Gasificación, una tecnología prometedora para la valorización energética de fangos de depuradora

CADAGUA S.A. a través de su Dpto. de I+D+i, ha diseñado, construido y operado, durante más de 10 años, una plataforma experimental de Gasificación de Fangos de Depuradora con una capacidad de tratamiento de 2,4 ton/día, correspondiente a la producción de fango de una población equivalente a 20.000 H.E, con el fin de aportar una solución tecnológica novedosa que contribuya de manera significativa a maximizar el aprovechamiento energético de los lodos generados en el tratamiento de las aguas residuales, permitiendo reducir los costes de explotación de la EDAR. Así mismo, se aporta una solución medioambientalmente sostenible al problema de la eliminación de residuos de esta naturaleza.

Problemática

La eliminación de los fangos se ha convertido en el principal “cuello de botella” de los procesos de tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales. El proceso biológico más común empleado en Europa para el tratamiento de agua residual urbana, es el de fangos activos, proceso que consume grandes cantidades de energía y genera grandes cantidades de lodos orgánicos. Estos lodos contienen más del 90 % de agua y son altamente biodegradables, debiendo ser tratados en procesos posteriores (espesamiento, desinfección, estabilización, acondicionamiento, desecación, secado final, compostaje y otros). En la actualidad, la gestión de los residuos supone un 16% de los costes totales de la explotación de una EDAR, excluyendo el coste de personal, tal y como se refleja en la Figura1, y es de esperar que suponga un porcentaje superior, debido al endurecimiento de la legislación europea. 

La producción anual de fangos de depuradora en España se encuentra estabilizada en torno al 1.000.000 de Ton de Materia Seca (M.S). Los diferentes tratamientos a los que son sometidos estos fangos deben asegurar un destino final adecuado y medioambientalmente seguro; la distribución de dichos tratamientos según los diferentes destinos de los fangos de depuradora en el Estado, son mostrados en la Figura 2. 

Los objetivos cuantitativos a alcanzar en el año 2020, en el “Plan estatal Marco de Gestión de Residuos (PEMAR) (2016-2022)”, del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente implican una Valorización del material, tanto en suelos como otro tipo de valorización de un mínimo de un 85%, quedando el 15% restante repartido entre la Incineración/Coincineración y la eliminación en vertedero (debiendo ser ésta última de un 7% como máximo). Considerando los gráficos presentados en la Figura 2, y los objetivos a alcanzar para el 2020, se hace necesario incrementar la oferta tecnológica que permita reducir, tanto el porcentaje de los lodos que son enviados a vertedero, como mínimo en un 50%, como incrementar la valorización energética de los lodos.

Introducción al proceso

La gasificación es el proceso termoquímico endotérmico auto-sostenido que permite la transformación de la materia orgánica presente en el fango, mediante una atmósfera con déficit de oxígeno y a alta temperatura (800-1000ºC), en un gas combustible de bajo Poder Calorífico Inferior (PCI), susceptible de ser utilizado para generar energía eléctrica y térmica por diferentes vías. Entre estas vías de aprovechamiento se encuentran la combustión directa en un motor de gas, en una turbina de gas o en ciclo vapor empleando la energía eléctrica generada tanto para consumo propio de la EDAR como para la venta a la red. 

Las reacciones que tienen lugar durante el proceso de gasificación, y que en función de la extensión en que se produzcan cada una de ellas, determinarán la calidad del gas de gasificación obtenido se pueden agrupar en:

• Reacciones de Oxidación o Combustión: que aportan el calor necesario para que se lleve a cabo, tanto el secado total del fango, como el resto de reacciones.

C+02 →C02
CnHm+n+m4 O2 →nC02+m2 H2O
4H+O2 →2H2O

• Reacciones de Pirólisis o Descomposición térmica: que aportan hidrógeno e hidrocarburos que alimentan el proceso de combustión y las reacciones de gasificación, así como un residuo carbonoso que va a reaccionar posteriormente. Así mismo, esta etapa va a determinar el contenido en Alquitranes y metano del gas. 
• Reacciones de Gasificación o reducción: en el que los subproductos obtenidos en las etapas previas son transformadas en monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno molecular (H2).

C+02 →2C0
C+H2O → C0+H2
CnHm+n H2O →n CO+m2+n H2
CnHm+n CO2 →2n CO+m2 H2

A la vista de las reacciones anteriormente expuestas, el gas de gasificación estará compuesto principalmente de H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2Hn (compuestos hidrocarbonados de cadena corta), y en menor medida de H2S, NH3 y alquitranes, oscilando su PCI entre 850-1100 Kcal/Nm3 en función de la composición del fango de partida (% de humedad, % volátiles y análisis elemental) y del agente gasificante empleado.

El gas generado permite recuperar entre un 55-65% de la energía presente en el fango de partida, y reducir el volumen de material a gestionar, tras el proceso de gasificación, en un 50%. 

El fango empleado como materia prima en la instalación experimental, es un fango digerido anaeróbicamente (presentando un bajo porcentaje de volátiles) y secado térmicamente hasta una sequedad variable de entre el 85 y el 97%, viniendo presentado en forma de pelets esféricos, con una granulometría de entre 2 y 4 mm de diámetro.

La especial naturaleza de la materia prima, elevado porcentaje de materia inerte, relativamente bajo PCI, así como bajo porcentaje en volátiles, determinan, tanto la composición del gas obtenido como las características de diseño del reactor a emplear. 

La tecnología por la que se optó en la Plataforma Experimental de Gasificación de Cadagua es la de lecho fluidizado burbujeante equipado con un sistema de extracción, en continuo, del material inerte que no va a reaccionar del interior del reactor, y que de no extraerlo provocaría el colapso del lecho. Las condiciones de fluidización del lecho vienen determinadas por el diseño del reactor, por las características del agente fluidificante empleado (aire), por la temperatura a la que se lleva a cabo el proceso, por la morfología y granulometría del material a gasificar, así como por la granulometría del agente coadyuvante empleado, arena en el caso de la plataforma experimental (aunque pueden emplearse otros materiales como olivino, dolomita o calcita). Dicho agente mantiene en suspensión, tanto el fango mientras este reacciona, como las cenizas generadas, por lo que la elección de la granulometría del mismo es determinante para una correcta operación del proceso de gasificación.

Un resumen de los factores que van a determinar la operación del proceso de gasificación y por tanto la distribución de los compuestos que componen el gas generado en el mismo se presentan a continuación: 

• Naturaleza del material alimentado. Las características del material alimentado al gasificador tanto en relación a su composición elemental (contenido en C, H, N, O, S y Cl), contenido en humedad y % de volátiles, como a su morfología y tamaño, determinan tanto el diseño del reactor de gasificación como las condiciones de operación a emplear. Así mismo, se deben considerar las especiales características del fango de depuradora (bajo % de volátiles y elevado % de inertes). 
• Factores ligados a las condiciones de operación: Relación entre el caudal de fango alimentado y el caudal de agente gasificante (Relación de Equivalencia(R.E)), temperatura a la que se lleva a cabo el proceso (determinada por la R.E), agente coadyuvante empleado y temperatura del agente gasificante.
• Naturaleza del agente gasificante: Aire, Oxígeno, Vapor de Agua y mezclas Hidrógeno/CO2. En función del agente gasificante empleado, la calidad del gas gasificación varía en gran medida, tanto en relación a su composición, a la cantidad del gas generado, como el posible uso final al que puede ser destinado. La generación de H2 y CO se ve favorecida al emplear oxígeno, mientras que el empleo de vapor de agua permite generar un gas con un elevado porcentaje de H2. En ambas situaciones se obtiene un gas con una calidad tal, que además de emplearse como combustible (destino del gas al emplear aire como agente gasificante), puede ser utilizado como gas de síntesis.     
• Características del diseño del reactor. Que determinarán el tiempo de residencia del material en el interior del reactor de gasificación.

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