presentación de powerpoint - quimicosmadrid.org · Índice •breve presentación ciemat...
TRANSCRIPT
José María Sánchez HervásCIEMAT
División Combustión y Gasificación,Unidad de Valorización Energética de Combustibles y Residuos
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?