Diseño de un sistema para la producción de gas de síntesis, útil para metanación, a partir de la gasificación de biomasa combinada con la absorción de CO2 (2025)
RESUMEN : El cambio climático y las consecuencias asociadas como la degradación medioambiental, las catástrofes naturales, los fenómenos meteorológicos extremos, entre otros, han despertado a nivel mundial un interés generalizado por encontrar fuentes de energía que reemplacen el uso de combustibles fósiles, ya que el estado del arte los considera una de las principales causas de la crisis climática. En las últimas décadas, las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero han crecido principalmente debido al aumento de las emisiones de CO2 de las economías desarrolladas y emergentes; por ejemplo, en el periodo comprendido entre los años 2013 - 2023 las misiones anuales de CO2 han aumentado de 34.7 Gt hasta 37.2 Gt. Como una estrategia para mitigar este problema, en Colombia han aumentado los esfuerzos por avanzar hacia el uso de biocombustibles económica y medioambientalmente sostenibles. Es por esto que gran parte de la investigación que busca alternativas que impulsen la transición energética se ha enfocado en desarrollar procesos que utilicen residuos industriales y agropecuarios, generados en el país, como materia prima para la producción de biocombustibles. Esta tesis doctoral está alineada con el interés nacional y mundial de generar alternativas energéticas que sean amigables con el medio ambiente y para tal fin, se logró un producto final consistente en un nuevo proceso con integración energética para la producción de Gas Natural Sintético (GNS) obtenido a partir de biomasa residual con gran abundancia y disponibilidad en Colombia, como es el raquis de palma, que tuvo una producción aproximada de 1.846.956 toneladas en el año 2022. El desarrollo de la tesis doctoral permitió hacer las siguientes contribuciones de nuevo conocimiento: 1) La valorización de la peridotita, roca generada como residuo en la industria minera y cuyo uso principal es como material de relleno en vías terciarias en Colombia, como material catalítico en la gasificación de biomasa residual. Hasta la fecha no hay reportes del uso de la peridotita en procesos de gasificación; 2) Información de la caracterización de la peridotita (no reportada hasta el momento) obtenida por medio de fluorescencia de rayos X (XRF), difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM); 3) Los parámetros cinéticos: Energía de activación (Ea) y factor pre-exponencial (A0) (no reportados hasta el momento) para la reacción de gasificación de char de raquis usando vapor de agua como agente gasificante y una metodología novedosa; 4) El desarrollo de un nuevo modelo mejorado de predicción de pirólisis que, al ser alimentado con el análisis último de la biomasa y la temperatura de pirólisis, predice el rendimiento de los productos pirolíticos (gas total, agua pirolítica, char y alquitrán), la composición elemental de cada uno de los productos pirolíticos, el rendimiento de los compuestos que forman el gas total (H2, CO, CH4, CO2 y CnHm); propone unos compuestos modelos para el alquitrán y calcula el rendimiento de estos compuestos; 5) El desarrollo de dos nuevos modelos de gasificación en Aspen Plus (termodinámico y cinético) que se complementan con el modelo predictivo de pirólisis a través de la vinculación de una subrutina en Excel y 6) Simulación en Aspen Plus de un nuevo proceso conceptual para la producción de GNS, a partir de raquis de palma, que cumple con las especificaciones técnicas de calidad definidas por la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) para ser alimentado al sistema nacional de transporte de gas. El trabajo realizado durante el desarrollo de la tesis doctoral se describe en los siguientes seis capítulos: En el capítulo 1 titulado “Introducción general” se presenta el marco teórico y se hace un recorrido comenzando con la generalidad de la crisis climática y los biocombustibles; continuando con una breve descripción de los procesos de transformación de biomasa en biocombustibles; para luego enfocarse en la gasificación de biomasa, tratando temas como la química de la gasificación, los gasificadores más usados, las plantas de gasificación a nivel mundial, biomasas disponibles en Colombia, problemas y retos de la gasificación de biomasa. En el capítulo 2 titulado “Nuevo proceso de gasificación del char de raquis de palma, utilizando peridotita como material de lecho catalítico” se muestra el trabajo realizado para estudiar y modelar la cinética de la gasificación del char de raquis de palma utilizando peridotita como material de lecho, adecuado y bajo costo, en un reactor de lecho fijo; se usó vapor de agua como agente gasificante. La peridotita (antes y después de la calcinación) se caracterizó por fluorescencia de rayos X (XRF), difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para determinar la morfología de la superficie, la composición elemental y las fases cristalinas. Además, el char de raquis de palma también se gasificó utilizando arena como material de lecho de referencia por considerarse no catalítico. El trabajo realizado permitió obtener los parámetros cinéticos de la gasificación de char de raquis de palma que no se habían reportado en la literatura. Los resultados demostraron un efecto catalizador de la peridotita para la gasificación del char en comparación con la arena y, además, se recopiló información relacionada con la caracterización de la peridotita que no está disponible en la literatura. El capítulo 3 titulado “Nuevo proceso de gasificación del raquis de palma en un reactor de lecho fluidizado utilizando peridotita como material de lecho catalítico” presenta el trabajo realizado con el objetivo principal de complementar lo obtenido en el capítulo 2, con respecto al efecto catalítico de la peridotita. Se aprovecharon las ventajas descritas para el gasificador de lecho fluidizado como un sistema que permite una mejor interacción gas-sólido y, por lo tanto, se gasificó raquis de palma en un gasificador de lecho fluidizado burbujeante, utilizando peridotita como material de lecho y vapor como agente gasificante. En esta ocasión también se utilizó arena como material de lecho de referencia por considerarse no catalítico. El trabajo realizado permitió, a través de un análisis estadístico, corroborar el efecto catalítico de la peridotita y de manera simultánea permitió definir que el aumento en la temperatura y la relación vapor - biomasa (relación S/B) favorecen tanto la producción de H2 como el aumento de la relación H2/CO. Como el objetivo general de la tesis doctoral está relacionado con el diseño en Aspen Plus de un proceso conceptual para la producción de GNS, a partir de raquis de palma, se inició el trabajo de modelación de la gasificación de biomasa. Teniendo en cuenta que la pirólisis se considera una etapa del proceso de gasificación, se revisaron dos modelos de pirólisis y se descubrió que, a pesar de la excelente calidad del trabajo desarrollado y comunicado, se podían añadir mejoras importantes y cruciales para que esos modelos fueran más útiles para toda la modelación de la gasificación. De esta manera surge el trabajo presentado en el capítulo 4, titulado “Nuevo modelo mejorado de predicción de pirólisis de biomasa” y cuyo objetivo fue mejorar algunos modelos de pirólisis reportados con el fin de hacerlos más valiosos para su uso en la modelización de la gasificación. En este trabajo, se encontró que los modelos reportados presentaban aspectos críticos que podían mejorarse como la obtención de valores negativos de concentraciones del compuesto C2H4 y el uso de ecuaciones, para estimar las concentraciones elementales en la fracción de alquitrán, con ajustes matemáticos (R2) extremadamente bajos, es decir, los valores R2 fueron 0.07, 0.07 y, 0.06 para los contenidos de carbono, oxígeno e hidrógeno, respectivamente. La mejora propuesta en este trabajo se ha llevado a cabo de la siguiente manera: a) Introduciendo ecuaciones adicionales de balance de masa y energía; b) Introduciendo la restricción de valores no negativos para los rendimientos y concentraciones calculados y c) Proponiendo un conjunto de compuestos del modelo de alquitrán, no considerados por los modelos de referencia, que encajan en los balances de masa y que pueden ser utilizados posteriormente en el modelo de gasificación para estimar el producto final de alquitrán. Luego de solucionar el problema de la simulación de la etapa de pirólisis se pudo continuar con la modelación de la gasificación de biomasa residual y el trabajo realizado se presenta en el capítulo 5 titulado “Nuevos modelos de simulación del proceso de gasificación de biomasa”. Este capítulo muestra el diseño de dos modelos de simulación (termodinámico y cinético), en Aspen Plus, que no utilizan el procedimiento regular de descomposición de la biomasa en sus componentes convencionales con base en los análisis próximo y último; sino que se alimentan con los resultados arrojados por el modelo mejorado de predicción de pirólisis para simular la etapa de gasificación. La construcción de estos modelos de simulación se logró con la vinculación entre el modelo predictivo de pirólisis y el software Aspen Plus, a través de una subrutina en Excel. El desarrollo de estos modelos permitió obtener una simulación mejorada y más cercana a los escenarios reales de la gasificación de biomasa, que se aprovechó evaluando los efectos de la temperatura, la presión y la relación S/B sobre la composición del syngas, la producción de alquitrán, el poder calorífico inferior del syngas y la eficiencia del gas frío. De manera general se obtuvo que incrementos en la temperatura, la presión o la relación S/B permiten obtener un gas más rico en H2, incrementos en el porcentaje molar de CO2, disminución de los porcentajes molares de CO, CH4 y CnHm, menor producción de alquitranes y un gas con menor poder calorífico debido a la disminución del porcentaje volumétrico del CH4. La eficiencia del gas frío se ve favorecida con los incrementos de temperatura y los incrementos de la relación S/B (para temperaturas superiores a 850 °C); mientras que los cambios de presión tienen una influencia despreciable. Adicionalmente, se presentó la importancia de seleccionar una adecuada relación S/B porque la energía usada en la producción del vapor puede disminuir considerablemente el rendimiento energético del proceso; además se mostró como el incremento de la temperatura permite el uso de relaciones S/B más altas cuando se establece un límite en el porcentaje de la energía, asociado al syngas, que puede usarse en la producción de vapor. Finalmente, el capítulo 6 titulado “Simulación con integración energética de un nuevo proceso de producción de Gas Natural Sintético a partir de raquis de palma” es el punto de unión de los principales resultados obtenidos en el desarrollo de esta tesis doctoral, porque conecta el modelo mejorado de predicción de pirólisis, el modelo cinético de gasificación y el uso de valores adecuados para parámetros como la temperatura, presión y la relación S/B. El proceso global puede dividirse en cuatro etapas principales: 1) secado del raquis de palma, 2) gasificación, 3) limpieza y acondicionamiento del syngas, y 4) metanación del syngas acondicionado para la producción de GNS. Los resultados obtenidos mostraron que a partir del raquis de palma es posible obtener un GNS que cumple con las especificaciones técnicas de calidad definidas en Colombia por la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) para ser alimentado al sistema nacional de transporte de gas. Además, se realizó una integración energética mediante la implementación del análisis Pinch, que permitió aprovechar el intercambio de calor entre algunas corrientes del proceso para aumentar la eficiencia energética total; logrando el ahorro del 100.0 % de utilidad de calentamiento y del 56.7 % de utilidad de enfriamiento. Los resultados obtenidos en el presente trabajo doctoral permitieron identificar las siguientes conclusiones claves: 1. La peridotita es una roca residual de la actividad minera que, al ser usada como material de lecho, tiene un efecto catalítico en la gasificación de biomasa. La calcinación de la peridotita provocó cambios estructurales y superficiales en el material, como la sinterización y la formación de una fase cristalina similar al olivino, así como una fase de α-Fe2O3, que desempeña un papel en la actividad catalítica. 2. El uso de CaO para la captura in-situ de CO2 no es recomendable porque las condiciones del proceso de gasificación como son las altas temperaturas y la baja presión parcial de CO2 no favorecen la reacción de carbonatación. Además, la pérdida acelerada de capacidad de absorción del CaO, que se reduce aproximadamente al 50% en los primeros cinco ciclos, representa una gran dificultad técnica porque para mantener una captura constante de CO2 se debe reemplazar en cada ciclo el sorbente usado por material fresco y si no se retira el sorbente utilizado, se debe alimentar material fresco para compensar la pérdida de capacidad de captura de CO2. 3. El nuevo modelo mejorado de predicción de pirólisis es un gran aporte al conocimiento porque permite identificar y caracterizar los productos pirolíticos (char, alquitrán, gas y agua), con resultados que respetan el balance de masa global y que son físicamente sólidos (rendimientos no negativos). En especial, el modelo de pirólisis desarrollado permite la predicción de la cantidad y composición molecular del alquitrán y esto acerca más el modelo a la realidad industrial. Los resultados arrojados por el modelo predictivo son necesarios para la simulación de las etapas posteriores del proceso de gasificación. 4. En la modelización en Aspen Plus del proceso de gasificación, la biomasa suele definirse como un compuesto ''no convencional'' debido a su naturaleza heterogénea. Por lo tanto, no participa en los cálculos de fase o de equilibrio químico a menos que se convierta en sus compuestos convencionales (C, H2, O2, N2, S, Cl2, H2O, etc.). La distribución de estos compuestos viene dada en la mayoría de los casos por los atributos de la biomasa, basados en sus análisis próximo y último. Este procedimiento permite convertir la biomasa en componentes reconocidos por el simulador, pero estos no representan a los obtenidos experimentalmente en las primeras etapas del proceso general de gasificación como la pirólisis. Por lo tanto, para acercarnos más al proceso real se deben usar modelos que predigan la composición de los productos pirolíticos, incluyendo moléculas representativas para el alquitrán. 5. Los resultados demostraron que es recomendable usar modelos cinéticos para simular la gasificación de biomasa y no los modelos termodinámicos. Los modelos termodinámicos tienen la gran desventaja de no considerar la presencia de alquitranes ni residuos sólidos carbonosos (char) entre los productos finales, lo cual va en contra de lo obtenido en la experimentación real, ya que la formación de alquitrán es uno de los principales problemas de la gasificación de biomasa. 6. De manera general se obtuvo que incrementos en la temperatura, la presión o la relación S/B permiten obtener un gas más rico en H2, mayor porcentaje molar de CO2, disminución de los porcentajes molares de CO, CH4 y CnHm, menor producción de alquitranes y un gas con menor poder calorífico debido a la disminución del porcentaje volumétrico del CH4. La eficiencia del gas frío se ve favorecida con los incrementos en la temperatura y la relación S/B (para temperaturas superiores a 850 °C); mientras que los cambios de presión tienen una influencia despreciable. 7. La relación vapor – biomasa (relación S/B) es un parámetro que debe seleccionarse de manera cuidadosa porque la energía usada en la producción del vapor puede disminuir considerablemente el rendimiento energético del proceso. Los resultados obtenidos mostraron como el incremento de la temperatura permite el uso de relaciones S/B más altas cuando se establece un límite en el porcentaje de la energía, asociada al syngas, que puede usarse en la producción de vapor. Se encontró que para que la producción de vapor de agua no se gaste más del 30 % del poder calorífico del syngas producido, la relación S/B no puede superar el valor de 1.0 (kg vapor de agua/kg biomasa). Este es un dato nuevo y sumamente relevante que no ha sido analizado en la literatura disponible. 8. A partir de raquis de palma es posible producir un GNS que cumple con las especificaciones de calidad exigidas en Colombia, por la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG), para ser alimentado al sistema nacional de transporte de gas. 9. La integración energética es fundamental en cualquier proceso industrial porque los ahorros en el uso de servicios de enfriamiento y calentamiento se traducen en beneficios económicos. Se encontró que con la integración energética es posible ahorrar el 100.0 % de utilidad de calentamiento y el 56.7 % de utilidad de enfriamiento, en el nuevo proceso de producción de Gas Natural Sintético a partir de raquis de palma. 10. Es recomendable realizar un análisis técnico económico del proceso propuesto para la producción de GNS a partir de raquis de palma, ya que la etapa de captura de CO2, dado sus costos, lo podría hacer inviable. Lo anterior, muestra la importancia de avanzar en el desarrollo de tecnologías de captura de CO2 con menor huella de carbono y agua y más costo efectivas.