GASIFICACIÓN DE RESIDUOS PLÁSTICOS PARA LA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN RÉGIMEN ESPECIAL

Liliana María Álvarez HenaoManejo integrado de residuos sólidosMaestría en Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente

IVÁN JUNQUERA DIZ - MADRID, Junio 2010

Gestión de los residuos sólidos urbanos Recogida selectiva: o Papel y cartóno Vidrioo Plásticos pequeños o Pequeños metaleso Otros metales o Madera o Residuos orgánicos de cocinao Ropa o Calzado o Textiles

TRATAMIENTOS

En la actualidad existen principalmente dos procesos que son utilizados para el tratamiento de residuos sólidos urbanos. Estos son la gasificación y la pirólisis.

LA GASIFICACIÓN Es un proceso termoquímico en el que un

residuo sólido urbano es transformado mediante un gas en un combustible, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente gasificante (aire, oxigeno y/o vapor de agua).

LA PIRÓLISIS Se puede definir como la descomposición

térmica de un material en ausencia de oxígeno o cualquier otro reactante. Esta descomposición se produce a través de una serie de compleja de reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor. La pirolisis también aparece como paso previo a la gasificación y la combustión.

PROBLEMÁTICA (ESPAÑA)

La situación en la gestión de los residuos sólidos urbanos es preocupante ya que la mayoría de los residuos generados en el país, más de la mitad, son vertidos a vertederos. Cabe destacar el aumento de la incineración con recuperación de energía en los últimos años y la recogida selectiva que permiten una mayor valoración de los residuos.

En Valencia (España)

Se diferencian dos tipos de residuos: los residuos sólidos urbanos propiamente dichos, y los residuos sólidos admisibles a urbanos procedentes de actividades industriales.

COMPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS – VALENCIA

Como se puede observar en la figura adjunta el 8% de los residuos sólidos urbanos generados en la Comunidad Valenciana, son de tipo plástico, suponiendo un total de 176.357 toneladas anuales como media.

COMPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS ADMISIBLES A URBANOS

En lo referente a residuos sólidos admisibles a urbanos, procedentes de la actividad industrial, se observa que el 22% del total son de tipo plástico, lo que supone un total de 207.107 toneladas anuales de media.

LOS RESIDUOS PLÁSTICOS Se trata de materiales muy recientes que se han

incorporado a nuestra civilización en la última mitad del siglo XX.

El plástico se obtiene por la combinación de un polímero o varios, con aditivos y cargas, con el fin de obtener un material con unas propiedades determinadas.

Son compuestos de naturaleza orgánica, y en su composición intervienen fundamentalmente el Carbono y el Hidrógeno, además de otros elementos en menor proporción, como Oxígeno, Nitrógeno, Cloro, Azufre, Silicio, Fósforo, etc.

LOS POLÍMEROS COMERCIALES Los polímeros son materiales no naturales

obtenidos del petróleo por la industria mediante reacciones de síntesis, lo que les hace ser materiales muy resistentes y prácticamente inalterables.

Esta última característica hace que la Naturaleza no pueda por sí misma hacerlos desaparecer y permanezcan en los vertederos por largos periodos.

CLASIFICACIÓN

Los plásticos los podemos clasificar en: Polietileno Tereftalato (PET) Polietileno de alta densidad (PEAD) Cloruro de Polivinilo (PVC) Polietileno de baja densidad (PEBD) Polipropileno (PP) o Poliestireno (PS)

PROPIEDADES PODER CALORÍFICO: Cantidad de calor que se desprende

en la combustión completa de una unidad de masa, es decir, la cantidad de calor que entrega un kilogramo o metro cúbico de combustible al oxidarse en forma completa cuando el carbono pasa a anhídrido carbónico.

HUMEDAD: Se puede definir como el contenido en agua, normalmente expresado en porcentaje, que incluyen los residuos en su composición (2% su contenido en humedad).

DENSIDAD: Se define como el peso de un material por unidad de volumen y en el sistema internacional se mide en Kg/m3. El valor de densidad de los plásticos oscila entre 42 y 131 kg/m3, siendo su valor típico 65 kg/m3.

PARA TENER EN CUENTA Se hace importante distinguir entre PCS (poder

calorífico superior) y PCI (poder calorífico inferior). La diferencia radica en el estado de agregación del agua contenida, es decir, el PCS se define con agua líquida, y el PCI se define con un contenido de agua en forma de vapor.

Los PCI son sensiblemente inferiores a los PCS, y son los que nos interesan a la hora de la realización de los cálculos en el presente proyecto ya que en el PCI se tiene en cuenta la cantidad de calor necesaria para vaporizar el agua.

PLÁSTICO/PCI Los PCI de los plásticos que se utilizaron son

los siguientes: PLÁSTICO/PCI

Polietileno Tereftalato (PET): 6.280 Kcal/KgPolietileno de alta densidad (PEAD): 10.400

Kcal/Kg Cloruro de Polivinilo (PVC): 5.000 Kcal/Kg Polietileno de baja densidad (PEBD): 10.300

Kcal/Kg Polipropileno (PP): 11.000 Kcal/Kg Poliestireno (PS): 10.000 Kcal/Kg

GASIFICACIÓN DE PLÁSTICOS

Es el conjunto de reacciones termoquímicas, que se producen en un ambiente pobre en oxígeno, y que da como resultado la transformación de un sólido, en este caso residuos plásticos, en una serie de gases susceptibles de ser utilizados en una caldera, turbina o en un motor, tras ser debidamente acondicionados.

ETAPAS Y REACCIONES DE LA GASIFICACIÓN

1. Calentamiento hasta 100 °C: Secado por evaporación

2. Pirólisis (ruptura por calor) de moléculas grandes.

3. En reactores tipo updraft, es la reducción por combinación de vapor de agua con el dióxido de carbono que viene arrastrando la corriente.

4. Oxidación de la fracción carbonosa de la biomasa al entrar en contacto con el agente gasificante (aire, oxígeno o vapor de agua).

Etapas de reacción en el sentido del agente gasificante Oxidación parcial del residuo carbonoso y caliente

de los RSU, elevando mucho su temperatura, ya que las reacciones de oxidación son exotérmicas.

En la zona de reducción, la falta de oxígeno unida a la disponibilidad de carbono, CO2 y vapor de agua, hace que se produzca una recombinación hacia hidrógeno molecular y monóxido de carbono.

La tercera etapa en el sentido del gas es la pirólisis en la que, por efecto del calor, los componentes más ligeros de los RSU se rompen y se convierten en gas, uniéndose a la corriente.

Por último, los gases calientes evaporan el agua contenida en los RSU entrantes.

Agentes gasificantes

Si se gasifica con aire, parte de los residuos plásticos procesados se quema con el oxígeno presente y el resto sufre la reducción. No obstante, el 50% del gas de síntesis es nitrógeno. Este gas de síntesis es apropiado para motores de combustión interna convencionales, ya que como materia prima para la síntesis del metanol es un gas pobre.

Agentes gasificantes

La gasificación con vapor de agua u oxígeno, mejoran el rendimiento global y aumenta la proporción de hidrógeno en el gas de síntesis. Es el sistema más adecuado de producir gas de síntesis si se desea emplearlo como materia prima para producir metanol o gasolina sintética. Si bien el aire es gratuito y el vapor de agua se produce a partir del calor contenido en el gas de síntesis, el oxígeno tiene un coste energético y económico a tener en cuenta.

Agentes gasificantes La utilización de hidrógeno como agente

gasificante permite obtener un gas de síntesis que puede sustituir al gas natural, pues puede alcanzar un poder calorífico de 30 MJ/kg. No obstante, el hidrógeno es el mejor de los combustibles, susceptible de usarse en cualquier dispositivo termoquímico o electroquímico, por lo que no es muy recomendable como gasificante en el ámbito industrial, excepto en los casos de excedentes de baja pureza, no aptos para otra aplicación como una pila de combustible.

CATALIZADORES Dependiendo de la tecnología que se emplea, y de las

condiciones de gasificación (relación residuos/gasificante, tiempo de residencia, etc.) se pueden usar catalizadores para inducir ciertas reacciones y que se produzca prioritariamente algún componente:

Catalizadores de reformado de níquel o cobalto, gasificando a menos de 550 °C facilitan el craqueo de las fracciones pesadas, es decir, la reducción de la formación de alquitranes.

Catalizadores basados en zeolita y dolomía reducen la temperatura de craqueo de 1.100 oC a 800-900 oC, es decir, que permiten trabajar a menor temperatura en la zona de reducción.

Si se quiere facilitar la formación de monóxido de carbono e hidrógeno, se deben utilizar catalizadores de níquel y cobalto, trabajando entre 700 y 800 °C en la zona de reducción.

REACTORES La de lecho móvil que, a su vez, se subdivide

dependiendo del sentido relativo de las corrientes de combustible (residuos plásticos) y agente gasificante.

La de lecho fluidizado, en la que el agente gasificante mantiene en suspensión a un inerte y al combustible, hasta que las partículas de éste se gasifican y convierten en cenizas volátiles y son arrastradas por la corriente del gas de síntesis.

VENTAJAS DEL PROCESO – INNOVACIÓN Además de sustituir a combustibles ligeros de

origen fósil, la gasificación permite obtener altos rendimientos eléctricos a partir de biomasa y residuos sólidos urbanos, cuestión ésta muy difícil mediante combustión directa para generación de vapor y posterior expansión de éste en un turbo alternador.

Mediante la gasificación se pueden obtener rendimientos eléctricos de hasta un 30-32% mediante el uso de motogeneradores accionados por el gas de síntesis obtenido, mientras que con un ciclo de Rankine convencional simple las fracciones rondan un 22% de rendimiento eléctrico.

PROCESOS DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, A PARTIR DE GASES

1. Turbina de gas.2. Caldera y turbina de vapor 3. Motor de combustión interna alternativo.

ALTERNATIVA SELECCIONADA

La opción elegida para la producción de energía eléctrica a partir del gas de síntesis generado en el proceso de gasificación será la instalación de quince motores de combustión interna alternativos que utilizarán como combustible este gas de síntesis. Los motores tendrían una potencia eléctrica de 710 Kw, obteniendo con la instalación de los quince motores una potencia eléctrica total de 10,65 Mw.

PARCELA

DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN

Planta de recogida y tratamiento de residuos plásticos

Planta de gasificación Planta de generación de energía eléctrica

PLANTA DE RECOGIDA Y TRATAMIENTO DE RESIDUOS

Esta planta será la encargada de recepcionar, almacenar y tratar los residuos plásticos para su posterior introducción en el gasificador. La planta estará formada por una nave de 3300 m2 con capacidad para almacenar reservas de residuos plásticos para quince días de operación de la planta de gasificación y la de producción de electricidad, es decir, 1290 Tn de residuo.

PLANTA DE GASIFICACIÓN

En esta parte de la central se instalará el gasificador y la zona de limpieza del gas producido en el mismo para poder ser introducido en los motores de combustión interna alternativa para la producción de energía eléctrica.

PLANTA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

La planta de generación eléctrica estará formada por una nave de 750 m2 en la que se instalarán los quince motores de combustión interna alternativa acoplados a sus correspondientes generadores.

Contará también con una zona para el tratamiento de las emisiones en forma de gases de escape de los motores, así como el sistema de refrigeración de los mismos.

PROBLEMAS AMBIENTALES Emisión de gases a la atmósfera: gases

provenientes de la combustión de los motores y su composición:

Óxidos de nitrógeno (NOx) Monóxido de carbono (CO)

Emisiones acústicas: Debido a la acción de los motores

Emisiones de fluidos: las producidas por el agua derefrigeración para el procesos de gasificación y para losmotores de combustión interna alternativos.

Los óxidos de nitrógeno

Los óxidos de nitrógeno son una mezcla de gases compuestos de nitrógeno y oxígeno. El monóxido de nitrógeno y el dióxido de nitrógeno constituyen dos de los óxidos de nitrógeno más importantes toxicológicamente; ninguno de los dos son inflamables y son incoloros a pardo en apariencia a temperatura ambiente.

Efectos de los óxidos de nitrógeno La reacción del dióxido de nitrógeno con sustancias

químicas producidas por la luz solar lleva a la formación de ácido nítrico, el principal constituyente de la lluvia ácida. El dióxido de nitrógeno reacciona con la luz solar, lo cual lleva a la formación de ozono y smog en el aire que respiramos.

Pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno pueden evaporarse desde el agua, pero la mayor parte reaccionará con el agua formando ácido nítrico.

Cuando se liberan al suelo, pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno pueden evaporarse al aire. Sin embargo, la mayor parte será convertida en ácido nítrico u otros compuestos.

Efectos del monóxido de carbono El monóxido de carbono es considerado uno

de los mayores contaminantes de la atmósfera terrestre. Sus principales fuentes productoras responsables de aproximadamente 80% de las emisiones, son los vehículos automotores que utilizan como combustible gasolina o diesel y los procesos industriales que utilizan compuestos del carbono. Esta sustancia es bien conocida por su toxicidad para el ser humano. Sus efectos tóxicos agudos incluida la muerte han sido estudiados ampliamente; sin embargo, sus potenciales efectos adversos a largo plazo son poco conocidos (Téllez et al, 2006).

El plástico es un material de innegable utilidad presente en infinidad de productos de uso cotidiano, pero sumado al consumismo y la cultura del uso y desecho, hacen que la generación de residuos ocurra de manera masiva y continua. Además, los plásticos tienen un extenso tiempo de degradación (entre 100 y 1000 años), lo que genera que no se reincorporen fácilmente a los ciclos naturales, permaneciendo por largos periodos y afectando de diferentes maneras los lugares donde quedan dispuestos (Téllez, 2012).

En Colombia… El cálculo de materiales plásticos que se están

aprovechando alcanzó la cifra de 209.655 toneladas anuales que corresponden al 27,5% del consumo aparente de resinas plásticas vírgenes consumidas en el país. Aunque ACOPLASTICOS estima que el nivel de recuperación de consumo aparente es del 55%, esta cifra se considera excesivamente alta dado el carácter básicamente microempresarial de las empresas transformadoras que no estarían en capacidad de utilizar tanto material (Aproximadamente 472.245 toneladas, el 55% de consumo aparente de plásticos en 2009) (Aluna Consultores Limitada, 2011).

Innovación Buscar alternativas de energía en un mundo que ha

venido dependiendo de materiales fósiles, los cuales resultan ser altamente contaminantes, es una de las salidas que la humanidad tendría para satisfacer en parte sus necesidades energéticas.

Los plásticos que se derivan también del petróleo, podrían considerarse agotables. Sin embargo, en la actualidad sus usos son amplios y variados y generalmente no se tiene conciencia para reducir su uso y llevar acabo una separación y gestión integral, por ello se debe incurrir en métodos que permitan su recuperación.

Se lograría disminuir el impacto negativo de los diferentes plásticos sobre el agua, el suelo, el ser humano y demás formas de vida.

Bibliografía Téllez, J., Rodríguez, A., & Fajardo, Á. (2006).

Contaminación por Monóxido de Carbono: un Problema de Salud Ambiental. Salud pública , 108-117.

La complejidad de la problemática ambiental de los residuos plásticos: Una aproximación al análisis narrativo de política pública en Bogotá. Alejandra Téllez Maldonado (2012).

Aproximación al mercado de reciclables y las experiencias significativas, Aluna consultores limitada, 2011.