Valorizacion Energetica de los RSU Municipales i

Valorización energética de los RSU municipales: Gasificación
Giovanni Cappelloa, Dennis Rossa, Horacio Pinascob
a
IGS-Innovative Gasification Systems
b
Tecnored Consultores SA, Mitre 857,
(5800), Rio Cuarto, Argentina
Representante Regional IGS
[email protected]
Resumen. El objetivo de este trabajo es estudiar una alternativa diferente para la valorización
energética de los RSU, frente al depósito de estos en el vertedero, además de desarrollar una
tecnología capaz de transformar la energía primaria en energía eléctrica, de una forma eficiente,
con óptimos rendimientos y un balance de costos positivo.
Se trata de un proceso de preselección y reciclaje donde se recuperan productos no gasificables
como metales, vidrios, etc. y se separan elementos perjudiciales tales como residuos
fotoquímicos, pilas, etc. Luego de la preselección, se uniformiza el tamaño de la biomasa con
una molienda previa al ingreso del gasificador. Los RSU molidos son alimentados en un
gasificador de tipo Updraft en el cual a través de una serie de reacciones químicas, el material
alimentado se transforma en un gas llamado Syngas y en un residuo sólido, compuesto por
materiales inertes presentes en la biomasa alimentada. El Syngas se podrá utilizar en diferentes
procesos energéticos o químicos.
Este proceso tiene el beneficio de la modularidad y por ende la posibilidad de ser empleado en
pequeñas plantas de tratamiento.
La situación energética y ambiental actual hace que la generación de energía mediante sistemas
basados en energías renovables tome cada vez una mayor relevancia. La gasificación se viene
impulsando durante los últimos años para reducir el consumo de combustibles fósiles y
contribuir a disminuir los gases de efecto invernadero.
Palabras Clave: Gasificación, RSU, Biomasa, Syngas, Energía.
1. Introducción
La generación de residuos aumenta año tras año a un ritmo mayor del necesario para su
degradación. Hasta ahora la gestión de residuos se ha centrado en la eliminación de los mismos,
vertiéndolos en rellenos sanitarios, basurales a cielo abierto, o bien disponiéndolos en terrenos
aledaños al ejido urbano, o recurriendo a la incineración.
Frente a la necesidad de resolver los problemas derivados de la existencia de residuos, surge la
posibilidad de evaluar diferentes tecnologías de valorización energética, que permitan darles un
tratamiento a los residuos Sólidos Urbanos. Ver figura 1. Particularmente en Argentina, donde
las distancias entre ciudades y pueblos rurales son muy grandes y la densidad de la población es
baja, se requiere de procesos de tratamiento de residuos que sean económicos y energéticamente
viables para ciudades o pueblos rurales como alternativa al proceso de incineración que por su
costo y dimensión solo se justifica para zonas muy urbanizadas.
El sistema de gasificación IGS permite producir un gas de síntesis (syngas) en plantas de
pequeño tamaño y baja inversión a partir de residuos urbanos y/o industriales (RSU,
neumáticos, madera de demolición, etc.) garantizando un gas con excelente estándar de limpieza
y ausencia de efluentes líquidos; el syngas se puede utilizar para la producción de energía o para
fabricación de productos químicos para dar cabida a una amplia variedad de materias primas.
Este proceso termoquímico, se puede desarrollar en pequeña escala (10 t/día) y en forma
distribuida en el territorio, siendo beneficioso económicamente con respecto a la incineración
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
clásica en la que la dimensión mínima que optimiza los costos es de 240 t/día[1]. La
gasificación de RSU representa una solución al problema de disposición de los residuos y
además es una fuente de ingresos y mano de obra con la consiguiente disminución de las
emisiones de CO2 a la atmósfera debido al menor gasto energético de transporte de la basura en
el caso de pueblos pequeños alejados entre sí.
Figura 1.Valorización de los residuos
2. Desarrollo
La gasificación se puede aplicar a diferentes materiales con alto contenido de Carbono,
cualquier tipo de carbón, biomasa lignocelulósica, residuos agrícolas, forestales, industriales y
urbanos. La tecnología consiste en una conversión termoquímica de material orgánico para la
producción de un combustible gaseoso, syngas. El proceso se lleva a cabo en uno o más
reactores (gasificador) mediante oxidación parcial del material orgánico a elevada temperatura
(600-1300 °C) y consta de las siguientes etapas: secado, pirólisis, reducción y oxidación o
combustión diferentemente distribuidas en función del tipo de gasificador. Ver figura 2.
Figura 2. Gasificador Up-Draft
En la etapa de secado se evapora la humedad contenida en la biomasa. En la pirólisis ocurre la
descomposición térmica de la materia, dando como resultado gases, hidrocarburos condensables
y un residuo carbonoso o cenizas en función del tipo de gasificación. En la etapa de gasificación
o reducción se produce la oxidación parcial del carbono, hidrógeno y oxígeno que quedo luego
de la pirólisis. La etapa de combustión es la que provee la energía necesaria para que ocurran las
etapas ya nombradas. El comburente, (aire u oxígeno) se incorpora en una proporción del 25%
respecto del necesario para la combustión completa, El gas resultante es de bajo poder calorífico
y se compone de H2; CO; CO2; N2; H2O y CH4, e Hidrocarburos ligeros y Pesados (alquitranes).
En general se utiliza aire como comburente para las aplicaciones térmicas y oxígeno en las
químicas.
2.1 Proceso de gasificación IGS para RSU
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Se utiliza un gasificador Updraft de doble etapa IGS, que ha sido diseñado para producir syngas
limpio con los siguientes objetivos:
Utilizar RSU con alto contenido de humedad y material inerte (vidrios, latas, hierros, piedras,
escombros, neumáticos, etc.) que quedan luego del proceso de preselección.
Generar un proceso de oxidación a altas temperaturas y seguidamente un enfriamiento del
syngas por debajo del punto de condensación de los metales pesados[2] para evitar la
formaciones de dioxinas y furanos por medio de la síntesis de-novo[3].
Controlar las temperaturas máximas del proceso de oxidación para evitar la generación de
NOx.
Eliminar los compuestos ácidos como el HCl, SO2, SO3, HF, los metales pesados como
antimonio, arsénico, berilio, cadmio, cromo, cobalto, plomo, manganeso, mercurio, níquel,
selenio y el material particulado micrónico, evitando descargas de líquidos.
Obtener un syngas sin elementos peligrosos para la salud y que se pueda utilizar sin
restricciones en aplicaciones como calderas de vapor o producción de químicos como
amoniaco.
Ser de dimensiones pequeñas y construcción modular para una instalación en un corto plazo y
transformación eficiente del material carbonoso en syngas.
Haber una relación inversión o gastos de capital (CAPEX) y gastos operativos (OPEX)
competitiva.
El proceso de gasificación IGS puede ser esquematizado como sigue:
Figura 3. Proceso de gasificación IGS
3. Metodología
3.1 Preselección
Los residuos introducidos se componen por material orgánico con alta humedad, residuos de
poda y el remanente del proceso de preselección donde se recuperan aquellos materiales
(vidrios, metales, plásticos, etc) que tienen valor comercial. Luego los residuos pasan por una
trituradora a fin de uniformizar el tamaño para ingresar al proceso siguiente que consta de un
horno rotativo cilíndrico en donde se lleva a cabo la incineración de los mismos.
3.2 Incineración
La utilización de un horno rotativo cilíndrico de quemado de los residuos es necesaria para
poder utilizar residuos que aún contienen muchos cuerpos extraños que han quedado del
proceso de preselección como vidrios rotos, clavos, tapas metálicas, neumáticos, piedras y
escombros, etc. La presencia de cuerpos extraños en el lecho de gasificación de gasificadores de
lecho fijo es indeseada y no es posible utilizar gasificadores de lecho fluidizado sin una
cuidadosa preparación y trituración de los residuos mismos.
El horno rotativo de quemado trabaja con exceso de oxígeno para garantizar la oxidación
completa del material introducido. La temperatura máxima de oxidación es controlada mediante
una oportuna cantidad de vapor de agua para evitar la formación de los óxidos de nitrógeno
(NOx) [4] y la fusión de las cenizas. La temperatura de salida de los humos calientes,
conformados principalmente por N2, CO2, O2 y H2O y secundariamente por los gases acidos
SO2, SO3, HCl, HF y vapores de metales pesados y cenizas, es de aproximadamente 1000 °C y
se mantiene por un tiempo suficiente antes de pasar a la etapa siguiente. A dicha temperatura se
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
garantiza que no hay formación ni existencia de dioxinas y furanos [2] o que las dioxinas y
furanos eventualmente producidos durante la oxidación en el horno rotativo se han destruido
[2].
La ceniza que sale del horno de quemado tiene la caracteristica de una ceniza de cualquier
planta de incineración y tiene que ser dispuesta de acuerdo a las normativas vigentes.
Las ecuaciones básicas que ocurren en esta etapa son (1) y (2).
C + O2 → CO2
H2 + ½ O2 → H2O
-401.9 MJ/kg mol
-241 MJ/kg mol
(1)
(2)
3.3 Gasificación/reducción
La utilización de un reactor de gasificación/reducción es necesaria para:
Generar una atmósfera reductora donde, en ausencia de oxígeno, no se pueda formar cloro
libre, limitando la clorinación de todos los precursores de las dioxinas y furanos. Esto elimina
el riesgo de producir dioxinas y furanos en la postcombustión a baja temperatura, en presencia
de oxígeno en los incineradores[2].
Producir de forma sencilla H2S para la eliminación de los vapores de mercurio [5].
Transformar la energía contenida en los humos de combustión de los residuos en syngas para
poder reducir, a paridad de potencia generada, el tamaño de las superficies de intercambio de
una eventual caldera debido al efecto radiante de la llama producida por la combustión del
syngas con respecto al intercambio convectivo de los humos calientes de una simple
incineración. Otra alternativa es utilizar el syngas en turbinas de gas y ciclos combinados o
para producciones químicas como la síntesis del amoníaco.
La segunda etapa del gasificador IGS es un reactor de reducción que opera alimentado con
biomasa (residuo de poda, cultivos energéticos, chip de madera, etc.) exenta de cuerpos extraños
y una porción de carbon mineral; la biomasa y el carbón mineral contienen carbono y el agente
gasificante es el humo resultante de la combustión de los residuos en el horno rotativo, o sea
CO2 y vapor de agua. Las principales reacciones de reducción en esta segunda etapa del
gasificador son (3) y (4) que ocurren con temperaturas superiores a los 600 – 700 °C, mientras
que la reacción (5) es exotérmica y favorecida por temperaturas más bajas.
CO2 + C → 2CO 164.9 MJ/kg mol
H2O + C → CO + H2 118,9 MJ/kg mol
2H2 + C → CH4 -87,4 MJ/kg mol
(3)
(4)
(5)
Los elementos que se encuentran comúnmente en los materiales orgánicos (C, H, N, O, S, Cl)
terminan en el gas de síntesis como: CO, H2, H2O, CO2, N2, CH4, H2, H2S y HCl y otros
hidrocarburos incondensables y condensables llamados tars. Los vapores de los metales pesados
procedentes del proceso de oxidación en el horno rotativo, en función de la temperatura, pueden
encontrarse en el syngas en fase vapor o condensados sobre las partículas de ceniza y de carbón
arrastradas por el syngas mismo [2].
La biomasa se alimenta en la parte superior del reactor y se mueve hacia abajo. La toma del
humo caliente procedente del horno rotativo (H2O y CO2) se encuentra en la parte inferior y
difunde hacia arriba a través del lecho de biomasa. En el reactor se forman diferentes capas
horizontales; en particular, de abajo hacia arriba encontramos:
Capa de carbón donde el H2O y la CO2 a aproximadamente 1000°C encuentran el carbón y lo
reducen de acuerdo a las ecuaciones (3) y (4) formando CO y H2. Dado que las reacciones de
reducción son endotérmicas, el syngas formado sale de la parte superior de la capa de
reducción a una temperatura de aproximadamente 600°C.
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Capa de pirólisis donde el syngas se enfría ulteriormente haciendo evaporar los compuestos
volátiles de la biomasa transformándola en carbón.
Capa de secado donde el syngas se enfría ulteriormente haciendo evaporar el agua contenida
en la biomasa.
El Syngas abandona el reactor a una temperatura de aprox. 350-400ºC en función de la humedad
de la biomasa introducida en el reactor. Esta temperatura es más alta que la temperatura de rocío
de los hidrocarburos condensables presentes en el syngas [5]; más baja que la temperatura de
rocío de todos los metales pesados, excluido el mercurio que se encuentran adsorbido en el
particulado de ceniza y carbón arrastrado por el Syngas [6]; y óptima para que los vapores de
mercurio reaccionen con el acido sulfhídrico formando HgS[7], y para la inyección de hidróxido
de calcio Ca(OH)2 para la eliminación de los compuestos ácidos [8].
El syngas creado en estos procesos está compuesto principalmente por monóxido de carbono
(CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), metano (CH4), nitrógeno (N2), agua (H2O),
pequeñas cantidades de otros hidrocarburos, particulado carbonoso, cenizas y partículas de
CaSO3, de CaCl2, CaF2 y de Ca(OH)2 que tienen que ser eliminadas antes poder utilizar el
syngas.
Del reactor de gasificación/reducción sale un producto sólido formado por las cenizas con
eventualmente un porcentaje de carbón de la biomasa introducida en el reactor.
3.4 Neutralización
La utilización de carbón mineral junto con biomasa en el reactor de gasificación/reducción es
necesaria porque los vapores de mercurio presentes en el syngas a 350° - 400 °C se pueden
neutralizar produciendo HgS a partir de H2S con la siguiente reacción [7]:
Hg+ H2S→ HgS+H2
(6)
en el reactor de gasificación/reducción por la introducción de materia orgánica con alto
contenido de azufre, por ejemplo carbón mineral, se genera H2S por la presencia de hidrógeno y
de azufre elemental y ausencia de oxígeno [9].
El HgS es un sólido muy estable y no tóxico que queda en syngas como particulado[10]. La
utilización de Ca(OH)2 es necesaria para la neutralizacion de todos los acidos presentes en el
syngas mediante las reacciones (7), (8), y (9). Las sales formadas se encuentran entonces en el
syngas como particulado.
Ca(OH)2+ SO2→ CaSO3+ H2O
(7)
Ca(OH)2+ 2HCl→ CaCl2+ 2H2O
(8)
Ca(OH)2 +HF → CaF2 + 2 H2O
(9)
3.5 Filtración
La tercera etapa del gasificador IGS es un sistema de filtrado en caliente mediante filtros
cerámicos o metálicos que filtran las partículas en el syngas para:
Eliminar las partículas micrónicas de ceniza y de carbón arrastrado por el syngas y cumplir
con los límites de emisión de particulado y para que junto con las partículas de ceniza eliminar
todos los metales pesados condensados en ellas.
Eliminar las partículas de CaCO3, CaCl2 y CaF2 y todos los elementos ácidos en el syngas.
Obtener un syngas sin polvo, ácidos y metales pesados y sin dioxinas, furanos y NOx.
Evitar enfriar el syngas evitando la producción de efluentes líquidos.
Poder utilizar calderas comerciales para gas y no para sólidos.
4. Conclusión
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Esta tecnología de tratamiento de los RSU produce un syngas “limpio” que cumple con los
límites de emisión de sustancias tóxicas[2], [4], [11] al ambiente a través del manejo controlado
de temperatura, vapor de agua, hidróxido de calcio, ácido sulfhídrico y una filtración en
caliente; son plantas modulares de tamaño pequeño que, pueden ser utilizadas junto a calderas
de vapor y ciclos de Rankine para generación eléctrica. El hecho de acoplar una etapa de
incineración a una de gasificación/reducción simplifica y abarata la eliminación de las
dioxinas/furanos y de los vapores de mercurio con respecto a las tecnologias de las plantas de
incineración convencionales conservando al mismo tiempo las grandes ventajas en el manejo de
residuos heterogéneos que tienen los incineradores con respecto a los gasificadores de cualquier
tipología.
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