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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