Recuperacion energetica y material de residuos organicos by Blue Pencil Design Studio

RECUPERACIÓN ENERGÉTICA Y MATERIAL DE RESIDUOS ORGÁNICOS

Dra. Diana López Instituto de Química Universidad de Antioquia

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA (MEDELLÍN)

http://www.udea.edu.co

RECURSO HUMANO Docentes: Técnico de laboratorio: Posdoctorados: Estudiantes de doctorado Estudiantes de maestría: Estudiantes de pregrado:

7 1 2 8 3 15

PRODUCCIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA Artículos científicos en revistas especializadas internacionales: 116 Comunicación en congresos, seminarios, charlas: 98

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN  Reducción del impacto ambiental causado por el uso de combustibles fósiles  NOx y SOx utilizando materiales carbonosos  Formación, caracterización de hollín producido durante el proceso de combustión  Conversión catalítica de CO2 y CH4 a gas de síntesis  Valorización química y energética de combustibles fósiles, biomasa y residuos  Reactividad y evaluación cinética en los procesos de conversión de combustibles  Producción de biodiesel  Conversión del glicerol proveniente de la producción del biodiesel

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Diseño, preparación y caracterización de catalizadores y materiales carbonosos  Catalizadores para la valorización del gas natural  Catalizadores para la obtención de biodiesel  Catalizadores para la obtención de aditivos oxigenados a partir del glicerol  Catalizadores para el proceso FischerTropsch  Catalizadores para procesos de hidrotratamiento de aceites vegetales

PATENTES 



Otorgadas  Process for producing hydrogen gas and carbon nanotubes from catalytic decomposition of ethanol (Internacional)  Process for making activated char coal (Internacional)  Planta generadora de gases calientes de uso en procesos industriales (gasificador-combustor) (Nacional)  Horno de combustión sin llama con quemador autoregenerativo para recuperación de calor (Nacional)  Método para obtener catalizadores Ni-Ce/Mg-Al a partir de hidrotalcitas (Nacional) Trámite  Eliminación y transformación de residuos derivados de producción de biodiesel a elementos de alto valor agregado (Nacional)

GENERALIDADES

RESIDUOS ORGÁNICOS CON POTENCIAL ENERGÉTICO

PROYECTOS SOBRE RECUPERACIÓN ENERGÉTICA Y MATERIAL DE RESIDUOS ORGÁNICOS

Emisi贸n de gases contaminantes VOC

SOx y NOx

CO2 Material Particulado

Opciones para reducir las emisiones de CO2 Mejorar la eficiencia de los procesos Tecnologías para captura y disposición de CO2 Almacenamiento de energía Uso de energías alternativas 10

Energías alternativas a los recursos fósiles Solar

Eólica

Mareomotriz

Geotérmica

Hidráulica

Nuclear

Residuos de alimentos Residuos sólidos municipales e industriales

Biomasa

Residuos agroindustriales

Forestales

BIOMASA RESIDUOS

CULTIVOS Papel Mueble

MADERA INDUSTRIALES

AGROALIMENTARIA

LODOS

AGROGANADEROS

AGRICOLAS GANADEROS

FORESTALES

Cáscaras Huesos Desechos

HERBACEOS

Podas Paja Cascarilla

Cereales Cardo Pataca Sorgo Sauces

LEÑOSOS

Chopos

Poda

SÓLIDOS URBANOS

GASIFICACIÓN

Usos potenciales del gas de síntesis

Químicos

CO H2

Amoniaco, Metanol, Hidrógeno

Combustibles líquidos

Diesel, Gasolinas

Combustibles gaseosos

Gas natural sintético

Ciclos de generación

Electricidad, Vapor

Algunos proyectos en operación comercial o en desarrollo para gasificación de biomasa Proyecto

Locación

Tecnología

Recurso

Producto

RENTECH

USA

RENTECH

Biomasa

Gasolinas (D)

MaxWest

USA

MaxWest

Biosólido

Generación (O)

Varmlands

Suecia

UHDE HTW

Biomasa

Químicos(D)

Andritz/Carbona Dinamarca Andritz/Carbona Biomasa

Generación (O)

BioiTFuel

Francia

Coal Tec

Biomasa

Gasolinas (D)

USA

UHDE Prenflo PDQ Coal Tec

Biomasa

Generación (O)

S4 Energy AlterNRG

USA Canada

S4 AlterNRG

Biomasa Biomasa

Generación (D) Generación (D)

Ze-Gen

USA

Ze-Gen

Biomasa

Generación (D)

ENERKEM

Canada

ENERKEM

Biomasa

Gasolinas (O)

Alrededor de 60 tecnologías están en desarrollo, pero no han sido probadas comercialmente.

RESIDUOS ORGÁNICOS CON POTENCIAL ENERGÉTICO

CHAMPIﾃ前NAZA

RESIDUOS FORESTALES/ PODAS

BOVINAZA

RESIDUOS AGROINDUSTRIALES

PORQUINAZA

RESIDUOS DE CULTIVOS GALLINAZA 19

Panorama Colombiano 3.010 Granjas AvĂcolas 72.232.233 Aves

Granjas: 961 Aves ponedoras 32.672.240

320000-400000 ton gallinaza /aĂąo

Bacterias presentes en la gallinaza

5.9 0.65 2.38

Coliforme Staphylococcus Salmonella Clostridium perfringens - http://www.fenavi.org/fenavi/admin/uploaded/file/Censo_avicola.pdf - DANE - Censo Nacional de Avicultura Industrial. 2002 - Omeira, N. et al. Microbiological and chemical properties of litter from different chicken types and production systems. 2006, 367, 156-162.

Efectos de los residuales avícolas en el ambiente

21 Rodríguez, V. 1999. La problemática de los residuos Ganaderos: el caso de la gallinaza. http://www.terra.es/personal/forma-xxi/cono2.htm

Industria Avícola

Gallinaza

Problemas ambientales y de salubridad

Disposición de la Gallinaza

Disposición directa

Métodos biológicos

Métodos térmicos -Fitotoxicidad

Biodigestión

Combustión

Compostaje

Gasificación

-Exceso de nutrientes 22

Transformación Térmica TRATAMIENTO TÉRMICO

FUENTE DE ENERGÍA PRIMARIA RENOVABLE

GALLINAZA Cenizas como fertilizantes

Combustibles NO renovables

Auto-sostenimiento energético de la Avícola

ALTERNATIVA

Combustión PLANTAS DE TRATAMIENTO

GALLINAZA

ENERGÍA

FIBROMINN (USA)

500000 ton/año

55 MW

EYE (UK)

140000 ton/año

12,7 MW

THETFORD (UK)

420000 ton/año

38,5 MW

120000 ton CO2/año

Energía para 68500 casas

24 Francisco Ramírez, Andrés Seco. Minimizing the environmental effects caused by the production of bioenergy. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol 15, 3327-3331 http://www.thetfordrenewableenergyplant.co.uk/about-us.asp

Tratamientos térmicos para valorizar los residuos orgánicos

Tecnología de conversión

Productos primarios

Recuperación de productos

Carbonizado

Extracción

Productos secundarios

Químicos Pirólisis

Alquitranes y Combustibles líquidos

Gasificación Combustión Gases

Mejoramiento Síntesis Turbina de gas

Gasolina Metanol Amoniaco

Motor Combustión

Electricidad

Calor

Hornos

PROYECTOS DE RECUPERACIÓN ENERGÉTICA Y MATERIAL DE RESIDUOS ORGÁNICOS 26

APLICACIONES EN ENERGÍA TÉRMICA Ladrillera San Cristóbal S.A:  Combustor-Gasificador: 160 kg/h con más de 8 años en operación continua. El gas de combustión (20000 m3 a 200ºC) se diluye con aire y se utiliza para secar ladrillos. Ahorro entre 25-30% (Patente nacional). Carbón, madera y cascarilla de arroz.  Gasificador acoplado a un horno de producción de ladrillos: 700 kg/h. El gas producido se quema dentro del horno. Se mejoró la calidad del producto pues antes quemaban carbón y las cenizas se impregnaban en el ladrillo y lo manchaban (3 años en operación).  Cementos Argos S.A.: Diseño de un gasificador de 3400 Kg/h. Energía utilizada directamente en el horno. 

APLICACIONES EN ENERGÍA ELÉCTRICA  Colciencias-CIIEN: Gasificador 5 kg/h de mezclas carbón/biosólidos de la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Medellín (solicitud de patente). Fase II: 5 ton seca/día. Evaluación con cascarilla de arroz, bagazo de caña, cuesco de palma, cisco de café.  CYTED: Prototipo de generación de energía eléctrica y térmica en núcleos aislados de Iberoamérica mediante hibridación (Biomasa/Solar). 20 kW. Madera y cascarilla de arroz.  Colciencias-ISAGEN: Gasificador 15 Kg/h en lecho fluidizado a alta presión (30 atm y 1000 ºC). (solicitud de patente). Fase II: 1 ton/día. Ventaja: sale un gas con presión suficiente para la limpieza del gas y poder usarlo de manera 29 eficiente en una turbina. Carbón.

ESTUDIO

DISEÑO

SISTEMA

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE

LA GASIFICACIÓN DE MADERA EN ZONA RURAL DEL MUNICIPIO DE EL

NECOCLÍ (CHOCÓ). FINANCIADO

POR

IPSE.

LO QUE SE ENCONTRÓ… • • • • • •

Gran deposición de madera en las playas del municipio Usos de la madera para cercar terrenos Quema de la madera en la playa y en el terreno destinado para ello Contrabando de energía Peligros por las instalaciones Los aserríos generan pequeñas 31 cantidades de desperdicios

ESTRATEGIA • • •

• • •

Cuantificación de la madera que llega a las playas Clasificación de la madera Condiciones de la madera Reconocimiento del sistema de gasificación Evaluación energética de la madera de Necoclí Diseño del proceso 33

TECNOLOGÍA  Capacidad

de generación:  40 kWe Brutos  35 kWe Netos  Requerimientos:  Madera 3.5 x 3.5 x 5 cm  80 kg/h de madera  Humedad <20%  Gasificador en lecho fijo: DOWNDRAFT (India)

ADECUACIONES

ARMADO - FILTROS

ARMADO – MOTOR-GENERADOR

AFLUENTE

Planta de Tratamiento de Aguas Residuales. “San Fernando”, Medellín

BIO-GAS

BIO-SÓLIDO

USO Y DISPOSICIÓN 39

http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/Saneamiento/page6.html

Métodos de disposición del biosólido TRADICIONALES

USO AGRÍCOLA DISPOSICIÓN EN VERTEDEROS INCINERACIÓN

ALTERNATIVOS

COMBUSTIÓN PIRÓLISIS GASIFICACIÓN

D. Fytili and A. Zabaniotou. Utilization of sewage sludge in EU application of old and new methods—A review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 12 (2008) 116-140

Co-gasificaci贸n de bios贸lido

Estruvita 41

Recuperación de fósforo

Amberlita IRA400

Agua residual

Biosólido

Proceso de adsorción

Gasificación con agua supercrítica (SCWG) 400, 500 y 600 °C

usando dentro

Para formar

Material híbrido

Óxidos de metales hidratados (Fe y Zr)

Experimentos por lotes Agua residual: 6.8 mg/L P t: 240 min

Mezcla de sólido y líquido Separación

Residuo sólido

ESTRUVITA

Gases

H2,CO2, CH4, CO, C2-C3

Lixiviación ácida H2SO4 pH=2, t=480 min

OTROS PROCESOS DE RECUPERACIÓN ENERGÉTICA Y MATERIAL DIFERENTES A LA GASIFICACIÓN

Biomasa

Biocombustibles

Producción de hidrógeno y nanotubos de carbono

Bioetanol Descomposición catalítica

Biogás (CH4/CO2)

Biodiesel

Glicerol

“bio-gas de síntesis” CO

Nanotubos

Propiedad

Nanotubo

Comparación

Conductividad 4 x 109 A/cm2 eléctrica

Cobre (4 x 106 A/cm2)

Conductividad 3500 W/(m*K) térmica

Cobre (385 W/[m*K])

Dureza (modulo de 0,8 – 0,9 N/m2 Acero (0,2 N/m2) Young)

Múltiples aplicaciones

Secuestro de carbono

“bio-gas de síntesis” “bio-compuestos sintéticos” CO

Celdas combustibles Urea

Acrilatos Etilen glicol Acido acético

H2 Gasolina Diesel Alcoholes Vinil acetato

FischerTropsch

CO + H2

Metanol

DME Gasolina Diesel Olefinas Ácido acético

Etanol CO

Transformaci贸n de aceites a Diesel Renovable

Producción de bio-hidrocarburos líquidos a partir de LHT de biomasa Gasificador

Biomasa

cenizas

Residuo alto contenido de carbono

Catalizador

Calor H2/CO

Pretratamiento y adecuación

Licuefacción hidrotérmica

Water shift reaction

Filtración

H2 Gases Co-solvente

H2/CO

Separación de fases

Fase acuosa

Biocrudo

Mejoramiento (HDO, Craqueo catalítico, refinación) Bio- hidrocarburos líquidos

Biodigestor Generación de energía eléctrica

CONCLUSIÓN