Influencia de la relación estequiométrica en la gasificación de residuos de cítrico

1. Resumen
3. Procesos
   termoquímicos
4. Análisis inmediato y
   elemental de las muestras de residuos de
   cítricos
5. Gasificación de residuos
   de cítrico para diferentes relaciones
   estequiométricas
6. Discusión de los
   resultados

Resumen:

En este trabajo a
partir de una profunda revisión bibliográfica sobre
el tema se valora a partir de la gasificación en lecho
fluidizado, la utilización de los residuos de
cítricos y su aprovechamiento energético. Los
residuos son homogenizados para valores de
humedad inferiores al10%, reduciendo el tamaño de
partículas a 0,3 – 0,8 milímetros. Se utiliza
como agente gasificante el aire, variando la
relación estequiométrica (RE) de 26, 30 y 35 % y
manteniendo la temperatura
constante a 850ºC,

Palabras claves: Gasificación, residuos,
cítricos, relación estequiométrica,
composición de los gases,
valor
calórico.

Categoría. Energía
renovable.

1. Introducción:

Como es bien conocido, en la industria
alimenticia y en especial la del proceso de
obtención de jugos o concentrado a partir de
cítricos, poseen elevados porcientos de residuos en la
producción los cuales se destinan
fundamentalmente a la alimentación animal o
como es el caso de los residuos de cítricos son secados al
medio ambiente
de una forma natural, lo cual trae consigo una elevada contaminación ambiental y una
degradación del medio con el que se pone en
contacto.

De acuerdo a la información científica existente,
las cualidades de los residuos de cítricos poseen elevados
valores energéticos, los cuales se pueden aprovechar de
una manera mas eficiente y limpia con respecto a los usos
actuales por lo que este trabajo plantea el estudio de viabilidad
de la gasificación de residuos de cítricos del
proceso de obtención de jugos o concentrado como proceso
de eliminación y valorización energética ya
que no se conocen estudios referidos a este tema. La
gasificación es si mismo un proceso termoquímico
que genera un mayor rendimiento energético y que por la
condiciones reductoras de operación minimiza los problemas
medioambientales.

La gasificación de un sólido es un proceso
que engloba la descomposición térmica de la
materia
orgánica y la acción
de un gas que reacciona
principalmente con el residuo carbonoso resultante de la
descomposición térmica. Durante la
gasificación se consigue la transformación de un
sólido en un gas susceptible de ser aprovechado como
combustible o como materia prima
para la producción de otros compuestos químicos. En
función
del tipo de agente gasificante que se emplee se pueden distinguir
diferentes procesos de
gasificación obteniéndose distintos productos. Si
se emplea aire u oxigeno como
agentes gasificantes se obtiene un gas combustible de bajo y
medio contenido energético respectivamente, que puede
emplearse como combustible en motores de
combustión interna u otro equipo donde se
genere calor por
combustión. Si se emplea vapor de agua como
agente gasificante se obtiene un gas enriquecido en H2
y CO que puede utilizarse como gas de síntesis
para compuestos químicos tales como amoniaco, metanol,
gasolinas etc. Por último si es hidrógeno el agente gasificante se obtiene
un gas de alto contenido energético que puede utilizarse
como sustituto del gas
natural.

Los dos tipos de reactores que se suelen emplear en el
proceso de gasificación de residuos
sólidos son fundamentalmente los de lecho móvil
(en contracorriente y corrientes paralelas) y los de lecho
fluidizado. Cada uno de ellos presenta una serie de ventajas e
inconvenientes. El gasificador de lecho fluidizado permite
más fácilmente el escalado del proceso, presenta
una mayor capacidad de procesamiento y un mejor control de la
temperatura del proceso que el gasificador de lecho móvil.
Otra ventaja muy importante que presenta el lecho fluidizado
frente al lecho móvil es que permite la adición de
catalizadores en el lecho para llevar a cabo gasificaciones
catalíticas. Sin embargo, el lecho fluidizado
también presenta una serie de inconvenientes, por ejemplo,
se necesita una trituración previa del material
sólido a alimentar puesto que para obtener una buena
fluidización el tamaño de partícula debe ser
inferior a 2 cm. Por otro lado, no todos los materiales
sólidos fluidizan fácilmente, en ocasiones es
necesario añadir otro sólido coadyuvante de la
fluidización. Por último, otro inconveniente puede
ser la pérdida de fluidización como consecuencia de
las aglomeraciones y sinterización del lecho, determinado
por las propiedades termoplásticas del material,
así como por la temperatura de fusión de
sus cenizas. Como se puede comprobar la selección
del tipo de gasificador a emplear en el proceso es una de las
variables
más importantes a evaluar ante la puesta en marcha de una
posible planta de gasificación de un residuo
sólido.

Cuando la gasificación esta integrada en un ciclo
combinado, el residuo sólido se transforma en gases
combustibles de bajo-medio poder
calorífico que son los que posteriormente se queman en un
motor de
combustión interna, generador de vapor o turbina
generándose energía. Está
científicamente comprobado que el rendimiento
energético de la combustión de gases puede ser en
torno a un 10-15%
superior al obtenido en la combustión de un sólido.
Por otro lado, desde el punto de vista medioambiental, la
gasificación es también una tecnología más
limpia, ya que al llevarse a cabo en condiciones menos oxidantes,
la producción de contaminantes tales como, NOx
y SOx es menor. En cuanto a la posible
generación de dioxinas y furanos hay que indicar que
debido al mayor rendimiento obtenido en la combustión de
gases cabría esperar una reducción en el nivel de
dioxinas en el supuesto de que se generasen durante la
transformación del residuo sólido en gases. Se ha
demostrado que las dioxinas se destruyen a temperaturas
superiores a 850 ºC, de modo que se quemarían en el
motor de gas donde el rendimiento de combustión es muy
alto, ocurriendo lo mismo con cualquier compuesto fenólico
originado durante la transformación del sólido en
gas que pudiera ser susceptible de formar dioxinas o furanos a
temperaturas menores mediante el proceso de la síntesis
Novo.

2. Procesos
termoquímicos

Los procesos termoquímicos de conversión
de la biomasa en energía o combustibles son aquellos en
que se encuentran implicadas reacciones
químicas irreversibles, a altas temperaturas y en
condiciones variables de oxidación. Esta tecnología
se utiliza en casos en los que la biomasa, por su estado
básicamente sólido y seco, permite para su
transformación en energía altas velocidades de
reacción. En estos procesos se obtienen conversiones
normalmente elevadas de la materia prima del 85 al 95% de su
materia orgánica con alta eficacia y
relativa poca sensibilidad al variar de un material a otro; y
además se pueden dirigir hacia los productos más
convenientes. Desgraciadamente, los métodos
disponibles en la actualidad no generan un producto
único, sino que dan mezclas de
combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, que
también poseen un elevado valor energético .
Además, dichos procesos pueden producir un amplio espectro
de productos energéticos.

En este aspecto, si el calentamiento de la biomasa se
lleva a cabo con un exceso de aire (combustión), se
obtiene como producto final calor, pudiéndose utilizar
éste, bien para la producción de vapor que mueva
una turbina (generación de energía
eléctrica), o bien directamente en otros
procesos.

Si la combustión de la biomasa no es completa, el
proceso se denomina gasificación. Este proceso se puede
llevar a cabo con oxígeno, lo que permite obtener gas de
síntesis, combustible de gran interés
actual, por la posibilidad de su transformación en
metanol, o bien con aire, produciendo el denominado "gas pobre",
que puede aprovecharse en la línea calor –vapor —
electricidad.

El tercer gran grupo de
procesos termoquímicos se puede englobar dentro de
la

denominación de pirólisis, o
calentamiento de la biomasa en ausencia total de aire. Por esta
vía se obtienen combustibles gaseosos, líquidos o
sólidos, en función de la composición de la
biomasa y de las condiciones de operación. Los procesos de
pirólisis actualmente más apreciados, porque
permiten la producción de combustibles líquidos,
son variantes del proceso general que operan con la
adición de otros reactivos químicos.

2.1 Gasificación

Bajo la denominación de gasificación se
recogen todos aquellos procesos que llevan implícita una
combustión en condiciones de defecto de oxígeno,
con producción de monóxido y dióxido de
carbono,
hidrógeno y metano, en
proporciones diversas según la composición de la
materia prima y las condiciones del proceso.

La temperatura de operación es un factor
importante en estos procesos. Para obtener un buen rendimiento de
la mezcla gaseosa resultante (contenidos altos en
hidrógeno y monóxido de carbono) es necesaria una
temperatura mínima de 700 a 800 °C. Con objeto de
evitar problemas técnicos debidos a la fusión y la
aglomeración de cenizas se impone una temperatura
máxima, trabajándose generalmente entre 800 y 1500
°C. Estas temperaturas permiten desarrollar las tres fases
similares a las de la combustión, limitándose la
cantidad de comburente a un 10 – 50% del teóricamente
necesario para una combustión completa. La
calefacción del reactor se realiza normalmente mediante la
combustión del gas producido, aún cuando se
están desarrollando otros métodos como la
utilización del calor de un horno solar o el calentamiento
mediante un arco voltaico.

2.1.1 Clasificación de la
gasificación

La gasificación de la biomasa puede ser
clasificada atendiendo a los siguientes criterios:

• Agente gasificante: Aire, oxígeno, vapor de
  agua, C02, H2
• Forma de suministrar el calor: Método
  directo o indirecto
• Tipo de reactor: Lecho móvil en
  contracorriente o en corriente paralela. Lecho fluidizado.
  Transporte
  neumático, sistemas
  combinados o circulantes.
• Presión y temperatura del reactor.
• Forma de separar las cenizas.

Atendiendo al agente gasificante el proceso de
gasificación con aire, es el que, a nuestro juicio,
presenta un mayor interés económico y social. En
este proceso, el oxígeno del aire quema parcialmente el
residuo carbonoso procedente de la pirólisis (proceso
simultáneo al de gasificación), y se genera el
calor necesario para el proceso. Al no necesitar fuente de calor
externa, este proceso permite con un bajo costo el
aprovechamiento local en diversos pueblos, granjas, comarcas o
cooperativas,
de diversos residuos agrícolas y forestales mediante su
conversión termoquímica en gases de bajo contenido
energético.

Existen sistemas y procesos de gasificación con
aire en desarrollo o
ya disponibles comercialmente, que aprovechan los más
variados tipos de biomasa en función del país donde
se han implantado. Por otra parte, las tecnologías de
gasificación y purificación de gases son muy
diversas dependiendo fundamentalmente de la aplicación
posterior del gas.

La evaluación
y comparación de estos sistemas o procesos no es sencilla,
debido a los numerosos factores a tener en cuenta y al hecho de
que algunos de ellos están diseñados para una
única aplicación, no pudiéndose comparar
para otras aplicaciones.

El aire se introduce principalmente para aporte de calor
mediante la combustión de parte del residuo carbonoso. El
producto a obtener es un gas combustible de bajo contenido
energético (inferior a 6 MJ/Nm3). Los reactores más
utilizados son los de lecho móvil en contracorriente
(ó updraft) o en corriente paralela (ó downdraft) y
los de lecho fluidizado. Este gas puede emplearse como
combustible en quemadores de calderas o
turbinas de gas, o en aparatos de combustión
interna.

La gasificación con oxígeno y/o vapor de
agua se utiliza para obtención de gas de medio contenido
energético (10-20 MJ/Nm³) o de gas de
síntesis. Es un gas de mayor calidad al no
estar diluido con nitrógeno.

El lecho fluidizado es el más apropiado para la
gasificación de biomasa con aire o vapor de agua. Sin
embargo, no se puede utilizar con todos los tipos de residuos
agrícolas y forestales ya que el tamaño y la forma
de éstos puede limitar su uso. El tamaño debe ser
inferior a 1 cm, pudiendo ocasionar un aumento en el coste de
trituración del residuo. Este factor puede solucionarse
añadiendo un segundo sólido inerte (arena, alúmina)
que ayude a fluidizar la biomasa.

Con la gasificación con H2 se produce
un gas con alto contenido energético (superior a 30
MJ/Nm3) que por tener altos porcentajes de metano y
olefinas, puede utilizarse como sustituto el Gas
Natural.

También pueden utilizarse catalizadores durante
la reacción. Las razones que hacen atrayentes el empleo de
catalizadores son:

– Alto incremento de las reacciones de conversión
dadas.

– Temperaturas de reacción más bajas,
mayores eficacias.

– Reduce el contenido de metano en el gas de
síntesis.

– Permite obtener una composición de producto
adecuada para una aplicación particular tales como
CH4, H2, CH3OH,
NH3.

2.1.2 Tipos de gasificadores

Los tipos de reactores (gasificadores) que pueden ser
utilizados en la gasificación de biomasas son los de lecho
móvil (en contracorriente y corrientes paralelas), de
lecho fluidizado y de transporte. Cada uno de estos reactores
presenta una serie de ventajas e inconvenientes, lo que hace que
su elección dependa de varios factores.

Los principales criterios de elección
son:

• el tamaño y la densidad del
  residuo biomásico a procesar,
• la capacidad del procesamiento,
• la calidad deseada para el producto gaseoso a
  obtener.
• la cantidad de energía que se desea
  obtener.

En la Tabla 1 se muestran algunas características
de los residuos a ser tratados en estos
reactores.

Tabla 1. Requerimientos de la biomasa para su
aprovechamiento en lecho móvil en corrientes
paralelas

Los gasificadores más utilizados son los de lecho
móvil y fluidizado. Los reactores de lecho móvil
permiten utilizar un amplio intervalo de tamaños de
sólidos, lo que les convierte en adecuados para la
cáscara de almendra, ramón de
olivo, astillas, maíz, etc.
No son adecuados para la gasificación de residuos de baja
densidad (pajas de cereales, aserrín, etc.) debido a la
formación de canales preferenciales en el lecho, con las
consiguientes zonas muertas. Aunque si previamente estos residuos
fueran densificados en pellets o briquetas sí
serían adecuados para su procesado en lechos
móviles. Para lograr una buena fluidización el
tamaño del residuo debe ser inferior a 2 cm, lo que hace
que normalmente se necesaria una trituración previa con el
consiguiente costo.

Para un mismo volumen de
reactor, un lecho fluidizado permite procesar una mayor cantidad
de sólido que un lecho móvil. En general, las
capacidades de procesamiento más adecuadas son de 100 –
800 y 600- 6000 kg/h para el lecho móvil y fluidizado
respectivamente.

Es importante resaltar que en un lecho móvil la
pirólisis tiene lugar en una zona de

relativamente baja temperatura (300 – 400 °C), por
lo que se forman muchos productos líquidos, principalmente
alquitranes.

Si se opera en flujo en contracorriente, estos
líquidos son arrastrados por el gas hacia zonas de menor
temperatura y fuera del gasificador. En consecuencia el gas
obtenido contiene mucho alquitrán y polvo, por lo que es
necesario su purificación antes de ser utilizado como
combustible en motores de combustión interna. Sin embargo
puede tener aplicaciones directas en el secado de materiales y en
generación de vapor en calderas modificadas.

Este inconveniente se evita utilizando un reactor de
flujo en paralelo. En este caso el flujo descendente arrastra los
alquitranes procedentes de la pirólisis hacia la zona de
oxidación que se encuentra a elevada temperatura (1200 –
1500 °C), donde se consigue su craqueo y/o
descomposición a gases. Con el flujo en corrientes
paralelas se presenta una cuarta zona en el reactor (zona de
reducción) que permite obtener mayores cantidades de CO y
CH4 en los gases producto aumentando su contenido
energético. Al ser un gas limpio y de alta calidad, dicho
gas puede ser utilizada directamente (debido a su alta
temperatura de salida) en quemadores de calderas y turbinas de
gas, o, si se enfría previamente, en motores de
combustión interna.

En un lecho fluidizado, y debido al previsible flujo de
mezcla perfecta del sólido existen gradientes espaciales
de temperatura. Esto hace que el proceso de pirólisis
tenga lugar a alta temperatura (800 °C) y a alta velocidad de
calentamiento del sólido, evitando la formación de
productos líquidos. Asimismo, favorece el de control de
temperaturas, pudiéndose conseguir la distribución de productos deseada y obtener
un gas de mayor contenido energético al conseguirse una
mayor cantidad de CO, H2 y principalmente
CH4.

Gasificación en lecho móvil en
contracorriente:

En la gasificación en lecho móvil en
contracorriente el calor se genera en la parte inferior del lecho
por donde se introduce el aire. Se forman perfiles de temperatura
muy acusados, lo que hace que el material biomásico pase
por regiones que están a muy distintas temperaturas y los
procesos implicados (secado, pirólisis, oxidación)
tengan lugar gradualmente. Su simplicidad y posibilidad de
procesar biomasa de hasta un 50% de humedad, hizo que este tipo
de reactor fuese muy utilizado. Su capacidad para procesar
biomasa oscila entre 500 y 2000 kg/h.

Este tipo de gasificador, updraft, produce del 5% al 20%
de productos alquitranados, por lo que no es recomendable
utilizarlo directamente para el funcionamiento de motores, siendo
adecuado para su combustión en quemadores.

Gasificación en lecho móvil en
corrientes paralelas:

En gasificación en lecho móvil en
corrientes paralelas el aire es introducido dentro del lecho de
biomasa de forma que los flujos de gas y del aire son
básicamente descendentes. Los productos líquidos y
gaseosos formados en la pirólisis son obligados a pasar a
través de una zona más caliente que craquea los
alquitranes, obteniéndose gases con muy poco contenido en
estos productos, menor del 1%.

Además de las tres regiones (secado,
pirólisis y oxidación) mencionadas en el
gasificador de lecho móvil en contracorrientes,
aquí presenta una cuarta región (reducción)
en el que tienen lugar reacciones con vapor de H20 y
C02 que permiten obtener gases con mayor contenido
energético que los del gasificador en contracorriente.
Estos reactores son adecuados para procesar pequeñas
capacidades (100 – 800 kg biomasa/h), admite un contenido en
humedad del 30%

Gasificación en lecho
fluidizado:

Debido al flujo de mezcla perfecta del sólido, no
se forman gradientes de temperatura. La pirólisis en un
lecho fluidizado se efectúa a una velocidad de
calentamiento alta lo que disminuye la producción de
alquitrán. Asimismo, la isotermicidad del lecho fluidizado
permite un mayor control de temperatura.

Son más adecuados para capacidades importantes
(superior a 600 kg biomasa/h). Los sólidos a procesar
deben ser de tamaño inferior a 1 cm y su contenido en
humedad inferior también al 50%.

Gasificador de flujo cruzado:

Los gasificadores de flujo cruzado o tiro transversal
son una adaptación de los gasificadores de lecho
móvil para el empleo de carbón vegetal. La
gasificación de carbón vegetal produce temperaturas
muy elevadas (superiores a 1500 °C) en la zona de
oxidación que pueden producir problemas en los materiales.
En este tipo de gasificadores el propio combustible sirve de
aislamiento contra estas altas temperaturas.

Gasificador de horno rotatorio:

El funcionamiento de este tipo de gasificador presenta
similitudes con los gasificadores de lecho móvil pero
tiene sus propias características, sobre todo por lo que
atañe a la parte mecánica que facilita el desplazamiento de
los sólidos lo que hace más fácil el
funcionamiento en continuo del sistema. En un
horno rotatorio el gas se puede circular en contracorriente o en
paralelo con el sólido, teniendo cada caso sus ventajas e
inconvenientes, pudiendo establecerse en algunos casos una
analogía con los gasificadores de lecho móvil ya
mencionados.

Los principales componentes de este tipo de
gasificadores son: una tolva para la carga de la biomasa, un
alimentador del horno, una cámara de carga, un horno
cilíndrico rotativo donde circulan los sólidos con
el aire y los gases, un sistema para la alimentación de
aire y la cámara de descarga.

Otros tipos de gasificadores son:

Los gasificador de flujo ascendente (Entrained
bed)

Los principales requerimientos en la elección
de un gasificador de biomasa son:

a) El gas producido deberá estar libre de
alquitrán, polvo y cenizas.

b) Las pérdidas de energía deben ser
relativamente bajas.

c) El modo de operación será simple y
adaptable a diferentes tipos de alimentación.

d) Debe ser de simple construcción y que permita la
eliminación de las cenizas.

e) Para evitar puntos fríos en la zona de
oxidación, por donde pudieran "pasar"

alquitranes sin craquearse, deben elegirse adecuadamente
la velocidad del medio

gasificante y la geometría de esta zona del
gasificador.

f) El tiempo de
residencia de la biomasa en la zona de pirólisis debe ser
suficiente

para conseguir la máxima volatilización
posible.

g) Elección de los materiales de
construcción para prever el efecto de altas

temperaturas, corrosión, abrasión,
etc..

h) El movimiento de
la biomasa y los gases. Deben ser estacionarios, sin

taponamientos ni zonas muertas.

Tabla 2: Marco de trabajo de diferentes
gasificadores.

3. Análisis inmediato y elemental de las
muestras de residuos de cítricos.

Para el análisis inmediato se utilizó la
norma ISO 562-1974
(F) en la determinación de materias volátiles y la
ISO 1171-1976 (F) para la determinación de las cenizas y
los equipos utilizados fueron:

• horno de mufla hasta 100 ºC para eliminar la
  humedad recibida de los residuos de cítricos hasta un
  valor menor del 10 % y para el cálculo
  de la humedad en cada análisis realizado.
• Horno mufla digital hasta 1200 ºC, para la
  determinación de las cenizas y los
  volátiles.
• Crisoles con tapas,
• Deshumificador,
• Balanza de precisión (0.0001) .

El resultado del análisis se muestra a
continuación.

Tabla # 1: Análisis inmediato de los residuos
de cítricos en base seca

Para obtener los resultados sobre el Análisis
elemental y los valores
calóricos de los residuos de citricos que se muestran a
continuación, se contrataron los servicios de
petroquimica
en Zaragoza España.

Tabla #2: Análisis elemental de los residuos
de cítricos

*El % de hidrógeno incluye el hidrógeno de
la humedad

Tabla #3: Valores calóricos de los residuos de
cítricos:

4. Gasificación
de residuos de cítrico para diferentes relaciones
estequiométricas.

Para la gasificación de los residuos en el
reactor de lecho fluidizado se han tenido en cuenta las
siguientes condiciones.

• Agente fluidizante : aire
• Relaciones estequiometricas: 26%, 30% y
  35%.
• Temperatura: 850 ºC.
• Flujo de aire: 6 LN/min.
• Flujo de cítricos: 3.12 g/min.
• Utilización de un analizador de gases a la
  salida del reactor..

Los resultados se muestran a
continuación:

Tabla #4: Resultados de la gasificación de los
residuos de cítricos:

5.
Discusión de los resultados.

1. A partir de las composiciones de los gases de salida
   del proceso de obtención de jugos o concentrado
   utilizando un reactor de lecho fluidizado como se muestran en
   la tabla #4 podemos inferir que la gasificación de estos
   residuos es posible y los valores son similares a otras
   biomasas.
2. El aporte energético de los gases de salida
   del proceso de gasificación a diferentes relaciones
   estequiométricas disminuye con el aumento de esta y el
   máximo aporte es de 923.91 Kcal/Nm3 con la
   menor RE de 26 %.

3. El mayor rendimiento a gas (75.11%) se logra con la
menor relación estequiométrica.

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Autores:

Msc. Luis Manuel García
Rojas1,

ING. Leonardo Aguiar
Trujillo1,

Dr. Francisco Márquez
Montesino2,

Dra. Leyla R. Carballo
Abreu2.

1 Facultad Geología
Mecánica. Departamento mecánica,
Universidad de Pinar del Río, calle Martí
Nº 270. Pinar del Río, CP 20100, Cuba.

2 Departamento de Química., Universidad
de Pinar del Río, calle Martí
Nº 270. Pinar del Río, CP 20100, Cuba.

FAX: (853(82)5479, Cuba.