Gasificación y pirólisis. Tecnologías innovadoras para la valorización energética de residuos

El costo económico de producir energía a partir de combustibles fósiles ha alcanzado actualmente valores insostenibles, lo que hace necesario buscar nuevos combustibles y desarrollar procesos y alternativas tecnológicas verdaderamente sostenibles.

Entre los "nuevos" combustibles que, tras un pretratamiento y/o transformación, pueden integrar los tradicionales, existen diferentes categorías de residuos de diversos orígenes (urbanos o industriales). El desarrollo de procesos en esta dirección surge de la necesidad de combinar una producción de energía más sostenible con la necesidad de una gestión de residuos más eficiente.

Los objetivos de la investigación aplicada actual

En los últimos años ha cobrado cada vez más fuerza la investigación de nuevas soluciones tecnológicas que, mediante diversos procesos, incluso combinados entre sí, tienen como objetivo garantizar la transformación eficiente de los residuos promoviendo al mismo tiempo la máxima valorización de materia y energía y la máxima reducción de gases, líquidos y sólidos. emisiones.

Gestión ecosostenible de residuos

La valorización de los residuos como material básico para producir combustibles valiosos, como el metanol y el hidrógeno , es el objetivo de la investigación aplicada en todos los países más industrializados.

El uso de residuos no como combustible "tal cual" sino como material para transformar en productos de mayor calidad o valor permite avanzar en los peldaños de la "pirámide de la ecosostenibilidad".

El impulso hacia una economía energética basada en la conversión de combustibles gaseosos o como máximo líquidos (metano, hidrocarburos ligeros, aceites) y el hidrógeno está ligado a la posibilidad de lograr, gracias a ellos, una combustión más limpia y eficiente.

La transformación de residuos en estos combustibles es posible gracias a procesos termoquímicos como la pirólisis y la gasificación, que inducen un cambio en la estructura química de la materia mediante la acción del calor.

Por tanto, no se trata de realizar procesos de "selección y pretratamiento" , como la producción de combustibles sólidos como el RDF, sino de realizar procesos químicos reales cuya fiabilidad, eficiencia y coste deben evaluarse cuidadosamente.

Procesos termoquímicos

Pirólisis : en la que se produce una degradación térmica del material en ausencia total de aire/oxígeno mediante el aporte directo o indirecto de calor. Por tanto, el poder calorífico de los productos obtenidos es muy elevado.

Gasificación : en la que se produce una oxidación parcial de los residuos en un ambiente deficiente en oxígeno. Los productos finales no están completamente oxidados y por tanto tienen un poder calorífico inferior al de los residuos iniciales.

Combustión : en la que se realiza la oxidación completa de la fracción orgánica del residuo/combustible, en presencia de un exceso adecuado de oxígeno y con el resultado de obtener productos completamente oxidados sin poder calorífico.

Producción de energía

“Se consigue una oxidación total y muy rápida de la fracción de combustible alimentada, en presencia de un exceso de aire tanto mayor cuanto más difícil es el contacto oxidante-combustible.

La reacción es exotérmica y, por lo tanto, va acompañada de un desarrollo de calor que depende del menor poder calorífico (PCI) del combustible y de la eficiencia de la combustión”.

Procesos termoquímicos alternativos a la combustión:

pirólisis

Es un proceso que se produce en ausencia de oxígeno y a temperaturas superiores a 400°C, alcanzadas mediante el aporte directo o indirecto de calor, durante el cual se produce exclusivamente una degradación térmica de la materia orgánica, posiblemente apoyada por la acción de catalizadores. .

Los principales productos del proceso son los gases combustibles de pirólisis, los líquidos orgánicos y un residuo sólido no vitrificado que contiene el carbón y la fracción inorgánica del residuo.

Pirólisis de residuos plásticos.

La composición de los productos de pirólisis es extremadamente variable con la temperatura del proceso y con la presencia de catalizadores como metales de transición y materiales que contienen sitios ácidos como silicoaluminatos, zeolitas y arcillas.

Los catalizadores pueden, además del aumento de la temperatura, favorecer la deshidrogenación, es decir, la pérdida de hidrógeno intramolecular de la cadena polimérica con el consiguiente aumento del grado de insaturación de los radicales obtenidos.

La deshidrogenación va inevitablemente acompañada de una elevada producción de compuestos insaturados y aromáticos (benceno, tolueno, xileno, etc.) y de sólidos carbonosos amorfos o cristalinos (grafito, micro y nanofibras).

La posibilidad de romper los enlaces moleculares de los polímeros mediante la acción del calor (termólisis) o mediante ataque químico (solvólisis) ha abierto el camino al uso del producto de la descomposición como materia prima para la industria petroquímica (reciclaje de materias primas).

Pirólisis de biomasa

La pirólisis de la biomasa se puede diferenciar en función del tiempo de residencia: un tiempo de residencia elevado conduce a la producción de carbón vegetal; un tiempo de residencia bajo conduce a la formación de líquidos con rendimientos elevados.

La producción de bioaceites (como se denomina normalmente a los líquidos de pirólisis de biomasa) se realiza a temperaturas moderadas, es decir, por debajo de 600°C.

Pirólisis por plasma de residuos peligrosos.

La pirólisis del plasma se produce a temperaturas muy elevadas (en torno a los 20.000°C) gracias a la acción del arco eléctrico que se forma entre dos electrodos.

La energía del arco es tan alta que el gas presente entre los electrodos se ioniza. El proceso de "desestructuración" de un pirolizador de plasma se basa en este principio.

De hecho, en este sistema el arco se genera dentro de una cámara donde el intenso calor generado por el arco degrada las moléculas orgánicas más resistentes (aceites, pinturas, disolventes) hasta obtener los átomos individuales (plasma).

En un proceso posterior los átomos se recombinan para formar compuestos gaseosos no peligrosos (dióxido de carbono y agua producidos por oxidación en un lecho de material cerámico) o sólidos.

Estos últimos están totalmente vitrificados e incorporan los metales que ya no son lixiviables: por tanto, son reutilizables como material de construcción.

Los electrodos utilizados son de carbono y se insertan de forma continua sin necesidad de detener el proceso por mantenimiento.

Pirólisis de residuos sólidos municipales.

Los residuos heterogéneos se componen de diferentes categorías de productos combustibles que, sin embargo, con un proceso extremadamente esquematizado, se remontan a polímeros (plásticos, cauchos, resinas) y biomasa (papel, cartón, madera, fracción orgánica, textiles).

Tecnologías de pirólisis

La aplicación de la pirólisis de los residuos municipales en Europa se encuentra todavía en una fase de desarrollo y, por tanto, no ha alcanzado la madurez comercial, aunque el esfuerzo por respetar las disposiciones del Protocolo de Kioto ha dado lugar a numerosos proyectos de demostración.

Si bien el uso de la pirólisis como proceso para la producción de sustancias químicas es todavía muy limitado, la pirólisis concebida como etapa previa a una etapa posterior de combustión o gasificación ya se aplica a gran escala.

Entre los procesos más interesantes que utilizan la pirólisis como proceso de transformación de diversos residuos (plásticos mixtos, residuos de demolición de automóviles, residuos electrónicos, residuos sólidos urbanos y especiales) podemos destacar los llevados a cabo por WasteGen (UK), Texaco, Compact Power y Ébara.

Conclusiones

La mayoría de los procesos de pirólisis comerciales se realizan a bajas temperaturas, es decir entre 450 y 600°C , para evitar tener que pagar un coste excesivo en términos energéticos (y económicos), incluso si esto implica un aumento del tiempo de residencia en el reactor (que puede durar incluso 2 horas) y la reducción de la fracción residual completamente degradada en el interior del horno.

Para mejorar la eficiencia energética global del proceso, el gas de pirólisis, y posiblemente también el carbón , se envían a un proceso de combustión que permite, si se lleva a cabo a temperaturas superiores a 1200°C, aprovechar plenamente la temperatura de llama adiabática del el gas de pirólisis.

El carbón procedente de un proceso de pirólisis puede:

• enviarse a vertedero después de haber sido despojados de los metales que, tras el proceso, son recuperables en forma no oxidada

• enviarse a combustión posiblemente junto con el gas de pirólisis; en este caso no será posible recuperar los metales (que de esta forma se oxidan)

• ser enviado a gasificación (una opción que permite recuperar los metales en forma no oxidada y aumentar el CCE del sistema global transformando el carbono fijo del carbón en más gas de síntesis).

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María Laura Mastellone y Umberto Arena

Segunda Universidad de Nápoles Departamento de Ciencias Ambientales