ARTÍCULO ORIGINAL

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

MSc. Jorge Jadid Tamayo-Pacheco^{I  *} 

MSc. Leonardo Peña-Pupo^II 

Dr.C. Arelys Vázquez-Peña^III 

Dr.C. Ángel Luis Brito-Sauvanell^IV 

^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.

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., 2017}).

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., 2017}).

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., 2016}).

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., 2017}).

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., 2017}). 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., 2017}). 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., 2017}; ^{Sikarwar, et al., 2017}). 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., 2017}).

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., 2016}). 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, 2014}). 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, 2014}).

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., 2015}; ^{Hlina et al., 2014}; ^{Hrabovsky, et al., 2017}; ^{Shie et al., 2014}; ^{Tamošiūnas et al., 2016}; ^{Yoon and Lee, 2012}); otros incluyen la simulación a partir de modelos (^{Diaz, et al., 2015}; ^{Favas, et al., 2017}; ^{Hrabovsky, et al., 2017}; ^{Ismail et al., 2019}; ^{Tamošiūnas, et al., 2016}; ^{Tavares et al., 2019}). Algunos toman como criterio de desempeño solamente la composición del syngas y no abordan cuestiones de eficiencia energética como ^{Favas, et al. (2017)}; ^{Tavares et al. (2019)} o como en ^{Shie, et al. (2014)} 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)}; ^{Ismail et al. (2019)}; ^{Yoon and Lee (2012)}. En ^{Tamošiūnas et al. (2016)} 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., 2015}; ^{Mountouris et al., 2006}).

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., 2006}) y se muestra en la ecuación 1. $$

${∆H}_{fbiomasa}^{°}+w\left({∆H}_{f{H}_{2}O}^{°}+H_{\left(vap\right)}\right)+m∆{\mathrm{T}}_{air}\left({Cp}_{{mO}_2}+3.76{Cp}_{{mN}_2}\right)+s\left({∆H}_{f{H}_{2}O\left(vap\right)}^{°}+∆{\mathrm{T}}_{steam}{Cp}_{{mH}_{2}O}\right)+QPlasma(100-Losses)/100=x_{CO}{∆H}_{fCO}^{°}+x_{{CO}_2}{∆H}_{f{CO}_2}^{°}+x_{H_{2}O}{∆H}_{f{H}_{2}O}^{°}+x_{{CH}_4}{∆H}_{f{CH}_4}^{°}+∆T\left(x_{H_2}{Cp}_{{mH}_2}+x_{CO}{Cp}_{mCO}+x_{{CO}_2}{Cp}_{{mCO}_2}+x_{H_{2}O}{Cp}_{{mH}_{2}O}+x_{{CH}_4}{Cp}_{{mCH}_4}+(3.76m+bN){Cp}_{N_2}\right)+{ncC\bullet Cp}_{mC}$ (1)

Donde:

$\Delta H_{fi}^{°}$	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]
$x_i$	cantidad de la sustancia i presente en los productos [mol]
$C{p}_{mi}$	calor específico medio de la sustancia i [kJ/(kmol∙K)]
$\Delta T$	diferencia de temperatura entre la temperatura de gasificación y 298 K° [K°]
$ncC$	fracción de carbón no convertido [mol]
$H_{\left(vap\right)}$	entalpía de vaporización del agua [kJ/kmol]
$\Delta {\text{T}}_{aire}$	Temperatura del aire menos 298 K
$\Delta {\text{T}}_{vapor}$	Temperatura del vapor de agua menos 298 K
$\Delta T$	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., 2001})

$bC=x_{CO}+x_{{CO}_2}+x_{{CH}_4}+ncC$ (2)

$2w+2s+bH=2x_{H_2}+2x_{H_{2}O}+4x_{{CH}_4}$ (3)

$w+s+bO+2m=x_{CO}+2x_{{CO}_2}+x_{H_{2}O}$ (4)

$bN+3.76\bullet 2m=2x_{N_2}$ (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 $K_1$ y la reacción de desplazamiento de gas $K_2$ fueron planteadas en correspondencia con (^{Zainal, et al., 2001}):

$K_1=\frac{x_{{CH}_4}}{{x_{H_2}}^2}$ (5)

$K_2=\frac{x_{H_2}\bullet x_{{CO}_2}}{x_{CO}{\bullet x}_{H_{2}O}}$ (6)

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

$m=ER\bullet a_t$ (7)

$s=SBR\bullet M_{biomH}/18$ (8)

$Qplasma=PER\bullet {LHV}_{biom}$ (9)

Siendo $a_t$ la cantidad de aire teórica para combustión completa de un mol de biomasa, $M_{biomH}$ la masa molar de la biomasa húmeda y $PC{I}_{biom}$ 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)}, donde iterativamente se va buscando la temperatura de gasificación tal que se resuelve el conjunto de ecuaciones 2 a la 6 y se cumple con el balance energético de la ecuación 1.

Para los cálculos del calor específico se utilizaron expresiones empíricas tomadas de ^{Smith (1950)}; ^{Zainal et al. (2001)}

Los indicadores de desempeño se calcularon como sigue:

$H2/CO=x_{H_2}/x_{{CO}_2}$ (10)

$CGE=\frac{H_{gas}}{{PCI}_{biom}+\frac{Q_{plasma}}{{\eta }_{torch}}+s\bullet H_{steam}}\bullet 100$ (11)

${PCI}_g=0.108\bullet X_{H_2}+0.126\bullet X_{CO}+0.358\bullet X_{{CH}_4}[MJ/m^3]$ (12)

$Electriccons.perkgofbiom.=\frac{Q_{plasma}}{{\eta }_{torch}{\bullet M}_{biomH}\bullet 3600}\left[\frac{\mathrm{k}\mathrm{W}\mathrm{h}}{\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{}\mathrm{b}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{m}.}\right]$ (13)

$Electriccons.perkgof{\mathrm{H}}_2=\frac{Q_{plasma}}{{\eta }_{torch}\bullet 2{\bullet x}_{H_2}\bullet 3600}\left[\frac{\mathrm{k}\mathrm{W}\mathrm{h}}{\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{}{\mathrm{H}}_2}\right]$ (14)

donde $H_{gas}$ es la energía del syngas producido al gasificar un mol de biomasa calculada como la cantidad de sustancia por su poder calorífico inferior, $H_{vapor}$ 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., 2001}).

TABLA 1 Características de las biomasas estudiadas 

	Composición Elemental (base seca)				Humedad, %	Cenizas (base seca) %	Referencia
	C%	H%	O%	N%
Bagazo de caña	47,5	5,9	40,7	0,29	20	5,6	(Mavukwana et al., 2013)
Cascarilla de arroz	38,4	2,97	36,4	0,49	9,95	21,7	(Loha et al., 2011)
Aserrín de madera	50	6	44	0	10, 0	0	(Zainal et al., 2001)

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., 2011}). 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.

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 A	Pto I	Pto B	Pto A	Pto I	Pto B	Pto A	Pto I	Pto B
SBR	1,07	1,39	1,70	1,45	1,75	2,0	1,45	1,63	2,0
PER	0,45	0,27	0,10	0,44	0,28	0,15	0,44	0,34	0,24
ER	0,05	0,34	0,61	0,20	0,45	0,70	0,05	0,22	0,40
mH2 /mbiom (g/kg)	83	58	34	54	37	20	97	80	61
Prod, (Nm^3/kg)	1,79	2,31	2,80	1,68	2,02	2,37	2,09	2,45	2,81
PCIg (MJ/Nm^3)	9,01	4,83	2,35	6,14	3,50	1,63	8,94	6,24	4,26
H%	52	28,10	13,76	35,84	20,55	9,64	51,94	36,60	25,11

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 Caña			Cáscara de arroz			Aserrín de madera
	Pto A	Pto I	Pto B	Pto A	Pto I	Pto B	Pto A	Pto I	Pto B
EGF	65	49	31	49	36	20	63	54	43
Consumo eléctrico. [kWh/kg de bio.]	1,95	1,17	0,43	1,48	0,99	0,49	2,23	1,72	1,21
Consumo eléctrico kWh/kg de H 2 prod.	24,40	20,18	12,59	27,53	26,52	24,17	23,00	21,50	19,7

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)} y en ^{ZHU (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

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Recibido: 12 de Diciembre de 2019; Aprobado: 25 de Septiembre de 2020

^*Author for correspondence: Jorge Jadid Tamayo-Pacheco, e-mail: [e-mail]