Gasificación de polietileno, estado del arte

Iván Chávez, Facultad de Ingeniería, UNAM

Posgrado en Ingeniería

Energía

Contenido• Introducción

• Fundamentos básicos

• Proceso

• Parámetros

• Bolsas de plástico

• Objetivos y justificación

• Estado del arte

• Conclusiones

• Referencias

CALOR MATERIA ORGÁNICA

GAS FLAMABLE

RESIDUOS COMBUSTIBLE

INTRODUCCIÓN

FUNDAMENTOS BÁSICOS

Gas de síntesis

Alquitrán Biocarbón

PROCESO

Materia orgánica

Entrada regulada de

oxígeno

Fuente de calor

Gas de síntesis

Remoción de sólidos

Enfriamiento

Limpieza de gases

Ventilador/Compresor

Mezclador de aire con gas Conversión

de energía

• Mecánica• Eléctrica• Calorífica

PARÁMETROS

•Gas de síntesis

•Agente oxidante

•Fuente de calor

•Presión

•Tipo de cama

•Tipo de flujo

•Definición

•Zonas y temperaturas

𝐶 +1

2𝑂2 = 𝐶𝑂 −111

𝑀𝐽

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐶𝑂 +1

2𝑂2 = 𝐶𝑂2 −283

𝑀𝐽

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐶 + 𝑂2 = 𝐶𝑂2 −394𝑀𝐽

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐶 + 𝐶𝑂2 ↔ 2𝐶𝑂 +172𝑀𝐽

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐶 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐶𝑂 + 𝐻2 +131𝑀𝐽

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐶 + 2𝐻2 ↔ 𝐶𝐻4 −75𝑀𝐽

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐶O+ 𝐻2𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 7 𝑦 11 𝑀𝐽/𝑚3𝑁

Aire, oxígeno, vapor

Fija y FluidaSuperior, inferior y cruzado

Exterior o Interior

Atmosférica o altas presiones

Figura 1. Zonas dentro de un gasificador(Capareda 2013).

Secado

Pirólisis

Gasificación

Combustión

Gas de síntesis

Materia prima

CenizaAgente

oxidante

Temperatura (K)

BOSAS DE PLÁSTICO

•En el 2013 se generaron aproximadamente 43 millones de toneladas de residuos sólidos urbanos (INEGI 2015).

•Del flujo total de residuos del país, el 0.6% corresponde a bolsas de plástico (INE, 2009).

•258,000 toneladas de bolsas de plástico en el 2013.

•717 toneladas por día de bolsas de plástico.

•Tiempo de degradación de hasta 1000 años (Stevens 2002).

•La generación y su baja capacidad de degradación ocasionan una acumulación desequilibrada en el ambiente.

•Las bolsas con oxodegradables necesitan un pre-tratamiento (Chávez 2014).

•Gasificación de plásticos (Llewellyn 2006; Chiemchaisri [et al] 2009)

•Temperatura•Radiación UV

OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN

PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS MEDIANTE LA GASIFICACIÓN DE BOLSAS DE POLIETILENO

General

Evaluar la producción de gas de síntesis a partir de la gasificación continua de bolsas de

polietileno en un equipo de gasificación convencional de biomasa.

Específicos

1. Caracterización de bolsas PE

2. Unidades funcionales

3. Parámetros de operación óptimos

4. Caracterización de productos

5. Módulo de limpieza

6. Evaluación de proceso

Justificación

Existe un desequilibrio entre la generación de residuos de bolsas de plástico y su la asimilación en elambiente por lo que este trabajo propone un método de disposición final que genera un producto convalor energético.

ESTADO DEL ARTE

Resumen de parámetros en revisión bibliográfica Fuente Selección

Proceso Gasificación y pirólisis 1,2,3,4,5,6 Gasificación Cama fija 0.2g-5g/min 1,2,6 Cama fija

Cama fluida 3.5g/min-500g/min 4,5 na Oxidante Aire, vapor y CO2 4,5/2,6/1,6 Aire Material PEAD, fracción plástica

de RSU, mezcla de varios plásticos

1,6/2/4,5 PEAD granular y en forma de bolsas de

plástico Tamaño 1-8mm y películas de

16µm 1,2,3,4,5,6 Variable

Análisis proximal (base seca) de PEAD

Humedad <1% 1 --- Materia volátil >90% 1 ---

Cenizas <3% 1 --- Carbono fijo <1% 1 ---

Análisis último (base seca) de PEAD

C ≈80% 1 --- H ≈10% 1 --- O ≈1% 1 --- N <1% 1 --- S 0 1 --- Cl 0 1 ---

Poder calorífico ≈42MJ/kg 1 ---

[1] Zevenhoven 1997[2] Maoyun 2009[3] Capareda 2010[4] Matellone 2011[5] Min-Hwan 2013[6] Beneroso 2015

ESTADO DEL ARTE

[1] Zevenhoven 1997[2] Maoyun 2009[3] Capareda 2010[4] Matellone 2011[5] Min-Hwan 2013[6] Saad 2014[7] Beneroso 2015

Gas de síntesis en revisión bibliográficaFuente 2 4 5 6 7

Definición de gas de síntesis H2+CO H2+CO+CO2+CH4 na H2+CO H2+CO+CO2

Unidad de medida % mol base seca % vol. % vol. % vol. % vol.

H2 36.98 28.18 27.63 45.89 9.2

CO 27.37 21.07 5.82 0 9.6

CO2 20.78 1.5 1.93 0 11.3

CH4 9.94 2.31 11.1 45.03 20.3

N2 na 46.25 53.4 na na

Otros* 4.93 0.69 0.12 9.08 49.6

Unidad de volumen m3N/kgcomb m3N/kgcomb na na LPTS/gres iduo

Volumen producido 2.04 5.82 na na 0.43

Poder calorífico inferior 11.31 6.85 8.99 na na

Unidad MJ/m3N MJ/m

3N MJ/m3N na na

CONCLUSIONES

• Cantidades pequeñas de polietileno• Procesos continuos sólo con cama fija• No se ha enfocado el proceso a materiales particulares

(bolsas de plástico)• No hay remoción de bióxido de carbono• Poder calorífico del gas de síntesis es menor que el del gas

natural

REFERENCIAS

Beneroso, D., Bermúdez, J.M., Arenillas, A. & Menéndez, J.A. (2014). Comparing the composition of the synthesis-gas

obtained from the pyrolysis of different organic residues for a potential use in the synthesis of bioplastics. Journal of

Analytical and Applied Pyrolysis [en línea], vol. 111 [fecha de consulta: 29 Noviembre 2016]. p. 55-63, [6].

Disponible en: http://www.sciencedirect.com.pbidi.unam.mx:8080/science/journal/01652370/120

ISSN: N 0165-2370.

Capareda, S. C. (2013). Introduction to Biomass Energy Conversions. (Estados Unidos : CRC Press.). 543 p.

ISBN: 978-1-4665-1333-4.

Chávez, J. I. (2014). Degradación de películas de polietileno con aditivo prodegradante en reactores de relleno sanitario.

(Tesis de maestría inédita). Ciudad de México, México : Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Ingeniería.

95 p.

Chiemchaisiri, C., Charnnok, B. & Visvanathan, C. (2009). Recovery of plastic wastes from dumpsite as refuse-derived fuel

and its utilization in small gasification system. Bioresource Technology [en línea], vol. 101 [fecha de consulta: 29 Noviembre

2016]. p. 1522-1527.

Disponible en: http://www.sciencedirect.com.pbidi.unam.mx:8080/science/article/pii/S096085240901133X

Llewellyn, K. Incineration, waste-to-energy and catalytic gasification: The past, present and future of medical waste

management. (Tesis de maestría inédita). Estados Unidos, Nueva York : Columbia University, Department of Earth and

Environmental Engineering, 2006. 53 p.

REFERENCIAS

Maoyun, H., Bo, X., Zhiquan, H., Shiming, L., Xianjung, G. & Siyi, L. (2009). Syngas production from catalytic gasification of

waste polyethylene: Influence of temperature on gas yield and composition. International Journal of Hydrogen Energy [en

línea]. vol. 34, núm. 3 [fecha de consulta: 29 Noviembre 2016]. p. 1342-1348.

Disponible en: http://www.sciencedirect.com.pbidi.unam.mx:8080/science/article/pii/S0360319908016844

Mastellone, M. L. & Arena, U. (2011). Fluidized bed gasification of mixed plastic wastes: A material and a substance flow

analysis. 10th International Conference on Circulating Fluidized Beds and Fluidization Technology [en línea] : CFB-10 [fecha de

consulta: 29 Noviembre 2016]. 9 p.

Disponible en: http://dc.engconfintl.org/cgi/viewcontent.cgi?article=1059&context=cfb10

Min-Hwan, C., Tae-Young, M. & Joo-Sik, K. (2013). Air gasification of mixed plastic wastes using calcined dolomite and

activated carbon in a two-stage gasifier to reduce tar. Energy [en línea], vol. 53 [fecha de consulta: 29 Noviembre 2016]. p.

299-305.

Disponible en: http://www.sciencedirect.com.pbidi.unam.mx:8080/science/article/pii/S0360544213001552

Instituto Nacional de Estadística y Geografía. (2015) Anuario estadístico y geográfico de los Estados Unidos Mexicanos 2015

[en línea]. México. [fecha de consulta: 29 Noviembre 2016]. 921 p.

Disponible en:

http://internet.contenidos.inegi.org.mx/contenidos/productos//prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/nueva_es

truc/aegeum/2015/702825077280.pdf

REFERENCIAS

Instituto Nacional de Ecología. (2009). Estudio comparativo de bolsas de plástico degradables versus convencionales

mediante la herramienta de Análisis de Ciclo de Vida [en línea]. México. [fecha de consulta: 29 Noviembre 2016]. 56 p.

Disponible en: http://www.inecc.gob.mx/descargas/dgcenica/estudio_comp_bolsas.pdf

Saad, J. M., Nahil, M. A. & Williams, P. T. (2015). Influence of process conditions on syngas production from the termal

processing of waste high density polyethylene. Journal of Analytical and Applied Pyrolisis [en línea], vol. 113 [fecha de

consulta: 29 Noviembre 2016]. p. 35-40.

Stevens, E. Green Plastics: An Introduction to the New Science of Biodegradables Plastics. (Estados Unidos : Princeton

University Press, 2002. ). 231 p.

ISBN: 9780691049670

Zevenhoven, R., Karsson, M., Hupa, M. & Frankenhaeuser, M. (2011). Combustion and gasification properties of plastics

particles. Journal of the Air & Waste Management Association [en línea], vol. 47 [fecha de consulta: 29 Noviembre 2016]. p.

861-870.