Procesos de pirolisis y gasificación de los residuos sólidos de tomate (página 2)
Enviado por Yanet Guerra Reyes
Los procesos térmicos a partir de biomasa son objetivo de investigación de gran parte del mundo científico, pero sobre todo del Mundo Desarrollado, que tratan de adquirir esta tecnología, amenazados por la crisis energética actual y por los problemas de contaminación ambiental.
Cuba cuenta con grandes volúmenes de biomasa producida por sus fundamentales industrias, la cual se utiliza para la producción de energías, por ejemplo: el bagazo, la cascarilla de arroz, la paja de caña, el aserrín, la madera, residuos de tomate etc., sin embargo, las tecnologías con que disponemos no son lo suficientemente eficientes como lo exige la competencia con otras fuentes tradicionales de energía y no a todos los residuos industriales se le ha valorado su aporte energético en función de la tecnología utilizada para su aprovechamiento en tal sentido.
Las características de gran parte de la biomasa hacen que en la mayoría de los casos no sea adecuada como tal para reemplazar a los combustibles convencionales, por lo que es necesaria una transformación previa de la biomasa en combustibles de mayor densidad energética y física, contándose para ello con diversos procedimientos, que generan una gran variedad de productos.
Los combustibles así obtenidos cuentan con las siguientes ventajas:
Presentan escaso contenido en azufre.
No forman escorias en su combustión.
Tienen bajo contenido de cenizas.
Así, proceda de residuos industriales o de cultivos energéticos, la biomasa generalmente se transforma en calor, combustibles o electricidad, que conducen a la forma de energía útil requerida en cada caso.
Algunos combustibles pueden obtenerse de la biomasa directamente por extracción, pero es más frecuente someter la biomasa a distintas manipulaciones, según su naturaleza y contenido en humedad, para su transformación en combustibles. Estas transformaciones pueden dividirse en dos grupos.
Procesos termoquímicos: Aplicación de elevadas temperaturas con exceso de oxígeno (combustión), en presencia de cantidades limitadas de oxígeno (gasificación) o en ausencia del mismo (pirolisis); los materiales generan mezclas de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
Procesos bioquímicos: Se llevan a cabo mediante diversos tipos de microorganismos, que degradan las moléculas complejas a compuestos simples de alta densidad energética; los más corrientes son la fermentación alcohólica para producir etanol y la digestión anaerobia, para la producción de metano.Las materias primas que se estudian actualmente para someterlas a estos procesos son las plantaciones forestales y de podas de ciudades, los residuos industriales y de explotación (residuos de industrias papeleras o lejías negras, tratamiento a los neumáticos y plásticos, residuos de la industria de la madera como el aserrín y las astillas, residuos sólidos urbanos provenientes de las depuradoras o lodos de depuradoras), etc.
Independientemente de que se busquen alternativas energéticas renovables para aliviar la crisis que enfrenta el mundo, en los próximos años se seguirá dependiendo de los combustibles fósiles para mantener el desarrollo económico, por lo que se trata de buscar soluciones que disminuyan la contaminación ambiental por conceptos de gases que se emitan al exterior, aun utilizando estas fuentes de energía, así como buscar combustibles que sustituyan a los fósiles en vía de agotamiento.
En esta investigación nos centraremos en el proceso de gasificación de los residuos sólidos de tomate con el objetivo de obtener los parámetros experimentales que logren un mejor aprovechamiento energético de los gases.
Los gases que se obtienen en el proceso de gasificación se pueden utilizar en varios procesos: de calentamiento (combustión directa en quemadores y obtención de energía térmica usada en varios procesos de potencia) o en motores de combustión interna, procesos que son entre un 10 a un 15 % más eficiente que la combustión directa de cualquier sólido y menos contaminante.
CAPÍTULO I: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.1 La biomasa.
La biomasa es el conjunto de recursos forestales, plantas terrestres y acuáticas, y de residuos y subproductos agrícolas, ganaderos, urbanos e industriales.Esta fuente energética puede ser aprovechada mediante su combustión directa a través de su transformación en biogás, bioalcohol, etc.
– Los métodos de conversión de la biomasa en combustible pueden agruparse en dos tipos: conversión bioquímica y conversión termoquímica. De la primera, se puede obtener el etanol y metano mediante la fermentación alcohólica y digestión anaerobia. De la segunda, se puede obtener gas pobre, carbón y jugos piroleñosos mediante gasificación y pirolisis.
1.1.1 Tipos de biomasa.
Biomasa natural: Es la que se produce en la naturaleza sin la intervención humana.
Fig. 1 Biomasa natural.
Biomasa residual: Es la que genera cualquier actividad humana, principalmente en los procesos agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, tal como, basuras y aguas residuales.
Fig. 2 Biomasa residual.
Biomasa producida: Es la cultivada con el propósito de obtener biomasa transformable en combustible, en vez de producir alimentos, como la caña de azúcar en Brasil, orientada a la producción de etanol para carburante.
Fig. 3 Biomasa producida.
La naturaleza de la biomasa es muy variada, ya que depende de la propia fuente, pudiendo ser animal o vegetal, pero generalmente se puede decir que se compone de hidratos de carbono, lípidos y prótidos. Siendo la biomasa vegetal la que se compone mayoritariamente de hidratos de carbono y la animal de lípidos y prótidos.
http://www.clavis.es/entidad/inice/Per/BioMa/B00.htm
1.1.2 Fuentes de extracción.
– Bosques: La única biomasa explotada actualmente para fines energéticos es la de los bosques. No obstante, el recurso de la biomasa de los bosques para cubrir la demanda energética sólo puede constituir una opción razonable en países donde la densidad territorial de dicha demanda es muy baja, así como también la de la población (Tercer mundo). En España (país deficitario de madera) sólo es razonable contemplar el aprovechamiento energético de la tala, de la limpieza de las explotaciones forestales (leña, ramaje, follaje, etc.) y de los residuos de la industria de la madera.
Fig. 4 Bosques.
– Residuos agrícolas y deyecciones y camas de ganado: Estos constituyen otra fuente importante de bioenergía, aunque no siempre sea razonable darles este tipo de utilidad. En España sólo parece recomendable con ese fin el uso de la paja de los cereales en los casos en que el retirarla del campo no afecte apreciablemente a la fertilidad del suelo, y de las deyecciones y camas del ganado cuando el no utilizarlas sistemáticamente como estiércol no perjudique las productividades agrícolas.
http://www.geocities.com/Capecanaveral/Launchpad/2405/energia.htm#Biomasa
– Cultivos energéticos: Es muy discutida la conveniencia de los cultivos o plantaciones con fines energéticos, no sólo por su rentabilidad, sino también por la competencia que ejercerían con la producción de alimentos y otros productos necesarios (madera, etc.). Las dudas aumentan en el caso de las regiones templadas, donde la asimilación fotosintética es inferior a la que se produce en zonas tropicales. Así y todo, en España se ha estudiado de modo especial la posibilidad de ciertos cultivos energéticos, especialmente sorgo dulce y caña de azúcar, en ciertas regiones de Andalucía, donde ya hay tradición en el cultivo de estas plantas de elevada asimilación fotosintética. No obstante, el problema de la competencia entre los cultivos clásicos y los cultivos energéticos no se plantearía en el caso de otro tipo de cultivo energético: los cultivos acuáticos. Una planta acuática particularmente interesante desde el punto de vista energético sería el jacinto de agua, que posee una de las productividades de biomasa más elevadas del reino vegetal. Podría recurrirse también a ciertas algas microscópicas, que tendrían la ventaja de permitir un cultivo continuo. Así, el alga unicelular Botryococcus braunii, en relación a su peso, produce directamente importantes cantidades de hidrocarburos. (Brandon, O. H., King, G. H., Kinsey, D. V. (1984), , págs. 11-34)
1.1.3 Formas de aprovechamiento de la biomasa.
De forma genérica, por biomasa se entiende el conjunto de materia orgánica de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial que haya tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico.
La biomasa puede aprovecharse de diversas formas, mediante los llamados procesos de conversión, y en general se quema directamente en plantas energéticas tradicionales con ciclos de vapor, como sucede desde antaño en los centrales azucareros; o en sistemas más avanzados y eficientes que emplean la gasificación en ciclos combinados, en los que se usan los gases de escape de las turbinas de gas, el cual alimenta un generador de tipo ordinario. Esta última es la vía más eficiente de aprovechamiento de la biomasa y la que tiene un futuro más prometedor. (CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial), 1983).
Otra vía de obtener combustible de la biomasa es mediante la fermentación, como el biogás y la obtención de combustibles como el etanol por fermentación y el metanol por hidrólisis, así como el bio-Diesel a partir de la extracción de aceites vegetales. En países como Brasil existe una vasta experiencia en la producción de etanol para su uso en los motores de combustión interna.
Entre las posibles fuentes de biomasa se encuentran los residuos agrícolas; los cultivos energéticos, como la caña energética y los bosques de eucalipto; los desechos de la industria maderera, como el aserrín; el bagazo de caña; los desechos urbanos, como cajas de embalaje, cartón, muebles rotos y papel; los residuos de madera de la construcción; y las aguas residuales urbanas. (CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), 1995).
Como desventajas comunes de la biomasa se significan su falta de uniformidad y su baja densidad, de ahí que deben producirse cerca de su lugar de utilización, ya que el empleo de transporte a largas distancias minimizaría sus ventajas. Ambas dificultades pueden eliminarse mediante la peletización o la construcción de briquetas, pero esto implicaría un incremento en el costo de explotación. Otra desventaja es su bajo valor calórico comparado con otros combustibles. Dos ejemplos concretos se verifican en la industria azucarera, donde setenta millones de toneladas de caña se convierten en siete millones de toneladas de azúcar y diecisiete y medio millones de toneladas de bagazo; y en la industria maderera es posible que hasta 75 % del árbol original termine convertido en residuos. En los bosques energéticos se cultivan árboles de rápido crecimiento, como los sauces y los eucaliptos.
Con la utilización de la biomasa, así como de cualquier tipo de energía renovable debemos hacer un análisis total del «ciclo de vida», o sea, la cadena completa, pues si en el proceso existen pasos intermedios contaminantes en la fabricación y transportación de equipos y componentes necesarios, o se emplea en algunas etapas energía no renovable, esto debe ser valorado para conocer realmente cuán limpia es esta forma de energía.
http://193.145.98.203/Biomasa/bio01/bio01_10.htm
1.1.4 Ventajas e inconvenientes medioambientales del uso de la biomasa.
Ventajas:
Es renovable.
Es la única fuente de energía que aporta un balance de CO2 favorable, de manera que la materia orgánica es capaz de retener durante su crecimiento más CO2 del que se libera en su combustión.
No depende de ninguna fuerza (como en la eólica).
Los combustibles que se generan a partir de la biomasa tienen una gran variedad de usos (probablemente sean los únicos combustibles primarios que puedan sustituir a la gasolina para el transporte).
La construcción de una central y su mantenimiento generan puestos de trabajo.
Es una forma de crear infraestructura rural, abre nuevas oportunidades.
Tiene un gran potencial para rehabilitar tierras degradadas.
Se evita la contaminación del medio aprovechando los residuos orgánicos para la obtención de energía.
Ausencia de emisión de azufres e hidrocarburos altamente contaminantes (lluvia ácida).
Obtención de productos biodegradables.
Inconvenientes:
Para conseguir un buen aporte energético se necesita gran cantidad de biomasa y por lo tanto ocupar grandes extensiones de tierra en el caso del cultivo energético.
Menor rendimiento de los combustibles derivados de la biomasa respecto de los combustibles fósiles
El potencial energético de la biomasa existente en el planeta podría bastar para cubrir la totalidad de las necesidades energéticas mundiales. No obstante, una serie de circunstancias limitan notablemente su aprovechamiento. Por ejemplo:
Alrededor del 40% de la biomasa es acuática. Se produce fundamentalmente en los océanos y es de muy difícil recuperación.
De la biomasa terrestre, una gran parte está muy dispersa y es imposible utilizarla de forma eficaz.
El aprovechamiento directo y a gran escala de los recursos forestales para fines energéticos podría conducir a un agotamiento de dichos recursos y dar lugar a efectos medioambientales negativos.
Aprovechar la parte utilizable de la biomasa existente exige aportar una notable cantidad de energía para su recolección, transporte y transformación en combustible útil, lo cual reduce considerablemente la energía neta resultante.
Por el momento, la mayor parte de la biomasa que se utiliza para fines energéticos es explotada a través de medios tradicionales, poco eficaces y productivos, y que permiten únicamente el aprovechamiento de una pequeña parte de su potencial energético.
http://html.rincondelvago.com/biomasa_1.html
1.1.5 La biomasa en Cuba.
La biomasa constituye algo más del 96 % de la energía renovable total en Cuba, y continuará dominando en el futuro, debido a las grandes cantidades de residuos de las industrias de agroforestales como las del azúcar, la madera, el café, el arroz y otras fuentes como las leñas, el biogás y las plantaciones de oleaginosas no comestibles. (Berris, L., Abril 15, 2007).
Las principales fuentes renovables de energía en explotación se encuentran concentradas en la biomasa (bagazo, leñas combustibles y el biogás) con alrededor de 156 850 t equivalentes de petróleo (96,42 %) o 2,000 MW, seguido por la energía hidroeléctrica con 69,6 MW (3,22 %) y en menores proporciones la energía solar con 5,3 MW (0,24 %) y la energía eólica con 2,25 MW (0,12 %), respectivamente. (AEN, Anuario Estadístico de Cuba 2005, ISBN: 959-7119-39-0, Editado por la Oficina Nacional de Estadísticas, 2006, págs. 159-172).
El principal potencial energético a partir de la biomasa está concentrado en el bagazo con 95 950 TEP (52,3 %), seguido por las leñas combustibles con 60,000 TEP (33 %), la paja de caña con 12 515 TEP (6,8 %), la cascarilla de café con 12 000 TEP (6,5 %), y en menores proporciones, la cascarilla de arroz con 1 200 TEP (0,7 %), el biogás con 900 TEP (0,5 %) y el aserrín con 700 TEP (0,4 %). La cantidad total de energía renovable a partir de la biomasa se estima en alrededor de 183 265 t equivalentes de petróleo, anualmente. (Grogg, P., Septiembre 8, Cuba, 2007).
1.2 Procesos de conversión de la biomasa.
1.2.1 Métodos termoquímicos.
Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y, en particular, a los de la paja y la madera. ººº0(Bridgwater, A. V. (1992),, págs. 73-107).
a) – La combustión: Oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, libera simplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial.
b) – La pirolisis: Combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxígeno, a unos 500 grados centígrados, se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Aparte de este, la pirolisis lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de monóxido y dióxido de carbono, de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este gas, de débil poder calórico, puede servir para accionar motores diesel, o para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirolisis, llamada pirolisis flash, llevada a 1000 grados centígrados en menos de un segundo, tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. De todas formas, la gasificación total puede obtenerse mediante una oxidación parcial de los productos no gaseosos de la pirolisis. Las instalaciones en las que se realizan la pirolisis y la gasificación de la biomasa reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente como se indica antes, o bien servir la base para la síntesis de un alcohol muy importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).
c) – Gasificación: Es una de las tecnologías más avanzadas, y consiste en la utilización del gas combustible generado en una turbina de gas, donde se recupera el calor de los gases de salida para producir vapor y mover una turbina. El rendimiento de esta tecnología puede duplicar al de la combustión directa.
http://www.conae.gob.mx/renovables/biomasa.htm
1.2.2 Métodos biológicos.
Existen dos tipos distintos:
a) – La fermentación alcohólica: Es una técnica empleada desde muy antiguo con los azúcares, que puede utilizase también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhidro, es una operación muy costosa en energía. En estas condiciones la transformación de la biomasa en etanol y después la utilización de este alcohol en motores de explosión, tienen un balance energético global dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.U.A.) tienen importantes proyectos de producción de etanol a partir de biomasa con un objetivo energético (propulsión de vehículos; cuando el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe el nombre de gasohol).
b)- La fermentación metánica: Es la digestión anaerobia de la biomasa por bacteria. Es idónea para la transformación de la biomasa húmeda (más del 75% de humedad relativa). En los fermentadores, o digestores, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. El problema principal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo en la temperatura óptima de 30-35 grados centígrados. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor hacia la autonomía energética de las explotaciones agrícolas, por recuperación de las deyecciones y camas del ganado. Además, es una técnica de gran interés para los países en vías de desarrollo. Así, millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas chinas.
http://quipu.uni.edu.pe/RpcyT/p13.htm
1.3 Proceso de Gasificación.
La gasificación es un proceso térmico que permite la conversión de un combustible sólido, tal como la biomasa en un combustible gaseoso, mediante un proceso de oxidación parcial. El gas pobre resultante puede ser utilizado en turbinas de gas o en motores de combustión interna. Ambos motores térmicos pueden ser acoplados a un generador para la producción de electricidad. Como agente oxidante se emplea el vapor, el oxígeno o el aire. El gas resultante contiene monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H), metano (CH4), alquitrán, agua y pequeñas cantidades de hidrocarburos tales como el etano. Este gas posee un bajo poder calórico, del orden de cuatro a siete MJ/m3; en cambio, si se emplea como agente oxidante el O2 se pueden alcanzar de 10 a 18 MJ/m3. La tecnología más empleada es, sin embargo, la que utiliza aire como agente oxidante, por razones económicas y tecnológicas.
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia21/HTML/articulo04.htm
La gasificación de la biomasa es la conversión de los residuos sólidos y líquidos derivados de la descomposición termoquímica de la materia orgánica a altas temperaturas a un combustible gaseoso mediante la adición de reactantes oxidantes.
El principal objetivo de la gasificación es transferir la máxima energía química desde la alimentación a la fracción gaseosa y recibir un alto rendimiento del gas combustible compuesto principalmente de productos gaseosos de bajo peso molecular. (Arauzo, J.; Radlein, D.; Piskorz, J.; Scott, D.S. ,1997).
1.3.1 Fases de la gasificación.
Dependiendo del tipo de gasificador y de las condiciones del proceso, la gasificación de biomasa tiene las siguientes fases:
Calentamiento y secado de la biomasa.
Desgasificación de la biomasa.
Oxidación parcial de la biomasa y reducción parcial de los productos de oxidación (CO2 y H2O a CO e H2) y simultáneamente, gasificación del carbón sólido a CO.
Antes de que tenga lugar cualquier reacción química, es evaporada el agua a temperaturas sobre 200ºC. El vapor es más tarde reducido a H2 o deja el gasificador como parte del producto gaseoso. Como se necesita una cierta cantidad de energía para calentar y secar la biomasa, es preferible tener la alimentación con un contenido de humedad inferior al 30%.El proceso de gasificación requiere de calor para secar la alimentación, para realizar varias reacciones endotérmicas de pirolisis y para compensar las pérdidas de calor. En la mayoría de los casos, el calor es proporcionado por la combustión parcial de la alimentación mediante la adición de aire, oxígeno, vapor o una mezcla de estos reactivos. Estos agentes gasificantes sirven también como agentes oxidantes para la conversión del carbón sólido en CO gaseoso.
Con aire como agente gasificante, se alcanzan temperaturas de 800 a 1000ºC. Mayores temperaturas se obtienen con el aire enriquecido con oxígeno o con oxígeno puro (1000 a 1400ºC). Se utiliza vapor como agente gasificante para obtener un gas rico en hidrógeno. También se puede añadir vapor al agente gasificante para reducir y controlar la temperatura de reacción.
http://www.citma.net/tecnologia_ficha2.asp?id=6
1.3.2 Clasificación de los procesos de gasificación.
La gasificación de la biomasa puede ser clasificada atendiendo a los siguientes criterios:
? Agente gasificante: Aire, oxígeno, vapor de agua, C02, H2
? Forma de suministrar el calor: Método directo o indirecto
? Tipo de reactor: Lecho móvil en contracorriente o en corriente paralela. Lecho fluidizado.
Transporte neumático, sistemas combinados o circulantes.
? Presión y temperatura del reactor.
? Forma de separar las cenizas.
Atendiendo al agente gasificante el proceso de gasificación con aire, es el que, a nuestro juicio, presenta un mayor interés económico y social. En este proceso, el oxígeno del aire quema parcialmente el residuo carbonoso procedente de la pirolisis (proceso simultáneo al de gasificación), y se genera el calor necesario para el proceso. Al no necesitar fuente de calor externa, este proceso permite con un bajo costo el aprovechamiento local en diversos pueblos, granjas, comarcas o
cooperativas, de diversos residuos agrícolas y forestales mediante su conversión termoquímica en gases de bajo contenido energético.
Existen sistemas y procesos de gasificación con aire en desarrollo o ya disponibles comercialmente, que aprovechan los más variados tipos de biomasa en función del país donde se han implantado. Por otra parte, las tecnologías de gasificación y purificación de gases son muy diversas dependiendo fundamentalmente de la aplicación posterior del gas.
La evaluación y comparación de estos sistemas o procesos no es sencilla, debido a los numerosos factores a tener en cuenta y al hecho de que algunos de ellos están diseñados para una única aplicación, no pudiéndose comparar para otras aplicaciones.
El aire se introduce principalmente para aporte de calor mediante la combustión de parte del residuo carbonoso. El producto a obtener es un gas combustible de bajo contenido energético (inferior a seis MJ/Nm3). Los reactores más utilizados son los de lecho móvil en contracorriente (ó updraft) o en corriente paralela (ó downdraft) y los de lecho fluidizado. Este gas puede emplearse como combustible en quemadores de calderas o turbinas de gas, o en aparatos de combustión interna.
La gasificación con oxígeno y/o vapor de agua se utiliza para obtención de gas de medio contenido energético (10-20 MJ/Nm³) o de gas de síntesis. Es un gas de mayor calidad al no estar diluido con nitrógeno.
El lecho fluidizado es el más apropiado para la gasificación de biomasa con aire o vapor de agua. Sin embargo, no se puede utilizar con todos los tipos de residuos agrícolas y forestales ya que el tamaño y la forma de éstos puede limitar su uso. El tamaño debe ser inferior a 1 cm, pudiendo ocasionar un aumento en el coste de trituración del residuo. Este factor puede solucionarse añadiendo un segundo sólido inerte (arena, alúmina) que ayude a fluidizar la biomasa.
Con la gasificación con H2 se produce un gas con alto contenido energético (superior a 30 MJ/Nm3) que por tener altos porcentajes de metano y olefinas, puede utilizarse como sustituto el Gas Natural.
También pueden utilizarse catalizadores durante la reacción. Las razones que hacen atrayentes el empleo de catalizadores son:
Alto incremento de las reacciones de conversión dadas.
Temperaturas de reacción más bajas, mayores eficacias.
Reduce el contenido de metano en el gas de síntesis.
Permite obtener una composición de producto adecuada para una aplicación particular tales como CH4, H2, CH3OH, NH3.
http://www.monografias.com/trabajos27/gasificacion-citricos/gasifiacion-citricos.shtml#discus
1.4 Tipos de gasificadores.
Los tipos de reactores utilizados en la gasificación de biomasa son los de lecho móvil (en contracorriente y corriente paralelas) y los de lecho fluidizado (burbujeante y circulante). Cada uno de estos reactores presenta una serie de ventajas e inconvenientes, lo que hace que su elección dependa de diversos factores. Los principales criterios de elección son el tamaño y la densidad del combustible a procesar, la capacidad de procesamiento y la calidad deseada del gas que se va a obtener.
Los tres tipos principales de gasificadores empleados actualmente son: downdraft o flujo concurrente, updraft o flujo ascendente y lecho fluidizado.La selección del tipo de gasificador que se va a emplear depende de la potencia que se desee. Los de lecho fluidizado se utilizan para instalaciones de gran escala, mientras que para pequeñas potencias se prefieren los de flujo concurrente o downdraft. Otros tipos de reactores son los de lecho fluidizado burbujeante, los de lecho fluidizado circulante, y los de lecho fluidizado presurizados. Otros tipos de reactores son los ciclónicos y los rotatorios, además de diferentes tipos de reactores de cama móvil.
Hasta potencias de 1 MW se recomienda la utilización de gasificadores de flujo concurrente, casi exclusivamente. Este tipo de gasificador es, además, el más sencillo de todos; y para potencias mayores de 10 y hasta alrededor de 50 MW compiten los reactores de tipo updraft y los de lecho fluidizado burbujeante. Para potencias mayores de 100 MW se usan exclusivamente los de lecho fluidizado presurizados. (Aznar, M.P.; Corella, J.; Delgado, J.; Lahoz, J. , 1993)
Fig. 5. Esquema de un reactor de lecho fluidizado burbujeante: catalizadores (1), economizadores (2), sobrecalentadores (3), silo de arena (4), silo de combustible (5), arranque del quemador (6) y piso (7).
En el Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, se diseñó, construyó y se encuentra en fase de montaje un reactor de tipo downdraft, con la finalidad de producir gases que se emplearán en un motor de combustión interna para suministrar electricidad a una comunidad rural, con el objetivo de generar una potencia eléctrica de 20 kW, lo que cubriría las necesidades básicas de la población. El esquema de la instalación se muestra en la (Fig. 5).
En este tipo de reactor la biomasa y el aire entran por la parte superior, y en la parte inferior se obtienen los gases que a una temperatura de 800 ºC salen por la camisa exterior (Fig. 6). El reactor estará aislado térmicamente. Se observa en la parte inferior una pantalla donde cae parte de las cenizas. Con posterioridad estos gases pasan a un ciclón separador de partículas, y las cenizas se colectan en la parte inferior del ciclón. (García, P.; Bilbao, R.; Arauzo, J.; Salvador, M.L., 1994).
Fig. 6 Esquema simplificado de un reactor downdraft.
Para tener una idea de cómo funciona la instalación en su totalidad se muestra la (Fig. 7), en una proyección isométrica. Los gases salen del ciclón y van hacia una torre de enfriamiento o scrubber. De aquí pasarán a través de un filtro compuesto por dos secciones, una de arena sílice y la otra de fibra vegetal. Para simular el motor de combustión interna se ha colocado todo el sistema a la succión de un ventilador centrífugo, por lo que la instalación funciona al vacío.
Fig. 7 Esquema de la instalación de prueba para la gasificación: reactor downdraft (1), precalentador de aire (2), ventilador(3), ciclón (4), colector de cenizas (5), bomba de agua (6), sistema de limpieza de gases (7), bases (8, 9, 10, 12 y 14), filtro (11) y motor de combustión interna (13).
Con fines de investigación se colocará una caja de resistencias y un soplador adicional para poder obtener diferentes temperaturas a la entrada y regular el vacío del sistema con dos tiros, hasta la puesta a punto. Se emplearán diversos tipos de biomasa, y en esta etapa se acoplará la instrumentación que permita obtener los fundamentales parámetros de la instalación, como temperaturas, presiones, flujo y composición gaseosa, acoplados a un sistema de adquisición de datos.
El futuro de la gasificación en gran escala para la generación de electricidad deberá emplear esta tecnología en ciclos combinados, una vez que las investigaciones permitan eliminar las dificultades actuales de estos sistemas.
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia21/HTML/articulo04.htm
1.4.1 Reactor de lecho móvil en contracorriente o updraft.
Los gasificadores de lecho móvil se utilizan para biomasas trituradas o «pelletizadas» con dimensiones de uno a diez cm. El de lecho móvil en contracorriente es el reactor más simple. El gas, que se produce en la zona de gasificación, sale del reactor junto con los productos de la pirolisis y del vapor procedente de la zona de secado. El gas de proceso tiene un alto porcentaje de tars y una temperatura de unos 400 ºC, pudiendo utilizarse para calefacción. (Beenackers, A. A. C. M., Maniatis, K. , 1997, págs. 24-52).
1.4.2 Reactor de lecho móvil en corrientes paralelas o downdraft.
La principal característica de este tipo de reactor es que todos los productos procedentes de la zona de pirolisis son forzados a pasar por la zona de oxidación. De esta forma, los tars pasan a hidrocarburos ligeros y a gases de peso molecular bajo, como son el CO y el CH4. El gas obtenido sale del gasificador a 700 ºC y contiene alrededor de 1g/Nm3 de tars. Así, aunque siempre sea necesario un sistema de limpieza del gas, es muy interesante su uso en motores de combustión interna. La principal desventaja de este reactor frente al gasificador en contracorriente es la alta temperatura del gas de salida, originando una eficiencia más baja. (Hos, J. J., Groeneveld, M. J. (1987), págs. 237-255).
1.4.3 Reactor de lecho fluidizado.
Se utiliza como gasificador un lecho fluidizado con un lecho de partículas de arena mantenido constantemente por el agente gasificante. El gas de fluidización se distribuye a través de unas toberas situadas en la parte inferior del reactor y la biomasa se puede alimentar en algún o en varios puntos del lecho. El resultado es una temperatura promedio uniforme en el lecho entre 800 y 1000 ºC. El gas de proceso obtenido tiene la misma temperatura y contiene pequeñas cantidades de tar y grandes cantidades de partículas y cenizas. Este tipo de lecho se aplica para gasificar biomasas de dimensiones inferiores a un cm. Aunque la operación de este tipo de gasificador es más compleja que la de un lecho fijo, las ventajas que tiene frente a este último son:
Mayor flexibilidad con respecto al combustible, ya que acepta un amplio rango de tamaños de partícula del combustible y un combustible con alto contenido en cenizas.
Buen control de la temperatura en el lecho y velocidad de reacción altas.
Alta conversión de carbono.
El tener flexibilidad con las características del combustible es especialmente importante cuando se quieren operar sistemas a escala mayor de planta piloto (> 10 MWth). Los gasificadores de lecho fluidizado se pueden clasificar atendiendo a la variable de operación «velocidad de fluidización», en lecho fluidizado burbujeante (velocidad de fluidización de uno a dos m/s) y lecho fluidizado circulante (velocidad de fluidización mayor de cinco m/s). (Schenk, E. P., van Doorn, J., Kiel, J. H. A. (1997), págs. 129-138).
1.4.3.1 Gasificadores de lecho fluidizado.
Los gasificadores de lecho fluidizado fueron originalmente desarrollados para la gasificación del carbón y han sido adaptados para la conversión de biomasa. En estos gasificadores, el agente gasificante se alimenta por la parte inferior del gasificador a una velocidad suficiente para fluidizar la alimentación. Al contrario que los gasificadores de lecho fijo, no existen diferentes zonas de reacción en el gasificador. El secado, la oxidación, la pirolisis y la reducción se dan lugar en la misma área. Los lechos fluidizados son gasificadores versátiles y no son sensibles a las características del combustible, exceptuando el tamaño que debería de ser pequeño.
Los lechos fluidizados tienen altos niveles de transferencia de masa y energía y proveen una buena mezcla de la fase sólida, lo que significa que los niveles de reacción son altos, el tiempo de residencia de las partículas es pequeño y la temperatura es más o menos constante en el lecho.
http://www.citma.net/tecnologia_ficha2.asp?id=6
1.4.3.2 Funcionamiento del gasificador de lecho fluidizado.
Se sopla aire a través de un lecho de partículas sólidas a la velocidad suficiente para mantenerlas en estado de suspensión. Se comienza por calentar externamente el lecho y el material de alimentación se introduce tan rápido como se alcanza una temperatura suficientemente elevada. Las partículas del combustible se introducen por el fondo del reactor, se mezclan rápidamente el material del lecho y se calientan casi instantáneamente, alcanzando así la temperatura de este.
Como resultado de este tratamiento, el combustible se pirroniza muy rápidamente, dando como resultado una mezcla de componentes, con una cantidad relativamente elevada de materiales gaseosos, en la fase de gas se reproduce una nueva gasificación y reacciones de los alquitranes. La mayoría de los sistemas van equipados con un ciclón interno a fin de reducir el mínimo de escape de alquitrán por soplado. La partícula de ceniza se transporta 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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1.5 Proceso de Pirolisis.
La pirolisis se puede definir como la descomposición térmica de un material en ausencia de oxígeno o cualquier otro reactante. Esta descomposición se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor. La pirolisis también aparece como paso previo a la gasificación y la combustión.
Se puede considerar que la pirolisis comienza en torno a los 250 °C, llegando a ser prácticamente completa en torno a los 500°C, aunque esto está en función del tiempo de residencia del residuo en el reactor.
A partir de la pirolisis pueden obtenerse diferentes productos secundarios útiles en función de la tecnología de tratamiento que se utilice. En la siguiente tabla pueden verse estos productos y tecnologías.
Tabla 1. Productos secundarios de la Pirolisis.
Los productos primarios formados son los siguientes (en diferentes proporciones según el proceso empleado):
Gases: Compuestos principalmente de CO, CO2, CH4, C2H6 y pequeñas cantidades de hidrocarburos ligeros.
Líquidos: Compuesto por una gran mezcla de distintos productos como pueden ser: cetonas, ácido acético, compuestos aromáticos, y otras fracciones más pesadas.
Sólidos: El producto sólido de la pirolisis es un residuo carbonoso (char) que puede ser utilizado como combustible o para la producción de carbón activo.
Existen diferentes tipos de Pirolisis en función de las condiciones físicas en las que se realice. Así, factores como la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, la presión, etc., tienen una influencia muy grande en la distribución de productos que se obtienen. Esto puede verse resumido en la siguiente tabla.
Tabla 2. Tipos de Pirolisis.
La carbonización es quizá el proceso de pirolisis conocido desde hace más tiempo de todos los mostrados en el cuadro anterior, y el que más importancia tiene industrialmente para la producción de carbón vegetal. Esta carbonización se puede llevar a cabo en diferentes tipos de instalaciones:
Tabla 3. Instalaciones para la carbonización.
Algunas de las ventajas del proceso de gasificación son:
Versatilidad en la valorización del residuo, ya que se puede aprovechar la energía que contiene en forma de calor, electricidad o como gas de síntesis para la obtención de productos químicos.
Buen rendimiento eléctrico, en el caso de que esa sea la vía más adecuada para el aprovechamiento del residuo.
Menor impacto ambiental.
Actualmente la investigación sobre la pirolisis se lleva a cabo sobre materias primas variadas, como pueden ser los residuos agrícolas y forestales, los residuos sólidos urbanos o los neumáticos.
http://www.cps.unizar.es/~proter/Gasificaci%F3n.htm
La pirolisis se lleva a cabo habitualmente a temperaturas de entre 400 ºC y 800 ºC. A estas temperaturas los residuos se transforman en gases, líquidos y cenizas sólidas denominadas "coque" de pirolisis. Las proporciones relativas de los elementos producidos dependen de la composición de los residuos, de la temperatura y del tiempo que ésta se aplique. Una corta exposición a altas temperaturas recibe el nombre de pirolisis rápida, y maximiza el producto líquido. Si se aplican temperaturas más bajas durante períodos de tiempo más largos, predominarán las cenizas sólidas.
El calor requerido para la pirolisis es generado por combustibles tradicionales (gas natural, petróleo, etc.), o mediante el uso de electricidad para crear plasmas de altas temperaturas. En los sistemas de plasma la fuente principal de calor es una antorcha o un arco de plasma que puede alcanzar temperaturas de entre 3.000 ºC y 20.000 ºC. Los plasmas se generan normalmente mediante un arco o descarga eléctrica de gran energía y, por tanto, requieren considerables cantidades de energía para funcionar. (Mohr, K.; Nonn, Ch.; y Jager, J., 1997. págs 1053-1064).
1.5.1 Clasificación de los procesos de pirolisis.
La pirolisis rápida y la gasificación.
Cortéz (Brasil) y Olivares (Cuba) han realizado importantes trabajos sobre la gasificación y la pirolisis rápida de bagazo y paja de caña de azúcar.
El diseño, construcción y puesta en marcha de un reactor en lecho fluidizado, trabajando en las instalaciones de UNICAMP y de COPERSUCAR, ha permitido obtener valiosos resultados de importancia práctica y teórica.
En la actualidad se han realizado reformas al fluidizador que permitirán una mejor alimentación de la biomasa así como una recuperación más completa de los líquidos pirolíticos. (Bridgwater, A. V. (1998), págs. 268-271).
Pirolisis lenta a presión atmosférica.
El convencional proceso de carbonización ha formado parte de los estudios conjuntos UNICAMP – Universidad de Oriente. Se ha trabajado en dos direcciones principales:
– La producción de Carbón Vegetal.
– La producción y composición de la fracción condensable.
Con respecto a la producción de carbón vegetal a partir de bagazo de caña, (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 2000A), se ha estudiado el proceso a escala de laboratorio en las siguientes condiciones:
El procesamiento estadístico de los resultados obtenidos dio el siguiente modelo matemático para un nivel de significación ? = 0.05 y un R2=93.9%
Esto indica un rendimiento medio de un 28% dentro de la región experimental estudiada y establece claramente que el tiempo de permanencia de la biomasa carbonizada a la temperatura final (X2), es el factor que mas influye en la producción de carbón vegetal. No obstante se considera que en este estudio (aún no publicado) debe incluirse como factor la velocidad de calentamiento.
Con respecto al rendimiento del carbón a partir de cáscara de arroz se obtienen valores medios de 45% lo cual es significativamente mayor que en el caso del bagazo. Sin embargo ambos carbones difieren notablemente en cuanto a % de carbono fijo y de cenizas cuando se obtienen en iguales condiciones experimentales.
Así por ejemplo:
El alto contenido de cenizas del carbón de cáscara de arroz parece ser un serio impedimento para su uso posterior como combustible.
Pirolisis al vacío.
Por otro lado y bajo condiciones similares excepto por la aplicación de un pequeño vacío en el sistema (0,7 kgf/cm2) se estudió la producción de líquidos durante la pirolisis lenta obteniéndose el siguiente modelo empírico (BROSSARD, CORTEZ Y COL., 2000B).
El modelo anterior tiene la misma codificación que el arriba expuesto y puede observarse que la producción de líquido pirolítico tiene también como factor principal, pero negativo, el tiempo de residencia de la biomasa a la temperatura final.
Estos estudios se continuaron aumentando el vacío en el sistema, esta vez a 0.4 kgf/cm2 (BROSSARD Y COL. 2000C).
Como factores se contemplaron
El rendimiento de líquidos en estas condiciones obedece al siguiente modelo
Como se aprecia la velocidad de calentamiento (X4) es en estas nuevas condiciones, el factor más importante en la producción de líquidos. Además en segundo término mientras menor sea la densidad aparente de la biomasa pirolizada mayor será la producción de condensables.
El estudio por cromatografía gaseosa – espectrometría de masa muestra los principales productos químicos presentes en los efluentes condensables listados en orden de abundancia relativa:
1. Levoglucosan
2. Ciclopropilcarbinol
3. 4-metil-2(5H)-furanona
4. 2(5H)-furanona,3metil
5. Ácido acético
6. 4-etilfenol
7. 4-metilfenol
8. 4-metoxifenol
9. fenol
1.5.2 Aplicaciones del alquitrán de pirolisis lenta.
Varios trabajos de Brossard y Cortéz (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1997, 1999A, 1999B), han tratado sobre el empleo práctico de la fracción condensada insoluble en agua (alquitrán) proveniente de la pirolisis de diversos residuos lignocelulósicos.
Durante la 4ta Conferencia de Biomasa de Las Américas celebrada en Estados Unidos en 1999, el grupo de investigadores UNICAMP – Universidad de Oriente presentó varias comunicaciones científicas y entre ellas hubo dos relativas al uso de las soluciones alcalinas de alquitrán (S.A.A.). Una se refería al uso de la S.A.A. como agente espumante para el beneficio de menas sulfuradas de cobre (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1999A) y la otra se refería a la confección de concreto ligero celular (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1999B).
La importancia de estos trabajos radica en la utilización del alquitrán de pirolisis lenta como un todo no sometido a previo fraccionamiento.
En el caso a la aplicación referida al beneficio del mineral de cobre, se llega a la conclusión de que mediante el empleo de S.A.A. convenientemente dosificadas, es posible obtener porcientos de recuperación de cobre y porcientos de cobre en el concentrado final equivalentes a cuando se utiliza aceite de pino como agente espumante.
La otra dirección explorada permitió establecer el modo de obtención industrial de concreto ligero celular que posee además de baja densidad aparente (300 – 500 kg/m3), baja conductividad eléctrica y acústica.
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TABLAS Y FIGURAS
Autor:
Ing. Yanet Guerra Reyes
Ing. Boris A. Ramos Robaina
Aspirantes a Master
Abril de 2008
"Año 50 de la Revolución"
Provincia Pinar del Río
UNIVERSIDAD DE PINAR DEL RÍO
"HERMANOS SAÍZ MONTES DE OCA"
FACULTAD GEOLOGÍA-MECÁNICA
"CENTRO DE ESTUDIOS DE ENERGÍA Y
TECNOLOGÍAS SOSTENIBLES"
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