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Energía sostenible |
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La gasificación es un proceso que convierte biomasa o materiales carbonosos basados en combustibles fósiles en gases, incluidas las fracciones más grandes: nitrógeno (N2), 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 (típicamente> 700 ° C), sin combustión, controlando la cantidad de oxígeno y / o vapor presente en la reacción. La mezcla de gas resultante se llama gas de síntesis (de 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 posterior combustión 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 definida por la regla de Carnot es más alto. El gas de síntesis también se puede utilizar como fuente de hidrógeno en las pilas de combustible, sin embargo, el gas de síntesis producido por la mayoría de los sistemas de gasificación requiere un procesamiento y reformado adicionales para eliminar los contaminantes y otros gases como el CO y el CO.
2para ser adecuado para el uso de pilas de combustible de baja temperatura, pero las pilas de combustible de óxido sólido de alta temperatura son capaces de aceptar directamente mezclas de H2, CO, CO
2, 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 Fischer-Tropsch en combustible sintético . Para algunos materiales, la gasificación puede ser una alternativa al vertido y la incineración , lo que resulta en 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. 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 de la ciudad para la iluminación y la cocina, con la primera instalación de alumbrado público público en Pall Mall, Londres el 28 de enero de 1807, extendiéndose en breve para suministrar iluminación de gas comercial a la mayoría de las ciudades industrializadas hasta finales del siglo XIX. siglo [7] cuando fue reemplazado por iluminación eléctrica. La gasificación y el gas de síntesis siguieron utilizándose en altos hornos y, de manera más significativa, en la producción de productos químicos sintéticos, donde se ha utilizado desde la década de 1920.
Durante ambas guerras mundiales , especialmente la Segunda Guerra Mundial , la necesidad de combustible producido por gasificación resurgió debido a la escasez de petróleo. [8] Los generadores de gas de madera , llamados Gasogene o Gazogène, se utilizaron para impulsar vehículos de motor en Europa . En 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 de producción en todo el mundo.
En un gasificador, el material carbonoso se somete a 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. . Otras reacciones ocurren cuando el monóxido de carbono formado y el agua residual del material orgánico reaccionan para formar metano y un exceso de dióxido de carbono ( ). Esta tercera reacción ocurre más abundantemente en reactores que aumentan el tiempo de residencia de los gases reactivos y materiales orgánicos, así como el calor y la presión. 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.
Actualmente se encuentran disponibles varios tipos de gasificadores para uso comercial: lecho fijo a contracorriente, lecho fijo a contracorriente, lecho fluidizado , flujo arrastrado, plasma y radicales libres. [1] [9] [10] [11]
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. [12] La ceniza se elimina en estado seco o como escoria . Los gasificadores de escoria tienen una relación más baja de vapor a carbono, [13] alcanzando temperaturas más altas que 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 los desarrollos recientes han reducido estas restricciones hasta cierto punto. [ cita requerida ]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 del producto debe limpiarse a fondo antes de su uso. El alquitrán se puede reciclar al reactor.
En la gasificación de biomasa fina y no densificada, como las cáscaras de arroz , es necesario soplar aire en el reactor por medio de 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 es forzado a través de este lecho, la mayoría de los hidrocarburos complejos se descomponen en componentes simples de hidrógeno. y monóxido de carbono. [ cita requerida ]
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 de la cama, ya sea mediante la combustión de pequeñas cantidades de 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 resulta en una eficiencia energética al nivel del tipo contracorriente. Dado que todos los alquitranes deben pasar a través de un lecho de carbón caliente en esta configuración, los niveles de alquitrán son mucho más bajos que los del tipo contracorriente.
El combustible se fluidifica en oxígeno y vapor o aire. La ceniza se elimina en seco o como aglomerados pesados que se desfluidizan. Las temperaturas son relativamente bajas en los gasificadores de ceniza seca, por lo que el combustible debe ser muy reactivo; Los carbones de baja calidad son especialmente adecuados. Los gasificadores de aglomeración tienen temperaturas ligeramente más altas y son adecuados para carbones de rango superior. La producción de combustible es más alta que para el lecho fijo, pero no tan alta como para el gasificador de flujo arrastrado. La eficiencia de conversión puede ser bastante baja debido a la elutriación.de 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 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), lecho fluidizado circulante (CFB) y lecho fluidizado dual (DFB).
Un sólido pulverizado seco, 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 a que las partículas de carbón están bien separadas entre sí.
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 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 la ceniza como escoria, ya que la temperatura de funcionamiento está muy por encima de la temperatura de fusión de la ceniza.
Una fracción más pequeña de la ceniza 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 escoria corrosiva para las paredes interiores cerámicas que sirven para proteger la pared exterior del gasificador. Sin embargo, algunos tipos de 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. Estos tipos de gasificadores no sufren 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 reducir 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 ser pulverizado, lo que requiere algo más de energía que 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.
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 cenizas y la homogeneidad de todas estas propiedades. El coque de carbón y petróleo se utiliza como materia prima primaria 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 (RSU), combustibles derivados de residuos (RDF), residuos agrícolas e industriales, lodos de depuradora. , pasto, semillas de maíz desechadas, rastrojo de maíz y otros residuos de cultivos que se utilizan. [1]
Chemrec ha desarrollado un proceso de gasificación de licor negro . [14]
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 convertir el 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 de gases. Otro desafío que se pone de manifiesto al implementar los procesos en la vida real es obtener intervalos de servicio prolongados en las plantas, por lo que no es 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 reclamaciones clave", según la Alianza Global para Alternativas a Incineradores. . [15] 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. [dieciséis]
Se han propuesto varios procesos de gasificación de residuos, pero pocos aún se han construido y probado, 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. [17]
Una planta (en Chiba , Japón que utiliza el proceso Thermoselect [18] ) ha estado procesando residuos industriales con gas natural y oxígeno purificado desde el año 2000, pero aún no ha documentado la producción neta de energía positiva del proceso.
En 2007, Ze-gen erigió una instalación de demostración de gasificación de residuos en New Bedford, Massachusetts . La instalación fue diseñada para demostrar la gasificación de corrientes residuales específicas que no son RSU mediante gasificación de metales líquidos . [19] Esta instalación se produjo después de que la oposición pública generalizada archivara los planes para una planta similar en Attleboro, Massachusetts . [20] Hoy Ze-gen parece haber desaparecido, y el sitio web de la empresa fue retirado en 2014. [21]
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 Hurlburt Field Florida. La planta, cuya construcción costó $ 7,4 millones, [22] se cerró y se vendió en una subasta de liquidación del gobierno en mayo de 2013. [23] [24] La oferta inicial fue de $ 25. Se selló la oferta ganadora.
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 de producción brinda un mayor control sobre los niveles de energía en comparación con los combustibles sólidos, lo que conduce 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 se pueden adaptar a dispositivos existentes que funcionan con gas, como hornos , hornos , calderas , etc., donde el gas de síntesis puede reemplazar a los combustibles fósiles. Los valores caloríficos del gas de síntesis suelen rondar los 4–10 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 la posibilidad de producir metano e hidrógeno para pilas de combustible. IGCC también es un método más eficiente de captura de CO 2 en comparación con las tecnologías convencionales. Las plantas de demostración de IGCC han estado en funcionamiento desde principios de la década de 1970 y algunas de las plantas construidas en la década de 1990 ahora están entrando en servicio comercial.
En aplicaciones de pequeñas empresas y edificios, donde la fuente de madera es sostenible, se han instalado en Europa 250-1000 kWe y nuevas plantas de gasificación de biomasa sin carbono que producen gas de síntesis libre de 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 de cogeneración 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. [25]
Los motores diésel pueden funcionar en modo de combustible dual utilizando gas de producción. Se puede lograr fácilmente una sustitución de diesel de más del 80% con cargas elevadas y del 70% al 80% con variaciones de carga normales. [26] Los motores de encendido por chispa y las pilas de combustible de óxido sólido pueden funcionar con gas de gasificación al 100%. [27] [28] [29] La energía mecánica de los motores puede utilizarse, por ejemplo, para accionar bombas de agua para riego o para acoplar un alternador para la 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.
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 dimetiléter (DME) por deshidratación de metanol, metano a través de la reacción de Sabatier o 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 por escoria) esta ceniza tiene la forma de un sólido vítreo con bajapropiedades de lixiviación , pero la producción neta de energía en la gasificación de 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 emite ni atrapa 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 puede causar indirectamente emisiones de CO 2 ; en la escoriación y la gasificación por plasma, el consumo de electricidad puede incluso superar la 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 CO 2 de la atmósfera que se emite por la gasificación y la combustión. Si bien otras tecnologías de biocombustibles, como el biogás y el biodiésel, son neutras en carbono , la gasificación, en principio, puede funcionar con una variedad más amplia de materiales de entrada y puede utilizarse 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 MW th , suministrando a las 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. [30] [31] En 2011, se está instalando un gasificador similar, que utiliza los mismos tipos de combustibles, en la planta de cogeneración de Munkfors Energy . La planta de cogeneración generará 2 MW e (electricidad) y 8 MWth ( calefacción urbana ). [32] [33]
Ejemplos de proyectos de demostración incluyen:
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