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PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA Especialización: Ingeniería de procesos Departamento de Ingeniería Mecánica ANÁLISIS DE PROBLEMAS OPERACIONALES EN TECNOLOGÍAS DE GASIFICACIÓN EN LECHO FLUIDO DE RESIDUOS POLIMÉRICOS Autor: JOSÉ MANUEL LEÓN SANTOS Directores: ANTONIA GIL JAVIER PALLARÉS Ponente: SERGIO ESPATOLERO MAYO 2010 ANÁLISIS DE PROBLEMAS OPERACIONALES EN TECNOLOGÍAS DE GASIFICACIÓN EN LECHO FLUIDO DE RESIDUOS POLIMÉRICOS RESUMEN Los plásticos están presentes en todos los ámbitos de la sociedad. Debido a su gran producción y utilización, se generan una gran cantidad de residuos, con el correspondiente problema asociado, especialmente por su biodegradación lenta e impacto visual en vertederos. Por ello, es necesario el desarrollo de tratamientos que sean aceptables desde el punto de vista medioambiental y económico. Dentro de las posibilidades que existen, destacan los tratamientos térmicos, y especialmente, la gasificación. La gasificación permite una reducción muy alta del volumen de residuos polímericos y la valorización de un residuo, que es rico en hidrógeno y carbono. El gas generado, conocido como gas de síntesis es susceptible de ser utilizado como materia prima en procesos químicos, tratamientos térmicos y energéticos. Además, la gasificación permite utilizar el gas posteriormente en tecnologías de combustión en motores de combustión interna alternativos y en gasificación integrada y ciclo combinado con elevada eficiencia. Principalmente, los residuos plásticos no reciclables se destinan a vertederos, por lo que en la valorización de este tipo de residuos, los plásticos están acompañados por una gran heterogeneidad de compuestos. Esta heterogeneidad es problemática si contiene halógenos, metales pesados o alcalinos. Por todo ello, se revisa numerosa bibliografía sobre el proceso de gasificación, principalmente de residuos plásticos, aunque también de biomasa y de co-gasificación con otros residuos. Todo ello, permite describir la tecnología incipiente de la gasificación de residuos plásticos, así como los parámetros más importantes observados para la obtención de un gas de calidad alta y limpio de contaminantes, que provocarían problemas de operación. Los problemas operacionales son en gran parte el núcleo del proyecto y se observa que los alquitranes que se forman son el mayor inconveniente para su implementación industrial. La producción de un gas de síntesis de gran calidad está ligado a la descomposición de estos alquitranes, incrementándose los porcentajes de H2 y CO. Respecto a los problemas que pueden ocasionar las obstrucciones, se describen y se ofrecen soluciones aplicables tanto durante el proceso, además de medidas para detectarlas, como para evitar su aparición mediante una adecuada selección de parámetros. Algunos contaminantes se arrastran con el gas de salida, por lo que se describen los equipos de limpieza que se consideran más eficientes. Finalmente, los conocimientos desarrollados y adquiridos se aplican a un reactor experimental que se desarrollará en el grupo CIRCE, todo ello, teniendo en cuenta el residuo polimérico a valorizar, así como otras condiciones (equipos, complejidad, tiempo, coste). Se describen los parámetros operacionales recomendados y los equipos de limpieza. Tabla de contenidos 5 Tabla de contenidos 1.!INTRODUCCIÓN............................................................................................................................8! 1.1!INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................8! 1.2!OBJETIVOS!DEL!PROYECTO........................................................................................................................8! 1.3!DISTRIBUCIÓN!DEL!PROYECTO .................................................................................................................9! 2.!GASIFICACIÓN2DE2PLÁSTICOS2Y2RESIDUOS ..................................................................... 10! 2.1!TERMOQUÍMICA!DEL!PROCESO ..............................................................................................................10! 2.2!REACTOR!DE!LECHO!FLUIDIZADO..........................................................................................................13! 3.!PROBLEMAS2OPERACIONALES............................................................................................. 14! 3.1!PRETRATAMIENTO!PARA!EL!PROCESO!DE!GASIFICACIÓN .................................................................14! 3.2!ALQUITRANES...........................................................................................................................................16! 3.2.1!Temperatura-y-tiempo-de-residencia......................................................................................17! 3.2.2!Agente-gasificantes.........................................................................................................................18! 3.2.3!Material-del-lecho............................................................................................................................19! 3.2.4!Altura-de-lecho..................................................................................................................................21! 3.3!HALÓGENOS ..............................................................................................................................................22! 3.4!ALCALINOS ................................................................................................................................................22! 3.5!METALES!PESADOS ..................................................................................................................................23! 3.6!PROBLEMAS!TÉCNICOS!DE!OBSTRUCCIONES .......................................................................................23! 3.6.1!Obstrucciones-en-la-alimentación ............................................................................................23! 3.6.2!Obstrucciones-por-los-alquitranes............................................................................................24! 3.6.3!Obstrucciones-debido-a-compuestos-alcalinos....................................................................24! 3.6.4!Medidas-para-detectar-las-obstrucciones .............................................................................25! 3.6.5!Estrategias-postFobstrucción......................................................................................................25! 3.7!LIMPIEZA!DEL!GAS ...................................................................................................................................26! 3.7.1!Ciclones-y-filtros ...............................................................................................................................26! 3.7.2!Separadores-acuosos......................................................................................................................27! 3.7.3!Limpieza-de-alquitranes...............................................................................................................28! 4.!APLICACIÓN:2REACTOR2EXPERIMENTAL ......................................................................... 30! 4.1!DESCRIPCIÓN!DEL!REACTOR!Y!DE!LOS!RESIDUOS!A!TRATAR ............................................................30! 4.2!SELECCIÓN!DE!LOS!PARÁMETROS..........................................................................................................31! 4.2.1!Pretratamiento.................................................................................................................................31! 4.2.2!Agente-gasificante...........................................................................................................................31! 4.2.3!Temperatura-de-operación .........................................................................................................32! 4.2.4!Ratio-equivalente.............................................................................................................................32! 4.2.5!Material-de-lecho .............................................................................................................................33! 4.3!SISTEMA!DE!LIMPIEZA.............................................................................................................................33! 4.4!MODO!DE!OPERACIÓN:!ARRANQUE,!PARADA!Y!SEGURIDAD ............................................................34! 5.!CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 35! ANEXOS .............................................................................................................................................. 36! 1.!ANEXO2PLÁSTICOS ................................................................................................................... 37! 1.1!EVOLUCIÓN!DE!LOS!PLÁSTICOS..............................................................................................................37! 1.2!TIPOS!DE!PLÁSTICOS................................................................................................................................39! 1.3!PROCESOS!DE!TRANSFORMACIÓN .........................................................................................................41! 1.3.1!Extrusión .............................................................................................................................................41! 1.3.2!Moldeo..................................................................................................................................................42! 1.3.3!Calandrado.........................................................................................................................................44! 1.3.4!Termoconformado ..........................................................................................................................45! Tabla de contenidos 6 1.3.5!Aditivos-para-la-transformación...............................................................................................45! 1.3.6!Aditivos-para-el-polímero.............................................................................................................46! 1.4!APLICACIONES ..........................................................................................................................................46! 1.4.1!Envase-y-embalaje...........................................................................................................................47! 1.4.2!Construcción ......................................................................................................................................47! 1.4.3!Transporte-y-Telecomunicaciones ...........................................................................................48! 1.4.4!Medicina ..............................................................................................................................................48! 1.4.5!Electrónica..........................................................................................................................................49! 1.4.6!Agricultura.........................................................................................................................................49! 1.5!RECICLAJE!DE!PLÁSTICOS.!DIRECTIVA!2008/98/CE......................................................................50! 2.!ANEXO2RECICLADO2DE2PLÁSTICOS..................................................................................... 56! 2.1!TIPOS!DE!RECICLAJE ................................................................................................................................56! 2.1.1!Reciclado-primario:-ReFuso .........................................................................................................56! 2.1.2!Reciclado-secundario.-Mecánico ...............................................................................................57! 2.1.3!Reciclado-Químico...........................................................................................................................58! 2.1.4!Valorización-energética................................................................................................................59! 2.1.5!Elección-de-la-mejor-técnica .......................................................................................................60! 2.2!RECICLADO!QUÍMICO ...............................................................................................................................61! 2.2.1!Principales-procesos-existentes .................................................................................................61! 2.2.2!Perspectiva-actual-del-reciclado-químico .............................................................................64! 3.!ANEXO2GASIFICACIÓN............................................................................................................. 65! 3.1!CARACTERÍSTICAS!GENERALES:.................................................................................................65! 3.2!TERMOQUÍMICA!DEL!PROCESO!DE!GASIFICACIÓN............................................................66! 3.3!APLICACIÓN!FINAL!DEL!GAS!PRODUCIDO..............................................................................69! 3.3.1!Fabricación-de-productos-químicos: .......................................................................................70! 3.3.2!Motores-de-combustión-interna-en-motores........................................................................70! 3.3.3!Calefacción-directa .........................................................................................................................70! 3.3.4!Ciclo-integrado-de-electricidad-y-vapor.................................................................................70! 3.3.5!Ciclo-combinado-IGCC-(Integrated-gasification-combined-cycle) ..............................70! 3.3.6!Celdas-de-combustibles .................................................................................................................71! 3.4!PLÁSTICOS!MÁS!ADECUADOS!PARA!EL!RECICLAJE ...........................................................71! 3.5!GASIFICACIÓN......................................................................................................................................72! 3.5.1!Reactores-de-gasificación.............................................................................................................72! 3.5.2!Gasificadores-de-Lecho-móvil .....................................................................................................75! 3.5.3!Lechos-fluidizados ...........................................................................................................................79! 3.5.4!Elección-del-reactor........................................................................................................................87! 3.6!PARAMETROS!DE!UN!GASIFICADOR!DE!LECHO!FLUIDIZADO.......................................88! 3.6.1!Características-del-inerte.............................................................................................................88! 3.6.2!Agente-gasificante-empleado .....................................................................................................89! 3.6.3!Temperatura .....................................................................................................................................89! 3.6.4!Presión..................................................................................................................................................90! 3.6.5!Relación-agente-gasificante/residuo ......................................................................................90! 3.6.6!Velocidad-de-fluidización .............................................................................................................91! 4.!ANEXO:2REVISIÓN2DE2PLANTAS2PILOTO .......................................................................... 93! 4.1!PLANTA!PILOTO!U.ARENA!2009..........................................................................................................93! 4.2!PLANTA!PILOTO!SANCHO!2008............................................................................................................95! 4.3!PLANTA!XIAO.!2006.!AIR!GASIFICATION............................................................................................97! 4.4!PLANTA!XIAO!RSU!GASIFICATION........................................................................................................99! 4.5!PLANTA!GOMEZ!2008......................................................................................................................... 100! 4.6!PLANTA!PILOTO!PINTO........................................................................................................................ 101! 4.7!PLANTA!PILOTO!M.POHOELY ............................................................................................................. 102! 4.8!PLANTA!TOSHIRO!TSUJI!2008........................................................................................................... 103! Tabla de contenidos 7 4.9!PLANTA!SHOJI!2000............................................................................................................................ 106! 5.!ANEXO:2RECICLADO2DE2LAS2CENIZAS ..............................................................................108! 6.!BIBLIOGRAFÍA.........................................................................................................................109! Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 8 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción Los plásticos juegan un papel fundamental en el desarrollo tecnológico. Una vez desechados, su destino final más habitual en Europa son los vertederos. Sin embargo, una nueva directiva prevé acabar con esta opción en los próximos años [1]. Por ello, es necesario desarrollar nuevas tecnologías en el reciclado, enfocadas a conseguir un desarrollo sostenible, medioambiental y económico. Dentro de los posibles procesos de tratamiento, destaca la gasificación gracias a la combinación de flexibilidad, eficiencia, con un aceptable impacto medioambiental. Dentro de todas las tecnologías de gasificación de residuos existentes, la de reactores de lecho fluidizado es una de las de mayor potencial, debido a su gran flexibilidad operacional, así como al uso de diferentes agentes gasificantes, material de lecho, temperatura de operación, tiempo de residencia o a la posibilidad de utilizar catalizadores, entre otras [2-4]. El mayor problema a solventar para su desarrollo comercial, es la necesidad de limpiar el gas de salida para conseguir la calidad requerida [4, 5]. Durante la gasificación, alquitranes, metales pesados, halógenos y alcalinos, pueden ser liberados junto con el gas, causando problemas medioambientales y operacionales. Dentro de estos compuestos, la fracción de alquitranes es la más problemática ya que puede producir obstrucciónes en el equipo, formación de aerosoles o polimerización de estructuras más complejas, causando problemas tanto en el equipo de gasificación como en los equipos posteriores en los que se use el gas de síntesis. Los metales pesados son tóxicos y bioacumulables si son liberados a la atmósfera, los halógenos son corrosivos y pueden causar lluvia ácida si son liberados al exterior y los alcalinos pueden crear problemas de obstrucción en el reactor de lecho fluidizado [6, 7]. El mercado de gasificadores con estaciones de limpieza de gases es muy limitado, por lo que el objetivo medioambiental y económico pasa por solventar los problemas asociados a estos contaminantes [8-10]. 1.2 Objetivos del proyecto El objetivo del proyecto es profundizar en los procesos de gasificación dirigidos al reciclado de plásticos, revisando la tecnología existente e identificando los posibles problemas operacionales que pueden producirse, al aplicar la tecnología de gasificación de lecho fluidizado. Dentro de los problemas operacionales se describirán las condiciones de trabajo favorables con el fin de evitarlos, así como el efecto de los parametros susceptibles de reducir los problemas descritos. Para terminar con el objetivo último de contribuir con el estudio, al desarrollo de un gasificador experimental de residuos plásticos. El proyecto contempla: - Introducción a los plásticos y a su reciclado. - Tipos de reciclado químico. - Revisión de las tecnologías de reciclado existentes. Capítulo 1. Introducción 9 - Características del proceso de gasificación. - Etapas y reacciones químicas del proceso de gasificación. - Revisión de plantas piloto. - Problemas operacionales del proceso de gasificación de plásticos. - Evaluación de los problemas operacionales del proceso de gasificación de plásticos. - Conclusiones y recomendaciones para el diseño de un gasificador experimental. 1.3 Distribución del proyecto El proyecto consta de cinco partes en la memoria y cinco en los anexos. Dentro de la memoria, tras una introducción sobre la temática que se desarrolla en el presente proyecto, se introduce el proceso de gasificación para posteriormente, analizar los problemas operacionales en la gasificación de residuos poliméricos. Seguidamente, se apoya el desarrollo de un reactor experimental aplicando los parámetros estudiados que predicen unos resultados satisfactorios, evitándose los problemas descritos. Finalmente, se establecen las conclusiones del proyecto. Dentro de los anexos, en la primera parte, se describen los plásticos comenzando por la clasificación de los polímeros, los procesos de transformación que existen, las aplicaciones de éstos y su reciclaje de acuerdo a la reciente directiva 2008/98/CE. En la segunda y tercera parte de los anexos, se encuentra la descripción de las posibilidades de reciclado de polímeros, su clasificación y dentro de estos tipos de reciclado, una extensa descripción del proceso de gasificación, proceso en el que se basa este proyecto. En la cuarta parte, se puede encontrar una revisión de plantas pilotos y en la quinta parte, se ha considerado enriquecedor adjuntar aplicaciones para las cenizas que se producen durante el proceso de gasificación. Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 10 2. GASIFICACIÓN DE PLÁSTICOS Y RESIDUOS La gasificación, por definición, es un proceso termoquímico que se produce en un ambiente pobre en oxígeno y que da como resultado un gas combustible mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente gasificante. La energía requerida para la gasificación puede ser suministrada por la combustión parcial del residuo y/o mediante un horno o intercambiador. El objetivo en el proceso de gasificación, es producir un gas útil y limpio. Simplificando el proceso con sus objetivos en una reacción, se obtiene: • Residuo  Energía + Reducción de volumen La temperatura del proceso puede variar, pero se fija una temperatura mínima de 700ºC y máxima de 1100ºC. La temperatura mínima, permite asegurar que el contenido de H2 y CO sea elevado. Sin embargo, se debe fijar una temperatura máxima, evitándose la posible fusión y aglomeración de las cenizas, además de evitar un gasto energético excesivo en alcanzar la temperatura. 2.1 Termoquímica del proceso En el proceso de gasificación, tienen lugar una gran variedad de reacciones que pueden agruparse en cuatro etapas: - Secado: En esta etapa se produce la deshidratación del residuo. Es importante ya que la humedad en el residuo es uno de los problemas habituales en la alimentación, ocasionando la pérdida de eficiencia energética. Por ello, existen restricciones respecto al porcentaje de humedad permitido en el residuo plástico de alimentación (30%). Esta etapa se produce a una temperatura de 100-120ºC. - Pirólisis o descomposición térmica: La pirólisis se produce mediante calor; el residuo original se descompone en una mezcla de sólido, líquido y gas. El sólido originado en esta etapa suele ser char (cadenas carbonosas) y los líquidos, están compuestos mayoritariamente por alquitranes (tars) y vapores condensables. Los productos obtenidos son función de la temperatura, de la presión y del gas que se piroliza. De forma general: Plástico + Calor  Gases + Char + vapores-líquidos Esta etapa se produce a una temperatura de 120-700ºC. En la tabla 2.1 se muestran las reacciones que se producen en la pirólisis respecto a la temperatura que tienen lugar. Capítulo 3. Problemas operacionales 17 Contaminación de la corriente de purificación Sistema de limpieza acuoso Si la limpieza del gas se realiza por vía húmeda se genera una corriente residual contaminada con los alquitranes que es necesario gestionar adecuadamente. Combustión de aerosoles Sistema de emisiones La combustión de los alquitranes en forma de aerosol puede generar problemas de emisiones de PAH y formación de hollín. Tabla 3.2: Problemas causados por alquitranes [19]. Debido a los problemas asociados, resulta necesario eliminar el alquitrán producido. La mayoría de los estudios se basan en limpiar el gas dentro del gasificador o en la corriente de salida. Las dos propuestas para eliminar los alquitranes del gas obtenido o al menos, para reducir la formación de alquitranes son: Métodos primarios: Tratamiento dentro del gasificador. En los métodos primarios se puede reducir fuertemente o incluso se podría eliminar la necesidad de limpiar el gas. Mediante la adecuada selección de los principales parámetros (temperatura, agente gasificante, altura de lecho, material de lecho), usando aditivos para el lecho, catalizando la reacción o modificando parámetros de diseño del gasificador previamente. Métodos secundarios: Limpieza del gas post-gasificador. Los métodos secundarios incluyen desde la descomposición térmica o catalítica de alquitrán hasta métodos mecánicos tales como el uso de ciclones, filtros cerámicos, filtros electrostáticos. Estos métodos son muy efectivos en la mayoría de los casos. Sin embargo, en los casos en los que se requiere un nivel muy bajo de alquitranes, estos métodos resultan muy complejos y no siempre económicamente viables ni aceptables. Ambos métodos no son incompatibles, permitiendo la posibilidad de aplicar ambos métodos conseguiéndose porcentajes mínimos de alquitrán en el gas [5, 20]. A continuación, se desarrollan los parámetros que pueden ser modificados en el proceso de gasificación, con el fin de reducir el alquitrán producido y mejorar la gasificación del residuo plástico. Estos parámetros son: Temperatura, tiempo de residencia, agente gasificante, altura de lecho y material del lecho (inerte y catalizadores). 3.2.1 Temperatura y tiempo de residencia La temperatura de reacción afecta notablemente al proceso de gasificación, ya que las reacciones que tienen lugar son mayoritariamente endotérmicas. El alquitrán no sólo se ve afectado en la cantidad que se forma, sino también en su composición como se ha visto en la tabla 3.1. Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 18 Al aumentar la temperatura disminuye la cantidad de alquitrán, tal como se indica en diversos estudios [21-23]. En dichos estudios también se observa que la variación de la temperatura afecta a la composición del “syngas”. Además de esta reducción del contenido de alquitrán, se aumenta la producción de hidrógeno, hecho positivo ya que es el compuesto básico del syngas junto con el monóxido de carbono [22]. La temperatura puede ser aumentada en el reactor y en el freeboard posterior al reactor, siendo preferible en el reactor al estar en contacto con el material de lecho. Posteriormente, estudiándose la co-gasificación de carbón, biomasa y polietileno, se obtuvieron resultados similares, en los que un aumento de temperatura permitía la reacción más completa, formándose mayor porcentaje de hidrógeno y siendo las reacciones de hidrocarburos más completas [23]. Gracias a ello, se conseguía una reducción de hidrocarburos en el gas producido, aumentándose la calidad del gas de síntesis. Otro parámetro de gran influencia, los agentes gasificantes, también se ven afectados por la temperatura. El efecto del vapor de agua como agente gasificante, mejora a mayor temperatura ya que el número de radicales de hidrógeno (H) es mayor. Los radicales libres de H pueden estabilizar las cadenas alifáticas que formarán el gas de flujo, estas cadenas son preferibles a las aromáticas, ya que son menos complejas, más fáciles de descomponerse y producen menos productos condensables, por lo que al igual que ocurre al estabilizar los alquitranes intermedios, se reduce la fracción condensable. Se observa en la bibliografía estudiada que existe una correlación entre los resultados obtenidos en la gasificación de la biomasa y en la gasificación de residuos plásticos, respecto al efecto de la temperatura y el contenido de alquitrán [24]. En el anexo de revisión de plantas piloto, se confirma esta relación en los experimentos realizados ya que a mayor temperatura en el gasificador, mayor disminución del contenido de alquitrán en el gas producido y mayor rendimiento a gas de síntesis. Respecto a la influencia del tiempo de residencia, una disminución en la velocidad del gas (aumenta el tiempo de residencia) reduce la cantidad de alquitrán producida [25]. Esto fue observado también por Kinoshita [27] y Corella [26] entre otros. 3.2.2 Agente gasificantes La flexibilidad del proceso de gasificación permite utilizar distintos agentes gasificantes. Los agentes más estudiados son: el aire, vapor de agua y vapor-aire [28]. La elección del agente afecta a la selectividad de las reacciones de gasificación y por tanto al contenido de alquitrán en el gas. Aire: el rendimiento a alquitrán decrece cuando la relación estequiómetrica (RE) aumenta, esto ocurre como consecuencia de aumentar la cantidad de oxígeno que puede reaccionar con los volátiles en la zona de pirólisis. Este aumento de oxígeno también favorece la cantidad de carbón convertida, mientras que la energía química transferida del combustible al syngas permanece inalterada. Del mismo modo, analizando los compuestos CH4 y C2Hm que pueden formar alquitranes, se obtiene que a medida que aumentan estos compuestos, también aumenta el contenido de alquitranes, por ello se demuestra un paralelismo entre estos compuestos y el alquitrán formado. Se debe Capítulo 3. Problemas operacionales 19 aumentar la conversión del carbón para evitar estos compuestos. Este agente no tiene riesgos asociados a su manejo y sus costes no son elevados, por lo que es el más utilizado. El gas obtenido, no es susceptible de ser transportado por su bajo poder calorífico, pero puede usarse en aplicaciones térmicas o energéticas. Oxígeno: Operar con oxígeno supone aumentar en gran medida el poder calorífico del gas de salida, ya que no se diluye con nitrógeno. El calor generado por su presencia en la oxidación parcial, permite cubrir las necesidades energéticas de las reacciones endotérmicas. Además, operando con oxígeno, se consigue una gran conversión al gas, por lo que la formación de alquitrán se reduce. Hidrógeno: Se produce un gas de alto contenido energético, que por tener altos porcentajes de metano y olefinas, puede utilizarse como sustituto de gas natural. Sin embargo, el hidrógeno es el mejor de los combustibles, susceptible de usarse en cualquier dispositivo termoquímico o electroquímico, por lo que no es recomendable como gasificante en el ámbito industrial, excepto en los casos de excedentes de baja pureza, no aptos para otra aplicación, como por ejemplo para una pila de combustible. Vapor de agua: Se requiere diseños de equipos más complejos para suministrar el calor necesario para los procesos endotérmicos de gasificación. El vapor de agua, aporta radicales de hidrógeno que favorece la disminución de alquitrán. Además, el aporte de oxígeno favorece la autotermicidad del proceso. Sin embargo, este aporte de oxígeno favorece la producción de CO2 en vez de CO, que es junto con el hidrógeno, producto básico del gas de síntesis [4]. Vapor de agua y aire: En la combinación del vapor de agua con aire, se consigue reducir el contenido de alquitrán [Arena 2009]. Este efecto se debe a la reacción de reformado con vapor de hidrocarburos pesados: • CnHm + nH2O  nCO + (n + m/2)H2 reacción 1 La cantidad de carbón convertida en syngas también se ve incrementada, así como la energía química del combustible transferida al gas de síntesis. La combinación de aire y vapor consigue buenos resultados, especialmente cuando el uso final se basa en la calidad del gas de síntesis. 3.2.3 Material del lecho El contenido de alquitrán, puede disminuirse mediante el craqueo térmico como se ha visto en el punto 3.2.1, pero también puede producirse por craqueo catalítico. Esta actividad catalítica se consigue utilizando catalizadores como material de lecho, en vez del material “inerte” habitual, la arena de sílice. El craqueo catalítico permite la conversión de los alquitranes a compuestos más ligeros. Este craqueo puede simplificarse del siguiente modo: - El CH4 y otros hidrocarburos se absorben en el catalizador donde tiene lugar la deshidrogenización. El H2O también se absorbe, produciéndose el desprendimiento de radicales OH- que van a la superficie del catalizador. A la temperatura adecuada, estos radicales migran a la parte metálica del catalizador, produciéndose la oxidación de los hidrocarburos intermedios a CO y H2 [29]. Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 20 La ventaja de este tipo de craqueo, es que puede producirse a temperatura menor que el craqueo térmico, entre 600-850 ºC frente a 900-1250 ºC necesarios en el térmico. Esta temperatura más baja no sólo permite reducir costes energéticos, sino también costes en los materiales de fabricación del reactor. Potencialmente, el craqueo catalítico proporciona el método más simple y efectivo de la eliminación del alquitrán, a la vez que se retiene el calor sensible requerido para su uso eficiente en aplicaciones posteriores del gas de síntesis [30]. Dentro de los catalizadores naturales, destacan la dolomita y la olivina. A priori, el más prometedor es la olivina (Mg,Fe)2SiO4. Aunque la dolomita [CaMg(CO3)2] también ha sido utilizada en numerosos estudios [24, 31, 32]. Los dos materiales han sido utilizados satisfactoriamente en la gasificación de la biomasa y por ello, actualmente se investigan en la gasificación de residuos plásticos. En los estudios citados se obtiene un gas de síntesis con un contenido en alquitrán despreciable o muy pequeño. Dolomita: El uso de dolomita con polipropileno como residuo plástico ha sido satisfactorio en la eliminación de alquitranes [31]. Usando este aditivo en un 30% en el lecho (30/70 dolomita-arena de sílice) se ha conseguido reducir un 92% el contenido de alquitranes respecto a un lecho 100% inerte. Sin embargo, a pesar de los buenos resultados en la reducción del contenido de alquitrán, la dolomita tiene problemas asociados; al ser muy blanda, se erosiona fácilmente, por lo que muchas partículas, son arrastradas en el gas de salida; además, el uso de dolomita produce alquitrán con un tamaño pequeño (dp < 50µm), dichas partículas pueden escapar a la acción separadora de los ciclones, encontrándose en el gas de salida. Si al problema del tamaño de partícula, se suman la fácil erosión de la dolomita, la posible condensación del agua en algunos intercambiadores de calor y las obstrucciones en varios puntos de la instalación, parece clara la necesidad de buscar soluciones o una alternativa que evite estos problemas. Olivina: Es una alternativa como catalizador a la dolomita, ya que, al ser más dura (6.5 en la escala Mosh frente a 3,5-4 en la escala Mosh que muestra la dolomita) su desgaste es mucho menor. Esta disminución en el desgaste, favorece que tras el gasificador se recojan menos partículas, entre cuatro a seis veces menos que con dolomita [31]. Respecto a su eficacia catalizando la gasificación, son numerosos estudios los que avalan la eficacia de la olivina en la gasificación [24, 33; 34]. El contenido en magnesio y el hierro presente en la olivina, catalizan las reacciones de descomposición, que al ser endotérmicas, permiten estabilizar la temperatura de lecho entre 800ºC-820ºC, frente a los 900ºC necesarios con dolomita. El contenido de magnesio cataliza la deshidrogenación e isomerización de los hidrocarburos mediante el craqueo térmico: - a CxHy  b CnHm + c H2 reacción 2 siendo CxHy alquitrán. El contenido en hierro de la olivina, activa las reacciones de descomposición/carbonización endotérmicas del alquitrán: Capítulo 3. Problemas operacionales 21 - CnHm  d C + m/2H2 reacción 3 siendo CnHm hidrocarburos menores que alquitrán. En un estudio de lecho de olivina con alimentación de polietileno, se consigue reducir del 85% a prácticamente el 100% la producción de alquitrán, en condiciones de calcinación más largas con aire, se obtiene una actividad catalítica mayor de la olivina [19]. Además, se consigue un rendimiento a gas de síntesis mayor. Sin embargo, si se compara con la dolomita y un lecho parcialmente de aditivo, habitualmente un 30 %, y el resto de arena de silice, los resultados son favorables a la dolomita, reduciéndose un 94% el contenido de alquitrán a la salida del reactor frente al 40% que consigue la olivina, por lo que los resultados tan positivos comentados anteriormente se basan en un 100% de lecho de olivina. Utilizando el 100 % de olivina también se mejora el rendimiento a H2 debido a la descomposicion del alquitrán. El uso de olivina permite una conversión de carbono más alta, obteniéndose en el gas producido, un porcentaje alto del hidrógeno contenido en el residuo plástico. Esta conversión del carbono favorece la reacción de Bouduard e incrementa notablemente el contenido de CO. Pero no todo son ventajas, el carbono puede recubrir las partículas del lecho, desactivando poco a poco, la actividad catalítica de la olivina. Sin embargo, numerosos estudios reportan una actividad catalítica larga, llegando incluso a 45 horas continuas sin desactivación [35]. Una solución para este problema de enmascaramiento, es un cambio continuo del lecho cuando se determina que se está perdiendo actividad catalítica, extrayendo catalizador usado y sustituyéndolo por catalizador fresco. Además, el catalizador retirado puede ser quemado en un regenerador externo como se realiza en procesos tan desarrollados como el craqueo fluidizado de combustibles o hidrocarburos (FCC) [24]. El uso de aditivos en el lecho, principalmente olivina y dolomita, permite conseguir rendimientos (conversión de carbón, reducción de alquitranes) mayores que los conseguidos con arena de sílice como material de lecho, por lo que la calidad del gas en la gasificación de plástico queda mejorada, quedando patente que modificar el material de lecho, es una línea de investigación muy prometedora y que arroja buenos resultados. Estos resultados son necesarios si se quiere implementar el proceso de gasificación para usar el gas producido cumpliendo las restricciones respecto al contenido de alquitranes principalmente [31, 36]. 3.2.4 Altura de lecho La altura de lecho ha sido analizada demostrándose que no es determinante, ya que no se consigue aumentar el volumen de zona de reacción eficaz [36]. Sin embargo, es conveniente colocar un espacio libre por encima del lecho, de altura suficiente para que los sólidos gruesos que se arrastran en la fluidización vuelvan al lecho y no sean arrastrados por la corriente gaseosa a equipos posteriores al espacio libre. Este espacio libre, es el ya mencionado freeboard. Para ello cabe señalar que el freeboard se debe Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 22 diseñar adecuadamente para que no se arrastren sólidos gruesos y que su altura y tamaño sea el necesario, ya que sino, se incurrirá en un coste mayor del necesario. El diseño de altura del espacio libre se basa en el cálculo de la TDH (Transport disengaging height). Aumentando esta altura se reduce la concentración de sólidos y el arrastre de sólidos a la fase de limpieza; sin embargo, hay un límite en el que estos parámetros se hacen constantes y un aumento de altura sólo significaría un aumento en el coste sin resultados mejores. Por ello debe calcularse atendiendo a distintas correlaciones como las de: Geldart [37], Chase [38] o Smolders y Baeyens [39]. 3.3 Halógenos Cuando la materia prima utilizada es una mezcla de residuos plásticos municipales provenientes de RSU (Residuos sólidos urbanos), pueden existir pequeñas cantidades de varios halógenos. El mayor inconveniente surge del cloro, debido a la omnipresencia de la sal común y a los plásticos clorados. El cloro es el responsable de los mayores problemas de corrosión y contaminación en los gases residuales. Los halógenos forman radicales que pueden reaccionar con el hidrógeno formando, en el caso del cloro, ácido clorhídrico que deberá eliminarse. Estos compuestos se deben limpiar, de encontrarse en el gas de salida, siendo en ciertos casos inevitable como en la gasificación del PVC. De forma genenal, los halógenos son corrosivos para los equipos y causan lluvia ácida si son liberados al medio ambiente, por lo que sus emisiones deben estar controladas, reduciéndose al máximo [18]. 3.4 Alcalinos Su presencia es debida a la mezcla de los plásticos con los residuos sólidos urbanos (RSU), pudiéndose encontrar también en el lecho de fluidización si se utilizan catalizadores de compuestos alcalinos. Estos compuestos crean problemas en turbinas de gas e incrementan las obstrucciones en reactores de lecho fluididizado, debido a la fundición de sus compuestos y el posterior taponamiento al solidficarse, por la disminución de la temperatura [6, 7]. La respuesta que se produce en el reactor es similar al efecto de reducir la temperatura, perdiendo conversión. Los compuestos alcalinos, principalmente de potasio (K) y sodio (Na), pueden ser una fuente de obstrucciones por la reacción en fase que puede producir compuestos de bajo punto de fusión. Estos compuestos se forman principalmente cuando el material de lecho es arena de sílice. Además, el potasio (K), puede ser liberado del reactor en forma de cloruro potásico (KCl) cuando existe cloro en el sólido combustible. De no existir cloro, su destino puede ser convertirse en hidróxido, oxido o carbonato [40]. Se han detectado compuestos, en presencia de pequeñas cantidades de calcio (Ca), con un punto de temperatura eutéctico tan bajo como 770ºC (para el compuesto K2O-SiO2). Cuando el compuesto es K2O-CaO-SiO2 esta temperatura es incluso menor [41]. Cuando se opera a temperaturas mayores, estos compuestos se fundirán provocando taponamientos. Capítulo 3. Problemas operacionales 23 En el supuesto de que no se pueda trabajar en ausencia de alcalinos, podemos usar alúmina (Al2O3). Este catalizador induciría a la formación de K2O- Al2O3-SiO2 que se trata de un compuesto eutéctico de mayor temperatura de fusión. Además de la alúmina, algunas reacciones sólido-gas pueden alterar la composición de las cenizas. Al añadir dióxido de sulfuro (SO2) en la fase gas a baja temperatura (<800ºC), puede reaccionar con el potasio formando K2SO4 que tiene una temperatura mucho mayor que los compuestos eutécticos anteriores. La reacción producida responde a: • KCl (g) + SO2 (g) + H2O (g)  K2SO4 (s) + HCl (g) reacción 4 Por lo que reduciendo la presencia de KCl, se reduce también la deposición de estos compuestos en las partículas del lecho por condensación. En el apartado de obstrucciones (3.6.3) se analiza las posibles aglomeraciones debido a compuestos alcalinos con más detalle. 3.5 Metales pesados Los metales pesados se encuentran en los residuos plásticos si proceden de vertederos municipales. Una fuente importante son las pinturas. Los metales pesados tóxicos más conocidos son el mercurio (Hg), el plomo (Pb). A veces también se habla de contaminación por metales pesados incluyendo otros elementos tóxicos más ligeros, como el berilio (Be) o el aluminio (Al). Todos ellos, son tóxicos y bioacumulables si se liberan al medio ambiente. Sin embargo, los plásticos raramente contienen estos metales y además, de existir, quedarán depositados en las cenizas. El mayor inconveniente en la gasificación se produce al utilizar material de lecho catalítico (olivina, dolomita), ya que algunos metales pueden competir con los metales del catalizador enmascarándolos [19]. A pesar de ello, su problemática en las cenizas no será tratado en este proyecto, pero abre una línea de trabajo interesante. 3.6 Problemas técnicos de obstrucciones A pesar de la amplia utilización de los lechos fluidizados, todavía existen dificultades técnicas cuando se quiere convertir combustibles sólidos. Las aglomeraciones provocan obstrucciones y representan el mayor problema, ya que pueden ocasionar paradas no programadas con un gran coste asociado. Las obstrucciones son un problema conocido en la gasificación ya que los primeros estudios se remontan a los años setenta [42, 43]. Dichos estudios fueron pioneros y surgieron al detectar que la velocidad mínima de fluidización no seguía el valor teórico calculado por la ecuación de Ergun [44]. El fenómeno de la defluidización se ha seguido estudiando y debido a la prometedora técnica de la gasificación de plásticos, también se ha estudiado para gránulos de polietileno además de desarrollarse modelos de defluidización a alta temperatura [45, 46]. 3.6.1 Obstrucciones en la alimentación En la alimentación, debido a la naturaleza del proceso de extrusión y la técnica habitual del uso de tornillos sin fín para alimentar el residuo plástico al gasificador, puede producirse la fusión del plástico, produciéndose obstrucciones en el tornillo a la Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 24 entrada del reactor. Debido a la alta temperatura que se puede alcanzar, el residuo plástico, además, puede descomponerse pirolíticamente dando lugar a cadenas de alquitranes. Dichas cadenas de alquitranes formarían, junto con el plástico, la alimentación, por lo que la reducción de la formación de alquitranes se complicaría más ya que ademas de evitar la formación dentro del gasificador, se debería transformar el alquitrán introducido en la alimentación. Medidas de prevención recomendadas: • Añadir un intercambiador de calor, que retire calor del tornillo sin fin para evitar la descomposición térmica del residuo. • Aumentar la velocidad del tornillo, para que el tiempo de residencia del residuo plástico sea el mínimo posible, siempre que el proceso de inyección del plástico al gasificador sea adecuado. 3.6.2 Obstrucciones por los alquitranes Los compuestos más pesados de los alquitranes condensan en las superficies frías o forman aerosoles cuando se enfría o se comprime el gas. La condensación de los alquitranes genera problemas de taponamiento y ensuciamiento generando paradas indeseadas de la instalación. Esta mezcla compleja de un gran número de hidrocarburos condensables dificulta o impide el enfriamiento del gas, su filtración y su uso en motores o turbinas de gas. Los alquitranes generan obstrucciones en los siguientes equipos de proceso: • Intercambiadores de calor: Ensuciamiento de la superficie de intercambio de calor y formación de tapones • Equipos de lavado: condensación en las partes frías formando tapones. • Equipos de filtración: condensación a baja temperatura en la torta filtrante impidiendo su separación y/o taponamiento del medio filtrante. • Motores de gas: formación de depósitos en la rampa de gas, compresor. • Turbinas: formación de depósitos en el compresor, formación de hollín, etc. 3.6.3 Obstrucciones debido a compuestos alcalinos Son aglomeraciones que se producen a alta temperatura dentro del lecho de fluidización. Su principal causa es la generación de cenizas con un punto de fusión bajo, debido a la reacción de los compuestos alcalinos con la arena de sílice del material del lecho. Cuando el lecho fluidizado contiene arena de sílice como material de lecho, y en la alimentación existen compuestos alcalinos, pueden formarse silicatos a partir de los compuestos alcalinos y la sílice de la arena utilizada. Los silicatos, se caracterizan por tener un punto de fusión menor que los compuestos alcalinos individuales. Estos compuestos se caracterizan por tener la propiedad de ser adherentes, por lo que cuando se producen dentro del reactor, comienzan a cubrir la arena con una fina capa adhesiva. Estas partículas de arena comienzan a adherirse con otras formando partículas de tamaño mayor y creando problemas de aglomeraciones. Su tamaño crece ininterrumpidamente debido al choque continuo de los sólidos dentro del reactor de fluidización [47]. Capítulo 3. Problemas operacionales 25 3.6.4 Medidas para detectar las obstrucciones Existen actualmente medidas para detectar las aglomeraciones mientras el proceso está en curso. Presión: Las medidas más frecuentes llevadas a cabo en los lechos fluidizados son las medias de presión tanto absoluta como diferencial. La medida de la presión nos permite obtener información sobre la densidad y el flujo global y local que se produce en el reactor. Mediante la pérdida de carga medida como diferencia de presión, podemos detectar aglomeraciones. Un aumento muy pronunciado indicaría una defluidización. Emisiones acústicas: Son medidas de un amplio rango de frecuencias emitidas por el lecho fluidizado. Las frecuencias medidas no siempre son detectables por el oído humano. Estas medidas están todavía en desarrollo y en el futuro aspiran a ser un método para clasificar la fluidización y detectar aglomeraciones. Temperatura: La temperatura es un parámetro que siempre se mide y nos aporta información sobre el grado de mezcla del lecho y de cómo de rápido las diferencias de temperatura locales son igualadas. Ésto nos permite detectar si existen aglomeraciones en el caso de que las temperaturas comiencen a igualarse más lentamente. Este hecho es provocado por un grado de mezcla menor, debido a aglomeraciones dentro del lecho fluidizado. 3.6.5 Estrategias post-obstrucción Es recomendable tener un plan de actuación para solucionar principios de aglomeraciones, ya que si se ha de detener el proceso puede acarrear costes altos y perdida de combustible limpio, material de lecho, etc. Reducción de temperatura: Una de las posibles soluciones es reducir la temperatura de operación por debajo de los puntos de fusión más relevantes [48]. Esta reducción puede realizarse mediante la disminución del ratio aire/fuel en el caso de aire como agente gasificante. No obstante, esta disminución es indeseable ya que produce conversiones menores de carbono y mayor concentración de alquitranes en el gas producido. Aumento de la velocidad de gas: En plantas a escala de laboratorio se ha conseguido invertir aglomeraciones débiles o tendencias a la aglomeración, mediante el aumento de la velocidad del flujo de gas [49]. Se cree que este aumento de la velocidad del flujo puede romper pequeñas aglomeraciones o aumentar las fuerzas dentro de las partículas ocultando la formación de aglomeraciones. Esta medida no cuenta con el apoyo general de la bibliografía revisada ni es considerada como una de las mejores estrategias a seguir, por lo que no se recomienda utilizar excepto si el resto de estrategias no pueden realizarse. Drenaje de lecho aglomerado: Podemos controlar el tamaño de partícula del lecho mediante la optimización del drenaje de material de lecho utilizado y la adicción de nuevo material de lecho fresco, de partícula menor que el anterior, en el que se puede detectar un aumento de tamaño respecto al original y por tanto, el inicio de una tendencia a la aglomeración. Esta es una práctica frecuentemente aplicada en el proceso industrial [50]. Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 26 3.7 Limpieza del gas La limpieza del gas depende de la fuente de origen del residuo ya que de proceder de vertederos, por ejemplo, puede contener metales alcalinos o halógenos, por lo que la limpieza deberá ser más restrictiva. Si el diseño del freeboard ha sido insuficiente o erróneo, parte de los sólidos que son arrastrados a unos centímetros por encima del lecho no dispondrán de espacio suficiente para caer de nuevo al lecho por su propio peso y serán arrastrados con el gas. 3.7.1 Ciclones y filtros El funcionamiento de un ciclón se basa en el aire o en la corriente gaseosa, entremezclada con el producto en suspensión, que al entrar tangencialmente en el ciclón es sometida a un movimiento circular. Dentro de este movimiento, las partículas más gruesas son obligadas, por el efecto de las fuerzas centrífugas creadas, a proyectarse contra las paredes y desprenderse hacia la salida inferior de descarga. El aire o los gases depurados salen por la parte superior del eje vertical, prácticamente libres de partículas. Algunas partículas ultrafinas o de muy bajo peso específico pueden ser arrastradas por la corriente de aire ascendente. Los ciclones operan a alta temperatura, máxima 900 ºC, para que no se depositen alquitranes y aceites, ya que son los primeros equipos tras el reactor y el gas puede contener estos compuestos [51]. El uso de ciclones es efectivo capturando partículas de gran tamaño, siendo los filtros de bolsas los más adecuados a la hora de eliminar partículas de tamaño pequeño como hollín. Los filtros cerámicos son una opción interesante ya que pueden ser colocados posteriormente al ciclón, debido a que pueden operar a la temperatura de salida de éste [52]. Capítulo 4. Aplicación: Reactor experimental 33 4.2.5 Material de lecho El material de lecho por excelencia en la gasificación es la arena de sílice, sin embargo, si el residuo que se va a tratar proviene de residuos urbanos, puede contener metales alcalinos y se pueden formar silicatos con temperaturas de fusión cercanas a 800ºC. Este problema se agrava con el rendimiento a alquitrán, ya que el gas de salida típico contiene concentraciones de alquitrán superiores a los límites para cualquier aplicación, necesitando una limpieza exhaustiva del gas con el coste asociado. A pesar de que en principio, el material alimentado no contiene metales ni halógenos, se recomienda utilizar olivina. De esta forma se consigue añadir flexibilidad al proceso, al permitir la posibilidad de tratar residuos plásticos de distintas procedencias. En el caso de que el residuo a gasificar contenga metales, éstos podrían competir con la actividad catalítica del hierro en la olivina, por lo que la dolomita tendría el mismo efecto que la olivina, ya que el hierro no sería eficaz. De ser económicamente inviable, la segunda opción seleccionado se basaría en utilizar dolomita del 30% en el lecho y el resto de arena de sílice. Ya que entre un 30% de olivina y un 30% de dolomita, a precios similares, es más efectiva la dolomita. La posibilidad de un lecho 100% de dolomita no es contemplada ya que no produce cambios significativos respecto al lecho con un 30% del mismo material. 4.3 Sistema de limpieza A la salida del reactor se deben utilizar dos ciclónes de alta eficacia, asegurándose que se captan la mayor parte de las partículas sólidas liberadas. La temperatura de operación debe ser mayor de 360ºC, para evitar que de existir fracciones condensables, condensen y obstruyan los ciclones. A la salida del segundo ciclón, el gas puede contener partículas muy finas. Estas partículas pueden eliminarse mediante un filtro cerámico. El filtro cerámico puede trabajar a la temperatura de salida del gas en el ciclón, por lo que puede situarse a continuación del ciclón. El mantenimiento de estos dos equipos es sencillo, ya que los finos del ciclón se recogen en un deposito y el elemento filtrante del filtro cerámico es sencillo y rápido de cambiar. Sin embargo, este filtro deberá valorarse in-situ, ya que dependiendo la cantidad de partículas finas, estas pueden ser retenidas en el filtro de algodón posterior, por lo que no sería necesario el filtro. Tras el segundo ciclón y el filtro cerámico, se procederá a eliminar las fracciones condensables. El sistema de recogida de condensados elegido estará formado por piezas de vidrio, una boquilla, dos condensadores refrigerados por hielo y dos filtros. Los dos filtros serán uno de algodón y otro de celulosa. Al atravesar el gas la boquilla de vidrio, se retendrán los primeros compuestos de alquitrán. El gas saldrá a 0ºC, por lo que el agua y los alquitranes quedarán condensados. Los condensados forman la fase líquida de los productos. El gas de salida pasará por un medidor de caudal y se tomará muestras para analizarlas mediante cromatografía. En el filtro de algodón, se retendrán las partículas más pequeñas arrastradas por la corriente gaseosa y el alquitrán que se encuentran en forma de aerosol. La fracción sólida total (cenizas, materia lecho, residuo carbonoso…) será la suma de las cantidades recogidas en el lateral del reactor, el depósito de finos del ciclón y en el filtro de los condensados. Análisis de problemas operacionales en tecnologías de gasificación en lecho fluido de residuos poliméricos 34 La fracción líquida se determina gravimétricamente. Tras añadir una cantidad de isopropanol, solvente recomendado, la mezcla se filtrará para eliminar y cuantificar los inertes no retenidos en los filtros. En el filtro se encuentra el residuo carbonoso. Parte del líquido debe someterse a una valoración para cuantificar el agua, a su vez los alquitranes condensados se obtienen por diferencia. Los alquitranes serán la suma de la parte de los condensados más los condensados de en la boquilla y en el filtro de algodón. Si se trabaja con aire, como se recomienda, puede existir NH3. Se puede determinar mediante un método titulométrico, por ejemplo, usando ácido sulfúrico como titulante y rojo de metilo como indicador. El gas de salida se quemará en una cámara de combustión con gas natural para facilitar el quemado, ya que al estar en un laboratorio será el mecanismo más sencillo. 4.4 Modo de operación: Arranque, parada y seguridad Antes de comenzar a introducir el residuo, se deben alcanzar las condiciones de operación. De este modo, se evita perder residuo y sobrecargar los equipos de limpieza al operar en condiciones inferiores a las de operación. La metodología propuesta consiste en calentar el reactor mediante los hornos debidamente acoplados, para minimizar la energía disipada. Una vez se empiece a calentar el reactor, el aire atravesará una resistencia eléctrica que lo caliente hasta 400ºC para evitar perdidas de calor en el lecho. Posteriormente se introducirá en el gasificador para conseguir la fluidización del lecho y que la temperatura no cambie al introducir el residuo plástico a gasificar. Cuando la temperatura alcance 600ºC se introducirá residuo de plástico para que mediante la combustión se alcance la temperatura de 820ºC propuesta. Además, el material del lecho aumenta su actividad catalítica al calcinarse antes de llevarse a cabo la gasificación. El equipo de limpieza y de análisis también debe estar a punto cuando la reacción comience, por lo que el cromatografo deberá encenderse para que los gases alcancen la temperatura necesaria para el análisis. Cuando la reacción ha terminado, se detendrá la alimentación de residuo plástico y se apagarán los hornos. El agente gasificante continuará pasando, ya que al ser aire, no se incurre en un gasto económico y se enfriará en un tiempo menor. Al acabar la reacción, el equipo de limpieza y análisis también debe limpiarse y apagarse. Respecto a la seguridad concerniente al equipo y al laboratorio de trabajo, se recomienda instalar: • Detectores de CO: Debido a la alta toxicidad, al sustituir la hemoglobina de la sangre pudiendo provocar la muerte, se recomienda instalar detectores de CO al ser un producto básico del gas de síntesis. • Válvulas de seguridad: Para garantiar una presión adecuada y abrirse en el caso de superarse una presión dada. • Válvulas de purga: Deben secundar a las de seguridad en el caso que estas pueden fallar. • Válvulas antirretorno: Son necesarias en las líneas de gases calientes para evitar el retroceso del gas. Capítulo 4. Aplicación: Reactor experimental 35 5. CONCLUSIONES La gasificación de residuos plásticos, mediante lecho fluidizado, responde positivamente a las expectativas buscadas de valorizar un residuo tan importante en la actualidad como son los plásticos. Especialmente, se consigue gracias a la flexibilidad operacional que permite utilizar diferentes agentes gasificantes, materiales de lecho, tempertaturas, relaciones de estequiometría, tiempos de residencia y el uso o no, de catalizadores. La problemática de contaminación del gas de salida, la baja calidad del gas de síntesis o la producción de fracciones condensables son objeto del proyecto y a continuación se procede a concluir los parámetros más representativos que se han observado, así como su relación con los problemas mencionados a lo largo del proyecto. • La temperatura demuestra ser un parámetro esencial para eliminar fracciones de alquitrán, cuando es alta suministra energía a las reacciones endotérmicas de descomposición; obteniéndose a estas temperaturas, un gas de síntesis de gran calidad y con porcentajes altos de H2 y CO. La estabilización de la temperatura depende del material del lecho catalítico que incide en la relación de las reacciones endotérmicas-exotérmicas. • El material de lecho tiene una gran importancia en el proceso. Cuando se gasifican residuos plásticos con material catalítico, especialmente con olivina, se obtiene un gas de síntesis de calidad muy alta, con una producción de alquitrán practicamente nula. La dolomita tiene menor actividad catalítica excepto cuando el residuo plástico contiene metales y otros contaminantes, que responde de forma similar. • El agente gasificante influye en la calidad del gas obtenido, especialmente en el poder calorífico del gas. Sin embargo, también es uno de los mayores costes de operación, por lo que si se trata de eliminar alquitrán, que representa el mayor problema actualmente, se usará aire por su simplicidad y coste. • El aumento del ratio equivalente en el proceso, aumenta la cantidad de oxígeno que puede reaccionar con los volátiles en la zona de pirólisis, por lo que se reduce la fracción de alquitranes, aunque trabajando con aire también se diluye el poder calorífico del gas al aumentar el nitrógeno presente en el gas de salida. • El sistema de limpieza de gases es efectivo limpiando las partículas finas elutriadas, los contaminantes gasesosos y posteriormente las fracciones condensables que puedan acompañar al gas en la salida. De este modo, se consigue un gas libre de partículas y de fracciones condesables. Este gas puede ser utilizado sin dañar los equipos por corrosión, contaminantes u obstrucciones.