ORIGINAL ARTICLE
 
Hydrogen-Rich Syngas Production by Plasma Gasification of Existing Biomasses in Cuba
 

MSc. Jorge Jadid Tamayo-PachecoIUniversidad de Oriente, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Santiago de Cuba, Cuba. *✉:jadid@uo.edu.cu

MSc. Leonardo Peña-PupoIIEmpresa de Hidroenergía UEB Santiago de Cuba, Cuba.

Dr.C. Arelys Vázquez-PeñaIIIInstituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

Dr.C. Ángel Luis Brito-SauvanellIVUniversidad de Oriente, Centro de Estudios de Energía y Refrigeración Facultad de ingeniería Mecánica, Santiago de Cuba, Cuba.

 

IUniversidad de Oriente, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Santiago de Cuba, Cuba.

IIEmpresa de Hidroenergía UEB Santiago de Cuba, Cuba.

IIIInstituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

IVUniversidad de Oriente, Centro de Estudios de Energía y Refrigeración Facultad de ingeniería Mecánica, Santiago de Cuba, Cuba.

 

*Author for correspondence: Jorge Jadid Tamayo-Pacheco, e-mail: jadid@uo.edu.cu

 

ABSTRACT

The production of 2nd generation biofuels is a transcendental issue for sustainability due to its influence on reducing fossil fuel consumption. One of the most recognized techniques for the production of biofuels starts from syngas with an H2/CO = 2 molar ratio. This gas can be obtained through the biomass gasification process, a complex process with several operational parameters. The purpose of this study was to perform the simulation of the plasma gasification process of three biomasses that are abundant agro-industrial or forest residues in Cuba. For this, the graphic method and the exploration of the operating regions were used applying a model with a thermochemical equilibrium approach. As a result, it was obtained that it is possible to achieve a production of syngas with values between 1.79-2.80, 1.68-2.37 and 2.09-2.81 NM3/kg from sugarcane bagasse, rice husk and wood sawdust, respectively, with the cold gas efficiencies, in that same order, 31-65%, 20-49%, and 43-53%. In addition, the sensitivity analysis was carried out to identify the influential parameters on performance indicators.

Keywords: 
Simulation of plasma gasification; thermodynamic analysis; sensitivity analysis.
 
 
 
INTRODUCTION

Second-generation biofuels are those obtained from lignocellulose agricultural, industrial forest or municipal residues, as well as non-food energy crops. These biofuels do not compete with food production and are considered a sustainable and environmentally friendly option for the replacement of fossil fuels. The production of energy from biomass at the local or national level contributes to energy sovereignty and security while positively influencing the development of rural areas (Sikarwar et al., 2017SIKARWAR, V. S.; ZHAO, M.; FENNELL, P. S.; SHAH, N.;ANTHONY, E. J.: "Progress in biofuel production from gasification", Progress in Energy and Combustion Science, 61189-248, 2017, DOI:10.1016/j.pecs.2017.04.001).

For the synthesis of second-generation liquid biofuels, one of the methods developed is thermochemistry. Through this method, biomass is converted into a hydrogen-rich gas that is subsequently used as a raw material for the synthesis of liquid fuels (Sikarwar et al., 2017SIKARWAR, V. S.; ZHAO, M.; FENNELL, P. S.; SHAH, N.;ANTHONY, E. J.: "Progress in biofuel production from gasification", Progress in Energy and Combustion Science, 61189-248, 2017, DOI:10.1016/j.pecs.2017.04.001).

The adequate H2/CO molar ratio is a requirement according to the subsequent use to be made of syngas, for example, an H2/CO molar ratio of approximately 1.0 is required for the production of aldehyde and alcohol, while it is required an H2/CO ratio close to 2.0 for the synthesis of biofuels and methanol according to the Fischer-Tropsch method (Im-orb et al., 2016IM-ORB, K.; SIMASATITKUL, L.;ARPORNWICHANOP, A.: "Analysis of synthesis gas production with a flexible H 2 /CO ratio from rice straw gasification", Fuel, 164361-373, 2016, DOI:10.1016/j.fuel.2015.10.018).

The present study is focused on evaluating one of the thermochemical methods with the possibility of producing a gas rich in hydrogen: the gasification of biomass using thermal plasma with air and steam as gasifying agents. This method is considered by some authors as an attractive and ecological option for waste treatment (Favas et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109).

In plasma gasification, with the high temperatures reached, the organic portion of the biomass is decomposed into its constituent elements, leaving also a partially inorganic vitrified slag (Favas et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109). The advantages are the controllability of the process temperature, higher process speeds, lower reactor volume and, especially, an optimal composition of the gas produced where the amount of tars is insignificant. Also, inorganic materials are recovered for their use in (Hrabovsky et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5). However, it has some notable drawbacks, such as high electricity consumption, the need for resistant materials given the high operating temperature and high investment costs. (Favas, et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109; Sikarwar, et al., 2017SIKARWAR, V. S.; ZHAO, M.; FENNELL, P. S.; SHAH, N.;ANTHONY, E. J.: "Progress in biofuel production from gasification", Progress in Energy and Combustion Science, 61189-248, 2017, DOI:10.1016/j.pecs.2017.04.001). On the other hand, this process can be understood as a store of electrical energy since it is, in a certain way, stored in the gas produced (Hrabovsky et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5).

Although there are currently waste treatment plants, mainly for urban solid and dangerous waste, that operate with the plasma gasification method, it is a technology whose maturity is debatable (Li et al., 2016LI, J.; LIU, K.; YAN, S.; LI, Y.;HAN, D.: "Application of thermal plasma technology for the treatment of solid wastes in China: An overview", Waste Manag , 58260-269, 2016, DOI:10.1016/j.wasman.2016.06.011). The introduction of this technology implies challenges that begin with the knowledge of it through studies and technical-economic evaluations, for which the use of simulations is necessary.

Numerous studies have addressed the issue of the production of hydrogen-rich gas from biomass gasification, both from a theoretical and an experimental point of view (Parthasarathy and Narayanan, 2014PARTHASARATHY, P.;NARAYANAN, K. S.: "Hydrogen production from steam gasification of biomass: Influence of process parameters on hydrogen yield - A review", RenewableEnergy , 66 570-579, 2014, DOI:10.1016/j.renene.2013.12.025). But most of these studies are aimed at thermo-conversion by other methods such as rapid pyrolysis followed by steam reforming of coal, supercritical water gasification, and steam gasification but do not include plasma gasification (Parthasarathy and Narayanan, 2014PARTHASARATHY, P.;NARAYANAN, K. S.: "Hydrogen production from steam gasification of biomass: Influence of process parameters on hydrogen yield - A review", RenewableEnergy , 66 570-579, 2014, DOI:10.1016/j.renene.2013.12.025).

Some of the more recent works on plasma gasification to obtain hydrogen describe experimental results on a laboratory or pilot plant scale (Diaz et al., 2015DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049; Hlina et al., 2014HLINA, M.; HRABOVSKY, M.; KAVKA, T.;KONRAD, M.: "Production of high quality syngas from argon/water plasma gasification of biomass and waste", Waste Manag, 34(1):63-66, 2014, DOI:10.1016/j.wasman.2013.09.018; Hrabovsky, et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5; Shie et al., 2014SHIE, J.-L.; CHEN, L.-X.; LIN, K.-L.;CHANG, C.-Y.: "Plasmatron gasification of biomass lignocellulosic waste materials derived from municipal solid waste", Energy , 6682-89, 2014, DOI:10.1016/j.energy.2013.12.042; Tamošiūnas et al., 2016TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002; Yoon and Lee, 2012YOON, S. J.;LEE, J.-G.: "Hydrogen-rich syngas production through coal and charcoal gasification using microwave steam and air plasma torch", international journal of hydrogen energy , 37(22):17093-17100, 2012, DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.08.054) pilotos (Diaz et al., 2015DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049; Hlina et al., 2014HLINA, M.; HRABOVSKY, M.; KAVKA, T.;KONRAD, M.: "Production of high quality syngas from argon/water plasma gasification of biomass and waste", Waste Manag, 34(1):63-66, 2014, DOI:10.1016/j.wasman.2013.09.018; Hrabovsky, et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5; Shie et al., 2014SHIE, J.-L.; CHEN, L.-X.; LIN, K.-L.;CHANG, C.-Y.: "Plasmatron gasification of biomass lignocellulosic waste materials derived from municipal solid waste", Energy , 6682-89, 2014, DOI:10.1016/j.energy.2013.12.042; Tamošiūnas et al., 2016TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002; Yoon and Lee, 2012YOON, S. J.;LEE, J.-G.: "Hydrogen-rich syngas production through coal and charcoal gasification using microwave steam and air plasma torch", international journal of hydrogen energy , 37(22):17093-17100, 2012, DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.08.054); others include simulation from models (Diaz, et al., 2015DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049; Favas, et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109; Hrabovsky, et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5; Ismail et al., 2019ISMAIL, T. M.; MONTEIRO, E.; RAMOS, A.; EL-SALAM, M. A.;ROUBOA, A.: "An Eulerian model for forest residues gasification in a plasma gasifier", Energy, 1821069-1083, 2019, DOI:10.1016/j.energy.2019.06.070; Tamošiūnas, et al., 2016TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002; Tavares et al., 2019TAVARES, R.; RAMOS, A.;ROUBOA, A.: "A theoretical study on municipal solid waste plasma gasification", Waste Manag , 9037-45, 2019, DOI:10.1016/j.wasman.2019.03.051). Some use only the composition of syngas as performance criteria and do not address energy efficiency issues such as Favas et al. (2017)FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109; Tavares et al. (2019)TAVARES, R.; RAMOS, A.;ROUBOA, A.: "A theoretical study on municipal solid waste plasma gasification", Waste Manag , 9037-45, 2019, DOI:10.1016/j.wasman.2019.03.051 or as in the case of Shie, et al. (2014)SHIE, J.-L.; CHEN, L.-X.; LIN, K.-L.;CHANG, C.-Y.: "Plasmatron gasification of biomass lignocellulosic waste materials derived from municipal solid waste", Energy , 6682-89, 2014, DOI:10.1016/j.energy.2013.12.042, which simply describe the results of other authors where the feasibility of such technology is confirmed. Other works also include energy efficiency as a performance indicator Hrabovsky et al. (2017)HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5; Ismail et al. (2019)ISMAIL, T. M.; MONTEIRO, E.; RAMOS, A.; EL-SALAM, M. A.;ROUBOA, A.: "An Eulerian model for forest residues gasification in a plasma gasifier", Energy, 1821069-1083, 2019, DOI:10.1016/j.energy.2019.06.070; Yoon and Lee (2012)YOON, S. J.;LEE, J.-G.: "Hydrogen-rich syngas production through coal and charcoal gasification using microwave steam and air plasma torch", international journal of hydrogen energy , 37(22):17093-17100, 2012, DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.08.054. Tamošiūnas et al. (2016)TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002 consider the carbon conversion, the specific energy required for the amount of syngas produced and the energy efficiency of the process, but do not include the energy consumed to generate the added water vapor.

The objective of this work is to evaluate the results of the plasma gasification of three biomasses present in Cuba, having as operational parameters the steam-biomass ratio (SBR), the equivalence ratio (ER) and the energy ratio between the enthalpy of plasma and the calorific value of biomass (PER). To do this, performance issues such as the composition of syngas and energy issues such as the cold gas efficiency (CGE) and the specific energy consumed per kg of hydrogen produced, among others, are assumed as performance indicators. This analysis is more comprehensive compared with the previously cited works. The approach used is novel because the joint effect of the parameters in the selected operating regions is analyzed, which constitute process restrictions. The study uses the graphic method and the exploration of the operating regions by means of a model with a thermochemical equilibrium approach. Finally, a sensitivity analysis of the model allows establishing the most influential parameters on the H2/CO ratio, the calorific value, the efficiency and the specific production of the syngas.

METHODS

To simulate the process, in this study, a thermochemical equilibrium model was used. This type of model is very popular because it is relatively simple and the results to be obtained are close to reality, mainly in gasifiers that operate at high temperatures and with sufficient residence time in which the operational state is close to theoretical equilibrium. This type of model has previously been used to describe the plasma gasification process (Diaz et al., 2015DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049; Mountouris et al., 2006MOUNTOURIS, A.; VOUTSAS, E.;TASSIOS, D.: "Solid waste plasma gasification: Equilibrium model development and exergy analysis", EnergyConversion and Management, 471723-1737, 2006, DOI:10.1016/j.enconman.2005.10.015).

The model inputs include: the elemental composition of the biomass, its humidity and ash quantity, the amount of air that reacts, the amount of added steam, the enthalpy contributed to the reaction by the thermal plasma and the carbon ratio unconverted. The final composition of the syngas is the main output of the model and constitutes a basic element to later calculate the energy performance criteria. The energy of the thermal plasma was taken into account in the energy balance as in Mountouris et al. (2006)MOUNTOURIS, A.; VOUTSAS, E.;TASSIOS, D.: "Solid waste plasma gasification: Equilibrium model development and exergy analysis", EnergyConversion and Management, 471723-1737, 2006, DOI:10.1016/j.enconman.2005.10.015 and it is shown in Equation 1Hfbiomasa°+wHfH2O°+Hvap+mTairCpmO2+3.76CpmN2+sHfH2Ovap°+TsteamCpmH2O+QPlasma(100-Losses)/100=xCOHfCO°+xCO2HfCO2°+xH2OHfH2O°+xCH4HfCH4°+TxH2CpmH2+xCOCpmCO+xCO2CpmCO2+xH2OCpmH2O+xCH4CpmCH4+(3.76m+bN)CpN2+ncCCpmC.  

 
Hfbiomasa°+wHfH2O°+Hvap+mTairCpmO2+3.76CpmN2+sHfH2Ovap°+TsteamCpmH2O+QPlasma(100-Losses)/100=xCOHfCO°+xCO2HfCO2°+xH2OHfH2O°+xCH4HfCH4°+TxH2CpmH2+xCOCpmCO+xCO2CpmCO2+xH2OCpmH2O+xCH4CpmCH4+(3.76m+bN)CpN2+ncCCpmC  (1)
 

ΔHfi°

enthalpy of formation of substance i [kJ/kmol]

w

amount of water contained in the biomass [mol]

s

amount of water vapor added [mol]

m

amount of air involved in the reaction [mol]

QPlasma

enthalpy provided by the thermal plasm [kJ]

xi

amount of substance i present in the products [mol]

Cpmi

average specific heat of the i [kJ/(kmol∙K)]

ΔT

temperature difference between the gasification temperature and 298 K° [K°]

ncC

unconverted carbon fraction [mol]

H(vap)

enthalpy of water vaporization [kJ/kmol]

ΔTair

air temperature minus 298 K

ΔTsteam

water vapor temperature minus 298 K

ΔT

gasification temperature minus 298K

Losses

energy losses as % de QPlasma

Other equations that are part of the model are the mass balance of carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen as in Zainal et al. (2001)ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9

 
bC=xCO+xCO2+xCH4 +ncC   (2)
 

 
2w+2s+bH=2xH2+2xH2O+4xCH4  (3)
 

 
w+s+bO+2m=xCO+2xCO2+xH2O   (4)
 

 
bN+3.762m=2xN2  (5)
 

Where bC , bH , bO y bN are the carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen atoms in the simplified form of the biomass molecule, respectively.

The equilibrium constants of the methane formation reaction  K1 and the gas displacement reaction K2  were written in correspondence with (Zainal, et al., 2001ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9):

 
K1=xCH4 xH2 2   (5)
 

 
K2=xH2 xCO2xCOxH2O  (6)
 

The relationships between the operational parameters and the model inputs are:

 
m=ERat   (7)
 

 
s=SBRMbiomH/18  (8)
 

 
Qplasma=PERLHVbiom  (9)
 

Being at  the theoretical amount of air for complete combustion of one mole of biomass, MbiomH the molar mass of the wet biomass and LHVbiom the lower heating value of the dry biomass.

The system of equations of the model was solved following an algorithm similar to that proposed in Melgar et al. (2007)MELGAR, A.; PÉREZ, J. F.; LAGET, H.;HORILLO, A.: "Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying process", EnergyConversion and Management, 48(1):59-67, 2007, DOI:10.1016/j.enconman.2006.05.004, where the gasification temperature is searched iteratively such that the set of equations is solved (2)bC=xCO+xCO2+xCH4 +ncC to (6)K1=xCH4 xH2 2 and the energy balance of Equation (1)Hfbiomasa°+wHfH2O°+Hvap+mTairCpmO2+3.76CpmN2+sHfH2Ovap°+TsteamCpmH2O+QPlasma(100-Losses)/100=xCOHfCO°+xCO2HfCO2°+xH2OHfH2O°+xCH4HfCH4°+TxH2CpmH2+xCOCpmCO+xCO2CpmCO2+xH2OCpmH2O+xCH4CpmCH4+(3.76m+bN)CpN2+ncCCpmC is met.

For the calculation of the specific heats, empirical expressions taken from Smith (1950)SMITH, J. M. Introduction to chemical engineering thermodynamics. In.: ACS Publications, 1950.; Zainal et al. (2001)ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9

The process performance indicators were calculated as:

 
H2/CO=xH2/xCO2   (10)
 

 
CGE=Hgas PCIbiom+Qplasmaηtorch+sHsteam 100  (11)
 

 
PCIg=0.108XH2+0.126XCO+0.358XCH4 [MJ/m3]  (12)
 

 
Electric cons. per kg of biom.= QplasmaηtorchMbiomH3600 kWhkg de biom.  (13)
 

 
Electric cons. per kg of H2 =Qplasmaηtorch2xH23600 [kWhkg de H2]  (14)
 

Where Hgas is the energy of the syngas produced by gasifying one mole of biomass calculated as the amount of the substance multiplied for its lower calorific value, Hsteam is the molar enthalpy of the water vapor added in kJ/kmol, Xi denotes in percent the composition of the gas i.

Three biomasses present in Cuba were selected for the study: sugarcane bagasse, rice husk and wood sawdust. The first two have an agroindustrial origin and the second one, a woody origin. Their characteristics are shown in Table 1. It is noteworthy that these properties change according to the variety and weather conditions, so it is recommended to determine them experimentally for subsequent works. In the case of wood sawdust, a composition generally accepted by other authors was assumed (Zainal et al., 2001ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9):

 
TABLE 1.  Characteristics of the studied biomass
Elemental Composition (dry basis) Moisture % Ash (dry basis) Reference
C%H%O%N%
Bagasse47.55.940.70.29205.6(Mavukwana et al., 2013MAVUKWANA, A.; JALAMA, K.; NTULI, F.;HARDING, K. Simulation of sugarcane bagasse gasification using aspen plus. In International Conference on Chemical and Environmental Engineering (ICCEE), Johannesburg, South Africa. 2013, vol. 1516, p. 70-74.)
Rice husk38.42.9736.40.499.9521.7(Loha et al., 2011LOHA, C.; CHATTOPADHYAY, H.;CHATTERJEE, P. K.: "Thermodynamic analysis of hydrogen rich synthetic gas generation from fluidized bed gasification of rice husk", Energy , 36(7):4063-4071, 2011, DOI:10.1016/j.energy.2011.04.042)
Sawdust50644010, 00(Zainal et al., 2001ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9)
 

The study carried out consisted of selecting an operation region for two of the operational parameters (PER and SBR). In this region, 120 points were explored and in each one the ER was increased, starting from zero until obtaining a value such that the restriction that the gasification temperature is equal to 1200 ° C, at which the formation of tars, is negligible (Rutberg et al., 2011RUTBERG, P. G.; BRATSEV, A. N.; KUZNETSOV, V. A.; POPOV, V. E.; UFIMTSEV, A. A.;SHTENGEL’, S. V.: "On efficiency of plasma gasification of wood residues", Biomass and bioenergy, 35(1):495-504, 2011, DOI:10.1016/j.biombioe.2010.09.010). To analyze the results obtained, the graphic method was used by drawing contour lines of the values of interest. The region of operation is limited to the level curve where H2/O=2, it will be called: restricted region of operation. The level curve corresponding to the minimum ER=0 outside was also drawn. On the restricted operation region, the extreme points and an intermediate point were studied, for each one, the performance indicators of gas quality and energy issues were calculated.

For the sensitivity study, the graphic method of tornado diagrams obtained for each of the model inputs was used, considering, for each input, a variation of ± 10% of its nominal value. Values higher than nominal were not taken into account for the carbon conversion and for the torch efficiency because they were considered maximums, and the thermal losses in the gasifier were considered non-negative.

RESULTS AND DISCUSSION

Figure 1 shows the level curves of the H2/CO ratio, the LHV of the syngas and the production of syngas per kilogram of biomass gasified. The restricted operation region, where the extreme points and an intermediate one were marked, is highlighted.

Following the H2 /CO=2 curve in the direction of the increase in SBR, it happens that the ER must increase to decrease the positive effect of SBR on H2/CO, but this causes an increase in temperature and to counteract it, PER must decrease. But PER also affects the composition of gases, an operating point must be achieved such that the effects of the decrease in PER and the increase in ER guarantee that the restrictions are met. Consequently, the LHV of the syngas decreases, the specific production increases and the amount of hydrogen produced decreases. The latter is mainly due to the greater presence of oxygen that favors obtaining water in the products. As it can be seen, there is a relationship among the three operational parameters in the restricted operation region, so it is not trivial to determine the joint effect of their variations.

 
Note: the blue line limits the region where ER> 0
Figure 1.  Process performance in the operation area.
 

Points A for bagasse and sawdust are close to plasma gasification with steam in the absence of air (ER = 0). For rice husk, an expansion of the area of operation in the direction of the decrease in SBR is still possible (See Figure 1).

The restricted operating region of bagasse is displaced towards lower SBR values compared to that of the other biomasses. The reason for this is that the hydrogen content in this wet biomass is higher than in the others, so the process requires less hydrogen from the steam. The operating points A of rice husk and sawdust are close. However, point B of sawdust is at a higher value of PER, since the latter biomass requires more external heat.

Table 2 summarizes the performance indicators related to the hydrogen production potential for the three biomasses at three points in the restricted operation region. Where it can be observed that the maximum hydrogen production per kg of biomass was obtained for the wood sawdust at point A, where ER is closest to zero; while the minimum was for rice husk at point B. In this indicator, wood sawdust outperforms bagasse and rice husk. This is explained by the composition of rice husk, which has the lowest percentage of carbon and hydrogen, in addition to the highest percentage of ash of the three biomasses.

The highest production of syngas was obtained at points B of bagasse and sawdust (see Table 2). For bagasse and rice husk there are operating points in which the gas PCI is less than 4 MJ / Nm3, which limits its application for energy purposes. The syngas with the highest hydrogen composition were obtained at points A of bagasse and sawdust and the lowest at point B of rice husk.

 
TABLE 2.  Performance indicators of syngas production
Cane Bagasse Rice husk Wood sawdust
Pt. APt. IPt. BPt. APt. IPt. BPt. APt. IPt. B
SBR1.071.391.701.451.752.01.451.632.0
PER0.450.270.100.440.280.150.440.340.24
ER0.050.340.610.200.450.700.050.220.40
mH2 /mbiom (g/kg)835834543720978061
Prod. (Nm3/kg)1.792.312.801.682.022.372.092.452.81
LHVg (MJ/Nm3)9.014.832.356.143.501.638.946.244.26
H%5228.1013.7635.8420.559.6451.9436.6025.11
 

Table 3 summarizes the performance indicators related to energy efficiency for the three biomasses at three points in the restricted operation region. The highest cold gas efficiency was obtained for bagasse at point A, and the lowest for rice husk at point B. For rice husk, the CGE was less than 50% in the three points, so it would be necessary to extend the region of operation in the sense of decreasing SBR to operate the process with a higher CGE value.

Interestingly, at points A, the CGE is higher, with those having the highest PER values in the three biomasses. The explanation for this fact is that, at points A, the ER is minimal and the amount of nitrogen in the syngas is notably less. Furthermore, at these points, the amount of H2 and CO are greater, so the calorific value of syngas is several times higher. At points B, the CGE is diminished because the high ER values favor the water vapor content more than the H2 content in the syngas. The highest electricity consumption of plasma per kg of biomass corresponds to sawdust at point A and the lowest to point B of bagasse. In the three points the sawdust required a higher electrical consumption per kg of biomass.

The electric consumption per kg of H2 was higher in rice husk in the three points, while in the lowest of all, it was point B of bagasse. This is an information that can be used in dimensioning plasma torches. In general, at all points, the electrical consumption per kg of H2 was lower than the average electrical consumption in the hydrolysis process (55 kWh/kg of H2). This demonstrates how advantageous it could be to produce hydrogen by biomass gasification compared to removing it from water by hydrolysis.

 
TABLE 3.  Performance indicators of the energy efficiency of the process
Cane bagasseRice huskWood sawdust
Pt. APt. IPt. BPt. APt. IPt. BPt. APt. IPt. B
CGE654931493620635443
Electric cons. (kWh/kg of bio.)1.951.170.431.480.990.492.231.721.21
Electric cons. (kWh/kg of prod. H 2 )24.4020.1812.5927.5326.5224.1723.0021.5019.7
 

In this study, the possibility of taking advantage of the sensible heat of the syngas to produce part of the steam added to the process was not considered; but it is something that must be taken into account in subsequent investigations. Figure 2 shows how superior the sensible heat of the syngas is compared to the latent and sensible heat of the steam involved in the process. The idea of recovering this heat has been raised by some authors Hrabovsky et al. (2017)HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5 and in ZHU (2015)ZHU, Q. High temperature syngas coolers. United Kingdom: 2015., that this can increase efficiency by up to 5 percentage points.

 
Figure 2.  Sensitive heat of syngas and steam at intermediate points when gasifying 1 kg of biomass.
 

The sensitivity analysis was performed at the points previously defined as "I" with similar results for the three biomasses. Figure 3 shows the local sensitivity analysis for the point I of bagasse, in addition to PER, ER and SBR. Other variables were incorporated into the study such as biomass humidity, steam temperature, unconverted carbon, thermal losses in the gasifier and torch efficiency.

Figure 3 shows that the LHV of the syngas is strongly affected by the ER and it does it in the opposite way, that is, a greater ER implies a lesser LHV and vice versa. Furthermore, this indicator is significantly affected by the non-conversion of carbon, since it causes less presence of carbon monoxide and methane in the syngas.

The H2/CO ratio is strongly influenced by SBR directly, while ER and PER do it inversely and to a lesser extent. On this indicator the effect of steam temperature is inverse, but with small relevance, while energy losses have a direct influence. The biomass moisture favors this indicator too.

For CGE the determining factor is the non-conversion of carbon, since the more unconverted carbon, the lower the efficiency and, in the same sense, the ER and PER influence and the effect of ER is greater than that of PER. Torch efficiency has a direct effect on EGF.

 
Figure 3.  Local sensitivity analysis for point I. Sugarcane bagasse.
 

Syngas production mainly depends on carbon conversion and to a lesser extent on biomass moisture and ER. The other factors do not affect it appreciably.

CONCLUSIONS

The method of exploring the regions of operation made possible to study the interactions between the operational parameters with the performance criteria of plasma gasification. In the restricted operation region for the three biomasses, the points where SBR is minimum (ER is minimum and PER maximum) the gas has higher quality, using hydrogen production as a criterion, and the efficiency of cold gas is higher. However, at these points, the electrical consumption of the plasma is higher.

Of the three biomasses studied, wood sawdust is the most convenient for the process of obtaining syngas rich in hydrogen, since it is possible to produce more hydrogen (97 g / kg of biomass). But, it is also where greater electrical consumption of plasma torches is necessary (2.23 kWh/kg of biomass). In this sense, rice husk presents the worst results with a maximum specific hydrogen production of 54 g/kg of biomass with 27.5 kWh/kg of the produced hydrogen.

As a final conclusion, this study verified that plasma gasification with mixtures of air and steam as a gasifying agent can be used for the production of a gas rich in hydrogen, with specific productions in the ranges 1.79-2.80, 1.68-2.37 and 2.09- 2.81 NM3/kg from sugarcane bagasse, rice husk and wood sawdust, respectively, and this with a lower electricity consumption per kilogram of hydrogen than that of water hydrolysis.

Although plasma gasification technology applied to agro-industrial waste is not sufficiently mature globally, it must be seen as a possible path for the production of second-generation biofuels.

 
 
 
ACKNOWLEDGMENT

The authors thank the Cuban energy transformation Integration of renewable intermittent sources in the power system (IRIS) project and the VLIR-IUC-UO Program, for their help to finance this research.

 

REFERENCES
DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049
FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109
HLINA, M.; HRABOVSKY, M.; KAVKA, T.;KONRAD, M.: "Production of high quality syngas from argon/water plasma gasification of biomass and waste", Waste Manag, 34(1):63-66, 2014, DOI:10.1016/j.wasman.2013.09.018
HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5
IM-ORB, K.; SIMASATITKUL, L.;ARPORNWICHANOP, A.: "Analysis of synthesis gas production with a flexible H 2 /CO ratio from rice straw gasification", Fuel, 164361-373, 2016, DOI:10.1016/j.fuel.2015.10.018
ISMAIL, T. M.; MONTEIRO, E.; RAMOS, A.; EL-SALAM, M. A.;ROUBOA, A.: "An Eulerian model for forest residues gasification in a plasma gasifier", Energy, 1821069-1083, 2019, DOI:10.1016/j.energy.2019.06.070
LI, J.; LIU, K.; YAN, S.; LI, Y.;HAN, D.: "Application of thermal plasma technology for the treatment of solid wastes in China: An overview", Waste Manag , 58260-269, 2016, DOI:10.1016/j.wasman.2016.06.011
LOHA, C.; CHATTOPADHYAY, H.;CHATTERJEE, P. K.: "Thermodynamic analysis of hydrogen rich synthetic gas generation from fluidized bed gasification of rice husk", Energy , 36(7):4063-4071, 2011, DOI:10.1016/j.energy.2011.04.042
MAVUKWANA, A.; JALAMA, K.; NTULI, F.;HARDING, K. Simulation of sugarcane bagasse gasification using aspen plus. In International Conference on Chemical and Environmental Engineering (ICCEE), Johannesburg, South Africa. 2013, vol. 1516, p. 70-74.
MELGAR, A.; PÉREZ, J. F.; LAGET, H.;HORILLO, A.: "Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying process", EnergyConversion and Management, 48(1):59-67, 2007, DOI:10.1016/j.enconman.2006.05.004
MOUNTOURIS, A.; VOUTSAS, E.;TASSIOS, D.: "Solid waste plasma gasification: Equilibrium model development and exergy analysis", EnergyConversion and Management, 471723-1737, 2006, DOI:10.1016/j.enconman.2005.10.015
PARTHASARATHY, P.;NARAYANAN, K. S.: "Hydrogen production from steam gasification of biomass: Influence of process parameters on hydrogen yield - A review", RenewableEnergy , 66 570-579, 2014, DOI:10.1016/j.renene.2013.12.025
RUTBERG, P. G.; BRATSEV, A. N.; KUZNETSOV, V. A.; POPOV, V. E.; UFIMTSEV, A. A.;SHTENGEL’, S. V.: "On efficiency of plasma gasification of wood residues", Biomass and bioenergy, 35(1):495-504, 2011, DOI:10.1016/j.biombioe.2010.09.010
SHIE, J.-L.; CHEN, L.-X.; LIN, K.-L.;CHANG, C.-Y.: "Plasmatron gasification of biomass lignocellulosic waste materials derived from municipal solid waste", Energy , 6682-89, 2014, DOI:10.1016/j.energy.2013.12.042
SIKARWAR, V. S.; ZHAO, M.; FENNELL, P. S.; SHAH, N.;ANTHONY, E. J.: "Progress in biofuel production from gasification", Progress in Energy and Combustion Science, 61189-248, 2017, DOI:10.1016/j.pecs.2017.04.001
SMITH, J. M. Introduction to chemical engineering thermodynamics. In.: ACS Publications, 1950.
TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002
TAVARES, R.; RAMOS, A.;ROUBOA, A.: "A theoretical study on municipal solid waste plasma gasification", Waste Manag , 9037-45, 2019, DOI:10.1016/j.wasman.2019.03.051
YOON, S. J.;LEE, J.-G.: "Hydrogen-rich syngas production through coal and charcoal gasification using microwave steam and air plasma torch", international journal of hydrogen energy , 37(22):17093-17100, 2012, DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.08.054
ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9
ZHU, Q. High temperature syngas coolers. United Kingdom: 2015.

 

NOTES

The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the authors nor by the publisher.

 
 

Received: 12/12/2019

Accepted: 25/09/2020

 
 

Jorge Jadid Tamayo Pacheco, Profesor, Universidad de Oriente, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Santiago de Cuba, Cuba, e-mail: Jadid@uo.edu.cu

Leonardo Peña Pupo, Inv., Empresa de Hidroenergía UEB Santiago de Cuba, Cuba, e-mail: Jadid@uo.edu.cu

Arelys Vázquez Peña, Arelys Vázquez-Peña, Investigadora, Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: avazpe2015@gmail.com

Ángel Luis Brito Sauvanell, Profesor, Universidad de Oriente, Centro de Estudios de Energía y Refrigeración Facultad de ingeniería Mecánica, Santiago de Cuba, Cuba, e-mail: Jadid@uo.edu.cu

The authors of this work declare no conflict of interests.

 

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License


 
 
ARTÍCULO ORIGINAL
 
Producción de syngas rico en hidrógeno mediante gasificación por plasma de biomasas existentes en Cuba
 

MSc. Jorge Jadid Tamayo-PachecoIUniversidad de Oriente, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Santiago de Cuba, Cuba. *✉:jadid@uo.edu.cu

MSc. Leonardo Peña-PupoIIEmpresa de Hidroenergía UEB Santiago de Cuba, Cuba.

Dr.C. Arelys Vázquez-PeñaIIIInstituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

Dr.C. Ángel Luis Brito-SauvanellIVUniversidad de Oriente, Centro de Estudios de Energía y Refrigeración Facultad de ingeniería Mecánica, Santiago de Cuba, Cuba.

 

IUniversidad de Oriente, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Santiago de Cuba, Cuba.

IIEmpresa de Hidroenergía UEB Santiago de Cuba, Cuba.

IIIInstituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

IVUniversidad de Oriente, Centro de Estudios de Energía y Refrigeración Facultad de ingeniería Mecánica, Santiago de Cuba, Cuba.

 

*Author for correspondence: Jorge Jadid Tamayo-Pacheco, e-mail: jadid@uo.edu.cu

 

RESUMEN

La producción de biocombustibles de 2da generación es una cuestión transcendental para la sostenibilidad debido a su contribución a la reducción del consumo de combustibles fósiles. Una de las técnicas más reconocidas para la producción de los biocombustibles comienza a partir de un syngas con una relación molar H2/CO=2. Dicho gas puede ser obtenido mediante el proceso de gasificación de biomasa, un proceso complejo en el que se interrelacionan varios parámetros operacionales. El propósito de este estudio consistió en realizar la simulación del proceso de gasificación por plasma de tres biomasas que constituyen residuos agroindustriales o forestales abundantes en Cuba. Para ello se empleó el método gráfico y la exploración de las regiones de operación utilizando un modelo con enfoque de equilibrio termoquímico. Como resultado se obtuvo que es posible obtener una producción de syngas con valores entre 1,79-2,80, 1,68-2,37 y 2,09-2,81 NM3/kg a partir de bagazo de caña, cascarilla de arroz y aserrín de madera respectivamente, siendo las eficiencias del gas frio, en ese mismo orden, de 31-65%, 20-49%, y 43-53%. Además, el análisis de sensibilidad permitió establecer los parámetros más influyentes sobre los indicadores de desempeño.

Palabras clave: 
análisis de sensibilidad; biocombustible; equilibrio termoquímico; residuos agroindustriales y forestales.
 
 
 
INTRODUCCIÓN

Los biocombustibles de segunda generación son aquellos obtenidos a partir de residuos lignocelulosos agrícolas, forestales industriales o municipales, así como de cultivos energéticos no alimentarios. Estos biocombustibles no compiten con la producción de alimentos y son considerados una opción sostenible y ambientalmente amigable para la sustitución de combustibles fósiles. La producción de energía a partir de la biomasa a nivel local o nacional contribuye a la soberanía y seguridad energéticas al mismo tiempo que influye positivamente en el desarrollo de las zonas rurales (Sikarwar et al., 2017SIKARWAR, V. S.; ZHAO, M.; FENNELL, P. S.; SHAH, N.;ANTHONY, E. J.: "Progress in biofuel production from gasification", Progress in Energy and Combustion Science, 61189-248, 2017, DOI:10.1016/j.pecs.2017.04.001).

Para la síntesis de biocombustibles líquidos de segunda generación uno de los métodos desarrollados es el termoquímico. Mediante este método la biomasa es convertida en un gas rico en hidrógeno que posteriormente es utilizado como materia prima para la síntesis de combustibles líquidos (Sikarwar et al., 2017SIKARWAR, V. S.; ZHAO, M.; FENNELL, P. S.; SHAH, N.;ANTHONY, E. J.: "Progress in biofuel production from gasification", Progress in Energy and Combustion Science, 61189-248, 2017, DOI:10.1016/j.pecs.2017.04.001).

La adecuada relación molar H2/CO es un requisito exigido según el posterior uso que se le va a dar al syngas por ejemplo, se requiere una relación molar H2/CO de aproximadamente 1.0 para la producción de aldehído y alcohol, mientras que se requiere una relación H2/CO cercana a 2,0 para la síntesis de biocombustibles y metanol según el método Fischer-Tropsch (Im-orb et al., 2016IM-ORB, K.; SIMASATITKUL, L.;ARPORNWICHANOP, A.: "Analysis of synthesis gas production with a flexible H 2 /CO ratio from rice straw gasification", Fuel, 164361-373, 2016, DOI:10.1016/j.fuel.2015.10.018).

El presente estudio está enfocado a evaluar uno de los métodos termoquímicos con posibilidades de producir un gas rico en hidrógeno: la gasificación de biomasa utilizando plasma térmico con mezcla de aire y vapor como agentes gasificantes. Este método es considerado por algunos autores como una opción atractiva y ecológica para el tratamiento de residuos (Favas et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109).

En la gasificación por plasma, con las altas temperaturas que se alcanzan, se descompone la porción orgánica de la biomasa en sus elementos constituyentes quedando además una escoria vitrificada parcialmente inorgánica (Favas, et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109). Como ventajas se citan la controlabilidad de la temperatura del proceso, mayor velocidades de proceso, menor volumen de los reactores y especialmente una composición óptima del gas producido donde la cantidad de alquitranes es insignificante, también los materiales inorgánicos se recuperan para aplicarlos en la construcción (Hrabovsky et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5). Sin embargo, presenta algunos inconvenientes notables, como el elevado consumo de electricidad, la necesidad de materiales resistentes dada la alta temperatura de funcionamiento y los altos costos de inversión (Favas, et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109; Sikarwar, et al., 2017SIKARWAR, V. S.; ZHAO, M.; FENNELL, P. S.; SHAH, N.;ANTHONY, E. J.: "Progress in biofuel production from gasification", Progress in Energy and Combustion Science, 61189-248, 2017, DOI:10.1016/j.pecs.2017.04.001). Por otro lado, este proceso puede ser entendido como un almacenador de energía eléctrica ya que esta es, de cierta forma, almacenada en el gas producido (Hrabovsky, et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5).

Aunque actualmente existen plantas de tratamiento de residuos, fundamentalmente residuos sólidos urbanos, que operan con el método de gasificación por plasma es una tecnología cuya madurez es discutible (Li et al., 2016LI, J.; LIU, K.; YAN, S.; LI, Y.;HAN, D.: "Application of thermal plasma technology for the treatment of solid wastes in China: An overview", Waste Manag , 58260-269, 2016, DOI:10.1016/j.wasman.2016.06.011). La introducción de esta tecnología implica desafíos que comienzan con el conocimiento de la misma mediante estudios y evaluaciones técnicas- económicas, para lo cual es necesario el uso de simulaciones.

Numerosos estudios han abordado la temática de la producción de gas rico en hidrógeno a partir de la gasificación de biomasa tanto desde el punto de vista teórico como experimental (Parthasarathy and Narayanan, 2014PARTHASARATHY, P.;NARAYANAN, K. S.: "Hydrogen production from steam gasification of biomass: Influence of process parameters on hydrogen yield - A review", RenewableEnergy , 66 570-579, 2014, DOI:10.1016/j.renene.2013.12.025). Pero la mayor parte de estos estudios están orientados a la termoconversión mediante otros métodos como son la pirolisis rápida seguida de reformado con vapor del carbón, la gasificación en agua supercrítica y la gasificación con vapor y no incluye la gasificación por plasma (Parthasarathy and Narayanan, 2014PARTHASARATHY, P.;NARAYANAN, K. S.: "Hydrogen production from steam gasification of biomass: Influence of process parameters on hydrogen yield - A review", RenewableEnergy , 66 570-579, 2014, DOI:10.1016/j.renene.2013.12.025).

Algunos de los trabajos más recientes sobre gasificación por plasma para obtención de hidrógeno describen resultados experimentales a escala de laboratorio o plantas pilotos (Diaz et al., 2015DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049; Hlina et al., 2014HLINA, M.; HRABOVSKY, M.; KAVKA, T.;KONRAD, M.: "Production of high quality syngas from argon/water plasma gasification of biomass and waste", Waste Manag, 34(1):63-66, 2014, DOI:10.1016/j.wasman.2013.09.018; Hrabovsky, et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5; Shie et al., 2014SHIE, J.-L.; CHEN, L.-X.; LIN, K.-L.;CHANG, C.-Y.: "Plasmatron gasification of biomass lignocellulosic waste materials derived from municipal solid waste", Energy , 6682-89, 2014, DOI:10.1016/j.energy.2013.12.042; Tamošiūnas et al., 2016TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002; Yoon and Lee, 2012YOON, S. J.;LEE, J.-G.: "Hydrogen-rich syngas production through coal and charcoal gasification using microwave steam and air plasma torch", international journal of hydrogen energy , 37(22):17093-17100, 2012, DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.08.054); otros incluyen la simulación a partir de modelos (Diaz, et al., 2015DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049; Favas, et al., 2017FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109; Hrabovsky, et al., 2017HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5; Ismail et al., 2019ISMAIL, T. M.; MONTEIRO, E.; RAMOS, A.; EL-SALAM, M. A.;ROUBOA, A.: "An Eulerian model for forest residues gasification in a plasma gasifier", Energy, 1821069-1083, 2019, DOI:10.1016/j.energy.2019.06.070; Tamošiūnas, et al., 2016TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002; Tavares et al., 2019TAVARES, R.; RAMOS, A.;ROUBOA, A.: "A theoretical study on municipal solid waste plasma gasification", Waste Manag , 9037-45, 2019, DOI:10.1016/j.wasman.2019.03.051). Algunos toman como criterio de desempeño solamente la composición del syngas y no abordan cuestiones de eficiencia energética como Favas, et al. (2017)FAVAS, J.; MONTEIRO, E.;ROUBOA, A.: "Hydrogen production using plasma gasification with steam injection", international journal of hydrogen energy , 42(16):10997-11005, 2017, DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.03.109; Tavares et al. (2019)TAVARES, R.; RAMOS, A.;ROUBOA, A.: "A theoretical study on municipal solid waste plasma gasification", Waste Manag , 9037-45, 2019, DOI:10.1016/j.wasman.2019.03.051 o como en Shie, et al. (2014)SHIE, J.-L.; CHEN, L.-X.; LIN, K.-L.;CHANG, C.-Y.: "Plasmatron gasification of biomass lignocellulosic waste materials derived from municipal solid waste", Energy , 6682-89, 2014, DOI:10.1016/j.energy.2013.12.042 que en cuanto a la eficiencia se limita a describir resultados de otros autores donde se confirma la factibilidad de dicha tecnología. Otros que si incluyen la eficiencia energética como indicador de desempeño son Hrabovsky et al. (2017)HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5; Ismail et al. (2019)ISMAIL, T. M.; MONTEIRO, E.; RAMOS, A.; EL-SALAM, M. A.;ROUBOA, A.: "An Eulerian model for forest residues gasification in a plasma gasifier", Energy, 1821069-1083, 2019, DOI:10.1016/j.energy.2019.06.070; Yoon and Lee (2012)YOON, S. J.;LEE, J.-G.: "Hydrogen-rich syngas production through coal and charcoal gasification using microwave steam and air plasma torch", international journal of hydrogen energy , 37(22):17093-17100, 2012, DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.08.054. En Tamošiūnas et al. (2016)TAMOŠIŪNAS, A.; VALATKEVIČIUS, P.; VALINČIUS, V.;LEVINSKAS, R.: "Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma", Comptes Rendus Chimie, 19(4):433-440, 2016, DOI:10.1016/j.crci.2015.12.002 se consideró la conversión del carbono, la energía específica requerida por cantidad de syngas producido, y la eficiencia energética del proceso en la que no se incluyó la energía consumida para generar el vapor de agua adicionado.

EL objetivo de este trabajo es evaluar los resultados de la gasificación por plasma de tres biomasas presentes en Cuba, teniendo como parámetros operacionales la relación vapor-biomasa (SBR), la relación de equivalencia (ER) y la relación energética entre la entalpía del plasma y el poder calorífico de la biomasa (PER) asumiendo como indicadores de desempeño cuestiones relativas a la composición del syngas y cuestiones energéticas como son la eficiencia del gas frio (EGF) y la energía específica consumida por kg de hidrógeno producido, entre otras. Esto le da un carácter más integral con respecto a los trabajos anteriormente citados. El enfoque utilizado es novedoso en tanto que se analiza el efecto conjunto de los parámetros en las regiones de operación seleccionadas las cuales constituyen restricciones del proceso. En el estudio se emplea el método gráfico y la exploración de las regiones de operación utilizando un modelo del proceso con enfoque de equilibrio termoquímico Por último un análisis de sensibilidad del modelo permite establecer los parámetros más influyentes sobre la relación H2/CO, el poder calorífico del syngas, la eficiencia y la producción específica del syngas.

MÉTODOS

Para realizar los cálculos se utilizó un modelo de equilibrio termoquímico. Este tipo de modelo tiene gran popularidad porque es relativamente simple y permite obtener resultados cercanos a la realidad, fundamentalmente en los gasificadores que operan a altas temperaturas y con tiempos de residencia del gas en los que se alcanzan estados cercanos al equilibrio teórico. Este tipo de modelo ha sido utilizado anteriormente para describir el proceso de gasificación por plasma (Diaz et al., 2015DIAZ, G.; SHARMA, N.; LEAL-QUIROS, E.;MUNOZ-HERNANDEZ, A.: "Enhanced hydrogen production using steam plasma processing of biomass: Experimental apparatus and procedure", international journal of hydrogen energy, 40(5):2091-2098, 2015, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.12.049; Mountouris et al., 2006MOUNTOURIS, A.; VOUTSAS, E.;TASSIOS, D.: "Solid waste plasma gasification: Equilibrium model development and exergy analysis", EnergyConversion and Management, 471723-1737, 2006, DOI:10.1016/j.enconman.2005.10.015).

Como entradas del modelo se incluyen: la composición elemental de la biomasa, su humedad y cantidad de cenizas, la cantidad de aire que reacciona, la cantidad de vapor adicionada, la entalpía aportada a la reacción por el plasma térmico, y la relación del carbón no convertido. La composición final del syngas es la principal salida del modelo y constituye un elemento básico para luego calcular los criterios de desempeño energéticos.

La energía del plasma térmico se tuvo en cuenta en el balance de energía como en (Mountouris et al., 2006MOUNTOURIS, A.; VOUTSAS, E.;TASSIOS, D.: "Solid waste plasma gasification: Equilibrium model development and exergy analysis", EnergyConversion and Management, 471723-1737, 2006, DOI:10.1016/j.enconman.2005.10.015) y se muestra en la ecuación 1Hfbiomasa°+wHfH2O°+Hvap+mTairCpmO2+3.76CpmN2+sHfH2Ovap°+TsteamCpmH2O+QPlasma(100-Losses)/100=xCOHfCO°+xCO2HfCO2°+xH2OHfH2O°+xCH4HfCH4°+TxH2CpmH2+xCOCpmCO+xCO2CpmCO2+xH2OCpmH2O+xCH4CpmCH4+(3.76m+bN)CpN2+ncCCpmC.  

 
Hfbiomasa°+wHfH2O°+Hvap+mTairCpmO2+3.76CpmN2+sHfH2Ovap°+TsteamCpmH2O+QPlasma(100-Losses)/100=xCOHfCO°+xCO2HfCO2°+xH2OHfH2O°+xCH4HfCH4°+TxH2CpmH2+xCOCpmCO+xCO2CpmCO2+xH2OCpmH2O+xCH4CpmCH4+(3.76m+bN)CpN2+ncCCpmC  (1)
 

Donde:

ΔHfi°

es la entalpía de formación de la sustancia i [kJ/kmol]

w

cantidad de agua contenida en la biomasa [mol]

s

cantidad de vapor de agua adicionado [mol]

m

cantidad de aire involucrada en la reacción [mol]

QPlasma

entalpía aportada por el plásma térmico [kJ]

xi

cantidad de la sustancia i presente en los productos [mol]

Cpmi

calor específico medio de la sustancia i [kJ/(kmol∙K)]

ΔT

diferencia de temperatura entre la temperatura de gasificación y 298 K° [K°]

ncC

fracción de carbón no convertido [mol]

H(vap)

entalpía de vaporización del agua [kJ/kmol]

ΔTaire

Temperatura del aire menos 298 K

ΔTvapor

Temperatura del vapor de agua menos 298 K

ΔT

Temperatura de gasificación menos 298 K

Perd

Pérdidas energéticas en % de QPlasma

Otras ecuaciones en el modelo son el balance de masa de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno como en (Zainal et al., 2001ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9)

 
bC=xCO+xCO2+xCH4 +ncC   (2)
 

 
2w+2s+bH=2xH2+2xH2O+4xCH4  (3)
 

 
w+s+bO+2m=xCO+2xCO2+xH2O   (4)
 

 
bN+3.762m=2xN2  (5)
 

Donde bC, bH, bO y bN son los átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno en la forma simplificada de la molécula de biomasa.

Las constantes de equilibrio de la reacción de formación de metano K1 y la reacción de desplazamiento de gas K2  fueron planteadas en correspondencia con (Zainal, et al., 2001ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9):

 
K1=xCH4 xH2 2   (5)
 

 
K2=xH2 xCO2xCOxH2O  (6)
 

Las relaciones entre los parámetros operacionales y las entradas del modelo son:

 
m=ERat   (7)
 

 
s=SBRMbiomH/18  (8)
 

 
Qplasma=PERLHVbiom  (9)
 

Siendo at  la cantidad de aire teórica para combustión completa de un mol de biomasa, MbiomH la masa molar de la biomasa húmeda y PCIbiom el poder calorífico de la biomasa seca.

El sistema de ecuaciones del modelo se resolvió siguiendo un algoritmo similar al de Melgar et al. (2007)MELGAR, A.; PÉREZ, J. F.; LAGET, H.;HORILLO, A.: "Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying process", EnergyConversion and Management, 48(1):59-67, 2007, DOI:10.1016/j.enconman.2006.05.004, donde iterativamente se va buscando la temperatura de gasificación tal que se resuelve el conjunto de ecuaciones 2bC=xCO+xCO2+xCH4 +ncC a la 6K2=xH2 xCO2xCOxH2O y se cumple con el balance energético de la ecuación 1Hfbiomasa°+wHfH2O°+Hvap+mTairCpmO2+3.76CpmN2+sHfH2Ovap°+TsteamCpmH2O+QPlasma(100-Losses)/100=xCOHfCO°+xCO2HfCO2°+xH2OHfH2O°+xCH4HfCH4°+TxH2CpmH2+xCOCpmCO+xCO2CpmCO2+xH2OCpmH2O+xCH4CpmCH4+(3.76m+bN)CpN2+ncCCpmC.

Para los cálculos del calor específico se utilizaron expresiones empíricas tomadas de Smith (1950)SMITH, J. M. Introduction to chemical engineering thermodynamics. In.: ACS Publications, 1950.; Zainal et al. (2001)ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9

Los indicadores de desempeño se calcularon como sigue:

 
H2/CO=xH2/xCO2   (10)
 

 
CGE=Hgas PCIbiom+Qplasmaηtorch+sHsteam 100  (11)
 

 
PCIg=0.108XH2+0.126XCO+0.358XCH4 [MJ/m3]  (12)
 

 
Electric cons. per kg of biom.= QplasmaηtorchMbiomH3600 kWhkg de biom.  (13)
 

 
Electric cons. per kg of H2 =Qplasmaηtorch2xH23600 [kWhkg de H2]  (14)
 

donde Hgas es la energía del syngas producido al gasificar un mol de biomasa calculada como la cantidad de sustancia por su poder calorífico inferior, Hvapor es la entalpía molar del vapor de agua adicionado en kJ/kmol, Xi denota en porciento la composición del gas i.

Para el estudio fueron seleccionadas tres biomasas presentes en Cuba, el bagazo de caña, la cascarilla de arroz y el aserrín de madera. Las dos primeras son de origen agroindustrial y la segunda de origen leñoso. Sus características se muestran en la Tabla 1. Es de destacar que estas propiedades cambian según la variedad y condiciones climatológicas por lo que para posteriores trabajos se recomienda determinarlas experimentalmente. En el caso del aserrín de madera se asumió una composición generalmente aceptada por otros autores (Zainal, et al., 2001ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9).

 
TABLA 1.  Características de las biomasas estudiadas
Composición Elemental (base seca) Humedad, % Cenizas (base seca) %Referencia
C%H%O%N%
Bagazo de caña 47,55,940,70,29205,6(Mavukwana et al., 2013MAVUKWANA, A.; JALAMA, K.; NTULI, F.;HARDING, K. Simulation of sugarcane bagasse gasification using aspen plus. In International Conference on Chemical and Environmental Engineering (ICCEE), Johannesburg, South Africa. 2013, vol. 1516, p. 70-74.)
Cascarilla de arroz38,42,9736,40,499,9521,7(Loha et al., 2011LOHA, C.; CHATTOPADHYAY, H.;CHATTERJEE, P. K.: "Thermodynamic analysis of hydrogen rich synthetic gas generation from fluidized bed gasification of rice husk", Energy , 36(7):4063-4071, 2011, DOI:10.1016/j.energy.2011.04.042)
Aserrín de madera50644010, 00(Zainal et al., 2001ZAINAL, Z. A.; ALI, R.; LEAN, C. H.;SEETHARAMU, K. N.: "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials", EnergyConversion and Management, 42(12):1499-1515, 2001, DOI:10.1016/s0196-8904(00)00078-9)
 

El estudio realizado consistió en seleccionar una región de operación para dos de los parámetros operacionales (PER y SBR), en dicha región fueron explorados 120 puntos y en cada punto se fue incrementando ER, partiendo desde cero, hasta obtener un valor tal que se cumpla la restricción de que la temperatura de gasificación sea igual a 1200 °C a la cual la formación de alquitranes es despreciable (Rutberg et al., 2011RUTBERG, P. G.; BRATSEV, A. N.; KUZNETSOV, V. A.; POPOV, V. E.; UFIMTSEV, A. A.;SHTENGEL’, S. V.: "On efficiency of plasma gasification of wood residues", Biomass and bioenergy, 35(1):495-504, 2011, DOI:10.1016/j.biombioe.2010.09.010). Para analizar los resultados obtenidos se utilizó el método gráfico mediante el trazado de curvas de nivel de los valores de interés. Quedando limitada la región de operación a la curva de nivel donde H2/CO = 2 que en adelante será llamada: región de operación restringida. También fue trazada la curva de nivel correspondiente al mínimo ER =0 fuera de la cual el modelo no es válido.

Sobre la región de operación restringida fueron estudiados los puntos extremos y uno intermedio, obteniéndose para cada uno indicadores de desempeño de la calidad del gas y de las cuestiones energéticas.

Para el estudio de sensibilidad se utilizó el método gráfico de diagramas de tornados obtenidos para cada una de las entradas del modelo considerando para cada entrada una variación del ±10% de su valor nominal. Ni para la conversión del carbono, ni para la eficiencia de la antorcha fueron considerados valores superiores a los nominales por considerarse estos máximos, así mismo las pérdidas energéticas en el gasificador se consideraron no negativas.

RESULTADOS Y DISCUSION

En la Figura 1 se pueden apreciar las curvas de nivel de la relación H2/CO, el PCI del syngas y la producción de syngas por kilogramo de biomasa gasificada. Se destaca la región de operación restringida donde fueron marcados los puntos extremos y uno intermedio.

Siguiendo la curva de H2/CO=2 en el sentido del aumento de SBR ocurre que ER debe aumentar para disminuir el efecto positivo de SBR sobre H2/CO, pero esto provoca un aumento de la temperatura y para contrarrestarlo PER debe disminuir. Solo que PER también afecta la composición de los gases. Debiéndose lograr un punto de operación tal que los efectos de la disminución de PER y el incremento de ER garanticen se cumplan las restricciones. Tras lo cual el PCI del syngas disminuye, la producción específica aumenta y la cantidad de hidrógeno producido disminuye, esto último debido fundamentalmente a la presencia mayor de oxígeno que favorece cantidad de agua en los productos. Como puede apreciarse, existe una relación entre los tres parámetros operacionales en la región de operación restringida por lo que no resulta trivial determinar el efecto conjunto de las variaciones de los mismos.

 
Nota: la línea azul limita la región donde ER>0.
FIGURA 1.  Desempeño del proceso en el área de operación.
 

Los puntos A para el bagazo y el aserrín se encuentran cercanos a la gasificación por plasma con vapor en ausencia de aire (ER=0). Para la cascara de arroz aún es posible una ampliación del área de operación en el sentido de la disminución del SBR (Figura 1).

La región de operación restringida del bagazo se encuentra desplazada hacia menores valores de SBR comparada con la de las otras biomasas. La causa de esto radica en que el contenido de hidrógeno en esta biomasa húmeda es superior a las otras por lo que el proceso requiere menor cantidad de hidrógeno procedente del vapor. Los puntos de operación A de la cascara de arroz y del aserrín están próximos, sin embargo, el punto B del aserrín está en un valor superior de PER ya que esta última biomasa requiere de mayor calor externo.

La Tabla 2 resume los indicadores de desempeño relativos al potencial de producción de hidrógeno para las tres biomasas en tres puntos de la región de operación restringida donde la máxima producción de hidrógeno por kg de biomasa se obtuvo para el aserrín de madera en el punto A donde ER es más cercano a cero. Mientras que la mínima fue para la cáscara de arroz en el punto B. En este indicador el aserrín de madera aventaja al bagazo y este a la cáscara de arroz. Esto se explica por la composición de la cáscara de arroz que tiene el menor porciento de carbono y de hidrógeno además del mayor porciento de cenizas de las tres biomasas.

El mayor volumen de syngas se produjo en los puntos B del bagazo y del aserrín. En este indicador el aserrín de madera aventaja al bagazo y este a la cáscara de arroz. Para el bagazo y la cascara de arroz existen puntos de operación para los cuales el PCI del gas es menor que 4 MJ/Nm3 lo cual limita su aplicación con fines energéticos. El syngas con mayor composición de hidrógeno se obtuvo en los puntos A del Bagazo y del aserrín y el menor en el punto B de la cascarilla de arroz.

 
TABLA 2.  Indicadores de desempeño de la producción de syngas
Bagazo de Caña Cáscara de arroz Aserrín de madera
Pto APto IPto BPto APto IPto BPto APto IPto B
SBR1,071,391,701,451,752,01,451,632,0
PER0,450,270,100,440,280,150,440,340,24
ER0,050,340,610,200,450,700,050,220,40
mH2 /mbiom (g/kg)835834543720978061
Prod, (Nm3/kg)1,792,312,801,682,022,372,092,452,81
PCIg (MJ/Nm3)9,014,832,356,143,501,638,946,244,26
H%5228,1013,7635,8420,559,6451,9436,6025,11
 

La Tabla 3 resume los indicadores de desempeño relativos a la eficiencia energética para las tres biomasas en tres puntos de la región de operación restringida. La mayor eficiencia del gas frío se obtuvo para el bagazo en el punto A, y la menor para la cáscara de arroz en el punto B. Para la cáscara de arroz la EGF fue inferior al 50% en los tres puntos, por lo que habría que extender la región de operación en el sentido de la disminución de SBR si se quisiese operar el proceso con un mayor valor de EGF.

Resulta interesante el hecho de que en los puntos A, la EGF es mayor siendo esos los de mayores valores de PER en las tres biomasas. La explicación de este hecho radica en que en los puntos A se cumple que ER es mínimo y la cantidad de nitrógeno en el syngas es notablemente menor, además la cantidad de H2 y CO son mayores por lo que el poder calorífico del syngas es varias veces superior. En los puntos B la EGF también se ve disminuida porque los elevados valores de ER favorecen más el contenido de vapor de agua que de H2 en el syngas.

El mayor consumo eléctrico del plasma por kg de biomasa corresponde al aserrín en el punto A y el menor al punto B del bagazo. En los tres puntos el aserrín requirió un mayor consumo eléctrico por kg de biomasa.

El consumo eléctrico por kg de H2 fue superior en la cascara de arroz en los tres puntos mientras que en el menor de todos fue el punto B del bagazo. Este es un dato que puede ser utilizado en el dimensionamiento de las antorchas de plasma. De forma general, en todos los puntos, el consumo eléctrico por kg de H2 fue inferior al consumo eléctrico promedio en el proceso de hidrólisis (55 kWh/kg de H2), esto demuestra lo ventajoso que pudiera ser producir hidrógeno mediante gasificación de biomasa comparado con extraerlo del agua por hidrólisis.

 
TABLA 3.  Indicadores de desempeño de la eficiencia energética del proceso
Bagazo de CañaCáscara de arrozAserrín de madera
Pto APto IPto BPto APto IPto BPto APto IPto B
EGF654931493620635443
Consumo eléctrico. [kWh/kg de bio.]1,951,170,431,480,990,492,231,721,21
Consumo eléctrico kWh/kg de H 2 prod.24,4020,1812,5927,5326,5224,1723,0021,5019,7
 

 
Figure 2.  Sensitive heat of syngas and steam at intermediate points when gasifying 1 kg of biomass.
 

En este estudio no se consideró la posibilidad de aprovechar el calor sensible del syngas para producir parte del vapor adicionado al proceso; pero es algo que debe tenerse en cuenta en posteriores estudios. La Figura 2 muestra cuán superior es el calor sensible del syngas comparado con el calor latente y el sensible del vapor que intervienen en el proceso. La idea de recuperar este calor ha sido planteada en Hrabovsky et al. (2017)HRABOVSKY, M.; HLINA, M.; KOPECKY, V.; MASLANI, A.; ZIVNY, O.; KRENEK, P.; SEROV, A.;HURBA, O.: "Steam Plasma Treatment of Organic Substances for Hydrogen and Syngas Production", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 37(3):739-762, 2017, DOI:10.1007/s11090-016-9783-5 y en ZHU (2015)ZHU, Q. High temperature syngas coolers. United Kingdom: 2015. se asegura que esto puede incrementar la eficiencia hasta en 5 puntos porcentuales.

El análisis de snsibilidad se realizó en los puntos I con resultados similares para las tres biomasas. La Figura 3 muestra el análisis de sensibilidad local para el punto I del bagazo, además de PER, ER y SBR se incorporaron en el estudio otras variables como son: la humedad de la biomasa, la temperatura del vapor, el carbono no convertido, las pérdidas térmicas en el gasificador,y la eficiencia de la antorcha.

Se aprecia que el PCI del syngas es afectado fuertemente por el ER y lo hace en modo inverso,es decir mayor ER implica menor PCI y viceversa. Además, este indicador es afectado fuertemente por la no-conversión del carbono debido a que esta provoca menor presencia de monóxido de carbono y metano en el syngas.

La relación H2/CO es influida fuertemente por el SBR en forma directa mientras que el ER y PER lo hacen en forma inversa y en menor medida. Sobre este indicador el efecto de la temperatura del vapor es inverso, pero de poca relevancia mientras que las pérdidas energéticas influyen de forma directa. La humedad de la biomasa también favorece este indicador.

En la EGF el factor determinante es la no-conversión del carbono pues mientras más carbono no convertido menor es la eficiencia y en igual sentido influyen la ER y PER siendo el efecto de ER superior al de PER. La eficiencia de la antorcha tiene un efecto directo sobre la EGF.

 
FIGURA 3.  Análisis de sensibilidad local para el punto I. Bagazo de caña.
 

La producción de syngas, principalmente es dependiente de la conversión del carbono y en menor medida de la humedad de la biomasa y del ER. Los otros factores no la afectan en forma apreciable.

CONCLUSIONES

El método de exploración de las regiones de operación permitió estudiar las interacciones entre los parámetros operacionales con los criterios de desempeño de la gasificación por plasma. Para las tres biomasas, en la región de operación restringida los puntos donde SBR es mínimo (ER es mínimo y PER máximo) son los puntos donde el gas tiene mayor calidad teniendo como criterio la producción de hidrógeno y también es donde la eficiencia del gas frío es mayor, sin embargo, en estos puntos el consumo eléctrico del plasma es más alto.

De las tres biomasas estudiadas el aserrín de madera es la más conveniente para el proceso pues es posible producir más hidrógeno (97 gr/kg de biomasa), pero también es donde mayor consumo eléctrico de las antorchas de plasma es necesario (2,23 kWh/kg de biomasa). La cáscara de arroz presenta los peores resultados con un máximo de producción específica de hidrógeno de 54 gr/kg de biomasa con 27,5 kWh/kg de hidrógeno producido.

Como conclusión final, este estudio comprobó que la gasificación por plasma con mezclas de aire y vapor como agente gasificante puede ser utilizada para la producción de un gas rico en hidrógeno con producciones específicas en los rangos 1,79-2,80, 1,68-2,37 y 2,09-2,81 NM3/kg a partir de bagazo de caña, cascarilla de arroz y aserrín de madera respectivamente, y esto con un consumo eléctrico por kilogramo de hidrógeno inferior al del hidrólisis del agua.

Aunque la tecnología de gasificación por plasma aplicada a residuos agroindustriales no goza de suficiente madurez a nivel mundial debe ser observada como un posible camino para la producción de biocombustibles de segunda generación.

 
 
 
AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al proyecto Cuban Energy Transformation Integration of Renewable Intermittent Sources in the Power System (IRIS) y al Programa VLIR-IUC-UO, por su ayuda a financiar esta investigación

Refbacks

  • There are currently no refbacks.