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¿Qué es la gasificación?

¿Qué es la gasificación?

La gasificación es un proceso llevado a cabo en un gasificador en el que se produce la transformación de una materia prima en estado sólido o líquido en un gas con un poder calorífico moderado, gracias a la aplicación de calor, de un agente gasificante y bajo unos niveles de oxígeno restringidos.

La materia prima que puede ser empleada en procesos de gasificación es muy diversa, desde residuos de tipo lignocelulósico, como los residuos agrícolas, los forestales, los cultivos lignocelulósicos, e incluso la fracción orgánica de los RSU, siempre y cuando estos tengan un contenido en humedad inferior al 40 %. La composición química del gas variará en función del agente gasificante empleado.

Clasificación de las gasificaciones

En primer lugar, en función del agente gasificante, los gasificadores pueden ser:

  1. Gasificador con aire: se introduce aire caliente en el gasificador, generando un gas pobre con un poder calorífico no mayor del 25 % del poder calorífico del gas natural.
  2. Gasificador con oxígeno: el gas de síntesis formado tiene más calidad que el formado en el caso anterior, al no producirse dilución debido a la presencia de nitrógeno en el aire, y su poder calorífico se encontrará aproximadamente entre el 25% y el 40% del poder calorífico del gas natural.
  3. Gasificador con vapor de agua: el gas formado se encuentra enriquecido en hidrógeno y en monóxido de carbono, y se destina fundamentalmente para la síntesis de compuestos, como el amoniaco, el metanol, etc.
  4. Gasificador con hidrógeno: el gas generado tiene un poder calorífico importante y se puede destinar a las mismas aplicaciones que el gas natural.

Asimismo, en función de la fuente de la que provenga el calor necesario para llevar a cabo la combustión, la clasificación sería:

  1. Gasificador directo: el calor proviene de la combustión parcial de la propia biomasa que se va a gasificar.
  2. Gasificador indirecto: el calor requerido proviene de otra fuente energética, por medio de un intercambiador e incluso de un proceso indirecto, como podría ser la separación de las zonas de gasificación y de combustión.

Atendiendo a la presión a la que trabajan los gasificadores, estos pueden ser:

  1. Gasificadores atmosféricos: trabajan a la presión atmosférica.
  2. Gasificadores presurizados: realizan la gasificación a una determinada presión.

Finalmente, en función del diseño del reactor, que se encuentra directamente relacionado con el movimiento de la materia prima que se va a gasificar y con la del agente gasificante, la clasificación que realiza es:

  1. Gasificadores de lecho fijo o móvil: de manera general, la potencia de las instalaciones en las que están presentes estos equipos está comprendida entre 1 y 4 MW. Aquí se diferencian los gasificadores en contracorriente o updraft, los gasificadores en corrientes paralelas o downdraft y los gasificadores en corriente cruzada.
  2. Gasificadores de lecho fluidizado: también se podrían diferenciar los de tipo burbujeante (para instalaciones de potencias entre 0,5 y 10 MW) y los de tipo circulante (para instalaciones de potencias superiores a 5 MW).
  3. Gasificadores de arrastre.

Profundizaremos un poco más en:

  1. Gasificadores de lecho fijo o móvil: se caracterizan porque disponen de un lecho sobre el cual la biomasa se mueve lentamente hacia abajo por el efecto de la gravedad a la vez que se va produciendo la gasificación.
    1. En contracorriente o updraft: es el gasificador más simple. El gasificante se introduce por la parte inferior y las partículas de biomasa entran por la parte superior, se desplazan hacia abajo por el propio efecto de la gravedad y son sometidas a un secado, pasan luego por una fase de pirólisis y por una de gasificación hasta llegar a una de oxidación.
    2. En corrientes paralelas o downdraft: la biomasa se alimenta por la parte superior (al igual que en el anterior caso) pero el agente gasificante se introduce también por la parte superior. Las partículas de biomasa sufren los procesos de secado y de pirólisis seguidamente, y los gases, alquitranes y char producidos llegan a la fase de oxidación, quemándose una parte de ellos. El gas obtenido se elimina por la parte inferior del gasificador.
  2. Gasificadores de lecho fluidizado: en ellos, la temperatura es uniforme a través de todo el lecho, manteniéndose entre 700 y 900 ºC. No hay zonas definidas en el gasificador donde se lleven a cabo los diferentes procesos que se comentaron para el caso de los gasificadores de lecho fijo o móvil:
    1. Burbujeante: operan con bajas velocidades del aire de fluidización. Se caracterizan porque la mayor parte de los sólidos permanecen en el lecho y una mínima parte inferior al 10 % se tienen que recuperar en el ciclón.
    2. Circulante: las velocidades del aire de fluidización son mayores que para el anterior caso. La particularidad más destacada es que se produce un arrastre importante de material del lecho, aunque se puede reciclar mediante un ciclón. Los costes unitarios de operación son menores que para el caso del gasificador burbujeante.

planta_de_gasificación

Factores de las gasificaciones

Los diferentes tipos de factores que hay que considerar en el proceso termoquímico de la gasificación son:

  1. Factores de operación:
    1. Temperatura: el aumento de este parámetro favorece el aumento del contenido en el gas producto de hidrógeno y de monóxido de carbono mientras que, al contrario, se disminuye el contenido de metano y de agua.
    2. Presión: al aumentar la presión se aumentan las proporciones de hidrocarburos y alquitranes.
    3. Relación agente gasificante/biomasa: en el caso que sea el oxígeno el agente gasificante, un aumento de este favorece la formación de dióxido de carbono y, por tanto, una pérdida de la calidad del gas; si el gasificante es el aire, habrá un efecto de dilución por la presencia de nitrógeno, un aumento de la temperatura, por lo que se genera una disminución de la proporción de residuo sólido y condensables generados en la pirólisis.
  2. Factores de la biomasa gasificada:
    1. Análisis elemental: es el contenido de C, H, N, S y O. Influye en el valor de la relación agente gasificante/biomasa, así como en la cantidad de óxidos de nitrógeno y de azufre que se puedan formar.
    2. Análisis inmediato: es la determinación de las cenizas, el material volátil y el carbono fijo. El contenido en cenizas da un valor sobre la cantidad de material que debe ser retirado del gasificador y, por tanto, debe ser lo más bajo posible, ya que, si es elevada, se disminuirá la cantidad de biomasa que forma gas y, por consiguiente, que genera energía. Además, la determinación de la temperatura de fusión de estas permite conocer si se llegan a formar escorias, con lo que eso supone de obstrucción de los equipos.
    3. Poder calorífico: parámetro que determina la cantidad de energía presente en un combustible.
    4. Tamaño de partícula: determina el tiempo de residencia de la biomasa en el interior del gasificador y, por tanto, el volumen del mismo.
    5. Densidad, forma y dureza de las partículas: a menor densidad, la fluidización puede empeorar, aunque se puede mejorar en ocasiones al añadir un coadyuvante.
    6. Humedad: parámetro importante para determinar si un proyecto de gasificación es viable económicamente.
  3. Factores de diseño del gasificador:
    1. Geometría del reactor: determina la cantidad de biomasa que se puede gasificar.
    2. Sistemas de alimentación y de retirada de biomasa/productos: la altura y las dimensiones de la salida de los gases inciden sobre la conversión de la biomasa gasificada.
    3. Sistemas de acondicionamiento y limpieza del gas producto: en función del destino del gas producido, la limpieza del mismo será una u otra. Los parámetros que determinan las operaciones de limpieza generalmente son los alquitranes y las partículas.

Las barreras de la gasificación

Estas barreras son:

1. Partículas: para eliminar las partículas, se pueden emplear sistemas como los ciclones (empleados en las instalaciones de combustión), los filtros de barrera, los filtros electrostáticos y los wet scrubbers.

Funcionamiento-del-sistema-ciclónico

2. Alquitranes: los alquitranes son compuestos orgánicos de carácter aromático del tipo benceno, naftaleno, pireno..., con puntos de ebullición entre 100 y 500 ºC, que se producen en los fenómenos de gasificación en porcentajes entre el 0,1 y el 1 %, dependiendo del tipo de gasificador empleado, de las condiciones de gasificación (temperatura, presión, tiempo de residencia, etc.) y de la biomasa que se emplea para gasificar. Hay que decir que, si se aumenta la temperatura, se disminuye la cantidad de alquitranes generados, aunque la composición de estos cambia.

3. Amoniaco: es necesario eliminarlo del gas de gasificación ya que se convierte en NOx durante la combustión del gas y puede generar importantes problemas medioambientales. Su eliminación se puede llevar a cabo mediante la presencia de un catalizador del tipo dolomita, que descomponga la molécula de amoniaco en nitrógeno e hidrógeno. Asimismo, también se puede producir dicha eliminación con wet scrubbing, pero para ello es preciso que el gas se enfríe previamente.

4. Azufre: cuando se genere también azufre en el gas, la eliminación de este por su posible transformación a SOx se puede llevar a cabo mediante lavado o wet scrubbing.

5. Metales pesados: puede ir con algunos de los diferentes tipos de biomasas susceptibles de gasificar, por lo que su eliminación se puede llevar a cabo con carbón activo, filtros de mangas y precipitadores electrostáticos.

6. Halógenos: mediante la gasificación, el cloro se puede transformar a ácido clorhídrico y el bromo a ácido bromhídrico, por lo que su eliminación en aquellos casos en los que estén presentes en cantidades importantes se puede llevar a cabo con filtros o con carbón activo.

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