José María Sánchez HervásCIEMAT

División Combustión y Gasificación,Unidad de Valorización Energética de Combustibles y Residuos

josemaria.sanchez@ciemat.es

VValorización termoquímica de residuos mediante tecnologías de combustión y gasificación: de residuos a

recursos

Colegio Oficial de Químicos de Madrid

Madrid, 18 de febrero de 2016

Índice

• Breve presentación CIEMAT• Valorización Termoquímica: de Residuos a Recursos• Ejemplos de actividad del CIEMAT en Valorización Termoquímica de

Residuos• Conclusiones

3

Almería: PSA

Barcelona: CISOTSoria: CEDER y CIEDA

Trujillo: CETA MADRID: CIEMAT Sede Central

CIEMAT: Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas

Organismo Público de InvestigaciónAdscrito al Ministerio de Economía y CompetitividadÁreas Investigación: Energía, Medioambiente y TecnologíaPlantilla: aprox. 1300 personas

CIEMAT_Departamento de Energía

DEPARTAMENTO ENERGIA

Unidad Análisis Energético de Sistemas

Fisión Nuclear

Combustión & gasificación

EnergíasRenovables

CEDER

PSA

Innovación & Seguridad Nuclear, gestión de residuos radioactivos, …

Valorización Energética, Pilas de Combustibles, Modelización

Biomasa, biocarburantes, eólica, solar, eficiencia energética

Centro Desarrollo EnergíasRenovablesPlataforma Solar Almería

¿Por qué el interés en valorizar residuos?

Aumento demanda energía, necesidad diversificación fuentes, cambio climático, disminución fósiles, aumento renovables

Uso eficiente recursos: de economía lineal a economía circular

Gestión de Residuos en la Unión Europea y en España

Fuente: http://www.epa.gov/waste/nonhaz/municipal/hierarchy.htmpal/hierarchy htm

Directiva Europea 2008/98/CE Marco de ResiduosLey 22/2011, de 28 de julio, de residuos

y suelos contaminadosPlan Estatal Marco de Gestión de Residuos 2016-2022Programa Estatal de Prevención de Residuos 2014-2020

Recuperación de Energía de los Residuos

Transformación de la fracción no reciclable del residuo en calor útil, energía eléctricao bio-combustibles

(pero además posibilidad de recuperación de elementos valiosos de las cenizas,…)

Vías de conversión: De Residuos a Recursos

Pirólisis

Combustible = CaHbOcNdSe CaHbOc

CxHyOmSn + calor = char + aceites+ gases (CO, CxHy + H2)Aceites y gases requieren purificación y ajuste composición

Pirólisis: Descomposición térmica en ausencia de O2, temperatura media 400-550 ºC

GasificaciónCombustible = CaHbOcNdSe CaHbOc

CxHyOmSn + O2 (aire) + H2O= SYNGAS (H2, CO, CO2, CH4, CnHm,H2O, N2)+ cenizas + contaminantes(H2S, NH3, tar, ….)

NUMEROSOS USOS FINALES DEL GAS PERO REQUIERE LIMPIEZA Y AJUSTE COMPOSICIÓN

Proceso en defecto de oxígeno (O2, H2O)Globalmente endotérmico, combustión parcial del combustibleAlta temperatura 700 – 1200 ºC

Combustión (Incineración)

Combustible = CaHbOcNdSe CaHbOc

C + O2 CO2 Hº = - 394 kJ/mol2 H + ½ O2 H2O Hº = - 286 kJ/molS + O2 SO2 Hº = - 298 kJ/mol

CxHyOmSn + O2 (aire) = CO2 +H2O + calor

+ contaminantes (SO2, NOx, dioxinas & furanos, metales pesados,...)

Proceso en exceso de oxígenoAlta temperatura 800-1000 ºC

Equipos de combustión

Taxonomía de los sistemas de combustión de residuos

Criterio Tipos

Tipo de reactorParrilla móvilLecho fluidizado: burbujeante, circulanteHorno rotatorio

Agente de oxidación aireAire enriquecido en oxígeno

Número de combustibles tratados

incineraciónco-incineración

Recuperación calorEnergía eléctricaCalor distribuidoCHP (combined heat and power): Calor y electricidad

Estado cenizas secasvitrificadas

Proceso de combustión de residuos

Oxidant medium: airER: 1.7Urea: 4.6 kg/twasteHydrated lime: 10 kg/twasteActivated Carbon: 1 kg/twaste

Balance materia sistema combustión WtE

All the values are in t/d

Source: Arena and Di Gregorio, Waste Management (2013) 33: 1142-1150

Definición de Gasificación

Conjunto de reacciones termoquímicas que se produce en un ambiente pobre en oxígeno

CONCEPTO GENERAL:

VENTAJAS DE GENERAR GAS:Facilidad de transporteMayor eficiencia de combustiónMenores deposiciones en superficies de intercambioMayor abanico de usos finales del gas

GASIFICADOR

Residuo/biomasa

AgenteOxidante

Gas Combustible

Residuo sólido

Hidrocarburospesados

Energía

Gasificación

Reacciones químicas en un proceso de gasificación

Proceso de Gasificación

Secado: Combustible húmedo + calor combustible seco + vapor de aguaPirólisis: (@ Tª<350ºC) volátiles, líquidos pirólisis, char, gases; combustible seco + calor Char + CO + CO2 +C2H4 + Alquitrán *(Char = carbono inquemado).Reacciones principales etapa gasificación (reducción y oxidación)Oxidación

– C + O2 CO2

– C + ½ O2 COBoudouard: C + CO2 2COAgua-gas– Primaria C + H2O CO + H2

– Secundaria C + 2H2O CO2 +2H2

Hidrogasificación: C + 2H2 CH4

WGS: CO + H2O CO2 + H2

Reformado: CH4 + H2O CO + 3H2

A) LECHO FIJO (UPDRAFT, DOWNDRAFT)

Updraft (contracorriente) Downdraft (flujo paralelo)

División de IngenieríaTipos de gasificadores

División de Ingeniería

B) LECHO FLUIDIZADO

Burbujeante Circulante

Tipos de gasificadores

CComparación ggasificadores: Requisitos combustible

.

GASIFICADOR UPDRAFT DOWNDRAFT FLUIDIZADO

tamaño (mm) 5 ÷ 100 20 ÷ 100 10 ÷ 100

Humedad (% b.s.) < 50 < 15 < 40

Cenizas (% b.s.) < 15 < 5 < 20

morfología Casi uniforme uniforme uniforme

Densidad (kg/m3) > 400 > 500 > 100

T fusión cenizas (ºC) >1000 >1250 >1000

CComparación gasificadores: Calidad del gas

GASIFICADOR UPDRAFT DOWNDRAFT FLUIDZADO

Temperatura gas (ºC) 100-200 600-800 700-850

Riesgo formación escorias pequeño grande pequeño

Contenido en álcalis trazas trazas bajo

Poder caloríifico gas (MJ/Nm3) 5-5,5 4,5-6 4-6

Contenido alquitranes (g/Nm3) 10-100 0,05-1 2-15

Partículas (mg/Nm3) 100-1.000 100-6.000 10.000-100.000

División de Ingeniería

C) LECHO DE ARRASTRE (Entrained Flow)

Se usa para carbón y también biomasa y residuos.

Combustible se inyecta neumáticamente en la parte superior del reactor.

Tiempo residencia pequeño (~1 seg), Tª alta (1300÷1600 ºC) y presión alta (25÷60 bar).

Bajo contenido en alquitranes.

PCI gas producto: 4 ÷ 7,5 MJ/m3

Para plantas de gran tamaño (> 100 MW).

Control complejo.

Tipos de gasificadores

Tecnología de gasificación: Usos del gas

Chart Source: Adapted from Eastman Chemical Company

Biomass/Waste

EEscala de gasificadores comerciales

Tipos de agentes gasificantes

Agente gasificantePoder calorífico gas producido

(MJ/Nm3)Uso final del gas

aire < 6 Producción de energía

oxígeno 10-20 Producción de energía

vapor de agua 10-20Enriquecido en H2 y CO2, indicado para

uso como gas de síntesis

Hidrógeno >30 Sustituto gas natural

Usos del gas de gasificación en función del agente gasificante

GGasificación por plasma

Residuos tóxicosResiduo sin tratar, lecho móvilMuy alta temperatura, 1500–5000 C. Gas alta calidad, ceniza escoria inerte vitrificada. Westinghouse desarrolla tecnologíaGran consumo energía para operar la antorcha de plasma (1200–2,500 MJ/t residuo, 5–10% energía combustible alimentación.

GGasificación por Plasma: Evolución de escala de gasificadores

Taxonomía de gasificación de residuos WtECriterio Tipos

Suministro calor auto-térmicoalo-térmico

Temperatura Baja temperatura (menor 900°C)Alta temperatura (mayor1200°C)

Agente gasificación

aireaire enriquecidooxígenovapor

Número combustibles tratados

gasificaciónco-gasificación

Tipo reactor

Lecho fijo: up-draft ; down-draftLecho fluidizado: burbujeante, circulante, circulación interna, dualLecho arrastradoPlasma

Estado cenizas secasvitrificadas

ConfiguraciónCalorEnergíaSíntesis química

Diagrama de bloques proceso gasificación WtE

CxHy + fuente O2 sub-estequiométrico = CO, H2, CO2 , CH4, H2O, T= 700-1200ºC

Oxidant medium: air and O2 enriched air (O2= 36%)ER: 0.26Urea: 4.6 kg/twaste

Hydrated lime: 6.5 kg/twasteActivated Carbon: 0.5 kg/twaste

All the values are in t/d

Balance materia sistema gasificación WtE

Source: Arena and Di Gregorio, Waste Management (2013) 33: 1142-1150

Resumen comparativo procesos de conversión térmica de residuos (WtE)

Combustión Gasificación

ObjetivoMaximizar la conversión del combustible, altatemperatura, CO2 y H2O. Maximizar recuperaciónenergía

Maximizar conversión combustible, producirsyngas CO, H2 and CH4.

Condiciones de operación

Ambiente de reaccióm Oxidante Reductor

Gas reactivo Aire Aire, O2-aire enriquecido, O2, vapor

Temperatura Entre 850°C y 1200°C Entre 550-900°C (en gasificación aire) y 1000-1600°C

Presión Generalmente atmosférica Generalmente atmosféricaEfluentes procesoGases Gas de combustión FLUE GAS, CO2, H2O, O2 Gas combustible, SYNGAS, CO, H2, CH4, CO2

Contaminantes SO2, NOx, HCl, PCDD/F, partículas H2S, HCl, COS, NH3, HCN, tar, alcalis, partículas

CenizasLa ceniza de lecho puede ser tratada (externamente)recuperación metales férreos y no férreos (Al, Cu, Zn) y materiales inertes (e.g. construcción).

Se pueden recuperar metales. cenizas del lechovitrificadas. relleno en carreteras, …

Depuración gas

El gas de combustión es tratado para cumplirlegislación emisiones

Se puede limpiar el syngas para cumpliremisiones o para usos químicos

ASPECTOS A TENER EN CUENTA

CONVERSIÓN TERMOQUÍMICA: POTENCIAL COMO COMBUSTIBLEPROBLEMAS MEDIOAMBIENTALES: EMISIONES GASES CONTAMINANTES Y CENIZASPROBLEMAS CALDERA: CORROSIÓN, SINTERIZACIÓNALMACENAMIENTO COMBUSTIBLEALIMENTACIÓN COMBUSTIBLE

CARACTERIZACIÓN LABORATORIO

QUIMICAFISICA-MECÁNICA

Transformación de residuo en energía

El residuo como Combustible

Caracterización Química de CombustiblesAnálisis inmediato (humedad, volátiles, cenizas, carbono fijo)Análisis elemental (C, H, N, S, O) + ClComposición de las cenizasPoder Calorífico

Caracterización Física de CombustiblesDensidad aparente y de pilaDistribución tamaño partículaDurabilidadPropiedades de descarga

Combustible Sólido Recuperado (CSR)• Contemplado Directiva 2008/30 CE: Combustible sólido preparado a partir de residuos no peligrosos para ser

valorizados energéticamente en instalaciones de incineración o co-incineración

• Especificación Técnica CEN/TS 15359 del Comité Europeo de Normalización

• Norma Española AENOR AEN/CTN 301 – Combustibles Sólidos Recuperados http://www.aenor.es/aenor/normas/ctn/fichactn.asp?codigonorm=AEN/CTN%20301

CIEMAT: Proyecto PROCSRObjetivo: Obtener un Combustible Sólido Recuperado (CSR) de alta calidad para su uso en combustión en la industria cementera desarrollando un nuevo proceso de acondicionamiento de Residuos Sólidos Urbanos (RSU)

Estudios de combustión en lecho fluidizadoburbujeante en planta 5kwth CIEMAT

CIEMAT: Proyecto FHIBCATObjetivoEvaluar la eficacia de un sistema de filtro híbrido catalítico para la eliminación conjunta de NOx, partículas y metales traza en la co-combustión en lecho fluidizado burbujeante de biomasa y residuos (poda de olivar, RDF-RSU, compost)

0.001

0.01

0.1

1

10

100

Hg As Ba Be Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Sb Se Zn

RE fa

ctors

Fabric Filter

CO-OP

RDF-OP

0.001

0.01

0.1

1

10

100

Hg As Ba Be Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Sb Se Zn

RE fa

ctors

ESP

CO-OP

RDF-OP

0.001

0.01

0.1

1

10

100

Hg As Ba Be Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Sb Se Zn

RE fa

ctors

Bottom Ash

CO-OP

RDF-OPPlanta CIEMAT Combustión 1 MWt Lecho fluidizadoburbujeante

CIEMAT: Proyectos PROLIPAPEL, GASREUR, TECNOEDAR

Caracterización combustible y análisis TGAPreparación combustible (pelletización)

ObjetivoDeterminar la viabilidad técnica de aplicar la tecnología de gasificación a diferentes residuos: Residuos sector papel reciclado, RSU, fangos de E.D.A.R, para uso del syngas en motor para producción energía eléctrica

CIEMAT: Proyectos PROLIPAPEL, GASREUR, TECNOEDAR

Instalación CIEMAT ensayos de gasificación (0.5 MW Lecho Fluidizado Circulante)y depuración gas

ER 0,18 0,23 0,24 0,3

H2 8,36 5,2 4,13 3,11

CO 6,92 5,68 5,49 5,34

CO2 10,37 10,79 10,74 10,96

CH4 5,53 4,16 3,87 4,13

C2H4 5,19 3,13 3,73 2,34

C2H6 0,22 0,04 0,1 0,08

C2H2 0,34 0,42 0,29 0,53

BTEX 0,14 0,03 0,03 0,28

ObjetivoDeterminar la viabilidad técnica de aplicar la tecnología de gasificación a diferentes residuos: Residuos sector papel reciclado, RSU, fangos de E.D.A.R, para uso del syngas en motor para producción energía eléctrica

CIEMAT: Proyecto CATARSYSObjetivoDesarrollo de catalizadores activos, selectivos y estables de reformado de alquitranes para revalorización de corrientes de gasificación de biomasa y residuos (fangos de E.D.A.R)

Instalación reformado de alquitranes a escala de laboratorio y planta piloto

00:00 20:00 40:00 60:00 80:00 100:00

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

GHSV: 4870 h-1

W/F=352,52 g·min/mol1CTAR02 57

Conv

ersió

n to

luen

o (%

)

tiempo (h)

00:00 20:00 40:00 60:00 80:00 100:00

05

10152025303540455055606570

GHSV= 4870 h-1

W/F=352,52 g·min/mol1CTAR02 57

Dist

ribuc

ión

prod

ucto

s pr

incip

ales

(%)

tiempo (h)

H2

N2

CO2

CH4

CO

00:00 20:00 40:00 60:00 80:00 100:00

02468

101214161820222426

1CTAR02 57

Conc

entra

ción

de a

lqui

trane

s (g

·m-3)

tiempo (h)

BencenoToluenoEtilciclohexano

GHSV= 4870 h-1

W/F=352,52 g·min/mol

Conclusiones

• La valorización termoquímica de residuos permite su transformación en recursos• Papel de los procesos de valorización energética de residuos en la economía

sostenible• Reducción masa y volumen residuo, menor espacio vertedero; • Recuperación sostenible energía contenida en el residuo; • Recuperación de materiales contenidos en los residuos sólidos• Reducción emisión gases efecto invernadero;• Destrucción de contaminantes orgánicos presentes en el residuo;• Separación de componentes inorgánicos de la fracción orgánica, permitiendo reutilización,

reciclado y evitando dispersión y acumulación de componentes peligrosos en el medioambiente y en los productos reciclados

GGracias por su atención¿Preguntas?