Obtención de energía renovable a partir de residuos de elevada o mediana componente energética por gasificación-pirólisis

Transcripción

1 Obtención de energía renovable a partir de residuos de elevada o mediana componente energética por gasificación-pirólisis Miguel Fernández CENIM - CSIC Existen dos tecnologías muy maduras por conocidas y usadas, como son la producción de arrabio en el Horno Alto y el generador de plasma térmico, en la función de calentador de gas, respectivamente, empleadas ambas con elevado grado de eficiencia en las instalaciones de cabecera de las plantas siderúrgicas integrales para la producción de acero, y en industrias de las ferroaleaciones, en el sobrecalentamiento del viento para el HA, y en eliminación de residuos industriales como medio de aporte térmico de energía de muy alta entalpía en atmósfera controlada, a una corriente gaseosa, la segunda. La primera se caracteriza por ser el reactor de Horno Alto de fabricación de arrabio, el equipo gasificador de carbón de mayor eficiencia de los reactores concebidos para ello, de mayor grado de implantación mundial para la producción de CO, al poder aportar al reactor de lecho circulante, en la zona inferior denominada «etalajes», elevadas cantidades de energía térmica, con la inyección de aire precalentado a muy alta temperatura, y de finos de carbón mineral o de madera, adiciones que tienen por objeto la generación de gas CO a muy alta temperatura, para realizar la reducción de los óxidos de hierro que el reactor contiene en su interior junto a carbón de coque a alta temperatura, necesario para restablecer el CO consumido en la reducción. Con ello se busca la producción de energía y de gas reductor (CO), necesarios para la reducción de los óxidos de hierro, según: C + O 2 > CO 2 + Energía, y CO 2 + C > 2CO Energía, 2Fe 2 O3 + 2CO > 4 CO Fe - Energía Esta energía de combustión del carbono, unida a la sensible del aire caliente, permiten satisfacer las necesidades para la reducción de los óxidos de hierro, precalentar y fundir la carga, saliendo del horno un gas resultante no condensable/combustible a una importante temperatura, de débil PCI, por la presencia de gas CO, y resto a 100 % es CO 2. La temperatura a la que salen estos gases del horno tras su paso por una columna de materia granular/porosa, es del orden de 200 a 300 ºC, ya que se busca la máxima eficiencia energética, de ahí el nombre de Horno Alto. 1

2 No obstante, si se desea mayor temperatura de estos gases a la salida de la columna de carga dentro del reactor, bastaría con reducir su altura por la que han de pasar los humos y gases destilados (productos de la pirólisis gasificación), y el control del déficit de oxígeno se realizaría mediante el análisis en continuo de los compuestos gaseosos no condensables que salen del horno (se busca una relación constante de CO/CO 2 ), que determinan la cantidad de gas oxidante a reponer en el flujo gaseoso del interior del horno. Naturalmente, en este caso estaríamos en una situación algo similar a la pirólisis, pero con mayor actividad química, debido a la presencia de oxígeno en los gases de calentamiento, lo que permitiría activar posibles reacciones de disociación molecular en compuestos hidrocarburados que estuviesen presentes en la carga a gasificar, para conseguir vapores de PCH's y VOC's, e inquemados, que acompañarían al CO y nitrógeno del aire, que por tratados solo por pirólisis no es posible de lograr. Dado que se necesita una cantidad determinada de carbono fijo en la carga de materia a gasificar a CO en la carga del reactor, así como aportar energía para calentar aquéllos para disociar/escindir las cadenas hidrocarburadas complejas, cíclicas o no, y calentar la materia inorgánica a su temperatura de fusión, se ha de proveer a la carga del horno de una cantidad fija de carbono y de oxígeno del aire en la carga a gasificar en el interior del horno, así como de temperatura, para asegurar una determinado valor de la relación CO 2 /CO, y un aporte térmico. De esta forma tendríamos asegurado un flujo continuo de gases calientes de un PCI, más o menos importante, según la naturaleza de la componente hidrocarburada de la materia a gasificar, que podrían ser: biomasa, residuos de la poda y de industrias agroalimentarias y forestal, neumáticos fuera de uso (NFU), residuos de la fragmentación de automóviles usados, ídem de la fracción resto del reciclado integral de los RSU y plásticos, etc. Estos residuos, solos o en mezclas, podrían ser los constituyentes de la carga del reactor de lecho circulante, en lugar del mineral de hierro con el que que utiliza el mejor gasificador industrial hoy día existente. Los gases destilados y gasificados generados en el reactor, según el método tradicional, se le hace salir del horno a mayor temperatura que la usual practicada en la fabricación de arrabio, destilados que presentarán compuestos volátiles que no han condensado (aceites, alquitranes breas, aceites pesados, etc.), CO, N 2, y CO 2, gases que a su salida de la columna de carga del lecho, se les guía con el sistema de depuración de humos, a la zona de implantación del generador/es de plasma térmico de arco no transferido. Si se desea aumentar el poder calorífico de este gas de síntesis, se ha de reducir el contenido de N 2 ; es decir, el caudal específico de aire caliente insuflado por unidad de peso de la carga a gasificar, sustituyéndolo por gases recirculados calientes, enriquecidos en oxígeno, o por una fuente de energía adicional, necesaria para asegurar la fusión de la materia inorgánica no volatilizada (generador de haz de plasma de arco no transferido). 2

3 Si esa corriente de destilados en el seno de una mezcla de gases incondensables (N 2, y de CO, y CO 2 ), a temperaturas superiores a 500ºC, se la hace pasar a través de un haz de plasma térmico, realizado con un gas plasmógeno oxidante (o neutro), al que se le inyecta oxígeno o vapor de agua, se consiguen situaciones estables para las reacciones de gasificación y de disociación térmica de los compuestos hidrocarburados, con los que se encuentra en su recorrido, bajo la acción del haz de plasma, lo que favorece las siguientes reacciones de gasificación: C + H 2 O > CO + H 2 - calor CO + H 2 O > CO 2 + H 2 + calor H 2 O + CH 4 > CO + 3 H 2 calor Con lo que se genera un gas de síntesis, apto para numerosas aplicaciones (gas reductor en metalurgia, producción de electricidad, producción de productos químicos, producción de hidrógeno, etc.), siendo el balance térmico resultante de la transformación por pirólisis gasificación, positivo excedentario, con la doble ventaja de la recuperación de un recurso (la energía asimilada a la de combustible presente en los residuos y/o subproductos) y la minimización de la cantidad de residuo a eliminar, ya que éste se reduciría al de escorias fundidas, de carácter más o menos vítreo, y en general inertes. El problema a resolver para la implantación industrial de esta técnica (ya existe a escala de planta de tratamiento de la fracción resto de los RSU en un vertedero de una gran ciudad, de una capacidad planificada en 90 ton/día de residuos), reside en disponer de la suficiente potencia de calefacción por plasma para satisfacer la demanda de transformación de la generación de RSU, y los problemas de escalado, sin olvidar la dificultad de conocer la composición media de la carga del reactor de gasificación en tiempo real determinante de las necesidades de gases oxidantes y del aporte de energía necesario. En todo caso, como siempre sucede se requiere de plantas piloto de suficiente capacidad que permitan el traslado a grandes capacidades de sus resultados experimentales. 3

4 Soluciones tecnológicas para la gasificación de los residuos citados, de carácter meramente divulgativo, promovidas por los fabricantes de antorchas de plasma, o bien por comercializadores de tecnologías dirigidas a la conversión residuos a energía. Existen evidentes lugares comunes en las soluciones que se adjuntan. Diagrama de flujo de proceso de gasificación de RSU con Plasma de Recovered Energy System, Con licencia de Westinghouse para el gasificador. Esquema, recogiendo detalle del gasificadorreactor, y el enfriador del gas bruto. Esquema de reactor de gasificación de residuos por plasma de arco no transferido «Geoplasma», US, que distribuye la empresa de consulting Mactec de Atlanta (USA). 4

5 Safe Waste and Power. Diagrama de flujo de proceso de eliminación de RSU con plasma térmico (arco transferido). Esquema del reactor con el generador de plasma de arco transferido (dos electrodos de grafito) de Safe Waste and Power. Esquema de proceso de tratamiento de residuos industriales por gasificación con plasma de arco no transferido, y valorización energética. Detalle del reactor de disociación térmica de los compuestos gaseosos del gasificador con generador de plasma de arco transferido. 5

6 Integrated Environmental Technologies LLC. La fuente de energía de la fusión-vitrificación y la de gasificación de los residuos es un generador de plasma de arco transferido. Esquema de reactor de gasificación del Grupo Solena. 6

7 Plasma Converter Technology de valorización energética y química de residuos. El generador de plasma de arco no transferido lo adquiere en el mercado. y 7