Gasificación

Un lecho fijo de combustible carbonáceo (por ejemplo, carbón o biomasa) a través del cual el "agente de gasificación" (vapor, oxígeno y/o aire) fluye en configuración a contracorriente. ^{[ 17 ]} La ceniza se elimina en estado seco o como escoria . Los gasificadores de escoria tienen una menor proporción de vapor a carbono, ^{[ 18 ]} alcanzando temperaturas superiores a la temperatura de fusión de la ceniza. La naturaleza del gasificador implica que el combustible debe tener una alta resistencia mecánica e idealmente debe ser no aglomerante para que forme un lecho permeable, aunque los desarrollos recientes han reducido estas restricciones en cierta medida. 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 producto debe limpiarse exhaustivamente antes de su uso. El alquitrán puede reciclarse al reactor.

En la gasificación de biomasa fina y no densificada, como la cáscara de arroz , es necesario inyectar aire en el reactor mediante un ventilador. Esto genera una temperatura de gasificación muy alta, de hasta 1000 °C. Sobre la zona de gasificación, se forma un lecho de carbón fino y caliente, y a medida que el gas se fuerza a través de este lecho, la mayoría de los hidrocarburos complejos se descomponen en componentes simples de hidrógeno y monóxido de carbono. ^{[ 19 ]}

Similar al tipo contracorriente, pero el gas agente de gasificación fluye en paralelo con el combustible (hacia abajo, de ahí el nombre de "gasificador de tiro descendente"). Es necesario añadir calor a la parte superior del lecho, ya sea mediante la combustión de pequeñas cantidades de combustible o con fuentes de calor externas. El gas producido sale del gasificador a alta temperatura, y la mayor parte de este calor se transfiere al agente de gasificación añadido en la parte superior del lecho, lo que resulta en una eficiencia energética similar a la del tipo contracorriente. Dado que todos los alquitranes deben pasar por un lecho caliente de carbón en esta configuración, los niveles de alquitrán son mucho menores que en el tipo contracorriente.

El combustible se fluidiza en oxígeno y vapor o aire. La ceniza se retira seca 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 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 mayor rango. El caudal de combustible es mayor que para el lecho fijo, pero no tan alto como para el gasificador de flujo arrastrado. La eficiencia de conversión puede ser bastante baja debido a la elutriación del material carbonáceo. 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 ceniza altamente corrosiva que dañaría las paredes de los gasificadores de escoria. Los combustibles de biomasa generalmente contienen altos niveles de ceniza corrosiva.

Los gasificadores de lecho fluidizado utilizan material inerte en estado fluidizado, lo que optimiza la distribución del calor y la biomasa en su interior. En estado fluidizado, la velocidad superficial del fluido es mayor que la velocidad mínima de fluidización necesaria para elevar el material del lecho contra su propio peso. Los gasificadores de lecho fluidizado se clasifican en lecho fluidizado burbujeante (BFB), lecho fluidizado circulante (CFB) y lecho fluidizado doble (DFB).

Un sólido seco pulverizado, un combustible líquido atomizado o una suspensión de combustible se gasifica con oxígeno (mucho menos frecuentemente: 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 permiten alcanzar un mayor rendimiento; sin embargo, la eficiencia térmica es algo menor, ya que el gas debe enfriarse antes de poder limpiarlo con la tecnología actual. Las altas temperaturas también implican que el gas producto no contiene alquitrán ni metano; no obstante, el requerimiento de oxígeno es mayor que en otros tipos de gasificadores. Todos los gasificadores de flujo arrastrado eliminan la mayor parte de la ceniza en forma de escoria, dado que la temperatura de operación supera ampliamente la temperatura de fusión de la ceniza.

Una fracción menor de la ceniza se produce como ceniza volante seca muy fina o como una suspensión de ceniza volante de color negro. Algunos combustibles, en particular ciertos tipos de biomasa, pueden formar escoria corrosiva para las paredes internas de cerámica que protegen las paredes externas del gasificador. Sin embargo, algunos gasificadores de flujo arrastrado no tienen paredes internas de cerámica, sino una pared interna refrigerada por agua o vapor, cubierta con escoria parcialmente solidificada. Este tipo de gasificador no sufre de escorias corrosivas.

Algunos combustibles tienen cenizas con temperaturas de fusión muy elevadas. En estos casos, generalmente se mezcla caliza con el combustible antes de la gasificación. La adición de una pequeña cantidad de 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 pulverizarse, lo que requiere algo más de energía que para otros tipos de gasificadores. El mayor consumo de energía en la gasificación por flujo arrastrado no se debe a la molienda del combustible, sino a la producción de oxígeno para la gasificación.

En un gasificador de plasma, se aplica una corriente de alto voltaje a una antorcha, creando un arco de alta temperatura. El residuo inorgánico se recupera en forma de sustancia vítrea.

La gasificación de residuos presenta varias ventajas sobre la incineración:

• La necesaria y exhaustiva limpieza de los gases de combustión puede realizarse sobre el gas de síntesis en lugar de sobre el volumen mucho mayor de gases de combustión resultantes de la combustión.
• La energía eléctrica puede generarse mediante motores y turbinas de gas , que son mucho más económicos y eficientes que el ciclo de vapor utilizado en la incineración. Incluso podrían utilizarse pilas de combustible, pero estas tienen requisitos bastante estrictos en cuanto a la pureza del gas.
• El procesamiento químico ( de gas a líquido ) del gas de síntesis puede producir otros combustibles sintéticos en lugar de electricidad.
• Algunos procesos de gasificación tratan las cenizas que contienen metales pesados ​​a temperaturas muy elevadas para que se liberen en forma vítrea 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 la conversión de gas de síntesis en energía eléctrica se ve contrarrestada por el considerable consumo energético del pretratamiento de los residuos, el consumo de grandes cantidades de oxígeno puro (que se utiliza a menudo como agente de gasificación) y la limpieza del gas. Otro desafío que se hace evidente al implementar los procesos en la práctica es lograr largos intervalos de servicio en las plantas, de modo que no sea necesario detenerlas cada pocos meses para limpiar el reactor.

Los defensores del medio ambiente han calificado la gasificación como "incineración disfrazada" y argumentan que la tecnología sigue siendo peligrosa para la calidad del aire y la salud pública. "Desde 2003, numerosas propuestas para plantas de tratamiento de residuos que esperaban utilizar tecnologías de gasificación no recibieron la aprobación final para operar cuando las afirmaciones de los promotores del proyecto no resistieron el escrutinio público y gubernamental de los argumentos clave", según la Alianza Global para Alternativas a la Incineración. ^{[ 22 ]} Una planta que operó entre 2009 y 2011 en Ottawa tuvo 29 "incidentes de emisiones" y 13 "derrames" durante esos tres años. Además, solo pudo operar aproximadamente el 25% del tiempo. ^{[ 23 ]}

Se han propuesto varios procesos de gasificación de residuos, pero pocos se han construido y probado, y solo unos pocos se han implementado como plantas que procesan residuos reales, y la mayoría de las veces en combinación con combustibles fósiles. ^{[ 24 ]}

Una planta (en Chiba , Japón, que utiliza el proceso Thermoselect ^{[ 25 ]} ) ha estado procesando residuos industriales con gas natural y oxígeno purificado desde el año 2000, pero aún no ha documentado una producción neta de energía positiva del proceso.

En 2007, Ze-gen construyó una planta de demostración de gasificación de residuos en New Bedford, Massachusetts . La planta fue diseñada para demostrar la gasificación de flujos de residuos distintos de los residuos sólidos urbanos mediante gasificación con metal líquido . ^{[ 26 ]} Esta planta surgió después de que una amplia oposición pública archivara los planes para una planta similar en Attleboro, Massachusetts . ^{[ 27 ]} Hoy en día, Ze-gen parece estar inactiva y el sitio web de la empresa fue eliminado en 2014. ^{[ 28 ]}

También en EE. UU., en 2011 se probó un sistema de plasma suministrado por PyroGenesis Canada Inc. para gasificar residuos sólidos municipales, residuos peligrosos y residuos biomédicos en la base aérea del Comando de Operaciones Especiales de Hurlburt Field, Florida. La planta, que costó 7,4 millones de dólares en construcción, ^{[ 29 ]} fue clausurada y vendida en una subasta de liquidación gubernamental en mayo de 2013. ^{[ 30 ] [ 31 ]} La oferta inicial fue de 25 dólares. La oferta ganadora fue sellada.

En diciembre de 2022, la planta Sierra BioFuels abrió sus puertas en Reno, Nevada, transformando residuos de vertederos en petróleo crudo sintético. ^{[ 32 ]} La planta fue clausurada en 2024, y su propietario, Fulcrum BioEnergy Inc., se declaró en bancarrota. ^{[ 33 ]}

Los gasificadores ofrecen una opción flexible para aplicaciones térmicas, ya que pueden adaptarse a dispositivos existentes que funcionan con gas, como hornos , calderas , etc. , donde el gas de síntesis puede reemplazar a los combustibles fósiles. Los valores caloríficos del gas de síntesis suelen estar entre 4 y 10 MJ/ ^m³ . 

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 emplea industrialmente en la producción de electricidad, amoníaco y combustibles líquidos (petróleo) mediante ciclos combinados de gasificación integrada ( IGCC ), con la posibilidad de producir metano e hidrógeno para pilas de combustible. Además, el IGCC es un método más eficiente para la captura de CO₂ _en comparación con las tecnologías convencionales. Las plantas de demostración de IGCC llevan operando desde principios de la década de 1970, y algunas de las construidas en la década de 1990 están entrando ahora en servicio comercial.

En aplicaciones para pequeñas empresas y edificios, donde la fuente de madera es sostenible, se han instalado en Europa plantas de gasificación de biomasa de 250 a 1000 kWe y nuevas plantas de cero emisiones de 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 se suele denominar unidad de cogeneración de biomasa de madera, pero en realidad consta de siete procesos diferentes: procesamiento de biomasa, suministro de combustible, gasificación, limpieza de gas, eliminación de residuos, generación de electricidad y recuperación de calor. ^{[ 34 ]}

Los motores diésel pueden funcionar en modo de combustible dual utilizando gas de síntesis. Se puede lograr fácilmente una sustitución de diésel de más del 80 % a cargas altas y del 70-80 % bajo variaciones de carga normales. ^{[ 35 ]} Los motores de encendido por chispa y las pilas de combustible de óxido sólido pueden funcionar con gas de gasificación al 100 %. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]} La energía mecánica de los motores puede utilizarse, por ejemplo, para accionar bombas de agua para riego o para acoplarse a un alternador para la generación de energía eléctrica.

Aunque los gasificadores a pequeña escala existen desde hace más de 100 años, ha habido pocas opciones para adquirir una máquina lista para usar. Los dispositivos a pequeña escala suelen ser proyectos de bricolaje . Sin embargo, actualmente en Estados Unidos, varias empresas ofrecen gasificadores para motores pequeños.

En principio, la gasificación puede realizarse a partir de casi cualquier material orgánico, incluyendo biomasa y residuos plásticos . El gas de síntesis resultante puede combustionarse. Alternativamente, si el gas de síntesis es suficientemente limpio, puede utilizarse para la producción de energía en motores de gas, turbinas de gas o incluso pilas de combustible, o convertirse eficientemente en dimetil éter (DME) mediante la deshidratación de metanol, metano a través de la reacción de Sabatier , o combustible sintético similar al diésel 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 la ceniza. En algunos procesos de gasificación (gasificación con escoria), esta ceniza tiene la forma de un sólido vítreo con bajas propiedades de lixiviación , pero la producción neta de energía en la gasificación con escoria es baja (a veces negativa) y los costos son más altos.

Independientemente de la forma final del combustible, la gasificación en sí misma 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 gasificación y conversión de gas de síntesis puede ser significativo y causar indirectamente emisiones de CO₂ _. En la escoria 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 la que se habría emitido con la combustión directa del combustible original. La gasificación y combustión de biomasa podrían desempeñar un papel importante en una economía de energías renovables, ya que la producción de biomasa elimina de la atmósfera la misma cantidad de CO₂ _que la que se emite durante la gasificación y 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 mayor variedad de materias primas y utilizarse para producir una mayor variedad de combustibles.

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 _·t/hora , suministrando vapor de proceso y calefacción urbana a las industrias y a los ciudadanos de Svenljunga , 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 la planta. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Algunos ejemplos de proyectos de demostración son:

• La planta de gasificación de lecho fluidizado dual de 32 MW del proyecto GoBiGas en Gotemburgo , Suecia, produjo alrededor de 20  MW de gas natural sustituto a partir de residuos forestales y lo inyectó a la red de gas natural desde diciembre de 2014. ^{[ 41 ]} La planta fue clausurada definitivamente debido a problemas técnicos y económicos en abril de 2018. Göteborg Energi había invertido 175 millones de euros en la planta y los intensos intentos de venderla a nuevos inversores fracasaron durante un año. ^{[ 42 ]}
• Las de la Red de Energías Renovables de Austria, ^{[ 43 ]} incluyendo una planta que utiliza gasificación de lecho fluidizado dual que ha suministrado a la ciudad de Güssing 2  MW de electricidad, producida utilizando motores de gas alternativos GE Jenbacher ^{[ 44 ]} y 4 MW de calor, ^{[ 45 ]} generados a partir de astillas de madera, desde 2001. La planta fue desmantelada en 2015. ^{[ 46 ]} 
• La planta piloto de Go Green Gas en Swindon, Reino Unido, ha demostrado la producción de metano a partir de residuos a 50  kW. El proyecto ha impulsado la construcción de una planta comercial de 25 millones de libras esterlinas que pretende generar 22 GWh anuales de gas natural de calidad para la red a partir de residuos de madera y combustible derivado de desechos, cuya finalización está prevista para 2018. ^{[ 47 ]}
• La planta piloto de Chemrec en Piteå produjo 3  MW de gas de síntesis limpio a partir de la gasificación de flujo arrastrado de licor negro. ^{[ 21 ]} La planta fue clausurada permanentemente debido a problemas financieros en 2016. ^{[ 48 ]}
• El reactor Winkler de alta temperatura (HTW) es un proceso de gasificación de lecho fluidizado circulante presurizado. Durante la década de 1990, el HTW se probó con una variedad de materias primas diferentes, incluyendo carbones de bajo rango y diversas formas de biomasa; madera, combustible derivado de residuos (RDF) y residuos sólidos urbanos (RSU). La última instalación de HTW cerró definitivamente en 2002. Desde 2015, continúan las pruebas del proceso en una unidad piloto de 0,1 t/h en la Universidad de Darmstadt, mientras que se proponen unidades a gran escala rediseñadas en Ámsterdam y Róterdam ^{[ 49 ] [ 50 ].}