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CAPÍTULO 9

PROCESOS TERMOQUÍMICOS

PARA LA OBTENCIÓN DE ENERGÍA

A PARTIR DE LA FITOMASA RESIDUAL

(COMBUSTIÓN, GASIFICACIÓN, PIRÓLISIS)

JOSÉ LUIS MÍGUEZ TABARÉS.

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INDICE

1.PROCESOS TERMOQUÍMICOS

2. COMBUSTIÓN

2.1 INTRODUCCIÓN2.2 TIPOS DE COMBUSTIÓN2.3 AIRE MÍNIMO2.4 EXCESO DE AIRE2.5 FASES DE LA COMBUSTIÓN2.6 CONTAMINACIÓN AMBIENTAL2.7 EQUIPOS

3. COMBUSTIÓN LIMPIA: LECHO FLUIDIZADO

3.1 PROCESO3.2 RETENCIÓN DE AZUFRE3.3 COMPOSICIÓN DEL LECHO3.4 VENTAJAS E INCONVENIENTES3.5 CLASIFICACIÓN

4. GASIFICACIÓN

4.1 GENERALIDADES4.2 CLASIFICACIÓN4.3 TIPOS DE GASIFICADORES4.4 APLICACIONES4.5 TECNOLOGÍAS DE LIMPIEZA DEL GAS4.6 REQUERIMIENTOS

5. PIRÓLISIS

5.1 DEFINICIÓN5.2 CLASIFICACIÓN5.3 TIPOS DE PRODUCTOS

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1.PROCESOS TERMOQUÍMICOS

Los procesos termoquímicos de conversión de la biomasa en energía o combustibles sonaquellos en que se encuentran implicadas reacciones químicas irreversibles, a altas temperaturasy en condiciones variables de oxidación. Esta tecnología se utiliza en casos en los que labiomasa, por su estado básicamente sólido y seco, permite para su transformación en energíaaltas velocidades de reacción. En estos procesos se obtienen conversiones normalmente elevadasde la materia prima del 85 al 95% de su materia orgánica con alta eficacia y relativa pocasensibilidad al variar de un material a otro; y además se pueden dirigir hacia los productos másconvenientes. Desgraciadamente, los métodos disponibles en la actualidad no generan unproducto único, sino que dan mezclas de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, que tambiénposeen un elevado valor energético.

Además, dichos procesos pueden producir un amplio espectro de productos energéticoscomo puede verse en la figura siguiente.

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 laproducción de vapor que mueva una turbina (generación de energía eléctrica), o biendirectamente 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 biencon 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 ladenominación de pirólisis, o calentamiento de la biomasa en ausencia total de aire. Por esta víase obtienen combustibles gaseosos, líquidos o sólidos, en función de la composición de labiomasa y de las condiciones de operación. Los procesos de pirólisis actualmente másapreciados, porque permiten la producción de combustibles líquidos, son variantes del procesogeneral que operan con la adición de otros reactivos químicos.

2. COMBUSTIÓN

2.1 INTRODUCCIÓN

En este proceso la biomasa se combina con el O2 del aire para producir calor. acombustión de la biomasa es más compleja que la pirólisis y gasificación puesto que en lacombustión, primero la biomasa debe pirolizarse para después sufrir una combustión parcial(gasificación) antes de alcanzar la combustión completa.

La reacción global de la combustión de la biomasa puede ser representada por:

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CH1,4 O0,6 + 1,05 SO2 + (3,95 N2)--->C02 + 0.7 H20 + (3.95 N2)

donde CH1,4 O0,6 es la fórmula promedio para la biomasa típica. El nitrógeno está entreparéntesis porque es una porción inerte de aire y no toma parte en la reacción.

2.2 TIPOS DE COMBUSTIÓN

En el proceso de combustión el oxígeno del aire se combina con los elementoscombustibles, originándose las siguientes reacciones típicas:

I) C + O2 ≈ CO2 + ∆ H1

II) 2 C + O2 ≈ 2 CO + ∆ H2

III) 2 CO + O2 ≈ 2 CO2 + ∆ H3

IV) 2 H2 + O2 ≈ 2 H2O + ∆ H4

V) S + O2 ≈ SO2 + ∆ H5

VI) N2 + 2 O2 ≈ 2 NO2 (NOx) + ∆ H6

El nitrógeno del aire y los restantes componentes suelen permanecer inalterados (exceptocuando las temperaturas son muy altas) saliendo acompañando a los gases originados en lacombustión (humos).

Dependiendo del desplazamiento que experimenten los estados de equilibrio de losprocesos de combustión, de los elementos pertenecientes al combustible, se diferencian variostipos de combustión:

A) COMBUSTIÓN COMPLETA:

Se produce cuando los estados de equilibrio de los procesos anteriormente indicadosestán totalmente desplazados hacia la derecha, independientemente de la cantidad de aire(oxígeno) empleado. Esta combustión se consigue cuando se ha suministrado aire suficiente paraoxidar a todos los elementos del combustible utilizado.

B) COMBUSTIÓN NEUTRA O ESTEQUIOMÉTRICA.

Se produce cuando se aporta el oxígeno (o aire) estrictamente necesario para quemar elcombustible y se obtiene que el porcentaje de CO2 es máximo.ΑEs prácticamente imposible su realización por la imperfecta mezcla de aire - combustible. Enlos hornos actuales no es posible conseguir el 100% de eficacia. por lo que si solo sesuministrase el aire estequiométrico no se podría lograr la combustión completa del combustible.

C) COMBUSTIÓN INCOMPLETA CON DEFECTO DE AIRE.

Se produce cuando se aporta aire en cantidad insuficiente y por lo tanto no se quema todoel hidrógeno y/o todo el carbono hasta su grado máximo de oxidación de CO2.

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D) COMBUSTIÓN CON EXCESO DE AIRE.

Se produce cuando se aporta mayor cantidad de aire que en la combustión neutra. Elporcentaje de CO2 disminuye al ser diluido en un mayor caudal de gases. El rendimiento esinferior al de la combustión neutra, por el calentamiento del exceso de aire hasta la temperaturade los gases.

2.3- AIRE MÍNIMO O TEÓRICO:

Se define como aire mínimo de combustión al que se precisa, según la estequiometría delproceso, para oxidar totalmente los componentes combustibles contenidos en una unidad demasa del combustible.

El aire mínimo necesario, también denominado teórico o estequiométrico, sedeterminaría a partir del análisis elemental en base seca del combustible utilizado y teniendo encuenta los procesos de oxidación total de los elementos combustibles.

El proceso de cálculo se haría, tomando como base del mismo 100 kg de combustible, dela forma siguiente:

Según I, por cada 12 kg de C se precisarán 22,4 Nm3 de O2 para su total oxidación, luegopara el porcentaje que contiene el combustible serán necesarios :

22,4 Nm3 O2 / 12 %C = 1,87 %C Nm3 O2

y así sucesivamente. Por consiguiente, para la combustión de 100 kg de combustible, el oxígenomínimo necesario será la suma del que se precisa para todos los elementos combustibles :

(O2)m (Nm3) = 1,87 %C + 5,6 %H2 + 0,7 %S + 1,6 %N2

Como la composición volúmica del aire seco es del 21% en O2, el aire seco mínimonecesario será :

Am (Nm3) = 100 / 21 (O2)m = 4,76 (O2)m Am (Nm3) = 8,9 %C + 26,67 %H2 + 3,33 %S + 7,62 %N2

Este volumen de aire seco necesario estará referido a condiciones normales y para lacombustión de 100 kg de combustible.

La presencia de oxígeno en la composición elemental del combustible hará que sereduzca la necesidad de este elemento para la combustión en relación directa a dicha cantidad:

(O2)'m (Nm3) = (O2) m - (22,4/32) %O2 = (O2) m - 0,7 %O2A'm (Nm3) = Am - 3,33 %O2

El aire que se emplea en los procesos de combustión es el atmosférico, por lo que ademásde N2 y O2 contiene vapor de agua en forma variable. Para tener en cuenta la humedad del aire

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existente en cada momento en la atmósfera, se deberá considerar un factor de corrección quedependerá de la humedad relativa y de la presión de vapor. 2.4- EXCESO DE AIRE DE COMBUSTIÓN:

Una combustión económica solo se consigue cuando se oxidan totalmente todos loselementos combustibles, pero esto es imposible lograr con una combustión estequiométrica,sobre todo teniendo en cuenta el corto espacio de tiempo en el que la mezcla de combustible ycomburente debe realizarse. Por todo ello, es necesario emplear siempre una cantidad real de airesuperior al mínimo de combustión.

El exceso de aire, que ha de ser tanto mayor cuanto más imperfectas sean las condicionesde mezcla, se define mediante el "Indice de exceso de aire", también denominado factor ocoeficiente de exceso de aire, que se evaluará en la forma:

n = Ar / Ahm al valor (n-1)100 se le denominará "% exceso aire".

La cantidad de exceso de aire para la combustión completa dependerá del combustible, yesencialmente de la forma de operación. Los combustibles gaseosos no suelen superar el 20% deexceso de aire, los combustibles líquidos debido a su peor mezcla pueden precisar más del 30%,mientras que los combustibles solidos suelen requerir más del 40%, no pudiendo asegurarse aúnsu completa combustión.

2.5 FASES EN LA COMBUSTIÓN

El esquema de combustión implica que el material combustible (biomasa) alcance unastemperaturas lo suficientemente altas como para que, en presencia del comburente (aire enexceso u oxígeno), se pueda mantener la reacción. En el transcurso de la misma se puedendistinguir tres fenómenos :

- Una fase de evaporación del agua (secado).- Una fase de volatilización a partir de los 200ΕC.- Una fase de formación de gases y combustión de los mismos a partir de los 500ΕC.

No obstante, en una unidad de combustión, estas tres etapas están más o menossolapadas y, a nivel global, tienen lugar simultáneamente.

Por otro lado, las variables que afectan principalmente al buen funcionamiento de esteproceso son:

a)- Proporción de oxígeno en el aire de entrada. b)- Temperatura de combustión. c)- Características del combustible.

a) Un defecto de oxígeno en la unidad de combustión impide que la reacción sea completa, conla producción de carbón, que perjudica al equipo, y de monóxido de carbono, gas altamentecontaminante que obligaría a instalaciones adicionales de descontaminación. Si el oxígeno en

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exceso se suministra en forma de aire, es necesario el calentamiento de una masa gaseosa mayorpor lo que, generalmente, se utiliza aire enriquecido con oxígeno en las grandes instalacionesindustriales.

b) La temperatura de combustión es aquella que alcanzan los productos de combustión debido alcalor generado en la reacción, que es fuertemente exotérmica, descontando las perdidas debidas ala radiación, y al combustible no quemado o quemado de forma incompleta. Los valoresnormales se encuentran en el rango de 600 a 1.300ΕC; niveles térmicos inferiores producen unefecto similar en el proceso que el defecto de oxígeno.

c) Dentro de las propiedades físicas de la biomasa a tratar destacan su densidad (determinante deltamaño de la unidad de combustión), su granulometría (que afecta a una mejor combustión) y,principalmente, su contenido en humedad.

En cuanto a las características químicas del combustible, éste debe tener bajos contenidosen azufre, cloro y flúor (aspecto que cumple satisfactoriamente la biomasa vegetal), ya que encaso contrario, se producirían problemas de corrosión en el equipo de gases altamentecontaminantes.

2.6 LA COMBUSTIÓN Y LOS PROBLEMAS AMBIENTALES

Un buen control del exceso de aire en la combustión, de tal forma que se reduzca el % deoxígeno en los gases, ayuda a resolver los dos problemas de contaminación química másimportantes de la combustión:

Α Formación de SO3 y en consecuencia de ácido sulfúrico.Α Formación de óxidos de nitrógeno: NOx

Con los humos de combustión se emiten SO2, y óxidos de nitrógeno, fundamentalmenteNO2, los cuales se consideran gases contaminantes del medio ambiente, originando el primero ladenominada lluvia ácida, que tantos problemas está creando actualmente en el mundo occidentalpor atacar los bosques y favorecer la desertización del Planeta.

En presencia de oxígeno y a altas temperaturas el SO2, reacciona con él, favorecido por laacción catalítica de algunos compuestos metálicos presentes en el proceso,dando lugar a SO3 .

El SO3 reacciona con parte del vapor de agua existente en los humos y cuando estosgases se enfrían por debajo del punto de rocío condensa ácido sulfúrico diluido sobre lassuperficies más frías de la caldera o del medio ambiente, dando lugar a un proceso de corrosiónacelerado de éstas.

En cuanto a los óxidos NOx no crean problemas en los equipos, pero sí crean problemasambientales. El método para reducir la concentración de NOx en los gases consiste en reducir elexceso de aire y utilizar quemadores de alta eficiencia.

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2.7 - EQUIPOS DE COMBUSTIÓN

Existen muchos tipos de equipos de combustión disponibles comercialmente, que sólodifieren en el diseño de las cámaras de combustión (hornos), temperatura de operación ymecanismos de transmisión de calor. Por la sencillez del proceso, las innovaciones en el campode la combustión tienen su mayor virtualidad, no en el proceso en si, como es lógico, sino en losequipos y nuevas tecnologías que permitan la obtención directa de electricidad o de vapor, o laconjunta de ambos, adecuando los equipos a los objetivos y a las materias primas disponibles.

En el caso de la biomasa, las dificultades de su empleo se presentan en elalmacenamiento y en la automatización de la carga. Por otra parte, los problemas más difíciles deresolver son los de producción de alquitranes y el bloqueo que tiene lugar en parte del equipo poraglomeración de cenizas en fusión.

En general, en un equipo completo de combustión clásico, se pueden diferenciar lassiguientes partes:

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE BIOMASA -

SISTEMAS POR GRAVEDAD - Se trata de un método muy rudimentario y que ocasionagraves problemas por atascos y escasa uniformidad en la dosificación. Para evitar esto, seimplementan con dosificadores de tipo sinfín o scrappers de velocidad regulable, que permitenhomogeneizar el flujo másico y controlar los caudales alimentados.

SISTEMAS DE LANZADERA - La alimentación se realiza por cargas, el residuo se concentraen un receptáculo que, accionado mecánicamente, impulsa el combustible hasta el interior delhogar de combustión. De esta manera, se consigue un mayor rendimiento ya que parte delproducto (especialmente las fracciones más finas arden en el aire y el resto se esparce por lasuperficie de la parrilla.

SISTEMAS DE INYECCIÓN -Especialmente concebidos para la combustión de serrines ypolvo. Se genera un flujo de aire a presión que arrastra el combustible hasta el interior del hogar,produciéndose la combustión prácticamente completa en el aire, por lo que los rendimientos sonmuy elevados y el volumen de inquemados se reduce notablemente.

PARRILLA -

Es la superficie donde se deposita el combustible y, por tanto, donde se realiza la mayorparte de la combustión.

Existen sistemas de PARRILLA FIJA donde el combustible no sufre movimiento algunoy sistemas de PARRILLA MÓVIL, en los que la biomasa avanza al tiempo que arde.

Además, existen sistemas de PARRILLA SEMIMÓVIL que es un tipo de parrillaescalonada cuyas piezas pueden girar sobre su eje y vierten el combustible a los niveles

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siguientes, lo cual favorece la disgregación de los inquemados y una combustión más viva, conlo que se reduce el volumen de cenizas e inquemados generados.

HOGAR:

Es el receptáculo donde se produce la cesión de calor generado en la combustión a lossistemas de evacuación del mismo. Estos pueden ser ACUOTUBULARES YPIROTUBULARES o de ACEITE TÉRMICO, en función de que la evacuación del calor serealice mediante flujo de agua, aire o aceite.

SISTEMAS DE LIMPIEZA DE GASES-

Los gases producidos en la combustión de productos lignocelulósicos sonquímicamente"limpios" ya que las cantidades de óxidos de azufre y nitrógeno producidos sonmínimas. Sin embargo, los gases de salida suelen contener partículas en suspensión, cenizasvolantes e inquemados, que es conveniente eliminar para lo cual se suelen utilizarPRECIPITADORES CICLÓNICOS que actúan por gravedad, FILTROS DE MANGAS yPRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS, que generan una carga eléctrica en las partículas ensuspensión, de forma que éstas son atraídas hacia una superficie con polaridad inversa, quedandoatrapadas en la misma desde donde son evacuadas por vibración.

SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE CENIZAS-

El contenido en cenizas de la biomasa lignocelulósica se sitúa en valores del orden del0.5 al 3% respecto al peso total; sin embargo, las cortezas de coníferas pueden alcanzar valoresde hasta un 5 - 7%, debido a su propia naturaleza e incluso mayores si presentan aportesminerales(piedras, arena, barro).

Durante la combustión se generan volúmenes de cenizas e inquemados que pueden llegara duplicar estos valores. Las cenizas tienen un elevado contenido en sílice que funde atemperaturas del orden de 1300-1500� C, lo cual produce costras en las paredes de las calderas,por lo que la transmisión de calor se reduce notablemente y consecuentemente, los rendimientosobtenidos. Así mismo, se deterioran las superficies y pueden llegar a producirse roturas, fisuras eincluso explosiones. Por estos motivos, es recomendable trabajar con temperaturas inferiores alos 1500� C y evacuar las cenizas producidas para lo cual los combustores están dotados deSINFINES EXTRACTORES O SISTEMAS DE CADENAS O CINTA que extraen las cenizase inquemados fuera del sistema. Estos residuos de la combustión pueden utilizarse comofertilizante forestal debido al su elevado contenido en elementos y oligoelementos minerales.

SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE CALOR -

Los gases de escape contienen una gran cantidad de calor sensible y medianteINTERCAMBIADORES se aprovecha parte de esta energía térmica para calentar aire que seutiliza en la combustión o en otros procesos que requieren un flujo térmico. Los rendimientosobtenidos en sistemas de combustión convencionales, en general, son muy variables y dependen,fundamentalmente, del equipo de combustión empleado y del contenido en humedad,granulometría y naturaleza de la biomasa empleada, etc.

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3. COMBUSTIÓN LIMPIA: LECHO FLUIDIZADO

La Tecnología de Combustión en Lecho Fluidizado (CLF) consiste en desarrollar lacombustión en el seno de una masa en suspensión de: partículas de combustible, cenizas delcombustible y en algunos casos un inerte o adsorbente (caliza o dolomita); los cuales sonfluidizados por una corriente de aire de combustión ascensional.

3.1 EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO

Supongamos un dispositivo que permite pasar aire en sentido ascendente a través de unlecho de partículas sólidas, contenidas en un recipiente cilíndrico con una base porosa, tal comose muestra en la figura.

Cuando la velocidad del aire es baja, este pasará a través de la masa de partículas sin darlugar a ninguna distorsión en las mismas (A: " lecho fijo estático"). Si se aumenta la velocidaddel aire, llegara un momento en que la fuerza impulsora del aire sea próxima a la fuerza de lagravedad que mantiene juntas a las partículas en el fondo del cilindro, momento en el quecomienzan éstas a moverse y se observa un aumento de la porosidad en el lecho. Al aumentaraún más la velocidad del aire, llega un momento en el que las partículas individuales se venforzadas a un movimiento hacia arriba, viéndose suspendidas en la corriente de aire y originandoel denominado "lecho suspendido" (B).

Un aumento posterior de la velocidad del aire originará una expansión tal del lecho, quepermitirá el movimiento de las partículas en su interior, dando lugar al proceso de fluidización(C: "lecho fluidizado").

3.2 RETENCIÓN DE AZUFRE

Por razones de protección del medio ambiente es deseable eliminar el dióxido de azufreformado del azufre del carbón antes de lanzar los gases a la atmósfera.

Los lechos fluidos ofrecen la posibilidad de eliminar el dióxido de azufre durante la com-bustión con un comparativamente pequeño coste extra, añadiendo caliza o dolomita al lecho.Estos retienen el azufre liberado formando sulfato cálcico que puede ser sacado del lecho con lascenizas.

A presión atmosférica es preferible utilizar caliza pues se necesita menos cantidad dematerial. A altas presiones la caliza no reacciona y se emplea dolomita. En este caso, lacalcinación del magnesio abre la estructura porosa de forma que la reactividad de la piedra esalta y la sulfatación no se limita a la superficie exterior de la partícula.

En la mayor parte de los lechos fluidos que incorporan retención de azufre, la caliza o do-lomita es usada en "un sólo paso" de forma que la piedra calcinada y parcialmente sulfatada esdesechada después de sacarla del sistema de combustión. De acuerdo con reducir el impactoambiental, de obtener y deshacerse de los materiales aceptores y también de ahorrar sus costes

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derivados se han propuesto varios sistemas para regenerar la piedra gastada, pero ninguno se hallevado a cabo en gran escala.

3. 3 COMPOSICIÓN DEL LECHO.

En una primera aproximación la "materia mineral" presente en el carbón puede serconsiderada como inerte en la combustión. Sin embargo, algunos cambios químicos tienen lugary normalmente hay una pérdida de peso. Por ejemplo, el agua de la cristalización es eliminada ylos carbonatos y sulfatos se descomponen para formar óxidos. Al residuo después de estoscambios se le denomina ceniza para distinguirlo de la "materia mineral" original. Loscomponentes del lecho son:

a) carbón, sumando menos de 1% a un 5%.b) caliza o dolomitac) cenizasd) aditivo inerte (arena).

3.4. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO

I . VENTAJAS DE LA COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO. CLF

1) Desulfuración.2) Temperatura uniforme.3) Alta difusividad del aire de combustión.4) Diversidad de combustibles.5) Comportamiento similar a un fluido.6) Alta transferencia de calor.7) No formación de escorias.8) Menor temperatura de rocío.9) Menor exceso de aire de combustión.10) Mayores aplicaciones de los subproductos de combustión.11) Menor emisión de gases nitrosos.12) Fácil variación de la carga de combustible.13) Utilización de un inerte.14) Mayor rendimiento.15) Menores pérdidas por corrosión.

II. INCONVENIENTES DE LA CLF

1) Abrasión .2) Necesidad de ciclones.3) Complejidad del sistema de alimentación.4) Adecuación previa del combustible.5) Mayor presión del aire de combustión.6) Dificultades de extrapolación.

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3.5. CLASIFICACIÓN DE LOS HOGARES DE LECHO FLUIDO.

Los hogares de lecho fluido se pueden clasificar según dos características:

a) Según la velocidad de fluidificación : hogares de lecho burbujeante y de lecho circulante.b) Según la presión del hogar : hogares de lecho atmosférico y de lecho a presión .

- Sistema burbujeante.

Este sistema es el más flexible en cuanto a la variedad de combustible que admite y a lascaracterísticas físicas del mismo, esto conlleva que sea también el de menor rendimiento térmico.A veces, se recirculan las cenizas para aumentar la eficacia de quemado del combustible . Estesistema se usa cuando el combustible es difícil o costoso de moler, sino, se tiende a usar cada vezmás el sistema circulante .

- Sistema circulante .

En él, se produce un arrastre importante del material del lecho junto con los productos decombustión, como consecuencia de la alta velocidad de fluidificación, que es de 4 a 8 m/s. Elmaterial arrastrado se recoge en un ciclón u otro sistema mecánico y se recircula al hogar,mediante una válvula no mecánica, lo que aumenta el rendimiento de la combustión y de re-tención de SO2 . Se utilizan para potencias comprendidas entre 40 y 400 MW.

En estas dos clases de lechos como vemos pueden darse dos versiones: a presiónatmosférica o a presiones superiores .

- Sistemas a presión .

Se hallan sometidos a presión superior a la atmosférica ( de 5 a 20 atm ). Esto seconsigue haciendo que el generador de vapor este contenido en un recipiente cilíndrico a presión.La alimentación de combustible y absorbente se realiza con aire a presión o bombeando pasta decombustible. Mediante la presión aplicada a la cámara de combustión, se alcanza una reduccióndrástica del volumen de caldera necesario y se obtiene por tanto las ventajas inherentes desde elpunto de vista de la técnica de la combustión. La caldera puede ser del orden de la mitad de laque se usa en un lecho atmosférico de igual potencia lo que reduce su coste. Este tipo de hogar sellama también combustor y se aplica en el ciclo de una turbina de gas que opere con combustiblesólido. Este tipo de lecho se alimenta con combustibles sólidos con un tamaño de grano hasta 5mm. La temperatura en el lecho se regula por medio del flujo de combustible, normalmente a850� C . La potencia se regula en las calderas a presión mediante la modificación del volumendel lecho y de la temperatura del mismo .

Básicamente, el aire de combustión se comprime antes de ser inyectado en el lecho. Losgases calientes al abandonar el combustor se expansionan en la turbina, empleándose parte de suenergía en la compresión del aire de alimentación y parte, para producir energía en un alternador.Esta tecnología se está usando en España, en la planta de Escatrón (Teruel).

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4. GASIFICACIÓN

4.1. GENERALIDADES

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

La temperatura de operación es un factor importante en estos procesos. Para obtener unbuen rendimiento de la mezcla gaseosa resultante (contenidos altos en hidrógeno y monóxido decarbono) es necesaria una temperatura mínima de 700 a 800ΕC. Con objeto de evitar problemastécnicos debidos a la fusión y la aglomeración de cenizas se impone una temperatura máxima,trabajándose generalmente entre 800 y 1500ΕC. Estas temperaturas permiten desarrollar las tresfases similares a las de la combustión, limitándose la cantidad de comburente a un 10 - 50% delteóricamente necesario para una combustión completa. La calefacción del reactor se realizanormalmente mediante la combustión del gas producido, aún cuando se están desarrollando otrosmétodos como la utilización del calor de un horno solar o el calentamiento mediante una arcovoltaico.

4.2 CLASIFICACIÓN

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 tenemos:

- GASIFICACIÓN CON AIRE.

El proceso de gasificación con aire, es el que, a nuestro juicio, presenta un mayor interéseconómico y social. En este proceso, el oxígeno del aire quema parcialmente el residuocarbonoso procedente de la pirólisis (proceso simultáneo al de gasificación), y se genera el calornecesario para el proceso. Al no necesitar fuente de calor externa, este proceso permite con unabajo costo el aprovechamiento local en diversos pueblos, granjas, comarcas o cooperativas, dediversos residuos agrícolas y forestales mediante su conversión termoquímica en gases de bajocontenido energético.

Existen sistemas y procesos de gasificación con aire en desarrollo o ya disponiblescomercialmente, que aprovechan los más variados tipos de biomasa en función del país donde sehan implantado. por otra parte, las tecnologías de gasificación y purificación de gases son muy

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diversas dependiendo fundamentalmente de la aplicación posterior del gas.

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

El aire se introduce principalmente para aporte de calor mediante la combustión de partedel 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 (óupdraft) o en corriente paralela (ó downdraft) y los de lecho fluidizado. Este gas puede emplearsecomo combustible en quemadores de calderas o turbinas de gas, o en aparatos de combustióninterna.

a) En la gasificación en lecho móvil en contracorriente el calor se genera en la parte inferior dellecho por donde se introduce el aire. Se forman perfiles de temperatura muy acusados, lo quehace que el material biomásico pase por regiones que están a muy distintas temperaturas y losprocesos implicados (secado, pirólisis, oxidación) tengan lugar gradualmente.

Su simplicidad y posibilidad de procesar biomasa de hasta un 50% de humedad, hizo queeste tipo de reactor fuese muy utilizado. Su capacidad para procesar biomasa oscila entre 500 y2000 kg/h .

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

b)En gasificación en lecho móvil en corrientes paralelas el aire es introducido dentro del lecho debiomasa 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 travésde una zona más caliente que craquea los alquitranes, obteniéndose gases con muy pococontenido en estos productos, menor del 1%.

Además de las tres regiones (secado, pirólisis y oxidación) mencionadas en el gasificadorde L.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 conmayor 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%

C)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 quedisminuye la producción de alquitrán. Asimismo, la isotermicidad del lecho fluidizado permiteun mayor control de temperatura.

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

Otros tipos de gasificadores son: Reactor de flujo ascendente (Entrained bed), reactor deflujo cruzado .

- GASIFICACIÓN CON OXÍGENO Y/O VAPOR DE AGUA.

Se utiliza para obtención de gas de medio contenido energético (10-20 MJ/Nm') o de gasde 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 vaporde agua. Sin embargo, no se pueden utilizar con todos los tipos de residuos agrícolas y forestalesya que el tamaño y la forma de éstos pueden limitar su uso. El tamaño debe ser inferior a l cm,pudiendo ocasionar un aumento en el coste de trituración del residuo. Este factor puedesolucionarse añadiendo un segundo sólido inerte (arena, alúmina) que ayude a fluidizar labiomasa.

- GASIFICACIÓN CON H2

Se produce un gas con alto contenido energético (superior a 30 MJ/Nm3) que por teneraltos porcentajes de metano y olefinas, puede utilizarse como sustituto el Gas Natural.

Sometiendo a la biomasa a un proceso termoquímico podemos producir:

1.- Gas de bajo contenido energético inferior a 5 MJ/Nm3, cuya aplicación más común es comocombustible gaseoso. Los gases pueden quemarse directamente o en motores de combustióninterna (turbinas de gas y motores de pistón). Para combustión directa permite el contenido dealquitranes.

2.- Obtención de gas de medio poder calorifico, principalmente Gas de síntesis para producciónde metanol.

- GASIFICACIÓN UTILIZANDO CATALIZADORES

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 talescomo CH4, H2, CH3OH, NH3.

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LICUEFACIÓN

Es un proceso termoquímico para la obtención de combustibles líquidos a bajastemperaturas y altas presiones con una presión parcial de hidrógeno alta y también concatalizadores para mejorar la reacción y/o provocar la selectividad del proceso. EL productoobtenido es un liquido de mayor calidad que el obtenido mediante el proceso de pirólisis encuanto a su poder calorifico (35-40 MJ/Kg) y a su menor contenido en oxígeno (< 15%) peropresenta una serie de desventajas: trabajar a muy altas presiones, problemas en el bombeo de laalimentación a esas presiones, la utilización de hidrógeno y el coste elevado al ser un procesopresurizado.

Los combustibles líquidos ofrecen varias ventajas sobre la biomasa como tal, la másimportante es su elevada densidad energética, además de su mayor economía al ser transportadoy estabilidad en su almacenaje.

4.3 TIPOS DE GASIFICADORES

Los tipos de reactores (gasificadores) que pueden ser utilizados en la gasificación debiomasas son los de lecho móvil (en contracorriente y corrientes paralelas), de lecho fluidizado yde transporte. Cada uno de estos reactores presenta una serie de ventajas e inconvenientes, lo quehace que su elección dependa de varios factores.Los principales criterios de elección son eltamaño y la densidad del residuo biomásico a procesar, la capacidad del procesamiento y lacalidad deseada para el producto gaseoso a obtener. En la Tabla I se muestran algunascaracterísticas de estos reactores. En la Figura se muestran asimismo los perfiles de temperaturay de conversión típicos en estos gasificadores para para el caso de gasificación con aire.

Los gasificadores más utilizados son los de lecho móvil y fluidizado. Los reactores delecho móvil permiten utilizar un amplio intervalo de tamaños de sólidos, lo que les convierte enadecuados para la cáscara de almendra, ramón de olivo, astillas, maíz,... No son adecuados parala gasificación de residuos de baja densidad (pajas de cereales, serrín ..) debido a la formación decanales preferenciales en el lecho, con las consiguientes zonas muertas. Aunque si previamenteestos residuos fueran densificados en pellets o briquetas sí serían adecuados para su procesado enlechos móviles. Para lograr una buena fluidización el tamaño del residuo debe ser inferior a 2cm, 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 mayorcantidad de sólido que un lecho móvil. En general, las capacidades de procesamiento másadecuadas 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 derelativamente baja temperatura (300-400 ΕC), por lo que se forman muchos productos líquidos,principalmente alquitranes.

Si se opera en flujo en contracorriente, estos líquidos son arrastrados por el gas haciazonas de menor temperatura y fuera del gasificador. En consecuencia el gas obtenido contienemucho alquitrán y polvo, por lo que es necesaria su purificación antes de ser utilizado comocombustible en motores de combustión interna. Sin embargo puede tener aplicaciones directas

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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 elflujo descendente arrastra los alquitranes procedentes de la pirólisis hacia la zona de oxidaciónque se encuentra a elevada temperatura ( 1200-1500 ΕC),donde se consigue su craqueo y/odescomposición a gases. Con el flujo en corrientes paralelas se presenta una cuarta zona en elreactor (zona de reducción) que permite obtener mayores cantidades de CO y CH4 en los gasesproducto aumentando su contenido energético. Al ser un gas limpio y de alta calidad, dicho gaspuede ser utilizada directamente (debido a su alta temperatura de salida) en quemadores decalderas 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 existengradientes espaciales de temperatura. Esto hace que el proceso de pirólisis tenga lugar a altatemperatura (800ΕC) y a alta velocidad de calentamiento del sólido, evitando la formación deproductos líquidos. Asimismo, favorece el de control de temperaturas, pudiéndose conseguir ladistribución de productos deseada y obtener un gas de mayor contenido energético al conseguirseuna mayor cantidad de CO , H2 y principalmente CH4.

Utilizando un gasificador de lecho fluidizado se puede obtener un gas a alta temperaturalibre de alquitranes, controlando incluso la composición de los gases a obtener. Por ello, sepueden aplicar estos gases a los casos anteriores siendo además el gasificador más indicado parala obtención de gas de síntesis (CO/H2). El problema que presentan estos gasificadores es ladificultad de fluidizar la biomasa, generalmente implica la adición de otro sólido coadyuvante dela fluidización. La gran diferencia de tamaño, densidad y forma de ambos sólidos puede originaruna fuerte segregación en el lecho, lo cual aleja el flujo del sólido del de mezcla y se puedenproducir perfiles de temperatura en el gasificador, con los consiguientes inconvenientes que deellos se derivan.

4.4 APLICACIONES

La combustión posterior de los gases puede tener aplicaciones entre las que se puedencitar:

a) Producción de calor para usos industriales. El sistema constaría fundamentalmente degasificador y quemador. El gas puede sustituir a otros combustibles convencionales ( gas-oil,fuel) y sería un combustible muy limpio y sin problemas de contaminación.

b) Producción de electricidad en zonas aisladas. El sistema constaría de gasificador ygrupo electrógeno diesel, y se podrían aprovechar " in situ" residuos forestalesfundamentalmente.

c) Producción de calor para el secado de granos, como por ejemplo de maíz,aprovechando el zuro e incluso los tallos.

d) Producción de vapor de agua. El sistema constaría de gasificador y caldera.

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e) Producción de electricidad y/o potencia para el bombeo de agua de granjas.

4.5 TECNOLOGÍAS DE LIMPIEZA DEL GAS

En muchos casos, existe la necesidad de eliminar los alquitranes y partículas sólidas queacompañan al gas obtenido en la gasificación hasta unos niveles aceptables.

Suele ser aconsejable la eliminación por separado de las partículas sólidas y del alquitráncon objeto de evitar la formación de lodos y barros que ensuciarían los aparatos y tuberías,provocando atascos. Ahora bien, esta eliminación por separado sólo puede realizarse a altastemperaturas. Para aquellas temperaturas en que los alquitranes y aceites condensan, sueliminación no puede desligarse de las de las partículas sólidas y se recogen conjuntamente. Losalquitranes pueden presentarse en el gas de dos formas:

a) Gotas líquidas inmersas en el gas, como en el caso de gasificadores de lecho móvil encontracorriente , donde la temperatura de salida del gas es baja.

b) En fase vapor, como en el caso de gasificadores de lecho fluidizado y lecho móvil encorrientes paralelas, donde la temperatura de salida del gas es alta.

Los separadores más usados son los ciclones, aunque para una rigurosaeliminación se deben emplear precipitadores electrostáticos y diversos tipos de filtros.

4.6.. GASIFICADOR DE LECHO MÓVIL EN CORRIENTES DESCENDIENTEStipo de gasificador cuya tecnología esta más desarrollada en la actualidad.

LOS PRINCIPALES REQUERIMIENTOS EN LA ELECCIÓN DE UN GASIFICADORDE 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 mediogasificante y la geometría de esta zona del gasificador.f) El tiempo de residencia de la biomasa en la zona de pirólisis debe ser suficiente paraconseguir 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 taponamientosni zonas muertas.

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Tabla I. Requerimientos de la biomasa para su aprovechamiento en lecho móvil encorrientes paralelas

PREFERIBLE ACEPTABLE INADECUADA

Tipo de biomasa Maderas duras y noresinosas

Biomasas concorteza y tierra

Tamaño Bloques, briquetas de8 x 4 cm

Astillas, trozosgruesos

Serrín, pequeñasramas, paja,...

Humedad Secado en horno Secada al aire Madera verdeTabla II.CARACTERÍSTICAS DE LOS DIVERSOS GASIFICADORES

Tipo de reactor Lecho móvil lecho móvil lechofluidizado

transporte

Tamaño de partículasadecuado (mm)

2-50 20-100 0-20 0-1

Estado de las cenizaseliminadas

sólido o líquido sólido sólido líquido

Presión de trabajo(atm)

1-30 1 1-70 1-70

Capacidad deprocesamiento (kg/h)

100-500 100-800 600-6000 -

Modo de operación contra-corriente

corrientesparalelas

- corrientesparalelas

5.PIRÓLISIS

5.1 DEFINICIÓN

El proceso de pirólisis consiste en la descomposición de la materia orgánica por la accióndel calor y en ausencia de oxígeno. La descomposición térmica de estos materiales biomásicos seproduce a través de una serie compleja de reacciones químicas, además de procesos detransferencia de masa y calor, lo que hace difícil predecir el transcurso de la pirólisis, puesto queinfluyen una serie de variables como son las condiciones de operación o el tipo de biomasaempleado.

La pirólisis es el proceso inicial al cual se encuentra sometido el residuo previamente a sucombustión o su gasificación.

Aunque la descomposición térmica de la materia orgánica es muy compleja, se pueden

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distinguir a lo largo del proceso varias etapas:

- Hasta los 200ΕC se produce una pérdida de agua y de otros productos volátiles.

- Entre los 200 y los 250ΕC los constituyentes menos estables de la biomasa se descomponencon desprendimiento de agua y óxidos de carbono, formándose hidrocarburos líquidosoxigenados (alcoholes y ácidos).

- Hacia los 275ΕC se genera la mayor parte de los hidrocarburos líquidos, reacción que, al serexotérmica, recalienta la masa hasta 300-350ΕC.

- Por encima de los 300ΕC comienza la formación de productos carbonosos de alto pesomolecular (alquitranes y coque).

En resumen, la pirólisis en sí comienza a los 275Ε C y es prácticamente completa a los450ΕC, aunque pueda producirse la ruptura de algunas moléculas de los productos formados(craqueo) a temperaturas superiores.

La naturaleza y composición de los productos finales dependen de las propiedades de labiomasa tratada, de la temperatura y de la presión de operación, y de los tiempos de retención delmaterial en el reactor.

Las materias primas que se investigan actualmente para desarrollar esta técnica son,esencialmente, los subproductos agrícolas y forestales y los residuos sólidos urbanos.

Hay que destacar que la pirólisis puede llevarse a cabo dentro de unos intervalos detemperatura y tiempo muy variables, cuya adecuada elección depende del objeto pretendido y dela naturaleza de la materia prima, en especial de su contenido en humedad y en carbono. Amedida que aumenta la temperatura de pirólisis, se incrementa la proporción de gases producidosy disminuye ls de combustibles líquidos y sólidos.

El poder calorífico del gas de pirólisis oscila entre 3,8 y 15,9 MJ/m3. Estos valorespueden aumentarse hasta 16,7-20,9 MJ/m3 mediante una variante del proceso denominada pi-rólisis flash.

En definitiva, la pirólisis parece ser un buen método para la obtención de energía a partirde biomasa seca Y, quizá, el mejor para convertir los residuos sólidos urbanos en compuestos deinterés económico.

5.2 CLASIFICACIÓN DE LA PIRÓLISIS

- Pirólisis a temperatura y velocidad de calentamiento bajas.- Pirólisis a temperatura y velocidad de calentamiento altas.- Pirólisis especiales.

.Al vacío para obtener mayores rendimientos en líquidos.

.Pirólisis flash maximiza los alquitranes y aceites a expensas del semicoque y gases,(>2�C/s) de velocidad de calentamiento, temperaturas moderadas de 400-600ΕC y tiempos

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de residencia inferiores a 20 s..Pirólisis Fast (105ΕC/s) la velocidad de calentamiento, temperaturas superiores a 600ΕCy tiempos de residencia inferiores a 0.5 s, maximiza la producción de gases de altacalidad, sobre todo por su alto contenido en olefinas.

5.3 TIPOS DE PRODUCTOS:

1. Gases.- Su composición es CO, H2, CH4, C02 y pequeñas cantidades de hidrocarburosligeros: etileno, acetileno, etano, etc.2. Líquidos.- El liquido formado en la pirólisis es un producto con una compleja composiciónquímica: acético, cetonas, vapores alquitranados que a la temperatura de pirólisis son gases peroque condensan para formar unas finas gotas alquitranadas, etc.3. Sólidos.- El producto sólido es un residuo carbonoso llamado semicoque (char) que suele serempleado como combustible o para obtener carbón activo.

La composición y cantidad de los productos obtenidos en el proceso de pirólisis estáninfluenciados por el tipo de residuo, del reactor empleado, temperatura, tiempo de residencia delsólido y su velocidad de calentamiento.

Pirólisis a temperatura y velocidad de calentamiento bajas es utilizada para la producciónde carbón vegetal. Estos procesos reciben el nombre de carbonización.

Los rendimientos generados de la carbonización de la biomasa suelen variar dentro de lossiguientes márgenes.

Gas : 15 a 17%L. piroleñosos: 43 a 51%Carbón vegetal: 30 a 47%

El gas se utiliza para suministrar calor al horno o bien para secar la biomasa previamentea su carbonización.

Los líquidos piroleñosos son sucesivamente destilados para separar primero lasfracciones ligeras y obtener, por ejemplo, metanol, acetona, etc. Mediante destilación extractivade las fracciones pesadas pueden separarse los ácidos acético, fórmico, etc.

Otros productos enormemente interesantes en la actualidad con un gran mercado son losaromas alimenticios y productos para perfumería y farmacia. En la actualidad, debido al aumentoen la demanda de carbón vegetal para barbacoas o en la industria química como carbón activo hahabido un incremento en la utilización de estos procesos.

Los factores influyentes en el rendimiento y calidad del carbón vegetal son: laspropiedades físicas y composición del material, la temperatura de operación y el procesoutilizado: hornos industriales o procesos rudimentarios.

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Entre las propiedades físicas está la humedad; el material biomásico debe estarcompletamente seco en el proceso de carbonización, un aumento de humedad significa unaumento en el consumo de calor para vaporizar dicha humedad con lo que disminuye la eficaciadel proceso, además de una mayor fragilidad en el carbón vegetal, debido a las roturasproducidas por el vapor que escapa de la madera. Es aconsejable que el material biomásico tengaun contenido en humedad próximo al 10%.

La densidad del sólido influye en la densidad del carbón vegetal, los materiales másapropiados para su conversión a carbón vegetal son los residuos forestales.

La temperatura influye enormemente en el rendimiento y calidad del carbón vegetal. Unaumento de la temperatura ocasiona una disminución del rendimiento pero una mayor calidad delproducto, pero también proporciona una menor densidad del carbón y de su contenido en materiavolátil y un aumento en cenizas.

De un modo general se puede considerar que las condiciones típicas de carbonizaciónson 400ΕC y una velocidad de calentamiento baja para evitar que se produzcan reacciones decraqueo de los productos intermedios hacia gases.

En Europa existen pocas empresas dedicadas a la producción industrial de carbónvegetal, es decir, de una forma no artesanal cuyos hornos no producen un carbón vegetal quecumpla los requisitos de calidad que exigen ciertos países como Francia o Bélgica. En Franciatenemos, por ejemplo, Charbonnage, Pillard, en Alemania Degusa, Chemliron Carbón, Lurgi, enBélgica, Lambiotte .

La pirólisis se ha estado practicando durante siglos para la producción de carbón vegetal.Más recientemente se han ido desarrollando cambios importantes para variar las proporciones degas, líquido y sólido.

La producción de combustibles líquidos ha adquirido un gran interés tanto en Europacomo en Estados Unidos por su alta densidad energética y por su transformación enhidrocarburos de similares características a los de la gasolina. Los líquidos obtenidos en lapirólisis de la biomasa están compuestos de una mezcla compleja de hidrocarburos muyoxigenados (un 40% ). Tiene un contenido en agua que depende de la humedad original y losproductos de reacción. El agua es difícil de eliminar, mediante evaporación o destilación a unatemperatura normal de 100ΕC puede causar auténticos cambios físicos y químicos en el líquidode pirólisis.

Tienen un pH muy bajo debido a su contenido en ácidos orgánicos que le dan un caráctercorrosivo. Dicha característica debe tenerse en cuenta a la hora de manipularlo o almacenarlo, unacero normal no es aconsejable utilizar para conducciones o almacenaje, materiales comopolipropileno resuelven estos posibles problemas de corrosión.

Varias experiencias han demostrado que mediante pirólisis fast se pueden obtener altas

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proporciones de biocrudo con una casi eliminación de producción de coque con lo que de unaconversión del 20% de biomasa seca hemos pasado a conversiones del 55%-62% que representamás del 70% de la energía contenida en la biomasa.

Los mayores esfuerzos se están realizando en investigación acerca del potencialenergético de la transformación termoquímica tanto de residuos agrícolas, forestales como losresiduos sólidos urbanos a gasolina a través de dos etapas consecutivas:

(l) conversión de la biomasa a biocrudo líquido y(2) su transformación a biocrudo (gasolina) a través de un proceso catalítico.

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BIBLIOGRAFIA

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IDAE. "Técnicas de Conservación Energética en la Industria. 1. fundamentos y ahorro en

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operaciones".1982

10. ¡Error!Marcador no definido.

CAPÍTULO 10

PROBLEMÁTICA Y GESTIÓN

DE RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS

M.BAO


1- Encuadre Legal del tema

El espíritu y la filosofía del más avanzado procedimiento de gestión de R.S.U estánecesariamente marcado por las directivas de la Unión Europea y por los planes de AcciónComunitarios de los que el 5�, aprobado en Diciembre de 1992 define la estrategia en favor delmedio ambiente y el desarrollo sostenible admitiendo que dicho desarrollo es una meta a la queno se podrá llegar solo con este 5� programa pero que, si se aplica con eficacia, servirá para darun paso decisivo hacia su consecución.

El plan fija medidas, instrumentos, calendario, agentes y metas hasta el año 2000 ensectores como Industria, Energia, Transportes, Agricultura y Turismo y establece temas querevisten especial gravedad para toda la Comunidad (cambio climático, acidificación y calidad dela atmósfera, protección de la naturaleza y diversidad biológica, gestión de los recursos hídricos,medio ambiente urbano, zonas costeras y gestión de residuos) fijando en cada tema un conjuntode principios, un marco normativo, unos objetivos a alcanzar, las medidas a aplicar yestableciendo un sistema de evaluación de logros que permita, como retroalimentación mejorarlas normativas, los instrumentos y las medidas.

Centrando el marco de la U.E. en la gestión específica de los Residuos Sólidos Urbanosse establecen como objetivos (transcribimos textualmente):

*prevención de la generación (cerrar los ciclos) *maximizar el reciclado y la reutilización del material *Eliminación segura de todos los residuos que no puedan reciclarse o reutilizarse en el siguienteorden de prioridad: -utilización como combustible -incineración-vertido


Se establecen como metas hasta el año 2000:

Tipo de residuo Metas a conseguir

*Residuos urbanos

*Residuos peligrosos

* Establecimiento de planes de gestión de RSU en losestados miembros* Infraestructura pancomunitaria de recogida,separación y eliminación* No exportar fuera de la CEE para la eliminación* Estabilización de la producción de residuos en el nivel

de 300 Kgs. per capita* Reciclado y reutilización de papel, vidrio y plásticos en

un nivel medio deI 50 %* Reciclado y reutilización de productos de consumo* Mercado para los productos reciclados* Reducción de los niveles de emisión de dioxinas

* Planes de gestión en los estados miembros* Infraestructura pancomunitaria de recogida,

separación y eliminación * No exportar fuera de la CEE para eliminación final

* Mercado para los materiales reciclado


En el texto se establece que se dedicará atención especial a evitar que se generenresiduos, a fomentar su reutilización y reciclado, por ejemplo, por medio de una clasificacióndesde el origen, establecer redes nacionales de servicios de eliminación, fomentar los análisis delciclo vital de los productos y a crear una infraestructura de eliminación segura de dimensióncomunitaria.

El conjunto de medidas legislativas se completará con directivas específicas sobreenvases, incineración de residuos tóxicos, control y recuperación de vertederos y una directivasobre responsabilidad civil por daños.

Un breve comentario

En lo expuesto hasta aquí hemos presentado la información referida al tema, resumidapero no interpretada y, probablemente, es bueno hacer alguna consideración ya que existen comoes reconocible en la descripción aspectos y normativas definidas para los otros campos, norepetidas en este pero que han de ser tenidas en cuenta, por ejemplo la reducción en eldesplazamiento o transporte de un material en condiciones de peligro potencial, laintercambiabilidad de contaminantes a la atmósfera o recursos hídricos y muy especialmentetodos los aspectos sanitarios a los que constantemente se hace referencia con el término de"seguro" o seguridad.

También es preciso indicar que se ha producido un cumplimiento razonable decalendario en materia normativa de tal modo que directivas aprobadas como la (89/369/CEE)sobre prevención de la contaminación atmosférica procedente de nuevas instalaciones deincineración de residuos municipales, la propuesta de reglamento y su modificación (90/c289/05) y (92/c 115/03) relativas a control y vigilancia de traslado de residuos, la (91/c 192/04)relativa a la responsabilidad civil por los daños y perjuicios causados al medio ambiente por losresiduos asi como la (91/c 190/01) relativa al vertido de residuos, la (90/c 122/02) sobre políticacomunitaria en materia de residuos, entre muchas otras complementan y, en su actualizaciónconstante, ponen al día el marco en el que ha de proyectarse cualquier plan de gestión ytratamiento de RS.U.


Y, como medidas (entre parentesis se definen las fechas límite propuestas):

Tipo de Residuo Medidas

* Residuos Urbanos

* Residuos Peligrosos

* Directiva de vertido en vigor (antes de 1995)* Directiva sobre envases en vigor (1995)* Cese de los vertidos de residuos específicos (En curso)* Sistema de responsabilidad instaurado (2000)* Instrumentos e incentivos económicos (En curso)* Datos fiables de residuos generados, recogidos yeliminados (1995)* Normas sobre emisiones de dioxinas procedentes de

incineración de RSU (antes 1994)

* Directiva sobre vertidos en vigor (antes 1995) * Directiva de incineración de RTP en vigor (lS95) * Cese de vertidos de residuos especificos (En curso) * Inventario de riesgos (1995) * Sistema de responsabilidad implantado (2000) * Instrumentos e incentivos económicos (En curso) * Tecnologías más limpias (en curso) * Creación de una "bolsa de residuos" (antes de 1995) * Datos fiables sobre residuos generados, recogidos yeliminados (1995)


El estudio de la normativa Europea y el de la tecnología disponible junto con elconocimiento de cada situación local definida por factores rneteorológicos, climáticos,geográficos, urbanísticos, niveles de Industrialización, red de transportes y otros parámetrossociológicos como niveles de participación asumidos o asumibles por la población, etc,condicionarán el modelo de gestión y tratamiento que, en un tiempo determinado sea el óptimo.

II- Consideraciones para la definición del modelo de Gestión y Tratamiento

En Residuos Industriales y resultantes de la actividad comercial estos últimosgeneralmente asimilados a urbanos, es posible alcanzar altos niveles de reducción, reutilización yreciclado ya que se pueden mantener clasificados y no contaminados con poco esfuerzo cartones,determinados plásticos, periódicos y revistas, palets de transporte, etc, con un esquema deproducción que, en el mejor de los casos alcanza valores importantes en las famosas R y bajos,pero no nulos, (barreduras, flejes, bolsas no clasificables, productos deteriorados, serrín sucio,etc) en materiales contaminados, objetivamente no recuperables. Decimos, objetivamente,porque el consumo energético, de productos y de proceso necesarios para su recuperaciónproducirán mayor cantidad de residuos que los que se recuperarían iniciando una cadena detratamientos de residuos que generarían mayor cantidad de estos cuanto mayor sea el número deetapas.

En Residuos domésticos el problema de selección es mayor. Es posible, y deseable,maximizar la selección de materiales residuales sin mezcla de los mismos ya que lacontaminación de origen doméstico no es solo de productos sino también de carácter biológico.La existencia de materia orgánica procedente de productos alimenticios, polvo doméstico,compresas, pañales, etc constituyen un medio de cultivo sembrado y adecuado para el desarrolloy multiplicación de microorganismos de todo tipo que alcanza niveles de población crecientescon el tiempo en tanto en cuanto existan nutrientes. Esta es, de modo resumido, la situación queimpone que, o se efectúa una recogida selectiva en condiciones sanitarias adecuadas,perfectamente aceptable y solamente determinada por consideraciones de tipo económico(factores de escala, existencia de demanda del producto, acceso a mercados, etc) o, nosencontramos con una actividad de riesgos importantes desde el punto de vista sanitario.Recordemos que, además, la mayor parte de las enfermedades infecciosas no comportan ingresohospitalario y que los consultorios médicos privados, dentistas, etc, no están sometidos asistemas diferenciados de evacuación de residuos.

Así pues, nos encontramos con dos tipos de materiales, el separado, clasificado y pococontaminado cuya reutilización reciclado o recuperación es un proceso de competencia industrialque producirá su fracción de rechazos (tapones de corcho, de plástico y papeles en el caso delvidrio; etiquetas, gomas, grapas, etc, en el caso de embalajes, etc) que irán a la fracción dematerial no recuperable y esta fracción no recuperable que, por su generación, está contaminadapor mezcla de productos, es biológicamente activa, con actividad nociva, y dicha nocividad crececon el tiempo durante los primeros días. Con el tiempo (meses o años) se estabiliza su actividadbiológica, la materia orgánica se degrada por actividad aerobia o anaerobia pero el destino últimolleva a la incorporación al medio ambiente del material orgánico en la misma cuantía en que loharía un proceso de combustión.


Es posible que, en aquellos casos en los que la falta de materia orgánica en la capasuperficial del suelo sea causa importante de desertificación tenga algún sentido obtener lamateria separable, efectuar algún tratamiento de desinfección (tratamientos térmicos ocompostaje) y aplicar a dicho fin la parte recuperable, en cualquier caso no es recuperable másque la mitad de la materia orgánica existente. También es conveniente establecer que un materialdesinfectado teóricamente se puede infectar con el tiempo y que en un tratamiento de compostajese envía a la atmósfera el 60% del material en un tiempo que oscila entre 15 días y 3 meses, conemisiones de microorganismos activos en los primeros día; con lo que está justificado ladiscusión existente entre compostaje si o compostaje no.

Por contra, no es discutible que en todo caso existe una fracción no reciclable que sigueteniendo contenidos en materia orgánica apreciable más todos los rechazos de fraccionesreciclables que, como masa representa la fracción mayor de todo el conjunto superandoactualmente y como media el 50% de los RS.U en los países más avanzados para la que espreciso establecer un acondicionamiento medioambiental y sanitariamente seguro para cuyo fines preciso recuperar el esquema de prioridades del 5� plan. En este punto define como prioridadla utilización como combustible, también plenamente justificada por la doble función deesterilización biológica sin reinfección posible y de recuperación energética en condicionesregladas por normativas al efecto que garantizan la inocuidad del proceso generando para suacondicionamiento final unas cenizas cuyo carácter tóxico químico dependerá del tipo deproceso empleado tanto en la incineración como en el tratamiento de efluentes gaseosos ylíquidos que ha de recibir acondicionamiento seguro (normalmente en vertedero) tambiénsometido a normativa estricta.

Α Algunas consideraciones sobre el posicionamiento de algunos grupos y de algunosestamentos.

Es normal que cada interlocutor se posicione en el tema en favor de sus intereses y ocurrecon cierta frecuencia que un planteamiento conduce a situaciones contrapuestas con el verdaderointerés así: La Industria productora de equipos e instrumentos analíticos modernos insiste enresaltar la importancia de determinar los niveles de emisión de componentes minoritariosexagerando la importancia de sus efectos y cuenta con el apoyo de los fabricantes de equipo paraminimizar dichas emisiones. Los productores de Energía, deseosos de obtener las máximascantidades de valiosa energía renovable, apuestan por los procesos más eficientes. Lasautoridades municipales o las mancomunidades tienen como objetivo el resolver el problema delos RS.U buscando fundamentalmente su eliminación dentro de inversiones reducidas. Losgrupos ecologista se han caracterizado por olvidarse del problema sanitario y suponer que sepueden alcanzar cotas de reducción, reutilización, reciclado que justifiquen su actividad pero queno pueden ser alcanzadas. Todos intentan defender su planteamiento y, como es normaL ningunoestá en posesión de la verdad.

Las emisiones admitidas como valores de seguridad están regidas por la normativa y sepiensa que se ha sido innecesariamente exigente con algunos valores. Es importante la energíaproducida pero no es menos cierto que si se aplica el mismo esfuerzo en los sistemasconvencionales se obtendrían mejoras medioambientales, más importantes. No es sosteniblegestionar los RS.U sin buscar procesos eficientes desde un planteamiento medioambiental y no


solo no existe incompatibilidad entre reutilización y reciclado y producción de Energía sino queson complementarios en la solución óptima del problema; ciertamente puede haber un ciertodebate sobre en que punto deja de ser medioambientalmente rentable continuar reciclandomateria para pasar a recuperar energía que se resuelve por planteamientos técnicos y entendemosque debe ser sometido a consideración de los diferentes actores sociales la necesidad de actuar encooperación ya que nada es más grave que la moratorias y dilaciones, que obligan a laeliminación incontrolada o, al menos, incorrecta y con formas tan graves de contaminación comola que representa el vertedero incontrolado que contamina simultáneamente el aire, el agua y elsuelo tanto química. como biológicamente.

En ocasiones, los entusiasmos mal dirigidos conducen a situaciones contrarias a lasdeseadas, así la presión que se hace sobre Ayuntamientos e instituciones para promover elreciclado del papel contribuye a que exista una oferta superior a la demanda de material parareciclar, abate los precios y elimina la actividad privada "la única que a largo plazo puederesolver el problema". Nos puede llegar a ocurrir que eliminemos a los verdaderos actores de lafunción.

III- Definición de un plan de Gestión y Tratamiento de RS.U

En esta comunicación puede ser oportuno el reflexionar sobre la información disponibleen cuanto a lo que es posible o será posible recuperar en un futuro próximo, hasta que costesestamos dispuestos a pagar como Comunidad (no es necesariamente un problema de mínimo),que particularidades presenta nuestra situación y, personalmente nos parece importante, definirun modelo global que tenga flexibilidad suficiente para asumir la incorporación de nuevosprocedimientos de selección y clasificación y, en general de aquellas aplicaciones tecnológicasque pueden mejorar globalmente el sistema. No es difícil definir un esquema razonablementebueno y económicamente asumible; es decir, realizable, si somos capaces de aceptar que "losdemás también tienen o pueden tener razón", que ninguno somos poseedores de verdadesabsolutas y que, aceptados los condicionantes clave formulados en el seno de la UE., el planadmitido debe de ser coherente con ellos y con los locales de todo tipo. No olvidemos que el planha de ser "realizable", ello significa que la mayoría, pensamos que la gran mayoría, de losmiembros de la comunidad ha de estar dispuesto a asumir el coste de su ejecución.

Se trata, por tanto, de balancear conservación de recursos (ahorro de materias primas porreciclado y reutilización) e Imagen Social de Sociedad avanzada valiosos en los primerosestadios de reciclado pero que reducen su importancia en cuanto se pretende aumentar elporcentaje de material reciclado, frente a unos costes que no evolucionan muy fuertemente en lasprimeras etapas pero que crecen exponencialmente para porcentajes de reciclado elevados.

La segunda gráfica de la fig. 1 es definitoria; hay una zona de valle en la que es posibleoperar a costes razonables dependiendo, en buena medida, de condicionamientos locales y de laexistencia de recuperadores, en definitiva, de mercado de los productos el grado alcanzable; peroexiste un límite, en la gráfica situado en % de recuperación 0,4 no tan definido en la práctica"Recordemos que estas gráficas tienen valor cualitativo; las hemos construido como puraestimación y para aclarar conceptos".


La incorporación de sistemas de recuperación energética que actúen sobre la fracción noreciclable más el vertido final de productos residuales (cenizas diversas y rechazos dedepuración) definen unos costes sobre la fracción no reciclada que dependen de factores comodimensionamiento de instalaciones, demandas de energía térmica y/o eléctrica, dispersión de lapoblación, disponibilidad de espacios y factores geológicos y climáticos para acondicionamientoen vertederos, aceptabilidad social de vertederos, etc. El establecimiento de costes de esta parte yla opción de vertedero de fermentables (que ha de cumplir la normativa actual que impone, entreotras la condición de garantizar los costes de gestión del vertedero después de sellado, una vezfinalizada su vida útil, más los de sellado y la exigencia de identificación y clasificación y demantenimiento de parámetros no siempre fáciles de alcanzar en impermeabilización, etc,imponen un muy serio estudio de comparación de alternativas que hacen, probablemente, únicocada caso particular.

ESQUEMA DE DECISIONES FUNDAMENTALES

Basándonos en la distribución estimada de las distintas fracciones que se recoge en la fig.2, para distintos modelos de tratamiento las decisiones fundamentales a tomar seríancronológicamente las siguientes:

1 Gran decisión

Definición del sistema de recogida selectiva que puede condicionar o estar condicionadopor el global (Concesiones, parque de vehículos, dispersión de puntos, estacionalidad de laproducción de RS.U y su variabilidad)

Comparación de esquemas, posibilidades de financiación de la Inversión necesaria ycostes de la alternativa elegida, incluyendo el valor, si lo tienen, de los productos recuperables.

2 Gran decisión

Definición del ámbito de aplicación. Es claro que puede resultar condicionada por la redde comunicaciones, la densidad de población y la estacionalidad de la producción de RS.U confactores como la diversidad de productos que corresponden a zonas turísticas. Un proyecto detratamiento para una gran urbe con distancias de transporte reducidas, grupos sociales muyespecializados y mercados probables para todo producto recuperado (en nuestro país Madrid oBarcelona) puede ser muy diferente del correspondiente a una isla con oferta turística elevada ymano de obra especializada en el sector servicios y muy poco en el sector industrial, pocaindustria transformadora y poco mercado interno para productos recuperados.

Tampoco es comparable el sistema a un proyecto diseñado para una comunidadautónoma multiprovincial que, además de los problemas propios del proyecto en sí ha de contarcon la aceptación y participación de instituciones a un nivel superior al de una ciudad y suentorno o al de una provincia.


3 Gran decisión

Definición o elección de proyecto de gestión y alternativas de eliminación de lasfracciones no reciclables.

La primera cuestión a resolver en este punto es si es interesante desde el requerimientolocal (zona húmeda o zona seca) y si puede hacerse un mercado para la producción de compostde R.S.U. Insistimos en que mecánicamente se puede recuperar parte de la materia orgánicafermentable y que ésta es la que retiene la mayor parte de la humedad por lo que su separacióndeja un material de mejores características de combustión perdiéndose muy poca energía. Noexiste oposición razonable a su separación, si suele haberla a una elaboración molesta, costosa yno vendible y no es presentable pensar que las instituciones que ya financian una elecciónincorrecta (como ocurre en la zona húmeda y no solo allí) deban también costear el producto ysu aplicación.

A contInuación definir que nivel de reutilización reciclado y recuperación soncompatibles con la realidad industrial y social del campo del proyecto; desde recogida separadade vidrio y férricos en cenizas, hasta recogida separada de vidrio, metales, plásticos y papel, y laurbana. En comunidades rurales tiene todo el sentido el reuso doméstico de materialesfermentables y debe ser promovida; en comunidades urbanas de alta densidad no es posible,como tampoco es admisible su eliminación por las conducciones de aguas residuales empleandotrituradores de desperdicios. Al menos barreduras, plásticos, papeles y trapos sucios soninevitablemente eliminados de modo conjunto a través de los servicios de recogida.

Esta fracción más los rechazos de las anteriores supondrá, al menos el 50% del conjuntode RS.U que hoy se producen. Es la fracción mayor y habrá de dársele la máxima importancia ala tecnología aplicada a su acondicionamiento final.

La UE. prevé como mejor aplicación su transformación en combustible para garantizarlas condiciones exigibles en su inertización química y biológica pero es variable la tecnologíaespecifica a utilizar en función de magnitudes como: cantidad disponible, variabilidad de laproducción, poder calorífico y su variabilidad, etc.

Una producción constante con calidad uniforme permite el diseño de instalaciones muysofisticadas que controladas con mucha facilidad produzcan la inertización en condicionesóptimas a costes mínimos.

Una producción variable en cantidad y composición exige instalaciones adaptables a lasvariaciones, lo que no puede ocurrir es que se produzcan situaciones de insuficiencia en lacapacidad de la instalación con graves problemas derivados del uso temporal de vertederos.


En cualquier caso, la solución definitiva es una para cada caso, el problema es muycomplejo, requiere estudios muy serios de equipos multidisciplinares y son de desconfiar lasofertas de salvadores que sin una estructura profesionalizada que los respalde ofrecen soluciones.

Lo evidente, desde el punto de vista de la producción de residuos es:

- debe maximizarse la recogida selectiva

- debe acondicionarse de modo seguro la fracción no reciclable por,

a) Prevención sanitaria*

b) Reducción de residuos mediante incineración con recuperación energética, osin recuperación energética*

* La recuperación energética evita la producción de residuos que corresponde a la energíaproducida con lo que el balance de residuos puede hacerse negativo.

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