Vigilancia Tecnológica
Gasificación: método termoquímico para el tratamiento sostenible de residuos
Categoría: Innovación y tendencias en materiales plásticosLa gasificación térmica es el proceso de convertir una materia prima sólida en syngas, una combinación de gases compuesta principalmente por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2) y alquitranes. Posteriormente, el syngas puede utilizarse como combustible para motores de combustión interna, como fuente de calor, para generar electricidad o para síntesis químicas (como Fischer-Tropsch y la síntesis de alcoholes superiores)[1]. En este artículo se tratará una discusión en profundidad sobre la definición, el funcionamiento y las aplicaciones de gestión de residuos de la gasificación. También repasaremos las ventajas y dificultades de este método, así como su encaje en la transición hacia una economía circular y baja en carbono.
¿Qué es la gasificación?La gasificación es una tecnología de conversión que transforma cualquier material que contenga carbono, como el carbón o los propios plásticos, en gas de síntesis haciendo uso de altas temperaturas (por encima de 700 ºC) y con una cantidad controlada de oxígeno para que el material reaccione sin combustión. Las temperaturas utilizadas y la composición del syngas producido, así como sus aplicaciones, dependerán del material/residuo introducido y del agente gasificante utilizado, pudiendo ser: aire, vapor o plasma. Los productos mayoritarios del syngas dependen del residuo a gasificar, aunque se suele componer principalmente de CO, H2, N2 y CO2 también se forman hidrocarburos (CH4, C2H4, C2H6, etc.) y muy pequeñas cantidades de H2S y NH3. Otros productos secundarios obtenidos son el alquitrán y el carbón, siendo productos indeseados[2].
En general, la gasificación de la biomasa es la conversión termoquímica de materia prima orgánica (residuos) en un entorno de alta temperatura, a través del cual la biomasa se puede convertir no sólo en gas de síntesis para la generación de energía, sino también en productos químicos, por ejemplo, metano, etileno, adhesivos, ácidos grasos, tensioactivos, detergentes y plastificantes para utilizarse como nueva sustancia o producto[2]. El gas de síntesis resultante está formado por una combinación de los componentes mencionados anteriormente. Los siguientes factores pueden afectar a la concentración de los componentes son[3]:
Etapas de la gasificaciónEl proceso de gasificación se lleva a cabo en un reactor cerrado donde los residuos se calientan a temperaturas altas y controladas y con una cantidad de oxígeno controlada. Las etapas del proceso se dividen en cuatro etapas[4]:
Secado A unos 100 °C, comienza el proceso de deshidratación o secado. Antes de entrar en pirólisis, la humedad del residuo se elimina mediante secado. Antes de que comience cualquier proceso por encima de los 100°C, debe eliminarse toda la humedad. Cuando la humedad del material es muy alta un pre-secado del material es necesario para eliminar parte de la humedad previamente a la introducción del residuo al alimentador del gasificador.
Pirólisis. A temperaturas entre 200 y 500 °C y sin casi presencia de oxígeno se produce la pirólisis. Al aplicar calor al residuo en ausencia de aire, la pirólisis crea carbón vegetal y diferentes vapores y líquidos de alquitrán. En esencia, se trata del proceso de carbonización. Se pierde hasta el 70% del peso del carbón debido a la emisión de volátiles y a la producción de carbón vegetal. El procedimiento define la estructura y el contenido del char (carbón vegetal), que posteriormente pasará por procesos de gasificación, y depende de las características del material carbonoso.
Combustión y craqueo La etapa de combustión se produce cuando el carbón y ciertos productos volátiles se combinan con el oxígeno para generar predominantemente dióxido de carbono y trazas de monóxido de carbono, que sirve como calor para los subsiguientes procesos de gasificación. En esta etapa, además de proporcionar calor a las reacciones de reducción endotérmica para mantener la temperatura, también genera el calor necesario para llevar a cabo las reacciones de secado y pirólisis.
El craqueo es el proceso de descomposición de grandes moléculas complejas, como el alquitrán, en gases más ligeros por exposición al calor. El craqueo también es necesario para garantizar una combustión adecuada, ya que sólo se produce una combustión completa cuando los gases combustibles se mezclan completamente con el oxígeno.
Reducción/Gasificación La reducción es el proceso por el que se eliminan los átomos de oxígeno de los productos de la combustión de las moléculas de hidrocarburos, para devolver las moléculas a formas que puedan arder de nuevo. La reducción es el proceso inverso directo de la combustión. Consiste en eliminar el oxígeno de estos residuos a alta temperatura para producir gases combustibles. Mediante este proceso, el CO2 es reducido por el carbono para producir dos moléculas de CO, y el H2O es reducido por el carbono para producir H2 y CO. Tanto el H2 como el CO son gases combustibles que pueden ser conducidos a otros lugares.
Ilustración 1. Etapas del proceso de gasificación.
Aplicaciones de la gasificación en la gestión del residuoLa gasificación tiene el potencial de transformar la eliminación de residuos en fuentes de ingresos para quienes poseen y crean productos forestales, así como para quienes recogen y producen otros tipos de residuos, como biomasa, basura municipal y residuos industriales y comerciales no peligrosos. Además, los residuos comerciales, industriales y municipales se convierten en materias primas químicas mediante la gasificación, lo que elimina la necesidad de una costosa eliminación. También hay que tener en cuenta que la gasificación puede ahorrar un espacio importante en los vertederos al desviar la basura de otros métodos menos respetuosos con el medio ambiente. Hay un excedente de materias primas residuales y una demanda creciente de la gama de aplicaciones que la producción de gas de síntesis está ahora preparada para satisfacer.
La viabilidad técnica de la producción de sustancias químicas como biometano, hidrógeno, biocombustibles u otros productos químicos ha quedado demostrada por una serie de plantas de gasificación de segunda generación en Europa. Además, ya hay plantas comerciales de conversión de residuos en energía en funcionamiento que son rentables con los regímenes de apoyo vigentes[3].
Ilustración 2. Posibles usos del syngas [4.]
Beneficios y desafíos de la gasificación en la gestión de residuosLa gasificación puede producir productos valiosos a partir de residuos, reduciendo así la dependencia de los recursos naturales. Además, la valorización energética de los residuos ayuda a diversificar la matriz energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
En cambio, debido a la falta de una comprensión completa de los numerosos procesos de reacción termoquímica que impulsan la conversión de materias primas en condiciones de alta temperatura y presión, el diseño de gasificadores y la optimización de procesos para materias primas de biomasa deben ser estudiadas y analizadas en mayor detalle.
Contribución de la gasificación a la economía circular y baja en carbonoLos procesos de gasificación son extremadamente adaptables en términos de residuos, instalaciones y productos obtenidos, lo que los hace idóneos para su integración en diversos contextos industriales. Son atractivos para diversas partes interesadas, tanto para los gestores de recursos que buscan mercados para sus subproductos como para la industria que busca alternativas a los combustibles fósiles en procesos de alta temperatura. Además de reducir las emisiones de contaminantes y gases de efecto invernadero, esta degradación termoquímica de la materia prima abre la puerta a nuevas aplicaciones como la producción de biocombustibles, hidrógeno y gas natural sintético (GNS).
Los residuos a los que se dirige son los que no pueden recuperarse inmediatamente como alimento o material, como la biomasa residual de diversas operaciones (forestales, agrícolas, etc.) y los residuos sólidos que no pueden reciclarse con los métodos habituales, como el combustible sólido recuperado, los muebles usados, los plásticos no reciclables y los materiales complejos.
Experiencia en AIMPLASUna técnica termoquímica atractiva para el reciclado a largo plazo de la basura es la gasificación. Este método contribuye a una gestión eficaz de los recursos y a un menor impacto ambiental porque puede convertir la basura en productos útiles. La gasificación se posiciona como un instrumento fundamental para poner fin al ciclo de vida de los materiales, producir energía renovable y fomentar la sostenibilidad medioambiental en nuestra transición hacia una economía circular con bajas emisiones de carbono.
Para superar los obstáculos y aprovechar todo el potencial de la técnica en la gestión de residuos en todo el mundo, una de las principales actividades de AIMPLAS es seguir investigando y mejorando la técnica de gasificación.
Bibliografía
[1] – Santos, S.M.; Assis, A.C.; Gomes, L.; Nobre, C.; Brito, P. Waste Gasification Technologies: A Brief Overview. Waste 2023, 1, 140–165. https://doi.org/10.3390/ waste1010011
[2] – Zhang, Y.; Cui, Y.; Chen, P.; Liu, S.; Zhou, N.; Ding, K.; Fan, L.; Peng, P.; Min, M.; Cheng, Y.; Wang, Y.; Wan, Y.; Liu, Y.; Li, B.; Ruan, R. Gasification technologies and their energy potentials. 2019. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-444-64200-4.00014-1
[3] – European Biogas Association. (Noviembre 2021). Gasification – A Sustainable Technology for Circular Economies. Brussels, Belgium.
[4] – All Power Labs Carbon Negative Power and Products. 2023. How Gasification Works. https://www.allpowerlabs.com/gasification-explained#:~:text=Gasification%20is%20made%20up%20for,Combustion%2C%20Cracking%2C%20and%20Reduction.
¿Qué es la gasificación?La gasificación es una tecnología de conversión que transforma cualquier material que contenga carbono, como el carbón o los propios plásticos, en gas de síntesis haciendo uso de altas temperaturas (por encima de 700 ºC) y con una cantidad controlada de oxígeno para que el material reaccione sin combustión. Las temperaturas utilizadas y la composición del syngas producido, así como sus aplicaciones, dependerán del material/residuo introducido y del agente gasificante utilizado, pudiendo ser: aire, vapor o plasma. Los productos mayoritarios del syngas dependen del residuo a gasificar, aunque se suele componer principalmente de CO, H2, N2 y CO2 también se forman hidrocarburos (CH4, C2H4, C2H6, etc.) y muy pequeñas cantidades de H2S y NH3. Otros productos secundarios obtenidos son el alquitrán y el carbón, siendo productos indeseados[2].
En general, la gasificación de la biomasa es la conversión termoquímica de materia prima orgánica (residuos) en un entorno de alta temperatura, a través del cual la biomasa se puede convertir no sólo en gas de síntesis para la generación de energía, sino también en productos químicos, por ejemplo, metano, etileno, adhesivos, ácidos grasos, tensioactivos, detergentes y plastificantes para utilizarse como nueva sustancia o producto[2]. El gas de síntesis resultante está formado por una combinación de los componentes mencionados anteriormente. Los siguientes factores pueden afectar a la concentración de los componentes son[3]:
- Tecnología de gasificación utilizada: lecho fijo, lecho fluidizado, lecho fluidizado doble, flujo arrastrado y reactores de plasma.
- Agente de gasificación: aire, vapor o plasma.
- Tipo de residuo introducido.
- Parámetros del proceso.
Etapas de la gasificaciónEl proceso de gasificación se lleva a cabo en un reactor cerrado donde los residuos se calientan a temperaturas altas y controladas y con una cantidad de oxígeno controlada. Las etapas del proceso se dividen en cuatro etapas[4]:
El craqueo es el proceso de descomposición de grandes moléculas complejas, como el alquitrán, en gases más ligeros por exposición al calor. El craqueo también es necesario para garantizar una combustión adecuada, ya que sólo se produce una combustión completa cuando los gases combustibles se mezclan completamente con el oxígeno.
Ilustración 1. Etapas del proceso de gasificación.
Aplicaciones de la gasificación en la gestión del residuoLa gasificación tiene el potencial de transformar la eliminación de residuos en fuentes de ingresos para quienes poseen y crean productos forestales, así como para quienes recogen y producen otros tipos de residuos, como biomasa, basura municipal y residuos industriales y comerciales no peligrosos. Además, los residuos comerciales, industriales y municipales se convierten en materias primas químicas mediante la gasificación, lo que elimina la necesidad de una costosa eliminación. También hay que tener en cuenta que la gasificación puede ahorrar un espacio importante en los vertederos al desviar la basura de otros métodos menos respetuosos con el medio ambiente. Hay un excedente de materias primas residuales y una demanda creciente de la gama de aplicaciones que la producción de gas de síntesis está ahora preparada para satisfacer.
La viabilidad técnica de la producción de sustancias químicas como biometano, hidrógeno, biocombustibles u otros productos químicos ha quedado demostrada por una serie de plantas de gasificación de segunda generación en Europa. Además, ya hay plantas comerciales de conversión de residuos en energía en funcionamiento que son rentables con los regímenes de apoyo vigentes[3].
Ilustración 2. Posibles usos del syngas [4.]
Beneficios y desafíos de la gasificación en la gestión de residuosLa gasificación puede producir productos valiosos a partir de residuos, reduciendo así la dependencia de los recursos naturales. Además, la valorización energética de los residuos ayuda a diversificar la matriz energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
En cambio, debido a la falta de una comprensión completa de los numerosos procesos de reacción termoquímica que impulsan la conversión de materias primas en condiciones de alta temperatura y presión, el diseño de gasificadores y la optimización de procesos para materias primas de biomasa deben ser estudiadas y analizadas en mayor detalle.
Contribución de la gasificación a la economía circular y baja en carbonoLos procesos de gasificación son extremadamente adaptables en términos de residuos, instalaciones y productos obtenidos, lo que los hace idóneos para su integración en diversos contextos industriales. Son atractivos para diversas partes interesadas, tanto para los gestores de recursos que buscan mercados para sus subproductos como para la industria que busca alternativas a los combustibles fósiles en procesos de alta temperatura. Además de reducir las emisiones de contaminantes y gases de efecto invernadero, esta degradación termoquímica de la materia prima abre la puerta a nuevas aplicaciones como la producción de biocombustibles, hidrógeno y gas natural sintético (GNS).
Los residuos a los que se dirige son los que no pueden recuperarse inmediatamente como alimento o material, como la biomasa residual de diversas operaciones (forestales, agrícolas, etc.) y los residuos sólidos que no pueden reciclarse con los métodos habituales, como el combustible sólido recuperado, los muebles usados, los plásticos no reciclables y los materiales complejos.
Experiencia en AIMPLASUna técnica termoquímica atractiva para el reciclado a largo plazo de la basura es la gasificación. Este método contribuye a una gestión eficaz de los recursos y a un menor impacto ambiental porque puede convertir la basura en productos útiles. La gasificación se posiciona como un instrumento fundamental para poner fin al ciclo de vida de los materiales, producir energía renovable y fomentar la sostenibilidad medioambiental en nuestra transición hacia una economía circular con bajas emisiones de carbono.
Para superar los obstáculos y aprovechar todo el potencial de la técnica en la gestión de residuos en todo el mundo, una de las principales actividades de AIMPLAS es seguir investigando y mejorando la técnica de gasificación.
Bibliografía
[1] – Santos, S.M.; Assis, A.C.; Gomes, L.; Nobre, C.; Brito, P. Waste Gasification Technologies: A Brief Overview. Waste 2023, 1, 140–165. https://doi.org/10.3390/ waste1010011
[2] – Zhang, Y.; Cui, Y.; Chen, P.; Liu, S.; Zhou, N.; Ding, K.; Fan, L.; Peng, P.; Min, M.; Cheng, Y.; Wang, Y.; Wan, Y.; Liu, Y.; Li, B.; Ruan, R. Gasification technologies and their energy potentials. 2019. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-444-64200-4.00014-1
[3] – European Biogas Association. (Noviembre 2021). Gasification – A Sustainable Technology for Circular Economies. Brussels, Belgium.
[4] – All Power Labs Carbon Negative Power and Products. 2023. How Gasification Works. https://www.allpowerlabs.com/gasification-explained#:~:text=Gasification%20is%20made%20up%20for,Combustion%2C%20Cracking%2C%20and%20Reduction.
"Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural: Europa invierte en las zonas rurales"
https://ec.europa.eu/agriculture/index_es
