Conferencia Farid Chenne Janna - Colombia

GASIFICACIÓN UNA
ALTERNATIVA PARA COLOMBIA
Farid Chejne Janna
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
CONTENIDO
Introducción
Generalidades Carbón y Biomasa
Proceso de la Gasificación
Proyectos en Colombia
INTRODUCCIÓN
Costos Relativo
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Carbón
Gas del
carbón
Fuel Oil
Crudo
Gas
Natural
Diesel
Kerosene
Energía
eléctrica
 Las principales fuentes
ACTUALES primarias de
energía: combustibles
fósiles.
 La demanda de energía
aumenta y reservas de
combustibles fósiles
disminuyen.
 Impacto ambiental uso
combustibles fósiles:
Gases de Invernadero
CO2, emisiones de
Mercurio, Material
Particulado
 Tecnologías alternas con
menor impacto ambiental
y posibilidad usar otros
energéticos.
 Gasificación: Conversión
de combustible sólido en
combustible gaseoso
mediante reacción con
oxígeno (aire) y/o vapor
de agua.
 Combustibles sólidos:
carbón, biomasa, coque
de petróleo, residuos
urbanos
Carbón
El carbón es un combustible
orgánico originado de la
descomposición de materia
vegetal
La composición del carbón
varía ampliamente por lo que
existen diferentes tipos o
rangos: lignito hasta
antracitas
Biomasa
 Todo material orgánico de
origen vegetal, incluye
algas, árboles y cultivos.
 Biomasa almacena energía
solar (fotosíntesis) en
enlaces químicos.
 Los enlaces químicos son
cadenas de moléculas que
conforma la materia
vegetal: celulosa,
hemicelulosa, lignina,
proteína y triglicéridos.
FOTOSÍNTESIS
h
O2
H2O
CO2
(CH2O)
Energía solar
Residuos agrícolas,
forestales y cultivos
energéticos
Residuos de industrias
forestales
y agroalimentarias
Residuos
urbanos
Residuos
ganaderos
Características química de Maderas
como combustible:
 Análisis último (%wt seco)






Carbono
Hidrógeno:
Oxígeno:
Nitrógeno:
Azufre:
Cenizas:
48-52%
5,5-6,5%
39-44%
O,2-0,5%
Max 0,2
0,1-1,5%
Fuente: D. Tilman and N. S. Harding. “Fuels of opportunity”; ELSSEVIER, 2004
CONTENIDO ENERGÉTICO DE LA MATERIA
ORGÁNICA DE DIFERENTES ESPECIES DE
PLANTAS
VEGETAL
CONTENIDO ENERGÉTICO-Base Seca (MJ/kg)
Pasto
16.8 - 18.0
Papa
14.2 - 15.9
Girasol
18.0 - 19.3
Poroto
15.9 - 16.8
Maíz
17.8 - 18.0
Coníferas
20.1 - 20.5
Cáscara de arroz
16.1
Bagazo de caña
17.3
Cáscara de coco
19.0
Ramas de algodón
18.3
Proceso para el
aprovechamiento del carbón y
la biomasa
POTENCIALIDADES DE LA BIOMASA
Energía Renovable
Aplicación o uso final
Tecnología de transformación
Energía térmica
Digestión Anaerobia
Combustible
gaseoso
Otros usos,
Industrial,
comercial,
residencial
Generación E.
Eléctrica
Gasificación
Pirólisis
Fermentación
alcohólica
Fuerza motriz
Combustible
líquido
Carbón
Biomasa
Refinación aceites
vegetales
Sistemas aislados
Combustión directa
Energía
eléctrica
Fuerza motriz
Co-combustión
Energía térmica
Red Eléctrica
PROCESOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA
Oxidante (aire ) (1)
QUEMA DIRECTA (COMB.)
Calor, gases alta temp.
Oxidante (aire o O2) (1)
Gas combustible
PROCESOS
TERMOQUÍMICOS
GASIFICACIÓN
PROCESO CATALITICO
Combustible
Líquido
Calor
• Gases combustibles
PIROLÍSIS
LIQUEFACCIÓN
CO, H2
• Líquidos (alquitrán, ácido
piroleñoso, bio-aceites)
• Sólidos (carbón vegetal)
Hidrocarburos
Bio-aceites
PROCESOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA
FERMENTACIÓN
Etanol
PROCESOS
BIOLÓGICOS
DIGESTIÓN ANAERÓBICA
Biogas
DIGESTIÓN ANAERÓBICA
APLICABLE A:
SALIDA DEL BIOGAS
ALIMENTACIÓN
- Residuos ganaderos
- Residuos urbanos orgánicos
- Materia orgánica en general
VENTAJAS:
calentamiento
Salida de efluente
- Se reduce la emisión de olores
- Reducción de gérmenes y organismos patógenos
- Se produce poca cantidad de biomasa
- Se produce un gas con porcentaje en metano
PROCESOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA
PROCESOS
FÍSICOS
DENSIFICACIÓN (SECADO)
Pellets, briquetas
REDUCCIÓN (GRANULOM.)
Virutas, aserrín
PRENSADO MECÁNICO
Aceite vegetal
Estado de desarrollo de las tecnologías
para gasificación de biomasa.
Fuente: D. Tilman and N. S. Harding. “Fuels of opportunity”; ELSSEVIER, 2004
Proceso de la
Gasificación
Etapas en el proceso de gasificación
Secado
~500 °C
Pirólisis
Gasificación
Gas de síntesis
Gases:
No condensables
Condensables
(alquiitranes)
Carbonizado ( Char)
Definición de la Gasificación
VAPOR DE AGUA
+
OXÍGENO
CO2
BIOMASA [ C4.2H5.8O2.8 ]
H2, CO, O2,
H2O, CH4, N2,
Temperaturas:500-1400ºC y
Presiones 1 hasta 30 bar
hidrocarburos
.
PRODUCTOS DE LA GASIFICACIÓN:
GAS COMBUSTIBLE (base libre de
nitrógeno):
H2:
CO:
CH4:
CO2:
Otros:
H2O:
30-40%
20-30%
10-15%
15-20%
1%
6%
OTRO PRODUCTOS (contaminantes en el gas):
 Material particulado: ciclones, filtros cerámicos
 Metales alcalinos: K y Na: reducir sílice en el
lecho para evitar formación de silicatos de Na
y K y la sinterización
 NH3 y HCN: Tamices moleculares
(ejm.zeolitas)
 Alquitranes (Tar): control de gasificación
 H2S y HCl: caliza en el lecho + inyeccion
sorbentes al gas (ZnO para S y Na2CO3 o Na2O
para Cl)
Tres tipos de productos según poder calorífico:
 Bajo Poder calorífico: 4-6MJ/Nm3. Usando aire
o vapor/aire (nitrógeno en el gas orden 50%)
 Medio Poder calorífico: 10-18 MJ/Nm3. Usando
oxígeno y vapor
 Alto poder calorífico: 40MJ/Nm3. Usando
hidrógeno e hidrogenación
Gas natural 36MJ/Nm3
Calidad del gas depende de consideraciones económicas. (costo
separación de oxígeno del nitrógeno en el aire)
Tendencias de las concentraciones con
temperatura y presión.
Con base en equilibrio químico. Kristiansen,1996
USO DE LOS GASES
METANOL
AMONÍACO
HIDRÓGENO
H2, CO, (CH4)
ALCOHOLES
GASOLINA
CALOR
ELECTRICIDAD
Combustibles
Gas de
sintesis
CO/H2
Productos
Qcos.
Limpieza de corriente gaseosa/
separación de componentes
Gasificador
H2
Coal
Gases
constituyentes
Alimentación
Petroleo
H2
Celda de
combustible
Material
particulado
Biomasa
Solidos
Combustible para el transporte
Comp. de azufre/
acido sulfurico Aire
Energía
eléctrica
Ciclo de gas
Energía
eléctrica
Oxigeno
Basura
Aire
Gases
Agua
HRSG
Vapor
Residuos solidos
comercializables
Ciclo
combinado
Gases
Chimenea
Turbina de vapor
CO2
Energía
eléctrica
Producción metanol:
el gas de síntesis debe tener las siguientes condiciones:
 Relación H2/CO= 2 o superior
 Baja concentración de N2, CH4 e hidrocarburos para
evitar formación de inertes a las reacciones de
producción de metanol
 Relación CO2/CO alrededor 0.6 para evitar desactivación
del catalizador
 Producción H2: el gas se lleva a reactores Shift para convertir
CO en H2 : CO+ H2O = H2 + CO2
Celdas de combustible:
tecnología en desarrollo.
Eficiente para generación
de electricidad pero
costosa.
 Producción combustibles sintéticos: síntesis Fischer-Tropsch
(FT): Reacción catalizada del H2 y CO para producción cadenas
de hidrocarburos
1. Solo si la llama es estable
Resumen características deseables del gas para diferentes
aplicaciones
PROYECTOS DE GASIFICACIÓN EN
COLOMBIA
PROYECTO 1: GASIFICACIÓN EN LA
UNAL, UDEA y UPB.
DESDE 1990
Planta piloto
Conversión [%]
CONVERSIÓN DE CARBÓN
80
70
60
50
40
30
1.5
2.0
2.5
3.0
Relación Fa/Fc [kg/kg]
Fv/ Fc=.58
Fv/ Fc=.71
Fv/ Fc=.61
3.5
Conversión [%]
CONVERSIÓN DE CARBÓN
80
70
60
50
40
800
820
840
860
Tem peratura [°C]
Fv/ Fc=.58
Fv/ Fc=.71
Fv/ Fc=.61
880
COMPOSICIÓN DEL GAS GENERADO
CONCENTRACIÓN GASES[%]
30
25
20
15
10
5
0
800
820
840
860
880
TEMPERATURA [°C]
H2[%]
CO2[%]
CH4[%]
CO[%]
900
920
P.C.S. [MJ/Nm3]
PODER CALORÍFICO DEL
GAS
3.5
3
2.5
2
1.5
2.0
2.5
3.0
Relación Fa/Fc [kg/kg]
Fv/ Fc=.58
Fv/ Fc=.71
Fv/ Fc=.61
3.5
Paso de piloto a industrial
Características del Prototipo
El equipo tiene una capacidad para
procesar 160 kg/h de carbón
Para producir un poco más de 20000
kg/h de aire caliente a 150°C aptos
para el secado de 80 toneladas de
material cerámico
Distribución en planta del montaje del gasificador
Ducto de transporte de gases
Ventilador de succión (Tiro inducido)
Tanque pulmón
Cámaras de
secado
Cámara de mezclado
Ducto principal
Suministro de aire
secundario
Reactor en lecho
fluidizado
Almacenamiento y suministro
de agua
Ventilador de tiro forzado
Dosificador y alimentador de
carbón y caliza
PROYECTO CO-GASIFICACIÓN
Proceso de la Cogasificación
+
BIOMASA
CARBÓN
Aprovechamiento de la sinergia
 Alto contenido de oxígeno: mejora
la combustión y disminuye de esta
forma el impacto ambiental.
 El azufre del carbón reacciona con
los
álcalis
de
la
biomasa,
disminuyendo
la
formación
de
depósitos corrosivos
Análisis Último materia prima
Materia
Prima
H
N
S
O
de 46,8
4,9
0,6
0,6
47,1
51,6
4,9
0,9
0
42,6
Cascarilla
de arroz
45,8
6
0,3
0
47,9
Carbón
ripio
82,4
5,1
0,8
1,4
10,3
Cisco
café
Aserrín
C
Densidad aparente y real de
las materias primas
Densidad
kg/m3
Densidad
real
kg/m3
Cisco de café
673.68
826.2
Aserrín
395.34
864.4
Cascarilla de arroz
348.78
971.1
Carbón
1000.0
1326.8
Material
COMPOSICIÓN DE LOS GASES
OBTENIDOS
50.0
Composición gas (%v)
45.0
40.0
35.0
30.0
CO
25.0
CO2
20.0
H2
15.0
10.0
5.0
0.0
Aserrin
Cisco
Cascarilla
TIPO DE LLAMA OBTENIDA
Opciones en procesos de cogasificación
NUEVO PROYECTO EN LA
LADRILLERA
ESTRUCTURA
LINEA DE
GAS DE
SINTESIS
LINEA DE
AIRE
PRIMARIO
PROYECTO NECOCLÍ
ESTUDIO Y DISEÑO DE UN
SISTEMA DE GENERACIÓN
DE ENERGIA ELECTRICA A
PARTIR DE LA
GASIFICACION DE BIOMASA
EN ZONA RURAL DEL
MUNICIPIO DE NECOCLÍ.
PREMUESTREO

Medición y registro de:

Medición de peso del material
grueso.

Subparcelas de muestreo para
material fino.

Selección, medición y empaque
de muestras para pruebas
físico – químicas.

Determinación del ancho de
playa y dimensiones adecuadas
para las parcelas
diámetros, longitud, grado
descomposición, especie,
observaciones.
Lo que se encontró…
 Gran deposición de madera en las
playas del municipio
 Usos de la madera para cercar
terrenos
 Quema de la madera en la playa y en
el terreno destinado para ello
 Contrabando de energía
 Peligros por las instalaciones
 Los
aserríos
generan
pequeñas
cantidades de desperdicios
Fundación CARTIF 9 - 13 junio
2008
Estrategia
 Cuantificación de la madera que llega
a las playas
 Clasificación de la madera
 Condiciones de la madera
 Reconocimiento del sistema de
gasificación
 Evaluación de la madera de Necoclí
para generar
 Diseño del proceso
Áreas de recolección
– SIG.
-
17.73 Km. de playa
aproximadamente.
1.
2.
3.
4.
Ceibita: 1.5 Km.
Totumo: 4 Km.
Casa blanca: 1Km.
Cabecera Mpal: 3.1 Km.
Área total de muestreo: 9.6
Km.
-
Muestreo Estratificado al
azar
con
distribución
proporcional: 4 ESTRATOS.
Proceso Necoclí
Tecnología
 Capacidad de
generación:
 40 kWe Brutos
 35 kWe Netos
 Requerimientos:
 Madera 3.5 x 3.5 x 5
cm
 80 kg/h de madera
 Humedad <20%
 Gasificador en lecho
fijo: DOWNDRAFT
Proceso Necoclí
ADECUACIONES
ADECUACIONES
TRASLADO EQUIPOS
ARMADO - FILTROS
ARMADO – SKIP CHARGER
ARMADO – MOTOR-GENERADOR
OTROS PROYECTOS
 Gasificador de 12 ton/h para ARGOS
 Gasificador de alta presión (30 bar),
proyecto ISAGEN-COLCIENCIASUNAL-UDEA-UPB.
 Gasificación de cascarilla de arroz
para el Chocó, Proyecto UdeA.
 Dos proyectos industriales Proyecto
privados que desconozco.
CONCLUSIÓN
Todos estos proyectos son
posibles gracias al apoyo
tanto logístico como
financiero de
COLCIENCIAS, IPSE,
MINERCOL, ISAGEN,
UNAL, UDEA, UPB