Introducción

Las sociedades modernas presentan retos importantes relacionados con una demanda energética creciente y un aumento en las emisiones de gases de efecto invernadero debido al uso de combustibles fósiles (¹). Unido a esto, diversas actividades humanas generan cantidades importantes de residuos sólidos que, de no ser gestionados adecuadamente, provocan contaminación ambiental (en aire, agua y suelo), así como proliferación de vectores que producen enfermedades (²). Tal situación ha impulsado el desarrollo de tecnologías que permitan el aprovechamiento energético de residuos, dado a que buscan utilizar eficientemente los recursos disponibles y además disminuir el impacto en el ambiente (³, ⁴).

Una de las maneras de aprovechamiento de residuos sólidos para fines energéticos es por medio de procesamientos térmicos, que incluyen procesos tales como combustión, gasificación, pirólisis y carbonización hidrotérmica, entre otros (⁵, ⁶). Dentro de estos, la gasificación es un tipo de proceso termoquímico que permite obtener gases, los cuales luego de transformaciones específicas son capaces de generar productos tales como electricidad, combustibles y otras sustancias químicas (⁷). Dicho proceso se encuentra influenciado por características propias del sistema donde se desarrolla la conversión térmica, las condiciones de trabajo y las materias primas empleadas (⁸). Se requiere un sustrato carbonoso, en este caso los residuos, el cual debe calentarse a temperaturas típicamente mayores a 800 °C en presencia de un agente gasificante (aire, oxígeno, CO2, entre otros), generando mezclas con diferentes composiciones que incluyen CO y H2 (gas de síntesis o syngas), CH4, CO2, N2, entre otros (⁷, ⁸).

Dentro de los materiales que se pueden emplear como material de alimentación a un sistema de gasificación se encuentran biomasas lignocelulósicas residuales y residuos de hidrocarburos. Dichas materias primas deben presentar características de humedad, tamaño y flujo que permitan una operación adecuada del reactor empleado y generen productos con composiciones y poderes caloríficos adecuados (⁹). Otras características de los materiales de partida incluidos en un análisis proximal, así como la composición elemental y las condiciones de operación del sistema (presión, temperatura, flujos del material de entrada y agente gasificante, entre otras) definen en gran medida los productos obtenidos (¹⁰-¹²).

Una de las maneras de conocer la influencia de las diferentes variables en la gasificación es mediante su simulación. Diferentes tipos de modelos pueden ser empleados, cuya aplicabilidad dependerá en gran medida de la información disponible. Dentro de estos, destaca un modelo no estequiométrico que busca la minimización de la energía libre de Gibbs (estado de equilibrio), con lo cual es posible obtener la composición de los gases de salida (¹⁰, ¹¹, ¹³). Tal información puede ser integrada con el resto de operaciones unitarias, permitiendo una descripción del proceso completo y sus limitaciones, lo cual resulta valioso para diseño, mejoramiento y optimización de procesos de gasificación (¹⁴).

En este estudio, se presenta la simulación de un proceso de gasificación en el cual los gases generados son aprovechados para generación eléctrica. El objetivo del trabajo es evaluar el uso de biomasas enriquecidas con hidrocarburos mediante el desempeño del proceso.

Materiales y Métodos

Materia prima y sistema de gasificación

La materia prima seleccionada es una mezcla de biomasa con hidrocarburos (3:1 biomasa: hidrocarburos), cuya composición se calculó a partir de sus constituyentes individuales. Se tomó como referencia el sistema de gasificación comercial Power Pallet PP20 de All Power Labs (gasificador de corriente descendente) (¹⁵).

Simulación del proceso de gasificación

Las simulaciones relacionadas con el proceso de gasificación seleccionado se basan en los reportes de Caballero-Chavarría (¹⁰) y Rojas-Soto (¹¹). Se utilizó el programa computacional Aspen Hysys V8 (Aspen Tech), considerando balances de masa y energía, así como equilibrio químico.

El proceso simulado se basa en la gasificación de la biomasa enriquecida con hidrocarburos en presencia de aire como agente gasificante (aire normalizado, libre de humedad) seguida del acondicionamiento de los gases producidos y su combustión para generación eléctrica. Se empleó un modelo de gasificación no estequiométrico y la ecuación de estado de Peng-Robinson, así como las reacciones de gasificación y combustión reportadas por Basu (⁸). Se usaron las siguientes condiciones de operación: 22 kg/h de alimentación, 20 kg/h de aire (agente gasificante), 1 atm de presión absoluta y temperatura de gasificación de 900-1000 °C.

Resultados y discusión

Con tal de establecer los lineamientos legales para la gestión integral de residuos y el uso eficiente de los recursos, Costa Rica aprobó en 2010 la Ley para la Gestión Integral de Residuos (Ley Nº 8839) (¹⁶). Esta contempla el aprovechamiento energético como una alternativa cuando evitar, reducir, reutilizar o recuperar materiales no es factible, por encima además de tratar y disponer dichos residuos (¹⁶). Dentro de los residuos aprovechables energéticamente destacan las biomasas residuales y los residuos de hidrocarburos (¹⁰-¹²). Cantidades importantes de biomasas residuales son producidas en Costa Rica debido a actividades agrícolas y agroindustriales, donde ca. 40,3 % no son aprovechadas (⁴). Por su parte, residuos de hidrocarburos son residuos peligrosos generados en organizaciones con actividades relacionadas con la manipulación de combustibles, los cuales cuentan con altos contenidos energéticos (¹²). Esto hace que resulte atractivo el aprovechamiento energético de biomasas residuales enriquecidas con hidrocarburos.La materia prima considerada para este estudio es biomasa enriquecida con hidrocarburos. En este tipo de mezclas, el potencial energético aumenta con respecto a las biomasas individuales. Caballero-Chavarría (¹⁰) reporta un incremento de 42 % en el poder calorífico de mezclas de pasto con residuos de hidrocarburos.

Por otro lado, la composición del material de partida resulta importante ya que afecta la composición de los gases producidos en procesos de gasificación. Dentro de las reacciones involucradas, el principal componente que se emplea como reactivo es el carbono. Al incorporar hidrocarburos a la biomasa, se incrementa la cantidad de carbono y compuesto volátiles, con lo que se favorece la formación de productos deseados (CO, CH4, H2) (⁸). El cuadro 1 presenta la composición de la materia prima de trabajo calculada a partir de sus constituyentes individuales. Esta se empleó para establecer la línea de alimentación en la simulación y así obtener un flujo adecuado de gas de síntesis capaz de generar una cantidad suficiente de energía (¹⁰).

Las simulaciones se basan en el uso de un gasificador comercial de corriente descendente (¹⁵). Este cuenta con alimentación superior para el combustible (biomasa enriquecida con hidrocarburos), alimentación lateral para el agente gasificante (aire) y salida de los productos en su parte inferior. Diferentes procesos son llevados en diferentes alturas del reactor, incluyendo secado y pirólisis por encima de la alimentación de aire, oxidación alrededor de la entrada de aire y reducción por debajo de esta (⁸). El flujo de alimentación de biomasa con hidrocarburos (22 kg/h), la presión de trabajo (presión absoluta de 1 atm) y la temperatura de gasificación (900-1000 °C) se seleccionaron de acuerdo con las especificaciones del fabricante. La cantidad de agente gasificante se calculó para tener un proceso de gasificación adecuado. Esta se encuentra definida por la razón de equivalencia definida como:

Cuadro 1 Composición calculada para una mezcla de biomasa con hidrocarburos (3:1 biomasa:hidrocarburos) (¹⁷-¹⁹) 

donde RE es la razón de equivalencia, (A/C)r la relación real aire-combustible y (A/C)e la relación estequiometria aire-combustible (para producir combustión completa). RE debe estar entre 0,2 y 0,4 para lograr un proceso de gasificación eficiente (¹⁰). Basu (⁸) recomienda un valor de RE de 0,25 para gasificaciones en reactores de corriente descendente, con el cual favorece la generación de H2 y CO (gas de síntesis), y evita la formación de carbonilla, CO2 y H2O. (A/C)e se puede estimar como:

donde C, S, H y O se relacionan con la composición elemental de carbono, azufre, hidrógeno y oxígeno en la materia prima de alimentación. Considerando las ecuaciones (1)-(2), la composición elemental (cuadro 1) de la mezcla de biomasa con hidrocarburos y su flujo másico de alimentación (22 kg/h), el flujo de aire calculado y empleado en la simulación fue 20 kg/h.

El gasificador considerado (de corriente descendente) permite un flujo continuo de producción de gas de síntesis, es capaz de procesar materias primas con altos contenidos de humedad, generalmente tiene diseño simple y es de bajo costo. Por otro lado, la calidad energética del gas que se obtiene con este tipo de reactores es baja, su eficiencia se ve limitada al trabajar a presión atmosférica y genera grandes cantidades de cenizas (⁸, ⁹, ²⁰). Sin embargo, temperaturas de 900-1000 °C favorecen la conversión sin fundir cenizas (evitando problemas operativos) y se generan gases con bajos contenidos de alquitranes que pueden ser utilizados en motores de combustión interna y turbinas de gas (¹⁰). Además, el uso de aire como agente gasificante y presión atmosférica permiten mantener bajos costos de operación, lo cual es recomendable para sistemas de baja potencia como el gasificador propuesto (²¹).

El proceso simulado y los elementos usados se describen en la figura 1 y el cuadro 2. La utilización de un modelo de gasificación termodinámico no estequiométrico resulta ventajoso ya que puede llevarse a cabo su simulación conociendo la composición elemental de la alimentación y las condiciones de operación. A pesar de considerarse como un sistema en equilibrio (que genera el máximo rendimiento) en el que no se toman en cuenta aspectos como la fórmula química del material de alimentación, los mecanismos de reacción o las rapideces de reacción, se ha demostrado que este tipo de modelos permiten predecir de manera razonable el rendimiento y la composición de los gases producidos, dando la posibilidad de estimar otras propiedades de interés como su poder calorífico (²²-²⁴). Adicionalmente, usando la ecuación de estado de Peng-Robinson, se determinaron otras características físicas del proceso tales como presión y temperatura en diferentes etapas.

Los principales datos obtenidos de la simulación se muestran en el cuadro 3. Couto y colaboradores (²¹) reportan gas de síntesis obtenido experimentalmente alimentando biomasa en un gasificador de corriente descendente con 15-21 % de H2, 10-22 % de CO, 1-5 % de CH4, 11-13 % de CO2 y el resto N2 y pequeñas cantidades de otros hidrocarburos. Comparativamente, la simulación muestra mayores porcentajes de CO, H2 y CH4, así como menor porcentaje de CO2. Sin embargo, debe considerarse que las condiciones experimentales son distintas (incluyendo la composición de la materia prima, presión, temperatura, la relación de equivalencia aire-combustible) además que la simulación asume sistemas en equilibrio cuando en realidad podrían presentarse procesos incompletos si los tiempos de residencia son cortos.

Las cantidades de materias primas necesarias por unidad de energía, calculadas a partir de la potencia neta del gasificador obtenida de la simulación y las características de la alimentación (flujo y composición), se presentan en el cuadro 3. Los consumos de la mezcla biomasa:hidrocarburos y biomasa son inferiores al consumo de biomasa reportado por el fabricante del gasificador considerado (1,2 kg/kWh) (¹⁵). Esto puede atribuirse tanto al efecto del enriquecimiento de la biomasa de partida al adicionar hidrocarburos, como al hecho de considerar un proceso idealizado durante la simulación (¹⁰, ¹¹).

A pesar de las diferencias que puedan presentarse entre simulaciones y resultados experimentales, procesos de simulación como el presentado en este estudio permiten obtener información valiosa sobre el desempeño de procesos de gasificación llevados a cabo en diferentes condiciones. Esto hace que las simulaciones sean herramientas importantes para diseño, predicción y mejoramiento de dichos procesos, así como un excelente complemento para información experimental e insumo para estimaciones económicas para implementación de proyectos (¹⁰, ¹¹).

Figura 1 Esquema de simulación del proceso de gasificación empleando como materia prima la mezcla de hidrocarburos con biomasa. Basado en esquemas presentados por Caballero-Chavarría (¹⁰) y Rojas-Soto (¹¹). 

Cuadro 2 Descripción de elementos usados en simulación con Aspen Hysys (¹⁰, ¹¹) 

Cuadro 3 Resultados de simulación de un proceso de gasificación* 

Conclusiones

Agradecimientos

Caballero-Chavarría, M. M. Villalobos-Barquero y A. Puente-Urbina agradecen a Paola Orozco Ballestero, Rodrigo González Rojas y Daniel Carmona Arias de RECOPE S.A., Jaime Quesada Kimzey del Instituto Tecnológico de Costa Rica y Emanuel Montero Gómez del CICAFE por valiosas discusiones.