Gasificación
Gasificación es un proceso que convierte materiales carbonosos basados en biomasa o combustibles fósiles en gases, incluyendo como fracciones más grandes: nitrógeno (N2), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2) y dióxido de carbono (CO2). Esto se logra haciendo reaccionar el material de alimentación a altas temperaturas (típicamente >700 °C), sin combustión, mediante el control de la cantidad de oxígeno y/o vapor presente en la reacción. La mezcla de gas resultante se denomina gas de síntesis (gas de síntesis) o gas productor y es en sí mismo un combustible debido a la inflamabilidad del H2 y el CO de los que se compone en gran parte 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.
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 definida por la regla de Carnot es más alto. El gas de síntesis también se puede usar como fuente de hidrógeno en las celdas de combustible; sin embargo, el gas de síntesis producido por la mayoría de los sistemas de gasificación requiere un procesamiento y reforma adicionales para eliminar los contaminantes y otros gases como el CO y el CO2 para ser adecuado para el uso de celdas de combustible de baja temperatura, pero las celdas de combustible de óxido sólido de alta temperatura son capaces de aceptar directamente mezclas de H2, CO, CO2, vapor y metano.
El gas de síntesis generalmente se quema directamente en motores de gas, se usa para producir metanol e hidrógeno o se convierte a través del proceso Fischer-Tropsch en combustible sintético. Para algunos materiales, la gasificación puede ser una alternativa al vertido y la incineración, lo que da como resultado una reducción de las emisiones de contaminantes atmosféricos como el metano y las partículas. Algunos procesos de gasificación tienen como objetivo refinar los elementos de ceniza corrosivos como el cloruro y el potasio, lo que permite la producción de gas limpio a partir de materias primas que de otro modo serían problemáticas. La gasificación de combustibles fósiles es actualmente ampliamente utilizada a escala industrial para generar electricidad. La gasificación puede generar cantidades más bajas de algunos contaminantes como SOx y NOx que la combustión.
Historia
La energía se ha producido a escala industrial a través de la gasificación desde principios del siglo XIX. Inicialmente, el carbón y la turba se gasificaban para producir gas ciudad para iluminación y cocina, y se instaló el primer alumbrado público en Pall Mall, Londres el 28 de enero de 1807, extendiéndose en breve para suministrar iluminación comercial de gas a la mayoría de las ciudades industrializadas hasta finales del siglo XIX cuando fue reemplazada por iluminación eléctrica. La gasificación y el gas de síntesis continuaron utilizándose en los altos hornos y, de manera más significativa, en la producción de productos químicos sintéticos, donde se ha utilizado desde la década de 1920. Los miles de sitios dejaron residuos tóxicos. Algunos sitios han sido remediados, mientras que otros todavía están contaminados.
Durante ambas guerras mundiales, especialmente la Segunda Guerra Mundial, la necesidad de combustible producido por gasificación resurgió debido a la escasez de petróleo. Los generadores de gas de madera, llamados Gasogene o Gazogène, se utilizaron para impulsar vehículos de motor en Europa. Para 1945 había camiones, autobuses y máquinas agrícolas que funcionaban con gasificación. Se estima que había cerca de 9.000.000 de vehículos funcionando con gas pobre en todo el mundo.
Reacciones químicas
En un gasificador, el material carbonoso se somete a varios procesos diferentes:
- El proceso de deshidratación o secado ocurre aproximadamente a 100 °C. Típicamente el vapor resultante se mezcla en el flujo de gas y puede estar involucrado con reacciones químicas subsiguientes, en particular la reacción del gas de agua si la temperatura es suficientemente alta (ver paso #5).
- El pirolisis (o devolatilización) proceso se produce alrededor de 200–300 °C. Se liberan volatiles y se produce carbón, lo que da lugar a una pérdida de peso de hasta 70% para el carbón. El proceso depende de las propiedades del material carbonatado y determina la estructura y composición del char, que luego sufrirá reacciones de gasificación.
- El combustión el proceso se produce como los productos volátiles y algunos de los char reaccionan con oxígeno para formar principalmente dióxido de carbono y pequeñas cantidades de monóxido de carbono, lo que proporciona calor para las reacciones de gasificación subsiguientes. Letting C representan un compuesto orgánico que contiene carbono, la reacción básica aquí es C + O2 → CO2.
- El gasificación proceso se produce a medida que el carbón reacciona con vapor y dióxido de carbono para producir monóxido de carbono e hidrógeno, a través de las reacciones C + H2O → H2 + CO y C + CO2 → 2CO.
- Además, la reacción de cambio de gas de fase reversible alcanza el equilibrio muy rápido a las temperaturas de un gasificador. Esto equilibra las concentraciones de monóxido de carbono, vapor, dióxido de carbono e hidrógeno: CO + H2O ⇌ CO2 + H2.
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. Otras reacciones ocurren cuando el monóxido de carbono formado y el agua residual del material orgánico reaccionan para formar metano y dióxido de carbono en exceso (4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2). Esta tercera reacción ocurre más abundantemente en reactores que aumentan el tiempo de residencia de los gases reactivos y los materiales orgánicos, así como el calor y la presión. Los catalizadores se utilizan en reactores más sofisticados para mejorar las velocidades de reacción, acercando así el sistema al equilibrio de reacción durante un tiempo de residencia fijo.
Procesos
Actualmente hay varios tipos de gasificadores disponibles para uso comercial: lecho fijo a contracorriente, lecho fijo a la misma corriente, lecho fluidizado, flujo arrastrado, plasma y radicales libres.
Gasificador de lecho fijo a contracorriente ("tiro ascendente")
Un lecho fijo de combustible carbonoso (por ejemplo, carbón o biomasa) a través del cual el "agente de gasificación" (vapor, oxígeno y/o aire) fluye en configuración contracorriente. La ceniza se elimina en estado seco o como escoria. Los gasificadores de escoria tienen una relación menor de vapor a carbón, 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 apelmazarse para que forme un lecho permeable, aunque desarrollos recientes han reducido estas restricciones hasta cierto punto. 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 las temperaturas de operación típicas, por lo que el gas producto debe limpiarse exhaustivamente antes de su uso. El alquitrán se puede reciclar al reactor.
En la gasificación de biomasa fina no densificada, como la cascarilla de arroz, es necesario insuflar aire en el reactor mediante un ventilador. Esto crea una temperatura de gasificación muy alta, de hasta 1000 C. Por encima de la zona de gasificación, se forma un lecho de carbón fino y caliente y, a medida que el gas es forzado a través de este lecho, la mayoría de los hidrocarburos complejos se descomponen en componentes simples de hidrógeno. y monóxido de carbono.
Gasificador de lecho fijo co-corriente ("tiro descendente")
Similar al tipo de contracorriente, pero el gas del agente de gasificación 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 del combustible o 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 da como resultado una eficiencia energética al nivel del tipo de contracorriente. Dado que todos los alquitranes deben pasar a través de un lecho caliente de carbón en esta configuración, los niveles de alquitrán son mucho más bajos que en el tipo de contracorriente.
Reactor de lecho fluidizado
El combustible se fluidiza en oxígeno y vapor o aire. La ceniza se elimina seca o como aglomerados pesados que defluidizan. Las temperaturas son relativamente bajas en los gasificadores de ceniza seca, por lo que el combustible debe ser altamente reactivo; los carbones de baja calidad son particularmente adecuados. Los gasificadores de aglomeración tienen temperaturas ligeramente más altas y son adecuados para carbones de rango superior. El rendimiento de combustible es mayor que para el lecho fijo, pero no tanto como para el 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 combustión posterior de sólidos para aumentar la conversión. Los gasificadores de lecho fluidizado son más útiles para combustibles que forman cenizas altamente corrosivas que dañarían las paredes de los gasificadores de escoria. Los combustibles de biomasa generalmente contienen altos niveles de cenizas corrosivas.
Los gasificadores de lecho fluidizado utilizan material de lecho inerte en un estado fluidizado que mejora la distribución de calor y biomasa dentro de un gasificador. En un estado fluidizado, la velocidad del fluido superficial es mayor que la velocidad de fluidización mínima 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), lecho fluidizado circulante (CFB) y lecho fluidizado dual (DFB).
Gasificador de flujo arrastrado
Un sólido pulverizado seco, un combustible líquido atomizado o una suspensión de combustible se gasifica con oxígeno (mucho menos frecuente: aire) en flujo a favor de la corriente. 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 un poco menor, ya que el gas debe enfriarse antes de que pueda limpiarse 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 la ceniza se produce como una ceniza volante seca muy fina o como un lodo de ceniza volante de color negro. Algunos combustibles, en particular ciertos tipos de biomasas, pueden formar escoria que es corrosiva para las paredes interiores de cerámica que sirven para proteger la pared exterior del gasificador. Sin embargo, algunos tipos de gasificadores de flujo arrastrado no poseen una pared interna de cerámica, pero tienen una pared interna enfriada por agua o vapor cubierta con escoria parcialmente solidificada. Este tipo de gasificadores no sufren de escorias corrosivas.
Algunos combustibles tienen cenizas con temperaturas de fusión de cenizas muy altas. En este caso, la mayor parte de la piedra caliza se mezcla con el combustible antes de la gasificación. La adición de un poco de piedra caliza suele ser suficiente para bajar las temperaturas de fusión. Las partículas de combustible deben ser mucho más pequeñas que para otros tipos de gasificadores. Esto significa que el combustible debe pulverizarse, lo que requiere algo más de energía que para los otros tipos de gasificadores. Con mucho, el mayor consumo de energía relacionado con la gasificación de flujo arrastrado no es la molienda del combustible sino la producción de oxígeno utilizado para la gasificación.
Gasificador de plasma
En un gasificador de plasma, se alimenta una corriente de alto voltaje a una antorcha, lo que crea un arco de alta temperatura. El residuo inorgánico se recupera como una sustancia similar al vidrio.
Materia prima
Hay una gran cantidad de diferentes tipos de materias primas para usar en un gasificador, cada uno con diferentes características, que incluyen tamaño, forma, densidad aparente, contenido de humedad, contenido de energía, composición química, características de fusión de cenizas y homogeneidad de todas estas propiedades.. El carbón y el coque de petróleo se utilizan como materia prima principal para muchas grandes plantas de gasificación en todo el mundo. Además, se puede gasificar una variedad de materias primas derivadas de biomasa y residuos, con pellets y astillas de madera, residuos de madera, plásticos y aluminio, residuos sólidos urbanos (MSW), combustible derivado de basura (RDF), residuos agrícolas e industriales, lodos de depuradora, pasto cambiado, semilla de maíz desechada, rastrojo de maíz y otros residuos de cultivos, todos en uso.
Chemrec ha desarrollado un proceso para la gasificación de licor negro.
Eliminación de residuos
La gasificación de residuos tiene varias ventajas sobre la incineración:
- La limpieza extensiva necesaria del gas de la gripe se puede realizar en las singas en lugar del volumen mucho mayor de gas de la gripe después de la combustión.
- La energía eléctrica puede generarse en motores y turbinas de gas, que son mucho más baratas y más eficientes que el ciclo de vapor utilizado en la incineración. Incluso las células de combustible pueden ser utilizadas potencialmente, pero tienen requisitos bastante severos con respecto a la pureza del gas.
- El procesamiento químico (Gas a líquidos) de las singas puede producir otros combustibles sintéticos en lugar de la electricidad.
- Algunos procesos de gasificación tratan la ceniza que contiene metales pesados a temperaturas muy altas para que se libera en forma cristalina y químicamente estable.
Un desafío importante para las tecnologías de gasificación de residuos es alcanzar una eficiencia eléctrica bruta aceptable (positiva). La alta eficiencia de convertir gas de síntesis en energía eléctrica se ve contrarrestada por un consumo de energía significativo en el preprocesamiento de desechos, el consumo de grandes cantidades de oxígeno puro (que a menudo se usa como agente de gasificación) y la limpieza de gases. Otro desafío que se hace evidente al implementar los procesos en la vida real es obtener intervalos de servicio prolongados en las plantas, de modo que no sea necesario cerrar la planta cada pocos meses para limpiar el reactor.
Los defensores del medio ambiente han 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 desechos que esperaban utilizar... tecnologías de gasificación no recibieron la aprobación final para operar cuando las afirmaciones de los proponentes del proyecto no resistieron el escrutinio público y gubernamental de las principales reivindicaciones," según la Alianza Global para Alternativas a Incineradores. Una instalación que operó entre 2009 y 2011 en Ottawa tuvo 29 "incidentes de emisiones" y 13 "derrames" durante esos tres años. También solo pudo operar aproximadamente el 25% del tiempo.
Se han propuesto varios procesos de gasificación de residuos, pero pocos se han construido y probado todavía, y solo unos pocos se han implementado como plantas de procesamiento de residuos reales, y la mayoría de las veces en combinación con combustibles fósiles.
Una planta (en Chiba, Japón, que usa el proceso Thermoselect) ha estado procesando desechos industriales con gas natural y oxígeno purificado desde el año 2000, pero aún no ha documentado una producción de energía neta positiva del proceso.
En 2007, Ze-gen erigió una instalación de demostración de gasificación de residuos en New Bedford, Massachusetts. La instalación se diseñó para demostrar la gasificación de flujos de desechos no RSU específicos mediante gasificación de metales líquidos. Esta instalación se produjo después de que la oposición pública generalizada archivara los planes para una planta similar en Attleboro, Massachusetts. Hoy, Ze-gen parece haber desaparecido y el sitio web de la compañía se eliminó en 2014.
También en 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 Hurlburt Field Florida. La planta, cuya construcción costó 7,4 millones de dólares, se cerró y vendió en una subasta de liquidación del gobierno en mayo de 2013. La oferta inicial fue de 25 dólares. La oferta ganadora fue sellada.
Aplicaciones actuales
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.
Calor
Los gasificadores ofrecen una opción flexible para aplicaciones térmicas, ya que se pueden adaptar a dispositivos de gas existentes, como hornos, hornos, calderas, etc., donde el gas de síntesis puede reemplazar a los combustibles fósiles. Los valores caloríficos del gas de síntesis suelen oscilar entre 4 y 10 MJ/m3.
Electricidad
Actualmente, la gasificación a escala industrial se usa principalmente para producir electricidad a partir de combustibles fósiles como el carbón, donde el gas de síntesis se quema en una turbina de gas. La gasificación también se utiliza industrialmente en la producción de electricidad, amoníaco y combustibles líquidos (petróleo) mediante Ciclos Combinados de Gasificación Integrada (GICC), con la posibilidad de producir metano e hidrógeno para pilas de combustible. IGCC es también un método más eficiente de captura de CO2 en comparación con las tecnologías convencionales. Las plantas de demostración de IGCC han estado operando desde principios de la década de 1970 y algunas de las plantas construidas en la década de 1990 ahora están entrando en servicio comercial.
Calor y electricidad combinados
En pequeñas empresas y aplicaciones de construcción, donde la fuente de madera es sostenible, se han instalado en Europa plantas de gasificación de biomasa de 250-1000 kWe y nuevas que producen gas de síntesis sin alquitrán a partir de madera y lo queman en motores alternativos conectados a un generador. con recuperación de calor. Este tipo de planta a menudo se denomina 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 desechos, generación de electricidad y recuperación de calor.
Combustible de transporte
Los motores diésel pueden funcionar en modo de combustible dual utilizando gas pobre. Se puede lograr fácilmente una sustitución de diesel de más del 80 % con cargas altas y del 70 al 80 % con variaciones de carga normales. Los motores de encendido por chispa y las pilas de combustible de óxido sólido pueden funcionar con gas de gasificación al 100 %. La energía mecánica de los motores se puede utilizar, p. bombas de agua de accionamiento para riego o para acoplamiento con un alternador para generación de energía eléctrica.
Si bien los gasificadores a pequeña escala existen desde hace más de 100 años, ha habido pocas fuentes para obtener una máquina lista para usar. Los dispositivos a pequeña escala suelen ser proyectos de bricolaje. Sin embargo, actualmente en los Estados Unidos, varias empresas ofrecen gasificadores para operar motores pequeños.
Energías renovables y combustibles
En principio, la gasificación puede proceder de prácticamente cualquier material orgánico, incluida la biomasa y los residuos plásticos. El gas de síntesis resultante puede quemarse. Alternativamente, si el gas de síntesis es lo suficientemente limpio, puede usarse para la producción de energía en motores de gas, turbinas de gas o incluso celdas de combustible, o convertirse eficientemente en dimetil éter (DME) por deshidratación de metanol, metano a través de la reacción de Sabatier o gas similar al diesel. combustible sintético a través del proceso Fischer-Tropsch. En muchos procesos de gasificación, la mayoría de los componentes inorgánicos del material de entrada, como metales y minerales, se retienen en las cenizas. En algunos procesos de gasificación (gasificación de escoria) esta ceniza tiene la forma de un sólido vítreo con bajas propiedades de lixiviación, pero la producción de energía neta en la gasificación de escoria es baja (a veces negativa) y los costos son más altos.
Independientemente de la forma de combustible final, 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 conversión de gas de síntesis y gasificación puede ser significativo y puede causar indirectamente emisiones de CO2; en la escoria y la gasificación por plasma, el consumo de electricidad puede incluso superar cualquier producción de energía 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 por la combustión directa del combustible inicial. La gasificación y la combustión de biomasa podrían desempeñar un papel importante en una economía de energía renovable, porque la producción de biomasa elimina la misma cantidad de CO2 de la atmósfera que la que se emite a partir de la gasificación y la combustión. Mientras que 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 industrias y ciudadanos de Svenljunga vapor de proceso y calefacción urbana, respectivamente. El gasificador utiliza combustibles de biomasa como CCA o madera de desecho impregnada con creosota y otros tipos de madera reciclada para producir gas de síntesis que se quema en el sitio. En 2011, se instalará un gasificador similar, que utiliza los mismos tipos de combustibles, en la planta CHP de Munkfors Energy. La planta CHP generará 2 MWe (electricidad) y 8 MWth (calefacción urbana).
Ejemplos de proyectos de demostración incluyen:
- La gasificación dual fluidificada de 32 MW del proyecto GoBiGas en Gotemburgo (Suecia) produjo alrededor de 20 MW de gas natural sustitutivo de residuos forestales y lo introdujeron en la red de gas natural desde diciembre de 2014. La planta se cerró permanentemente debido a problemas técnicos y económicos en abril de 2018. Göteborg Energi había invertido 175 millones de euros en la planta y los intentos intensivos de vender la planta a nuevos inversores habían fracasado durante un año.
- Las de la Red de Energías Renovables Austria, incluyendo una planta con gasificación de cama dual fluidizada que ha suministrado la ciudad de Güssing con 2 MW de electricidad, producida utilizando GE Jenbacher reciprocating gas engines y 4 MW de calor, generados a partir de chips de madera, desde 2001. La planta fue descompuesta en 2015.
- Go Green Gas' pilot plant in Swindon, UK ha demostrado la producción de metano a partir de residuos alimentarios a 50 kW. El proyecto ha impulsado la construcción de una instalación comercial de 25 millones de libras esterlinas con el objetivo de generar 22GWh por año de gas natural de calidad de cuadrícula procedente de la madera de desperdicios y el combustible derivado de residuos, debido a su finalización en 2018.
- La planta piloto de Chemrec en Piteå que produjo 3 MW de singas limpias a partir de la gasificación de flujo entrenada de licor negro. La planta se cerró permanentemente debido a problemas financieros en 2016
- The High Temperature Winkler (HTW), a pressurized circulating fluidized bed gasification process. Durante la década de 1990 se probó HTW con una variedad de diferentes materias primas, incluyendo carbón de bajo rango y diversas formas de biomasa; madera, combustible derivado de residuos (RDF) y residuos sólidos municipales (MSW). La última instalación de HTW se cerró permanentemente en 2002. Desde 2015 las pruebas del proceso continúan en una unidad piloto de 0.1 t/h en la Universidad Darmstadt, mientras que una unidad rediseñado a gran escala está bajo erección en Amsterdam
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