El consumo mundial de energía ha crecido de manera constante debido a una serie de razones, principalmente debido a la industrialización, al rápido crecimiento de los países en desarrollo y su población, al aumento de la calidad de vida y al aumento del transporte de personas y bienes. Para satisfacer estas necesidades, el uso extensivo de combustibles fósiles ha demostrado ser insostenible y una de las principales causas de la emisión de gases de efecto invernadero. La necesidad de fuentes renovables de energía que proporcionen bajas emisiones de tales gases es hoy más necesaria que nunca.

Dentro de los recursos de energía renovable, se espera que la biomasa sea una de las opciones predominantes, principalmente debido a su abundancia y manejabilidad. En la actualidad, importantes cantidades de biomasa se convierten principalmente en calor. Se estima que el 13% de la energía primaria global utilizada en todo el mundo es biomasa, la mayoría con niveles muy bajos de eficiencia cuando se quema al aire libre. ¹

En algunos países como Brasil y Cuba, la biomasa como fuente primaria se utiliza para obtener electricidad en los ingenios azucareros mediante la quema de bagazo. Este proceso puede mejorarse desde el punto de vista de la eficiencia, si se utilizan otras formas de conversión térmica como la gasificación.² Sin embargo, la gasificación es un proceso complicado, está sujeto a la influencia de múltiples factores y enfrenta estrictos requisitos tecnológicos, por lo que esta tecnología aún no se ha introducido en el sector del azúcar.

Una de las formas de gasificar la biomasa es a través del uso de plasma térmico como fuente del calor necesario para que ocurran las reacciones de gasificación esencialmente endotérmicas. Esta técnica ha sido probada fundamentalmente para el tratamiento de residuos sólidos urbanos, ³ carbón ^₄₎ y en otras biomasas. ⁵ A través de la gasificación por plasma es posible obtener un gas limpio adecuado para su uso en sistemas de turbinas de gas que permiten a los gasificadores integrados a un ciclo combinado (IGCC). ⁶ El uso de IGCC se reconoce como la forma de obtener más energía eléctrica de la gasificación, pero en el caso de la gasificación por plasma, se produce una disminución de la energía neta debido al consumo eléctrico del gasificador. ⁷ Es por eso que se requieren estudios termodinámicos buscando mejoras en el desempeño del proceso.

En este documento, se aborda el análisis termodinámico a través de la evaluación de los criterios de desempeño de la gasificación por plasma como un proceso individual y de la operación del IGCC.^18,19 Como método de análisis, se propone el uso de modelos para explorar las áreas efectivas de operación en busca de las zonas donde los criterios de rendimiento son máximos, así como los efectos de los parámetros operacionales.

Para realizar los cálculos y estimaciones del rendimiento de la gasificación de bagazo, en este estudio, se utilizó un modelo de equilibrio termoquímico. Este tipo de modelo goza de gran popularidad porque es relativamente simple y permite obtener resultados cercanos a la realidad, fundamentalmente en los gasificadores que operan a altas temperaturas y con tiempos de residencia del gas en los que se alcanzan estados cercanos al equilibrio teórico. Sin embargo, no concibe aspectos importantes como la cinética química y la dinámica de fluidos que se incorporan en otros tipos de modelos más complejos. ⁸

Como entradas del modelo se incluyen: la composición elemental de la biomasa y su humedad, la cantidad de aire que interviene en el proceso, la entalpía aportada a la reacción por el plasma térmico, y la relación del carbón no convertido. La composición final del syngas es la principal salida del modelo y constituye un elemento básico para luego calcular los criterios de desempeño.

La energía del plasma térmico se tiene en cuenta en el balance de energía como en ⁹ y se muestra en la ecuación 1.

Donde: es la entalpía de formación de la sustancia i [kJ/kmol]

contenido de agua en la biomasa [mol]

m cantidad de aire involucrada en la reacción [mol]

entalpía aportada por el plásma térmico [kJ]

cantidad de la sustancia i presente en los productos [mol]

calor específico medio de la sustancia i [kJ/(kmol∙K)]

diferencia de temperatura entre la temperatura de gasificación y 298 K° [K°]

fracción de carbón no convertido [mol]

entalpía de vaporización del agua [kJ/kmol]

Otras ecuaciones en el modelo son el balance de masa de Carbono, Hidrógeno y Oxígeno como se plantea en algunas literaturas. ¹⁰

Donde bC, bH y BO son los átomos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno en la forma simplificada de la molécula de biomasa.

Las constantes de equilibrio de la reacción de formación de metano y la reacción de desplazamiento de gas fueron planteadas de acuerdo con ¹⁰

La composición elemental del bagazo en base seca para este estudio fue la siguiente: C = 47.5%, H = 5.9%, O = 40.7%, N = 0.29%, humedad = 20%, Cenizas = 5.6% ¹¹.

El modelo se validó con los resultados experimentales para la gasificación con aire autotérmica descrita en ¹², la gasificación por plasma con aire ¹³ y para la gasificación por plasma con vapor ¹⁴ (Ver Tabla1). La raíz del error cuadrático de la media (rmse) en la predicción de la composición porcentual del syngas fue inferior a 3.5 y en la predicción del poder calorífico del syngas inferior a 0.85 MJ/m³.

Tabla 1

* A presión y temperatura estándar

La conversión de carbono en un gasificador real depende de muchos factores: termodinámica, cinética química, hidrodinámica, transferencia de calor y masa, tiempo de residencia e incluso distribución del tamaño de partícula, en esta investigación se asume un valor de conversión del carbono del 100%.^20,21

Existen varios criterios para la evaluación del desempeño de un gasificador. Según el uso del syngas, algunos son más relevantes que otros. Para la producción energética, los más relevantes son el poder calorífico inferior del gas producido (PCI), la eficiencia del gas frío (CGE), y la producción específica del syngas.

El poder calorífico del syngas da la medida de la cantidad total de calor liberado en la combustión completa de una masa o volumen unitario sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua generado en la combustión. Para su cálculo se utiliza la expresión 7 siguiente:

Uno de los indicadores de eficiencia más utilizados es la eficiencia del gas frío, que mide la eficiencia energética del proceso de gasificación considerando el gas producido a temperatura ambiente y su ecuación para la gasificación por plasma es tomada de ¹⁵ y expresada en términos de un mol de biomasa. Ver ecuación 8 siguiente:

Donde es el poder calorífico inferior del syngas producido al convertir un mol de biomasa, es el poder calorífico inferior de un mol de biomasa.

La producción específica de syngas se puede calcular aproximadamente suponiendo un valor de 22.4 como el volumen de un mol de gas ideal en dm³ a la temperatura y presión estándar (Ver ecuación 9)

Donde es la cantidad total de moles del gas producido y Am es el contenido de ceniza en un mol de biomasa.

Los datos para analizar el desempeño de la gasificación de bagazo de caña fueron tomados de trabajos de otros autores (Ver Tabla 2). En ellos se pude observar valores de PCI inferiores a 6 MJ/m³ y CGE inferiores a 75 % para la gasificación autotérmica de bagazo. Mientras que en la gasificación por plasma la CGE se encuentra entre 80-85%.

Tabla 2

Para poder estudiar las áreas efectivas de operación de la gasificación por plasma de biomasa, se consultaron resultados experimentales presentes en la literatura, lo que permitió definir los valores aproximados de los parámetros operacionales fundamentales: relación equivalente (definida por ecuación 10) y la relación de energía del plasma (definida por la ecuación 11) así como la temperatura de reacción (Ver tabla 3).

Tabla 3

En este estudio se propone utilizar un método gráfico de análisis usando isolíneas, pues estas permiten en una misma figura estudiar la influencia de las variables independientes sobre un conjunto de diversos indicadores de desempeño. La figura 1 muestra el área efectiva de operación entre los 1000 °C y 1300 °C, con un ER superior a 0.05 e inferior a 0.25 donde se ilustran las isolíneas de la temperatura de gasificación, la eficiencia del gas frio, el poder calorífico inferior del syngas y la producción específica de syngas.

Fig. 1

El ER afecta fuertemente el proceso de gasificación; este determina la temperatura del sistema , la disponibilidad de oxígeno, la producción de syngas, y por tanto la composición del syngas y su poder calorífico. Un aumento de ER conlleva a una mayor producción específica de syngas y al mismo a una mayor oxidación que implica mayor producción de dióxido de carbono, a esto se le adiciona el efecto diluyente del nitrógeno incorporado por lo que se reduce el PCI del syngas y por tanto disminuye también la eficiencia del gas frio.

EL PER es un parámetro carácterístico de la gasificación por plasma con una débil influencia en el PCI del syngas, en el área efectiva de operación las isolíneas del PCI son casi paralelas al eje del PER. Su mayor influencia se aprecia sobre la eficiencia del gas frio, pues un aumento del PER implica una disminución de la eficiencia.

La temperatura también tiene un gran impacto en la termoconversión, pues modifica la compposición de las especies químicas producidas en el proceso. En la práctica, la temperatura es un parámetro operacional destacado a escala de laboratorio, pero en las plantas es muy difícil de controlar y de medir con exactitud pues depende de ER, de PER, de los flujos de agente gasificante, del flujo de biomasa y de pérdidas térmicas. Es por ello que en este trabajo más bien es considerada una restricción siendo las variables manipuladas el PER y el ER.

Si se sigue la isolínea de los 1200 °C, correspondiente a un valor típico para este tipo de gasificador, se puede mover el punto de operación aumentado el PER al mismo tiempo que se disminuye el ER o viceversa. Sobre esta línea, en la figura 1, se resalta un punto negro correspondiente a una operación donde el PCI del syngas es superior a 10 MJ/m³ a presión y temperaturas estándares y donde la CGE alcanza un valor de 82%. Este resultado de CGE está en concordancia con lo publicado por ¹⁶ (Ver tabla 2). Además de que evidencian la superioridad de la gasificación por plasma comparada con la gasificación autotérmica en cuanto a poder calorífico del syngas y eficiencia del gas frio.

Para realizar el análisis termodinámico de la integración de la gasificación por plasma a un ciclo combinado con eficiencia se asumió el enfoque de ¹³ representado en la figura 2.

Fig. 2

Mediante la ecuación 12 se puede calcular la energía eléctrica producida para cada kilogramo de biomasa gasificada:

Donde es la energía eléctrica consumida por las antorchas de plasma para convertir un kilogramo de biomasa.

Sustituyendo las ecuaciones 9 y 10 en 8 queda:

De la ecuación 15 se deduce que si se desea elevar la producción eléctrica debe aumentarse el primer sumando y disminuir el segundo, pero el primer sumando depende del y este a su vez depende de y los cuales están interrelacionados pues de ellos depende también la temperatura de gasificación, por lo que optimizar la producción eléctrica no es trivial.

En este trabajo se propone utilizar el método gráfico para encontrar el punto de operación que maximice la producción eléctrica para lo cual se realizó una exploración de toda el área de operación Ver figura 3.

En la figura 3 se muestran los indicadores de desempeño relacionados a la integración a un ciclo combinado de un gasifiador por plasma de bagazo de caña con humedad del 20%, es decir la electricidad neta producida y la eficiencia eléctrica. En esta simulación fueron asumidos valores de η_ciclo = 0.6 y de como en ¹³.

La dependencia de la electricidad neta producida de los parámetros operacionales PER y ER puede ser comprobada en la figura 3. Un incremento de PER se corresponde con un mayor consumo en la generación del plasma y por tanto menor electricidad neta producida y un incremento de ER deteriora la calidad del gas y conduce a una menor generación eléctrica. El punto negro representan un punto de operación sobre los 1200° C donde la generación eléctrica es ligeramente superior a los 4 MJ/kg, Como puede apreciarse, este punto de mayor generación no coincide con el de mayor CGE, sino que se desplaza hacia un mayor ER donde PER es menor.

Fig.3- Desempeño

La eficiencia eléctrica neta para el sistema estudiado alcanza el 30%, lo que sin duda es mayor que la eficiencia eléctrica alcanzada en plantas donde se quema el bagazo en ciclos Rankine con un 20% de eficiencia eléctrica. ¹⁷

El proceso de gasificación por plasma puede ser modelado mediante un enfoque de equilibrio termoquímico con un buen grado de aproximación a los resultados reales estudiados, inferior a 3.5% en la predicción de la composición porcentual del syngas.

La CGE para la gasificación por plasma del bagazo de caña de azúcar (82 %) es mayor que la CGE autotérmica reportada estudiada (68 %, 73 %). De igual forma el PCI del syngas para la gasificación por plasma del bagazo de caña de azúcar (10 MJ/m³) es mayor que el PCI de la gasificación autotérmica reportada estudiada (5.98 MJ/m³, 5.23 MJ/m³)

Para cada aplicación del gas producido, ER y PER deben ajustarse para lograr un rendimiento óptimo. Las zonas donde se maximizan la CGE y la electricidad neta producida no son coincidentes, esta última se encuentra desplazada hacia una menor PER y una mayor ER con respecto a la primera. Alcanzándose una electricidad neta producida en la integración a un ciclo combinado de 4 MJ/kg de bagazo con 30% de eficiencia eléctrica.

Según la literatura científica revisada, aunque la electricidad neta obtenida en la gasificación por plasma es más baja que la autotérmica teórica, esta es una opción viable para aumentar la producción eléctrica en el sector azucarero, pues es un método flexible, con facilidades para el control del proceso y que produce un syngas con bajo contenido de alquitranes adecuado para su integración a ciclos combinados.