GASIFICACION
Bajo la denominación de gasificación se recogen todos aquellos procesos que llevan implícita una combustión en condiciones de defecto de oxígeno, con producción de monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y metano, en proporciones diversas según la composición de la materia prima y las condiciones del proceso.
La temperatura de operación es un factor importante en estos procesos. Para obtener un buen rendimiento de la mezcla gaseosa resultante (contenidos altos en hidrógeno y monóxido de carbono) es necesaria una temperatura mínima de 700 a 800 ºC . Para evitar problemas técnicos debidos a la fusión y la aglomeración de cenizas se impone una temperatura máxima. En general se suele trabajar a temperaturas entre 800 y 1500 ºC , lo que permite desarrollar las tres fases similares a las de la combustión, pero limitando la cantidad de comburente a un 10 - 50% del teóricamente necesario para una combustión completa. La calefacción del reactor se realiza normalmente mediante la combustión del gas producido, aun cuando se están desarrollando otros métodos como la utilización del calor de un horno solar o el calentamiento mediante una arco voltaico.
La posibilidad más importante de controlar los productos finales de la gasificación es la variación de las condiciones de entrada del comburente. La utilización como comburente de aire u oxígeno da lugar a dos procesos de gasificación sustancialmente distintos, en cuanto a la posible utilización de los productos obtenidos, tal como muestra el siguiente esquema:
En efecto, la presencia o no de nitrógeno en el comburente hace que se obtengan dos tipos diferentes de gas, no sólo en cuanto a su composición y capacidad calorífica, sino bajo el punto de vista de su posible uso. Se trata del gas pobre o gas de gasógeno, obtenido por la gasificación de biomasa con aire y el gas de síntesis, producto de la gasificación con oxígeno.
El gas de gasógeno
El gas de gasógeno o gas pobre se obtiene mediante una gasificación de biomasa sólida (leña o residuos agrícolas, con un contenido en humedad inferior al 20%), haciendo pasar a gran velocidad una pequeña cantidad de aire a través de una gran masa en combustión.
El oxígeno del aire quema el carbono contenido en la biomasa porporcionando CO y CO2; este último se reduce a su vez a CO en contacto con la masa incandescente. Por su parte, el vapor de agua procedente de la humedad del combustible se disocia produciendo hidrógeno y liberando oxígeno, el cual se combina con el carbono para producir más óxidos de carbono. También se obtienen hidrocarburos (principalmente metano) y, al emplearse aire, el contenido en nitrógeno del gas formado es elevado. En resumen, se obtiene un gas denominado gas de gasógeno o gas pobre, debido a su reducido poder calorífico (3,4 a 5,4 MJ/m3).
Este hecho obliga a utilizar el gas directamente en unidades de combustión, para obtener electricidad y vapor, debido a que la presencia de nitrógeno impide su transformación en productos más nobles (gas de síntesis, metanol) y desaconseja su almacenamiento y transporte por su baja densidad energética.
El gas de síntesis
Cuando se opera en el gasificador con oxígeno y vapor de agua, además de que el gas producido está exento de nitrógeno, se producen cantidades apreciables de hidrógeno y monóxido de carbono, como muestran las reacciones anteriormente descritas. El resultado es una mezcla CO/H2 con un contenido más o menos elevado de CO2 e hidrocarburos, que se denomina gas de síntesis, por ser una importante materia prima en la síntesis química. Su poder calorífico oscila entre los 5,0 y los 10,9 MJ/m3, pero ésta no es su principal característica, ya que el valor de esta propiedad no es excesivamente alto comparado con el de otros combustibles gaseosos convencionales (gas natural, propano, butano, etc.).
Lo realmente interesante de este gas es su posibilidad de transformarlo en combustibles líquidos (metanol y gasolinas), cuya demanda actual es muy superior a la de los combustibles gaseosos.
Obtención de metanol
El método más antiguo de obtención de metanol es la destilación seca de la madera, practicada hasta principios del siglo XX. Esta tecnología quedó obsoleta cuando se desarrollaron procesos de oxidación de hidrocarburos, a su vez desplazados en la actualidad, en que la producción de metanol a gran escala se basa exclusivamente en la reacción a alta presión de los componentes del gas de síntesis en presencia de catalizadores metálicos heterogéneos.
La obtención de metanol requiere, en principio, acondicionar la composición del gas obtenido en la gasificación a la estequiometría de la reacción de síntesis de metanol:
Simultáneamente, y en menor grado, se produce también la hidrogenación del dióxido de carbono según
Desde la perspectiva energética hay que destacar que ambas reacciones son exotérmicas y, por tanto, las posibilidades del proceso pueden depender de la mayor o menor recuperación del calor de reacción.
Las reacciones se favorecen operando a presión (50 - 100 atm) y, como la velocidad de la reacción es baja y el incremento de temperatura perjudica al rendimiento, se recurre al uso de catalizadores (óxidos de cobre y cinc) a temperaturas relativamente bajas (200 - 300 ºC). El metanol obtenido en el proceso se condensa y purifica por destilación.
Obtención de gasolinas
La obtención de gasolinas a partir de gas de síntesis es un proceso desarrollado en la década de los años veinte, ante la necesidad de obtener combustibles líquidos utilizando carbón como materia prima. El proceso consiste en la gasificación previa de la biomasa y posterior reacción entre los componentes del gas de síntesis producido. Actualmente ha resurgido su interés con vistas a la transformación de biomasa seca en hidrocarburos vía gasificación con oxígeno, para aprovechar el gas de síntesis generado en el proceso.
En conjunto, este proceso, que se conoce con el nombre de síntesis de Fischer-Tropsch es, sin duda, el resultado de una serie de reacciones simultáneas o sucesivas que transcurren con velocidades distintas, susceptibles de ser influidas por las condiciones externas y la composición del catalizador, y que pueden representarse de la forma:
Se parte de gas de síntesis y se obtienen, en general, mezclas muy puras de hidrocarburos de la serie olefínica y parafínica, en proporciones variables, empezando con el metano y terminando con las parafinas sólidas, hasta pesos moleculares del orden de 1.300. La mayoría son de cadena sencilla, apareciendo también productos ramificados (isoparafinas y olefinas), generalmente en pequeña proporción.
El líquido obtenido mediante este proceso es muy parecido a un crudo petrolífero muy parafínico, pero de composición menos compleja. La síntesis a baja presión (< 5 atm) proporciona cerca del 60% de gasolina, 30% de gas-oil y 10% de parafinas. La síntesis a presión media produce estas mismas fracciones, pero en una proporción 35:35:30. El índice de octano de la gasolina obtenida es demasiado bajo para su uso directo en motores de explosión.