Análisis termodinámico de la gasificación por plasma de bagazo de caña

Artículo original Análisis termodinámico de la gasificación por plasma de bagazo de caña Thermodynamic analysis of plasma gasification of bagazo de caña Ing. Jorge Jadid Tamayo-Pacheco1* DrC. José Ramón Copa-Rey2 Ing. Manuel Cantos-Macías3 DrC. Angel Luis Brito-Sauvanell1 DrC. José Luz Silveira2 1 Universidad de Oriente, Santiago de Cuba. Cuba São Paulo State University, Faculty of Engineering of Guaratinguetá, Brazil. 3 Universidad Técnica de Manabí, Ecuador 2 *Autor para la correspondencia. Correo electrónico: RESUMEN La gasificación térmica por plasma puede ser una de las tecnologías más pertinentes y respetuosas con el medio ambiente para el tratamiento de residuos y ha ganado interés para su uso en la termoconversión de biomasa. En esta perspectiva, el objetivo de este estudio es evaluar la gasificación del bagazo de caña de azúcar mediante el estudio de las áreas efectivas de operación de este proceso y establecer una comparación con la gasificación autotérmica convencional. Se utilizó un modelo de equilibrio termoquímico para calcular los indicadores que caracterizan el desempeño del proceso por si solo y en integración con un ciclo combinado. Como resultado se obtuvo que la gasificación por plasma y aire del bagazo es técnicamente factible para la producción eléctrica neta específica de 4 MJ con un 30 % de eficiencia eléctrica produciéndose un gas 524 con mayor poder calorífico que la gasificación autotérmica. Se determinaron los puntos de operación donde la producción de energía eléctrica y la eficiencia del gas frio alcanzan su mayor valor; a continuación fueron analizados los efectos de los parámetros operacionales sobre estos indicadores de desempeño. Palabras clave: gasificación por plasma; modelo de equilibrio; análisis termodinámico; gasificación de bagazo de caña de azúcar. ABSTRACT Thermal plasma gasification can be one of the most relevant and environmentally friendly technologies for the treatment of waste and has gained interest for its use in the biomass thermalconversion. In this perspective, the aim of this study is to evaluate the gasification of sugar cane bagasse by studying the effective areas of operation of this process and to establish a comparison with conventional autothermal gasification. A thermochemical equilibrium model was used to calculate the indicators that characterize the performance of the process by itself and in integration with a combined cycle. As a result, plasma gasification of the bagasse was technically feasible for the specific net electric production of 4 MJ with 30% electrical efficiency, producing a gas with a higher calorific value than the autothermal gasification. The points of operation were determined where the production of electric energy and the efficiency of the cold gas reach their highest value; the effects of the operational parameters on these performance indicators were then analyzed. Keywords: plasma gasification; equilibrium model; thermodynamic analysis; sugarcane bagasse gasification. Recibido: 8/09/2018 Aceptado: 15/01/2019 Introducción 525 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 526 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. 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. Métodos utilizados y condiciones experimentales 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 té (...truncated)