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Purificacin y acondicionamiento del gas de gasificacin de biomasa

Fecha de Publicación: 1/6/2015

Resumen

En el proceso de gasificacin de biomasa se obtiene un gas susceptible de utilizacin en calderas, motores, turbina de gas y turbina de vapor (ciclo combinado), pilas de combustible y sntesis qumica. No obstante, es necesaria una etapa previa de depuracin y acondicionamiento del mismo con objeto de eliminar contaminantes a niveles suficientemente bajos para cumplir con la normativa medioambiental y la tolerancia de los sistemas de conversin del gas, ajustar la relacin CO/H2 y mejorar la calidad del gas previo a su aprovechamiento energtico o a su conversin en combustibles limpios (H2 y combustibles sintticos, etc.) y contribuir a la reduccin progresiva de emisiones responsables de la acidificacin (NH3 ) y del efecto invernadero (CO2 , CH4 ). La presente contribucin pretende ofrecer una visin general y divulgativa sobre las diferentes tecnologas de depuracin y acondicionamiento del gas de gasificacin de biomasa disponibles actualmente, con indicacin de su grado de desarrollo.


1. Utilizacin del gas de gasificacin de biomasa

Tanto el tipo de proceso de gasificacin, como los requerimientos a cumplir para las distintas aplicaciones finales condicionarn el sistema de limpieza y acondicionamiento del gas a utilizar [1-4]. Cuando la biomasa u otro combustible se somete a gasificacin se obtiene un gas formado mayoritariamente por CO, H2 , CH4 , H2 O, N2 y CO2 .

Biomasa

La composicin del gas depender del tipo de reactor (lecho mvil en co-corriente o contracorriente, lecho fluidizado burbujeante o circulante, lecho arrastrado), de las condiciones de operacin (presin y temperatura) y de la naturaleza del agente gasificante (aire, oxgeno, vapor, hidrgeno o alguna de sus mezclas) [1, 2, 5], pudindose encontrar los siguientes usos potenciales: generacin de calor en una caldera o en un motor, generacin de calor y electricidad en una turbina de gas y en una turbina de vapor (ciclo combinado), generacin elctrica en una pila de combustible y sntesis qumica de metanol, gas natural sinttico, hidrgeno, combustibles sintticos va Fischer Tropsch, etc. [1].

Durante la gasificacin se forman a su vez otras impurezas no deseadas [1, 3, 4]. En la tabla 1 se han resumido los principales contaminantes y los problemas potenciales asociados a los mismos. Generalmente, la composicin del gas (syngas) a la salida del gasificador no es la ms adecuada para su uso final. En la tabla 2 se recogen las caractersticas deseables del syngas para diferentes aplicaciones [1, 3-5].


2. Depuracin y acondicionamiento del gas de gasificacin.

De acuerdo a lo anterior, previo a la utilizacin del syngas ser necesaria la depuracin y acondicionamiento del mismo con objeto de: eliminar contaminantes a niveles suficientemente bajos para cumplir con la normativa medioambiental y la tolerancia de los sistemas de conversin del gas, ajustar la relacin CO/H2 y mejorar la calidad del gas previo a su aprovechamiento energtico o a su conversin en combustibles limpios (H2 , sntesis qumica) y contribuir a la reduccin progresiva de emisiones responsables de la acidificacin (NH3 ) y del efecto invernadero (CO2 , CH4 ) [3, 6-8].

La limpieza de los gases se ha realizado tradicionalmente por va hmeda, lo que implica el enfriamiento de los gases a temperatura ambiente o inferior, con lo que la generacin de vapor en turbina de gas es menos eficiente. Adems, conlleva unos costes tremendamente elevados y la generacin de un gran volumen de efluentes a tratar por mtodos costosos [3]. Pese a ello se emplea en la mayoria de las plantas de gasificacin existentes, en especial para aplicaciones del gas a baja temperatura, al considerarse una tecnologa madura, con eficacia contrastada y de fcil diseo y aplicacin a cada sistema particular [3]. Sin embargo, la limpieza de los gases en caliente (T>300C) permite una mayor integracin con los sistemas catalticos de ajuste de la composicin del gas posteriores, un mejor balance energtico y una mejor economa del proceso, al tiempo que se eliminan los problemas derivados de la gestin de efluentes [3].


3. Limpieza de gases a baja temperatura.

Habitualmente el gas que sale del gasificador sufre una etapa de separacin de partculas groseras en un cicln. A continuacin tienen lugar una serie de etapas que constituyen la limpieza a baja temperatura y que incluye un lavado con agua y la eliminacin de los gases cidos [3]. Durante la etapa de lavado con agua las partculas, los alquitranes,NH3 , HCN y haluros son eliminados de la corriente gaseosa [3-6]. Se eliminan tambin elementos traza a 100-200o C por condensacin [6]. As mismo, se han desarrollado mtodos alternativos de eliminacin de alquitranes en torres de lavado con disolventes orgnicos en combinacin con filtro de pre-capa [9] o precipitador hmedo [10], previo a utilizacin del gas en calderas y motores. Finalmente es necesaria una etapa de purificacin del gas para eliminacin de gases cidos (H2 S y/o CO2 ) por absorcin, previo a su uso en turbinas de gas o pilas de combustible [3, 4]. Con vistas a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, todo el CO se convierte previamente a CO2 por va cataltica (reaccin de gas de agua: CO + H2 O ↔ CO2 + H2 ), aunque la penalizacin energtica es severa [6]. La absorcin se lleva a cabo en columnas de relleno, torres de pulverizacin o tanques agitados en contracorriente utilizando disoluciones acuosas alcalinas de componentes orgnicos e inorgnicos. El absorbente es regenerado en una columna contigua, recuperndose el contaminante en su forma inicial. La absorcin puede ser fsica (Procesos Rectisol, Purisol y Selexol), o qumica (aminas orgnicas, carbonatos de sodio y potasio y disoluciones acuosas de amonaco) [2, 6]. La adsorcin, la separacin criognica y la tecnologa de membranas tambin pueden emplearse como alternativas a la absorcin en la separacin de gases cidos a bajas temperaturas [6].


4. Limpieza de gases a alta temperatura.

En la primera etapa de eliminacin de partculas, la tendencia es a aumentar la temperatura de operacin y a reducir la concentracin y tamao de partcula (por debajo de 10 ppm en peso y de 2 micras) mediante el desarrollo de diferentes sistemas de filtracin: candelas cermicas, filtros cermicos de flujo cruzado, precipitadores electrostticos de alta temperatura y presin, filtros de lechos granulares y filtros de tejido/fibra [2, 3, 5-7]. La eliminacin de compuestos de azufre (H2 S y COS) se lleva a cabo por adsorcin. El slido adsorbente puede inyectarse en el propio gasificador a 800-1000C, pero no puede ser reutilizado, lo que le obliga a ser abundante y barato (caliza, dolomita, etc.), generndose una gran cantidad de residuos cuyo manejo implica un elevado consumo energtico. En la prctica, la eficacia de retencin de azufre no supera el 50% dependiendo de la temperatura y velocidad de calcinacin [5]. Debido a estas limitaciones se han desarrollado adsorbentes (mayoritariamente xidos de hierro y zinc) y sistemas de desulfurizacin en lechos externos al gasificador. El xido metlico debe reaccionar selectivamente (MO(s) +H2 S → MS(s) + H2 O) con los compuestos de azufre en atmsfera reductora y en las condiciones habituales de salida de un gasificador (P=10-30 bar, T= 500-750C), pudiendo ser de un slo uso (baratos) o regenerables (caros) [2, 3, 6-8]. Los adsorbentes regenerables deben recuperar su forma original al reaccionar selectivamente con oxgeno o vapor (MS +3/2 O2 → MO + SO2 ), siendo necesario controlar la temperatura de regeneracin (exotrmica) para evitar la sinterizacin del adsorbente [3, 6-8]. La naturaleza cclica del proceso adsorcinregeneracin obliga a una configuracin de dos reactores operando en continuo. Inicialmente se emplearon lechos fijos, actualmente se tiende hacia los lechos fluidizados debido a su mejor contacto gas-slido, aunque con mayor atricin [6-8]. Entre las tecnologas para la eliminacin deNH3 y HCN se encuentra la descomposicin cataltica (sobre Ni, Fe,..) a unos 800C [3, 5, 6-8]. Tambin se est investigando la eliminacin simultnea deNH3 y H2 S mediante adsorbentes duales de nquel y titanato de zinc [7, 8]. En cuanto a los haluros, la tendencia actual es a emplear adsorbentes de metales alcalinos o alcalinotrreos [3, 6-8]. En relacin a los lcalis, se eliminan con adsorbentes multifuncionales (aluminosilicatos impregnados con calcio) [3, 6-8]. El empleo combinado de filtros cermicos y adsorbentes o catalizadores (a 400-600 C) permite la eliminacin conjunta de partculas, alcalis y haluros [5]. Tambin se utilizan tecnologas de eliminacin en caliente de metales pesados no condensados (incluyendo Pb, Hg, Cd, V), principalmente por adsorcin [3, 6, 8]. En el caso concreto del Hg se estn desarrollando carbones activos selectivos [3] con etapas previas de oxidacin forzada del Hg (no se retiene) por va qumica o electroqumica. Por ltimo, la eliminacin de los alquitranes a alta temperatura se basa en su separacin fsica (en sistemas de eliminacin de partculas) [3] o en su conversin qumica (craqueo, reformado, oxidacin, etc.) por va termica y/o cataltica [2, 4, 5, 7, 11-15]. El craqueo trmico consiste en la transformacin del alquitrn en gases ligeros mediante calentamiento a una temperatura determinada (500-1200C) durante un cierto tiempo (0.5-15 s) [4, 13]. La eficacia se puede mejorar aumentando el tiempo de residencia (lechos fluidizados) o la temperatura (por contacto directo u oxidacin parcial), con el consiguiente incremento del gasto energtico y prdida de poder calorfico, respectivamente [4]. A los problemas econmicos y de materiales hay que aadir aquellos asociados con la potencial formacin de carbonilla [5, 14]. Otra posible va se basa en el craqueo trmico mediante plasma, que, aun siendo sistemas muy novedosos y efectivos, presentan un elevado coste econmico y energtico [4, 13, 14]. En cuanto a la va cataltica, el catalizador debe ser [13, 14]: efectivo, capaz de reformar metano (en su caso a gas de sntesis), resistente a la desactivacin por sinterizacin y carbonilla, fcilmente regenerable y tener un coste moderado. El agente cataltico se puede alimentar al propio reactor (gasificacin o pirlisis cataltica) [4, 11, 12] o a un reactor secundario para tratar el gas bruto de gasificacin [5]. Se distinguen seis grupos de catalizadores: de base Ni, de base metlica (Rh, Ru, Pd, Pt Ir, Co, Fe, Mo y La), metales alcalinos (K2 CO3 , NaCl, LiCl, KCl, etc.), bsicos (MgO, CaO, dolomita, olivino, etc.), cidos (zeolitas y aluminosilicatos) y carbones activados (o incluso char de gasificacin) [4, 5, 13-16].


5. Ajuste de la composicin del gas y sntesis qumica.

Adems de eliminar las impurezas del gas de gasificacin, es necesario someterlo a un conjunto de etapas de ajuste de su composicin en funcin del uso final al que se destine (Figura 1) [16-19]. La primera etapa es el reformado con vapor de agua o seco (con CO2 ) o una combinacin de ambos o la oxidacin parcial de CH4 u otros hidrocarburos ligeros para reducir su contenido en el gas por debajo del 0.5-1% e incrementar el de H2 [4, 18, 19]. Se utilizan catalizadores, principalmente de base Ni, a temperaturas inferiores a 1000C [18]. Le sigue una etapa de water gas shift para ajuste de la relacin CO/H2 /CO2 previo a la sintesis qumica o separacin de H2 [19]. Industrialmente se realiza en dos reactores catalticos adiabticos en serie, con enfriamiento intermedio, operando entre 320-360C y 190-250C, respectivamente. A alta temperatura se distingue entre catalizadores dulces (xidos mixtos de Fe/Cr o sustituidos parcialmente por Ag, Ba, Pb Hg/Cu, Ca, Ce, Zr, La, Th,.., Pt, Rh, Ru, Au, y Pd sobre xidos reducibles), para los que es necesario retirar previamente el azufre y cidos (Co-Mo, Co-MnO y CoCr2 O4 ) que operan con azufre pero a un coste mayor. La conversin de CO es normalmente superior al 90%, desactivndose principalmente

Biomasa


Biomasa

por sinterizacin trmica [19]. Los catalizadores de baja temperatura se basan principalmente en CuZnO-Al2 O3 /Cr2 O3 . Se siguen estudiando mtodos de preparacin, naturaleza de precursores y mecanismos de reaccin, para mejora de la actividad cataltica a baja temperatura, efecto del tiempo de residencia y relacin vapor a gas y tolerancia a azufre y cloro, as como el desarrollo de catalizadores alternativos (espinelas de Cu y Mn, Au o Au/Ru sobre xidos reducibles, etc.), de nuevas configuraciones de reactor (monolitos) y la intensificacin de procesos (reactores de membrana, de adsorcin mejorada o combinacin ambos) [17, 19]. Cuando el H2 va a ser utilizado en pilas de combustible polimricas (PEM) es necesaria adems una etapa posterior de oxidacin preferencial de CO para evitar el deterioro de la membrana [18]. La produccin de H2 a partir de la corriente de salida de la etapa shift se lleva a cabo por separacin de ste, o por separacin de CO2 y posterior purificacin de la corriente rica en H2 [17, 18]. Comercialmente el CO2 se separa por absorcin (qumica o fsica), seguida de purificacin por adsorcin en ciclos de presin (PSA), adsorbindose los componentes indeseados (CO, CO2 ) a alta presin, y liberndose posteriormente, regenerando el adsorbente, por despresurizacin [17, 18]. En fase de investigacin y desarrollo se encuentra la tecnologa de membranas para obtencin de H2 de alta pureza [20]. En la tabla 3 se resumen los tipos de membranas de separacin y sus caracteristicas [20]. Dentro del concepto de integracin de sistemas estn los reactores catalticos de membrana y/o de adsorcin mejorada (Figura 2), que permiten separar simultanea y selectivamente el H2 , el CO2 o ambos del medio de reaccin y desplazar el equilibrio hacia los productos [17, 18]. Finalmente, la sntesis qumica comprende un conjunto de procesos que permiten la conversin en combustibles (diesel y gasolina va Fischer-Tropsch, metano, metanol, etanol, dimetilter, etc.) del CO e H2 contenidos en el gas de sntesis [1-5]. La relacin H2 /CO deseable, las condiciones de operacin y los catalizadores utilizados dependen del producto final [2].


6. Bibliografa


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Biomasa


Por: E. Ruiz, J.M. Snchez
Fuente: www.gecarbon.org