Gasificación

La gasificación de residuos es una tecnología de proceso diseñada para obtener un gas de síntesis, es decir, un producto que puede ser empleado para producir combustibles, productos químicos o energía.
La gasificación es un proceso de combustión incompleta de la biomasa, efectuado a altas temperaturas (700-1.200ºC) y del que como producto principal se obtiene un gas combustible formado principalmente por 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 una vez depurado puede quemarse limpiamente, produciendo energía mecánica o eléctrica, cumpliendo ampliamente la normativa ambiental de emisiones gaseosas contaminantes. Así mismo, este gas posee un bajo poder calórico, del orden de 4 a 7 MJ/m³; en cambio, si se emplea como agente oxidante aire enriquecido en oxígeno (O₂) se puede aumentar el poder calorífico del gas hasta 10-18 MJ/m³. La tecnología más empleada es, sin embargo, la que utiliza aire como agente oxidante, por razones económicas y tecnológicas. El gas de gasificación de biomasa es un combustible que puede tener determinadas aplicaciones térmicas en las que el uso de gases de combustión no es factible.

Proceso de Gasificación

En el interior de un reactor u horno, se introduce el sólido y aire (por la aspiración del motor de explosión) en una proporción muy inferior (aproximadamente el 20%) del necesario para su completa combustión. El resultado es que el sólido se quema parcialmente sin llama, es decir genera un gas combustible, quedando como residuo final las cenizas o sales minerales no combustibles del sólido que caen por una parrilla a un cenicero.

Este proceso tiene un número de etapas elementales, según el sólido va descendiendo en el reactor por acción de la gravedad y de la succión del motor de explosión:

1. Calentamiento del sólido y secado del mismo. En general, la presencia de humedad en la biomasa introduce retardo en el tiempo de calentamiento, con consecuentes variaciones en las temperaturas de reacción, en la distribución de los productos y en el tiempo de ignición, por lo que esta es extraída en forma de vapor, sin descomposición química. Esta fase es endotérmica.

2. Pirolisis. Sin aire exterior la estructura molecular de la biomasa se rompe mediante una reacción exotérmica autosuficiente, que genera H2O, CO2, H2, hidrocarburos y otros compuestos en menor cuantía (ácidos orgánicos). La fracción de hidrocarburos está compuesta de metano y compuestos orgánicos condensables denominados alquitranes o “tras”. La descomposición de esta fracción de hidrocarburos puede estar influenciada por diferentes parámetros como tamaño de partícula, temperatura, presión, tiempo de calentamiento y tiempo de residencia.

3. Oxidación o combustión parcial del sólido por un agente gasificador (normalmente aire, pudiendo ser también vapor u oxígeno), se describe por las siguientes fórmulas de reacción química:

C + O2 CO2	401,9 kJ/mol H
N + ½ O2 H2O	241,1 kJ/mol

Estas fórmulas significan que en la combustión de un átomo gramo de carbono, es decir 12,00g, a dióxido de carbono, se libera una cantidad de calor de 401,9 kJ y que se produce una cantidad de calor de 241,1 kJ en la oxidación de una molécula gramo, es decir, 2,016 g de hidrógeno, a vapor de agua.
En todos los tipos de gasificadores el dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua (H2O) se transforman (reducen) al máximo posible en monóxido de carbono, hidrógeno y metano, que son los principales componentes combustibles del gas pobre.

La reacción (c) describe el denominado equilibrio agua-gas. Para cada temperatura, en teoría, la relación entre el producto de la concentración de monóxido de carbono (CO) y el vapor de agua (H₂O) y el producto de las concentraciones de dióxido de carbono (CO₂) e hidrógeno (H₂) viene determinada por el valor de la constante de equilibrio agua-gas (kwe).

KWE = (CO) x (H2O) / (CO2) x (H2)

En la práctica, la composición de equilibrio del gas sólo se logrará cuando la velocidad de la reacción y el tiempo de reacción sean suficientes. La velocidad de la reacción disminuye al descender la temperatura. En el caso del equilibrio agua-gas, la velocidad de la reacción se reduce tanto por debajo de 700° C, que se dice que el equilibrio se ha "congelado". La composición del gas permanece entonces sin alterar.
En el siguiente cuadro se dan los valores de la constante de equilibrio agua-gas (kwe) para distintas temperaturas:

TEMPERATURA (ºC)	KWE
600	0,38
700	0,62
800	0,92
900	1,27
1.000	1,60

4. Reducción. El CO2 caliente entra en la zona de reducción donde, a través de varias reacciones en ausencia de oxígeno, se reduce, produciendo CO, CH4 y H2 principalmente. El gas caliente obtenido debe refrigerarse, ya que si no tendría tan baja densidad, que entraría muy poca masa al motor de explosión, produciendo muy poca potencia mecánica, y también debe filtrarse para eliminar las cenizas volantes y alquitranes condensados que son arrastradas por el gas y que podrían provocar erosiones y ensuciamiento en los cilindros del motor de explosión.
A continuación se dan las reacciones más importantes que tienen lugar en la zona de reducción de un gasificador, entre los diferentes reactivos gaseosos y sólidos. El signo negativo indica que se genera calor en la reacción y el signo positivo que la reacción requiere calor.

a) C + CO2 2 CO	+ 164,9 kJ/kmol
b) C + H2O CO + H2O	+ 122,6 kJ/kmol
c) CO + H2 CO + H2O	+ 42,3 kJ/kmol
d) C + 2 H2 CH4	0
e) CO + 3 H2 CH4 + H2O	- 205,9 kJ/kmol

Las ecuaciones (a) y (b) que son las reacciones principales de reducción, demuestran que la reducción requiere calor. Por ello, la temperatura del gas disminuirá durante la reducción.

Tipos de gasificadores

La selección del tipo de gasificador que se va a emplear depende de la potencia que se desee. Los principales tipos de gasificadores son:

1. Lecho fijo. En la gasificación de biomasa convencional, los trozos de madera son suministrados a un lecho fijo, y gasificados con oxígeno y vapor. Con este método, una porción de la materia prima es gasificada a baja temperatura, produciendo grandes cantidades de alquitrán. Este alquitrán se descompone inyectando oxígeno a través de él para una combustión secundaria. En este caso, es difícil producir el gas rico en H2 y CO ideal para la síntesis de metanol.
   
2. Lecho móvil. En este caso la biomasa también actúa como materia prima, se pulveriza y se suministra a un horno de gasificación junto al oxígeno y vapor. La reacción de gasificación ocurre rápidamente con este método, produciendo cantidades mínimas de alquitrán, así que es posible producir un gas que contenga grandes cantidades de H2 y CO ideal para la síntesis de combustibles líquidos como el metanol. Además, la reacción rápida, y la habilidad de reducir el tiempo de residencia permiten un horno de gasificación más compacto, y la planta puede optimizarse.
   • Downdraft. En los gasificadores downdraft la biomasa es introducida por la parte superior, así como el aire, oxigeno o mezcla de aire y vapor. Esta desciende a través del reactor incrementando su temperatura y comenzando su deformación. La primera región cercana a la zona de ingreso de la biomasa se caracteriza por el precalentamiento y el secado de la biomasa, como consecuencia de la transferencia de calor por convección de los gases calientes, esta zona es seguida por la zona de pirolisis, donde son extraídos los volátiles contenidos en la biomasa.
     Posteriormente se encuentra la zona de gasificación del carbón, con la producción de monóxido de carbón e hidrógeno. La zona de combustión se encuentra en la cámara donde son inyectados los agentes gasificantes antes señalados, la cual está ubicada en la base de la estratificación del reactor, por ser la fuente de generación de la temperatura necesaria para la ocurrencia de todos los procesos antes señalados. En esta zona se combustiona el carbón y comienza la formación de ceniza. Y finalmente se encuentra, por debajo de la cámara de combustión, la zona de reducción, donde es reducido el carbón con la consecuente formación de monóxido de carbón.
     Esquema simplificado de un reactor downdraft.
     La principal ventaja de este tipo de gasificadores radica en la posibilidad de producir un gas sin alquitrán apropiado para aplicarlo a motores.
     Sin embargo, un inconveniente importante es la imposibilidad de funcionar con una serie de combustibles no elaborados. En particular, los materiales blandos y de baja densidad ocasionan problemas de circulación y una caída excesiva de presión y, el combustible sólido hay que convertirlo en gránulos o briquetas antes de utilizarlo. Los gasificadores donwdraft sufren también los problemas relacionados con los combustibles de alto contenido de cenizas (formación de escoria), en mayor proporción que los gasificadores de lecho fijo.
     Así mismo, otro inconveniente es su eficiencia algo inferior, debida a la falta de intercambio interno de calor y al menor valor calorífico del gas. Además de esto, la necesidad de mantener unas temperaturas altas uniformes en una sección transversal determinada, hace imposible el uso de estos gasificadores en una serie de potencias superior a los 350 kW (potencia en el eje).
     
     
     
     
     
   • Updraft. En este tipo de gasificadores la toma de aire se encuentra en el fondo y los gases salen por arriba. Cerca de la parrilla, en el fondo, tienen lugar las reacciones de combustión, que van seguidas de reacciones de reducción algo más arriba, en el gasificador. En la parte alta del gasificador tiene lugar el calentamiento y pirólisis de la carga, como resultado de la transferencia de calor, por convección forzada y radiación, de las zonas inferiores. Los alquitranes y productos volátiles producidos durante este proceso son transportados por la corriente de gas. Se remueven las cenizas del fondo del gasificador.
     Las principales ventajas de este tipo de gasificador consisten en su simplicidad, alta proporción de carbón vegetal quemado e intercambio interno de calor que motiva unas bajas temperaturas de salida del gas y alta eficiencia del equipo y también la posibilidad de funcionar con muchos tipos de carga (serrín, cascaras de cereales, etc.).
     Los principales inconvenientes provienen de la posibilidad de que se produzcan "chimeneas" en el equipo, lo que puede motivar la salida de oxígeno, situaciones explosivas peligrosas, con la consecuente necesidad de instalar parrillas de movimiento automático. Por otra parte, también puede ocasionar problemas relacionados con la eliminación de líquidos condensados que contienen alquitranes, resultantes de las operaciones de depuración del gas. Esto último tiene poca importancia si el gas se emplea para aplicaciones directas del calor, en cuyo caso los alquitranes simplemente se queman.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
3. Lecho fluidizado. El funcionamiento de los gasificadores de lecho fijo o móvil se ve afectado por las propiedades morfológicas, físicas y químicas del combustible. Los problemas que se encuentran corrientemente son: la falta de tiro en el depósito, la formación de escoria y la excesiva caída de presión en el gasificador. Sin embargo, la tecnología de lecho fluidizado permite quemar una gran variedad de combustibles (carbón, residuos biomásicos, residuos industriales, residuos líquidos) de manera “limpia” y eficaz, lo que hace que esta tecnología se esté implantando de manera importante en el mundo.
   En este tipo de gasificador, el aire se sopla a través de un lecho de partículas sólidas (suele ser de arena de diámetros de entre 0,5 y 2mm.) a velocidad suficiente para mantenerlas en estado de suspensión. Se comienza por calentar externamente el lecho y el material de alimentación se introduce, tan pronto como se alcanza una temperatura suficientemente elevada, de forma continua. Las partículas del combustible se introducen por el fondo del reactor, se mezclan muy rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente alcanzando la temperatura del lecho, que se mantiene a una temperatura de entre 750ºC y 900ºC. Como resultado de este tratamiento, el combustible se piroliza muy rápidamente, dando como resultado una mezcla de componentes, con una cantidad relativamente elevada de materiales gaseosos. En la fase de gas, se produce una nueva gasificación y reacciones de transformación de los alquitranes. La mayoría de los sistemas van equipados con un ciclón interno, a fin de reducir al mínimo el escape de alquitrán por soplado. Las partículas de ceniza se transportan también por la parte superior del reactor, debiendo extraerse de la corriente de gas si este se emplea en aplicaciones para motores.
   Las principales ventajas de los gasificadores de lecho fluidizado proceden de su flexibilidad en cuanto al material de alimentación debido al fácil control de la temperatura (esta puede mantenerse por debajo del punto de fusión de las cenizas (cáscaras de arroz)) y a su capacidad de funcionar con materiales blandos y de grano fino (serrín, etc.) sin necesidad de un proceso previo. Con algunos combustibles de biomasa pueden producirse problemas en cuanto a alimentación, inestabilidad del lecho y entrada de cenizas volantes en los conductos de gas.
   Otras de las ventajas son las relativamente bajas temperaturas de combustión, elevada transferencia de calor, posibilidad de adición de absorbentes junto con el combustible para reducir emisiones como: SO2, HCl, etc.
   Por otra parte, un inconveniente del gasificador de lecho fluidizado es el alto contenido de alquitrán del gas producido (hasta 500 mg/m³ de gas), la combustión incompleta del carbono y lo mal que responde a los cambios de carga. Debido especialmente al equipo de control necesario para hacer frente a este último inconveniente, no se prevén gasificadores muy pequeños de lecho fluidizado, debiendo establecerse su campo de aplicación, en principio, por encima de los 500 kW (potencia en el eje).

   	LECHO FIJO	LECHO FLUIDIZADO
   VENTAJAS	ALTA CONVERSIÓN DE CARBONO	MUY BUEN CONTACTO ENTRE FASE SÓLIDA Y GASEOSA
   	SEGURIDAD DEL REACTOR	CORTO PERIODO DE RESISTENCIA
   	POCAS CENIZAS	POCO ALQUITRÁN
   	FÁCIL DE MANEJAR (OPERAR)	ALTA CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE GAS
   INCONVENIENTES	BAJA CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE GAS	EXIGENTE EN CUANTO A BAJA HUMEDAD EN LA BIOMASA
   	PRODUCE ALQUITRANES	GRANULOMETRÍA HOMOGÉNEA Y PEQUEÑA
   	GRANDES PÉRDIDAS DE CALOR	PARTÍCULAS EN GASES
   		PÉRDIDAS DE CARBONO EN LAS CENIZAS
   		ES NECESARIO UN CONTROL MUY PRECISO

Eficiencia del gasificador

Un factor importante que determina el funcionamiento técnico real y la viabilidad económica de utilizar un sistema de gasificador, es la eficiencia de la gasificación.
Una definición apropiada de la eficiencia de la gasificación si se emplea el gas para aplicaciones de motores es:

Ŋm = (Hg x Qg / HS x MS) x 100 (%)

Donde:
h m = eficiencia de la gasificación (%) (mecánica).
Hg = valor calorífico del gas (kJ/m³), (véase el Cuadro 2. 2.3.).
Qg = flujo en volumen de gas (m³/s).
Hs = valor calorífico inferior del combustible del gasificador (véase la Sección 2.6.).
Ms = consumo de combustible sólido del gasificador (kg/s).
Si se emplea el gas para combustión directa, la eficiencia de la gasificación se define a veces de la forma siguiente:

ŊTH = ((Hg x Qg) + (Qg x ςg x Cp x ∆T) / Hs x Ms) x 100(%)

En la cual:
h th = eficiencia de la gasificación (%) (térmica).
z g = densidad del gas (kg/m³).
CP = calor específico del gas (kJ/kg°K).
D T = diferencia de temperaturas entre el gas en la entrada del quemador y el combustible que entra al gasificador (°K).
Dependiendo del tipo y diseño del gasificador y también de las características del combustible nm puede variar entre el 60 y el 75%. En el caso de aplicaciones térmicas, el valor de nth puede llegar al 93%.

Ejemplos de Gasificaciones

Cualquier empresa puede beneficiarse de la obtención de su potencia eléctrica con el procedimiento de autogeneración por gasificación, pero especialmente aquellas con demanda de calor en sus procesos: conserveras, deshidratadoras de cereal y hortalizas, fabricación de papel y cartón, secaderos de pintura, etc., que obtienen ese calor a partir de gasoil o gas natural en quemadores y además contratan su energía eléctrica a la red pública. Con la gasificación, podrían generar su propio calor y electricidad y además obtener un excedente económico por la venta de la electricidad no consumida, con un coste de inversión mínimo y además muy subvencionado.

Ejemplo. Gasificación de biomasa y síntesis de metanol. Se trata de una tecnología para la síntesis de metanol (combustible líquido) a partir de materia orgánica como biomasa. El metanol es un combustible limpio, que se caracteriza por la emisión en bajos niveles de NOx y hollín. Este está siendo usado en una gran variedad de situaciones, además, de ser un buen candidato para el uso en vehículos de celda de combustible.