Gasificación de materiales orgánicos residuales

Gasification from waste organic materials

Santiago Ramírez Rubio¹, Fabio Emiro Sierra², Carlos Alberto Guerrero³

¹ Ingeniero Aeronáutico, Universidad San Buenaventura, Magíster en Ingeniería mecánica, Universidad Nacional de Colombia. Profesor, Universidad San Buenaventura. santiagoramirezr@gmail.com

² Doctor en Ingeniería, Universidad de Kassel. Profesor asociado, Universidad Nacional de Colombia. fesierrav@unal.edu.co

³ Ingeniero Químico y Mecánico, Magíster en Ingeniería ambiental, Doctor en Ingeniería Química. Profesor asociado, Universidad Nacional de Colombia. caguerrerofa@unal.edu.co

RESUMEN

En este artículo se describe tanto la operación del gasificador de biomasa de lecho fijo, diseñado y construido por el Grupo de Investigación en Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética, como el equipo en sí y su sistema de medición. Las experimentaciones desarrolladas se han hecho con diversos desechos agroindustriales (biomasas como madera residual y cáscaras de coco, cacao y café), donde se toman mediciones de temperaturas a lo largo del lecho, su presión, el caudal de aire de entrada y el porcentaje de composición de monóxido y dióxido de carbono en el gas de síntesis producido en el proceso. El resultado de las experiencias ha sido la obtención de un gas combustible adecuado para ser introducido en un motor de combustión interna que posteriormente pueda generar energía eléctrica, ya que en varios puntos de la operación se ha obtenido mayor cantidad de monóxido de carbono que de dióxido de carbono. De la experimentación fue posible observar que un equipo de gasificación de estas características es adecuado para llevar energía a lugares que tienen difícil acceso a ésta (como varios sectores rurales de América Latina) o a sitios que produzcan una cantidad importante de desechos agroindustriales. En el proceso se obtuvieron temperaturas, en la zona de combustión, de alrededor de 1.000 °C, con un gas de síntesis que, en su composición, alcanzó a tener porcentajes superiores al 20% en monóxido de carbono, obteniendo de esta forma un gas combustible.

Palabras clave: gasificación, biomasa, lecho fijo, gas de síntesis, energías renovables.

ABSTRACT

This article describes the fixed bed biomass gasifier operation designed and built by the Clean Development Mechanisms and Energy Management research group, the gasifier equipment and the measurement system. The experiment involved agro-industrial residues (biomass such wood chips, coconut shell, cocoa and coffee husk); some temperatures along the bed, its pressure, inlet air flow and the percentage of carbon monoxide and carbon dioxide in the syngas composition were measured. The test results showed that a fuel gas was being obtained which was suitable for use with an internal combustion engine for generating electricity because more carbon monoxide than carbon dioxide was being obtained during several parts of the operation. The gasification experimentation revealed that a gasifier having these characteristics should be ideal for bringing energy to areas where it is hard to obtain it (such as many rural sites in Latin-America) or other places where large amounts of agro-industrial wastes are produced. Temperatures of around 1,000°C were obtained in the combustion zone, generating a syngas having more than 20% carbon monoxide in its composition, thereby leading to obtaining combustible gas.

Keywords: gasification, biomass, fixed bed, syngas, renewable energies

Recibido: agosto 27 de 2010 Aceptado: noviembre 4 de 2011

Introducción

El Grupo de Investigación en Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética, perteneciente a la Universidad Nacional de Colombia, ha diseñado y construido un sistema para la gasificación de biomasa cuyo reactor es de lecho fijo y flujo paralelo. El sistema consta del reactor donde se producen las reacciones necesarias para la obtención del gas de síntesis, un ciclón que se encarga de la recolección de material particulado, un intercambiador de calor donde se condensa la mayor parte de agua y alquitranes presentes en el gas producido un ventilador que genera la succión necesaria para propiciar el flujo de gas a través del sistema y un módulo para la medición y toma de datos del proceso. En la figura 1 se pueden observar el sistema de gasificación (reactor y preparación del gas) y los dos módulos exteriores mencionados.

La gasificación de biomasa es un proceso ampliamente usado como fuente de energía en todo el mundo. Es así como varios autores documentan su utilización: la biomasa como fuente energética en Brasil (Lora y Andrade, 2009), la gasificación en Japón (Min et al., 2005) y la gasificación de hojas de caña para la producción de electricidad en India (Jorapur y Rajvanshi, 1995), solo por mencionar algunos de los que tratan el tema.

Varios trabajos sobre gasificación (con aire) de biomasa en lecho fijo brindan resultados similares a los que se exponen en el presente artículo (Dogru et al., 2002), (Sharma, 2009), (Sheth y Babu, 2009), (Zainal et al., 2002). Todos evaluaron el comportamiento del proceso en cuanto a temperaturas y producción de dióxido y monóxido de carbono. Aunque no es el caso del presente artículo, es posible encontrar autores que trabajaron gasificación con diferentes agentes (Ahmed y Gupta, 2009), como el vapor de agua en la gasificación de papel. En la figura 2 puede observarse el diagrama de flujo de cómo se desarrolla la gasificación de biomasa.

Parámetros del proceso de gasificación

Para el desarrollo de este procedimiento se deben tener en cuenta varios parámetros que afectan el proceso. Son cinco las principales variables que afectan el proceso de gasificación:

La temperatura

La gasificación se realiza a temperatura constante en permanencia de un medio gasificante y dicha temperatura se sostiene hasta que no se presente más pérdida de masa, es decir, hasta que solamente haya cenizas. Se pueden presentar principalmente tres casos: bajas, medias y altas temperaturas.

A temperaturas de 800 a 900 °C la transferencia de masa y la difusión en los poros son mucho más rápidas que la reacción química, por lo tanto el factor controlante de la velocidad es la cinética química. La temperatura es, además, el parámetro que define las zonas de pirólisis (entre 400-700 °C), combustión (entre 800- 1.300 °C) y reducción (entre 700-900 °C) en un proceso de gasificación (Sierra, 2008).

Tiempo de permanencia

Al aumentar el tiempo durante el cual se permite a la biomasa reaccionar con el agente oxidante y la temperatura a la cual se lleva el proceso de gasificación, disminuye la cantidad de material sólido remanente y aumenta la proporción de gases generados.

Agente oxidante

Para el desarrollo del proceso de gasificación se puede utilizar el aire, el oxígeno, el dióxido de carbono, el vapor de agua o una mezcla de estos, sin embargo cada uno de ellos tienen distintas características de reacción.

La gasificación con aire produce un gas de calidad pobre en cuanto a su poder calorífico (4-7 MJms^-3) debido a su baja densidad energética.

La gasificación con oxígeno produce un gas de mejor calidad (10-18MJms^-3), pero implica altos costos para la producción del oxígeno y se presentan mayores riesgos durante el proceso de gasificación.

En la gasificación con vapor de agua o dióxido de carbono como medio de gasificación, el gas que se obtiene es de una calidad similar al logrado con oxígeno; además, se evitan los altos costos de producción y los riesgos de operación, la cual es de tres a cinco veces más rápida que la gasificación con dióxido de carbono (Sierra et al., 2009).

Materia prima

La materia prima para la gasificación es el carbonizado obtenido al finalizar el proceso de pirólisis, que cuando se lleva a cabo completamente y a altas temperaturas se logra un área superficial grande, indicativo de buena disponibilidad de carbono para la reacción (Sierra et al., 2009).

Se denominan catalizadores para la gasificación de biomasa con vapor o con dióxido de carbono a los elementos con los cuales pueden estar formadas las cenizas, como potasio, magnesio, sodio, hierro y calcio.

Reactividad

La reactividad del carbonizado está influenciada por: la estructura química, que determina el número de sitios activos; el área superficial interna y la porosidad, que controlan las velocidades de difusión; los compuestos inorgánicos, que pueden tener un efecto catalizador o inhibidor (Sierra et al., 2009).

Cinética química

Los procesos fisicoquímicos que ocurren durante la gasificación son, principalmente: 1) la transición de la materia prima a carbonizado; 2) la subsiguiente reducción de este.

En los gasificadores de lecho fijo la producción del carbonizado y de los volátiles son importantes debido a la baja tasa de calentamiento (<100 °C/min) y el largo tiempo de permanencia de los sólidos. El comportamiento térmico de la materia orgánica se estudia con frecuencia por medio de análisis termogravimétrico (TGA), midiendo la tasa de pérdida de peso de la muestra en función del tiempo y la temperatura. El TGA solamente ofrece análisis semicuantitativos de los procesos de pirolisis pues los porcentajes de pérdida de peso son función, no solamente del tiempo y la temperatura, sino además del tamaño y la densidad de la muestra, ajustándose a la ecuación general:

Donde t es el tiempo, K el porcentaje constante, igual a Aexp(-E/ RT), A es el factor preexponencial, E la energía de activación, R la constante universal de los gases, V el total de volátiles a la temperatura T y HR el porcentaje de calentamiento igual a dT/dt. El rango de E, 26-33 Kcal/g-mol, además fue postulado. Aunque la ecuación puede estimar la rata de descomposición de la celulosa bien sobre un rango de bajos porcentajes de calentamiento, el análisis no puede predecir la variación de la formación de carbonizado y los productos gaseosos con diferentes condiciones de pirólisis (Sierra et al., 2009).

Por otro lado, en la tabla 1 podemos apreciar, de forma resumida, las reacciones básicas de acuerdo con las cuales se rige un proceso de gasificación.

Metodología de la investigación

Del proceso es posible medir la concentración de dióxido de carbono (CO₂) y el monóxido de carbono (CO) en porcentaje del gas producido, la temperatura en el centro del lecho a lo largo del reactor, el peso del reactor (cuya variación por unidad de tiempo va asociada a la conversión de sólidos en gases) y el caudal de aire suministrado al reactor. En la figura 2 se puede observar el módulo donde convergen las señales digitales de los instrumentos mencionados (con excepción del caudal de aire de entrada, puesto que su señal es análoga), cuya lectura es efectuada por medio de un computador. Tal unidad es, además, donde se prepara el gas síntesis para ingresar en el analizador de gases que mide la concentración de CO y CO₂.

La unidad de preparación de gas para el analizador de gases, que se encuentra ubicada en el mismo módulo, contiene un par de filtros que sustraen los remanentes de alquitranes para evitar el taponamiento del instrumento analizador de gases y un regulador de caudal que permite ingresar la cantidad suficiente de gas al analizador.

El sistema consta de tres celdas de carga (ubicadas en una estructura en Y que se puede ver en la parte inferior de la figura 3), las cuales permiten revisar la variación de peso del reactor por unidad de tiempo (figura 4). La temperatura a lo largo del lecho puede ser revisada mediante una serie de termocuplas instaladas en el reactor (figura 5). Las señales de estos instrumentos son digitales y se leen por medio de un computador. Por otro lado, está el instrumento que mide el caudal de aire de entrada, cuya señal es análoga (figura 6).

Para las gasificaciones realizadas en el equipo de laboratorio se utilizaron biomasas como madera residual y residuos de cacao, coco y café (figura 7). Cada materia prima utilizada tuvo características particulares en cuanto al proceso, producción de gas y alquitranes. Aunque todas generan un buen gas combustible si existen diferencias significativas que permitan concluir que unas son mejores que otras, en este caso en especial se encontró que la cascarilla de café es una buena biomasa para ser gasificada, por su tamaño de partícula, que no requiere preparación, y por Uno de los materiales más comunes para realizar gasificación es la madera residual por su fácil consecución, en las figuras 8 y 9 se muestran los datos obtenidos para una de las gasificaciones de madera residual llevadas a cabo. La primera de ellas muestra los cambios temporales en las mediciones de temperatura y la segunda los de composición del gas producido y peso del lecho.

Resultados y análisis

En la figura 8 se puede notar que la mayor temperatura es medida en la termocupla 3, zona donde se presenta la combustión que sostiene el proceso. Es posible observar que la temperatura disminuye a medida que la medición se aleja de la zona mencionada, además el comportamiento de la temperatura comienza a ser un poco más lineal. El decremento en la temperatura a medida que se desciende en el reactor es debido a la presencia de reacciones endotérmicas que absorben calor en estas zonas. También es posible constatar que la temperatura en las zonas superiores a la de combustión es muy baja, notablemente más que en las zonas inferiores, debido al tipo de funcionamiento del reactor, pues al ser de flujo paralelo los gases calientes provenientes de la combustión fluyen en el mismo sentido de la biomasa, es decir, hacia la parte inferior, evitando que un buen calentamiento por convección se haga presente en la parte superior. Asimismo, el calentamiento por conducción es muy pobre, puesto que la madera residual, al igual que la mayoría de las biomasas, tiene un coeficiente de conducción muy bajo, impidiendo que el calor fluya libremente a través del contacto entre partículas sólidas.

La figura 9 muestra los resultados de la gasificación, considerados aceptables por presentar un mayor porcentaje de monóxido de carbono respecto del CO₂ en el gas de síntesis producido en la fase de estabilización del proceso de gasificación. Sin embargo, al analizar los resultados obtenidos para el dióxido de carbono se encuentran valores que son altos y deberían ser disminuidos. Es posible que la gasificación se haya hecho con un flujo de aire lo suficientemente alto como para oxidar totalmente una parte importante del carbono presente en la biomasa; tal hipótesis se refuerza al notar el incremento en porcentaje de CO y el consecuente decremento de CO₂ al final del proceso, indicando que al disminuir el suministro de aire con el propósito de apagar el reactor se produjeron menos reacciones de combustión completa y el carbono reaccionó con mejor cantidad de oxígeno. Por otra parte, existe la variación del peso del reactor por unidad de tiempo, donde es interesante observar los saltos que presenta el gráfico; dichas variaciones bruscas se atribuyen a las agitaciones que se aplicaron al equipo de forma periódica con el objetivo de evitar el atascamiento de la biomasa en su interior.

weight per time unit, it was interesting to see the breaks in the graph where such abrupt variations were attributed to the periodic shaking aimed at avoiding the biomass clogging inside the gasifier.

Conclusiones

Como se puede observar, el proceso de gasificación en el equipo produce un gas de calidad aceptable por tener un porcentaje mayor de CO que de CO₂ en la etapa de estabilización lograda al final del proceso, con un porcentaje del 20% de monóxido comparado con 10% de dióxido.

Mientras menor sea la humedad de la biomasa, se puede conseguir una mejor calidad de la gasificación porque el agua en la biomasa disminuye la temperatura de la combustión y aumenta la cantidad de alquitranes producidos.

La temperatura influye notablemente en la tasa de gasificación; así, una temperatura muy alta en la zona de combustión tendrá tasas muy altas de gasificación, y viceversa. Esto se puede observar en el gráfico de variación de peso.

Puesto que el producto de la gasificación es un combustible que puede ser quemado en sistemas de combustión existentes y las investigaciones en este campo son prometedoras, se espera que en los próximos años sus desarrollos permitan llegar a obtener sistemas de gasificación comerciales en Colombia que faciliten producir energía a un costo razonable, como ha venido sucediendo en otros países, donde ya es posible encontrar comercialmente equipos con sistemas de gasificación integrados. Estos sistemas integrados (Treviño, 2008), presentan la ventaja de poder utilizar carbones ricos en azufre.

Referencias

Ahmed, I., Gupta, A.K., Syngas yield during pyrolysis and steam gasification of paper., Journal of Applied Energy, Vol. 86, 2009, pp. 1813-1821.        [ Links ]

Comisión Social Consultiva-Universidad de la Republica., Situación Actual., Perspectivas y Alternativas Energéticas para el Uruguay., Informe Final, 2004.        [ Links ]

Dogru, M., Howarth C .R., Akay, G., Keskinler, B., Malik, A.A., Gasification of hazelnut shells in a downdraft gasifier., Journal of Energy, Vol. 27, 2002, pp. 415-427.        [ Links ]

Dogru, M., Howarth C.R., Akay, G., Keskinler, B., Malik, A.A., Gasification of hazelnut shells in a downdraft gasifier., Journal of Energy, Vol. 27, 2002, pp. 415-427.        [ Links ]

Jorapur, R. M., Rajvanshi, A. K., Development of a Sugarcane Leaf Gasifier For Electricity Generation., Journal of Biomass and Bioenergy, Vol. 8, 1995, pp. 91-98.        [ Links ]

Lora, E.S., Andrade, R.V., Biomass as energy source in Brazil., Journal of Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 13, 2009, pp. 777-788.        [ Links ]

Min, T.J., Yoshikawa, K., Murakami K., Distributed gasification and power generation from solid wastes., Journal of Energy, Vol. 30, 2005, pp. 2219-2228.        [ Links ]

Sharma, A. K., Experimental study on 75 kWth downdraft (biomass) gasifier system., Journal of Renewable Energy, Vol. 34, 2009, pp. 1726-1733.        [ Links ]

Sheth, P.N., Babu, B.V., Experimental studies on producer gas generation from wood waste in a downdraft biomass gasifier., Journal of Bioresource Technology, Vol. 100, 2009, pp. 3127-3133.        [ Links ]

Sierra, F. E., Guerrero, C. A., Ramírez, S., Procesos de Gasificación de Materiales Orgánicos., Asociación de Ingenieros Mecánicos de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, 2009.        [ Links ]

Sierra, F. E., Klose, W., Producción de Gas combustible a partir de biomasa en un Horno Rotatorio., Revista Ambiental Agua, Aire y Suelo, Vol. 3, 2008.        [ Links ]

Sierra, F. E., Zurkatalytischen Vergasung von Biomasse., Universität Kassel, PhD. Disertación, 2006.        [ Links ]

Suresh P., Babu, Observations on the current status of biomass gasification., IEA Bioenergy, Marzo de 2005.        [ Links ]

Treviño-Coca, M., Tecnología de Gasificación Integrada en Ciclo Combinado GICC., Club Español de Energía. ELCO-GAS S.A., 2008        [ Links ]

Zainal, Z.A., Rifau, A., Quadir, G.A., Seetharamu, K.N., Experimental investigation of a downdraft biomass gasifier., Journal of Biomass and Bioenergy, Vol. 23, 2002, pp. 283-289.        [ Links ]