reacción del plasma determina la estructura del plasma y del gas de formación. ^[5]

Los residuos se calientan, se funden y finalmente se vaporizan . Sólo en estas condiciones extremas puede ocurrir la disociación molecular rompiendo 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 que utiliza plasma se denomina " pirólisis del plasma ". ^[6]

Materias primas

La materia prima para el tratamiento de desechos de 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 residuos impactan directamente el rendimiento de una instalación de plasma. La clasificación previa para extraer material tratable para la gasificación proporciona consistencia. Demasiado material inorgánico, como metal y residuos de construcción , aumenta la producción de escoria, lo que a su vez disminuye la producción de gas de síntesis . Sin embargo, una ventaja es que la escoria en sí es químicamente inerte y segura de manipular (sin embargo, ciertos materiales pueden afectar el contenido del gas producido ^[7] ). Generalmente es necesario 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, altamente calorífico, se compone principalmente 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 diversos metales.

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

Los metales resultantes de la pirólisis del plasma pueden recuperarse de la escoria y eventualmente venderse como un producto básico. La escoria inerte producida en algunos procesos se granula y puede utilizarse en la construcción. Una parte del gas de síntesis producido alimenta las turbinas locales, que alimentan las antorchas de plasma y, por tanto, respaldan el sistema de alimentación. ^[8]

Equipo

Algunos reactores de gasificación por plasma funcionan 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:

• Evitar 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 otras partículas, para una desviación del 95 % o más de los vertederos y sin emisiones nocivas de desechos tóxicos ^[12]
• Potencial de producción 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 desechos médicos ^[16] y muchos otros desechos peligrosos . ^{[1] [17]}
• La gasificación con combustión deficiente y extinción rápida del gas de síntesis debido a temperaturas elevadas puede evitar la producción de dioxinas y furanos que son comunes en los incineradores.
• Las emisiones al aire 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:

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

Comercialización

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

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

uso militar

La Marina de los EE. UU. está empleando el sistema de destrucción de residuos por arco de plasma (PAWDS) en su portaaviones clase Gerald R. Ford de última generación . El sistema compacto utilizado tratará todos los residuos sólidos combustibles que se generen a bordo del barco. 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]

Ver también

• Gasificación
• Reforma por etapas
• Gestión de residuos
• Residuos en energía
• Clúster de la industria 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 demostración de gasificación/vitrificación por plasma para un tratamiento eficaz de residuos peligrosos". Revista de materiales peligrosos . 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 del 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 Avanzadas de Combustión y Aerotermia. Protección ambiental y reducción de la contaminación . Springer Países Bajos. 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 por plasma de residuos de diversos tipos". Alta temperatura . 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 pirólisis por plasma térmico de caucho residual". Ciencia y tecnología ambientales . 37 (19): 4463–4467. Código Bib : 2003EnST...37.4463H. doi :10.1021/es034193c.
7. "Cómo funcionan las cosas: convertidor de plasma". 2007-04-25 . Consultado el 9 de septiembre de 2012 .
8. "Gasificación por plasma". Departamento de Energía de 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 para la gasificación de materia carbonosa mediante pirólisis por 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 tratar residuos peligrosos", publicado el 9 de julio de 1996 
11. [3], Tito, Charles H.; Daniel R. Cohn y Jeffrey E. Surma, "Sistema de electroconversión de fusión de plasma por arco para el tratamiento de residuos y 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 con alto contenido calórico". Gestión de Residuos . 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 por plasma de residuos sólidos urbanos". Revista Brasileña de Física . 34 (4B): 1587-1593. Código bibliográfico : 2004BrJPh..34.1587L. doi : 10.1590/S0103-97332004000800015 .
15. Jimbo, Hajime (1996). "Fusión de plasma y aplicación útil de escoria fundida". Gestión de Residuos . 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 por 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). "Producción de energía y tratamiento de residuos a base de plasma". Física del Plasma y Fusión Controlada . 47 (5A): A219. Código Bib : 2005PPCF...47A.219T. doi :10.1088/0741-3335/47/5A/016. ISSN  0741-3335.
18. Pourali, M. (2010). "Aplicación de la tecnología de gasificación por plasma en residuos a energía #x2014; Retos y oportunidades". Transacciones IEEE sobre energía sostenible . 1 (3): 125-130. Código Bib : 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 una base de datos de tecnologías actuales y emergentes (PDF) (Reporte). Universidad de California, Davis , Departamento de Ingeniería Biológica y Agrícola. pag. 23. Archivado desde el original (PDF) el 15 de abril de 2007.
21. "Acerca del proyecto". Una asociación para un Ottawa con Residuos Cero. 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). "Los problemas mecánicos afectan a Plasco". Sol de Ottawa .
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26. "Alter NRG anuncia la puesta en servicio de un gasificador de biomasa en una instalación de conversión de residuos en líquidos en China" (Presione soltar). Modificar NRG. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2013 . Consultado el 29 de enero de 2013 .
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31. El sistema de destrucción de desechos por arco de plasma para reducir los desechos a bordo del CVN-78, pág. 13, Seaframe - Publicación de la División Carderock, 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 desechos peligrosos