la utilizaciÓn de" residuos sÓlidos" con fines de
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Ciencia en su PC
ISSN: 1027-2887
Centro de Información y Gestión Tecnológica
de Santiago de Cuba
Cuba
Bruzos Bonzon, Gonzalo; Mirabent Avila, Jordi
LA UTILIZACIÓN DE "RESIDUOS SÓLIDOS" CON FINES DE GENERACIÓN ELÉCTRICA. UNA
ALTERNATIVA FAVORABLE AL MEDIO AMBIENTE.
Ciencia en su PC, núm. 1, 2005
Centro de Información y Gestión Tecnológica de Santiago de Cuba
Santiago de Cuba, Cuba
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Ciencia en su PC ISSN Impreso: 1027-2887
Número 1, 2005 Instituto de Información Científica y Tecnológica, Cuba.
LA UTILIZACIÓN DE ¨RESIDUOS SÓLIDOS¨ CON FINES DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA. UNA ALTERNATIVA FAVORABLE AL MEDIO AMBIENTE.
MSc. Ing. Gonzalo Bruzos Bonzon
MSc. Ing. Jordi Mirabent Avila
Centro de Ingeniería del Transporte de Oriente (CIT). Ministerio del Transporte. Santiago de
Cuba
RESUMEN
En el trabajo se realiza una caracterización de los Residuales Sólidos Urbanos que se generan en
diferentes partes del mundo, sus problemas medioambientales y las experiencias internacionales y
en Cuba en el uso de los gasogeneradores para producir el denominado “GAS POBRE” a partir de
combustibles sólidos y residuos agrícolas, con el objetivo de utilizarlo como combustible en la
industria y los motores de combustión interna. Se explican los principios de esta tecnología y su
factibilidad para combustionar los residuales o biomasa que se generan en áreas agrícolas,
instalaciones urbanas, ya sean de servicios, industriales o residenciales, para generar electricidad y
a su vez reducir los niveles de contaminación ambiental y su impacto en las áreas urbanas
fundamentalmente. Se expone el proceso de combustión por gasificación una tecnología novedosa
desarrollada por el Ing. Porta, a partir de los gasógenos como hogar de combustión.
ABSTRACT
In this work is carried out a characterization of the Residual Urban Solids that are generated in
different parts of the world their environmental problems and the international experiences and
in Cuba in the use of the gas producers to produce lean gas from solid fuels and agricultural
residuals with the objective of using it as fuel in the industry and in internal combustion engines.
The principles of this technology and their feasibility are explained for combustion the residual
ones or biomass that are generated in agricultural areas, urban facilities because of services,
industrial or residential. It allows to generate electricity and in turn to reduce the levels of
environmental contamination and their impact fundamentally in the urban areas. The
combustion process is exposed by gasification, a novel technology developed by the engineer
Porta, from the gas producers.
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ANTECEDENTES
Desde décadas el hombre viene atacando el medio ambiente de forma consciente e inconsciente,
pero ya en estos tiempos se ha logrado un nivel de concientización del impacto que tienen las
diferentes actividades humanas sobre los sistemas naturales de existencia de la naturaleza.
Uno de los problemas que aún no ha tenido una solución efectiva y generalizada es el tema de los
Residuos Sólidos Urbanos (RSU), los que cada día se incrementan en todas partes del mundo.
En los países industrializados se han definido políticas al respecto para atenuar en lo posible su
impacto ambiental, no siendo así para los países tercermundistas que además de tener un bajo
nivel tecnológico en la recolección y tratamiento de los RSU poseen alrededor del 80 % de la
población total.
Por tales motivos es muy importante definir una política global en cuanto a los procesos de
reutilización de estos residuos y dentro de esta política estaría la generación de electricidad a
partir de su combustión, sea por combustión directa o por la gasificación.
COMPORTAMIENTO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU)
Muchos autores han caracterizado los RSU por su valor calórico y han establecido escalas de
valores que oscilan entre 1600 y 2500 kcal/kg, similares a otros combustibles biomásicos.
Los RSU se considera un combustible por excelencia, cuando se dominan las tecnologías para su
explotación, pues éste existe en cada lugar o espacio habitado por el hombre. Se genera
constantemente y es, por tanto, un combustible renovable como la eólica o la hidráulica.
Por otro lado, no necesita prácticamente reelaborarlo, procesarlo o extraerlo, lo que lo hace un
producto competitivo en comparación con otros combustibles que requieren diferentes procesos
de fabricación o extracción en canteras. Más que una política para recuperar la energía que
contienen estos residuos, existe la tendencia de buscar alterativas para eliminarlos y que su
impacto ambiental se reduzca cada día, por ejemplo, en la Tabla N° 1 se observa como estos son
eliminados en Europa.
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Tabla N° 1. Formas que se utilizan para eliminar en Europa los R.S.U.
PAIS
CANTIDAD
KTm/año
RECICLAJE
(% en peso)
COMPOSTAJE
(% en peso)
INCINERACIÖN
(% en peso)
VERTIDO
(% en peso)
Alemania 25.000 16 2 36 46
Austria 2.800 6 18 11 65
Bélgica 3.500 3 0 54 43
Dinamarca 2.600 19 4 18 29
España 13.300 13 17 6 65
Francia 20.000 3 10 42 45
Gran Bretaña 30.000 2 0 8 90
Grecia 3.150 0 0 0 100
Holanda 7.700 16 5 35 45
Irlanda 1.100 3 0 0 97
Italia 17.500 3 7 16 74
Noruega 2.000 7 5 22 77
Portugal 2.650 0 15 0 85
Suecia 3.200 16 3 47 34
Suiza 3.700 22 7 59 12
Europa
(media) 138.200 7,9 5,7 24,3 62,1
Dentro de los programas de eliminación de los RSU, existe el método de vertido e incineración,
pero en muchos casos hay que realizar procesos previos de tratamiento para reducir los niveles de
contaminación, pesos y volúmenes.
Sin embargo, la variante de descargar los RSU en vertederos, debe ser la última solución a
considerar por los problemas que ocasiona como:
Generación de gases que favorecen el “Efecto Invernadero” como el CO2 y el CH4, así
como el SO2 que provoca la “Lluvia Ácida”.
Emisión de dioxinas y otros compuestos dañinos a la salud.
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Producción de lixiviados que contaminan las aguas subterráneas.
Proliferación de roedores e insectos que transmiten enfermedades.
La utilización de extensiones de terrenos que no pueden aprovecharse en beneficios
sociales, industriales, residenciales, etc., obligando incluso a definir fajas de seguridad
para evitar posibles contaminaciones a poblaciones y fuentes de abasto de agua entre
otros fenómenos, por ejemplo, en Estados Unidos de América las áreas utilizadas como
vertederos abarcan unas 780 millas cuadradas, lo que significa que, sobre la base de los
precios de los terrenos sin desarrollar, se desperdician 10 mil millones de dólares en
terrenos baldíos.
En muchas áreas urbanas ya se han llenado todos los basureros y no hay más terrenos
donde crearlos, lo que motiva que haya que enviar los RSU a lugares más distantes, lo que
ocasiona mayores gastos. Se conoce que la eliminación de los RSU está en el orden de 50
dólares la tonelada.
Explosiones frecuentes por la acumulación de metano.
Por tanto, el uso de los residuales para la producción de energía eléctrica y calefacción, entre otros
usos, son alternativas que se imponen, máxime que en la actualidad existen tecnologías que
pueden clasificar y controlar los niveles de los gases tóxicos y perjudiciales al medio ambiente que
se generan en el proceso de combustión.
BREVE DEFINICIÓN DEL GASÓGENO. ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Y ESFERAS DE SU APLICACIÓN
El gasógeno se define como un aparato destinado a transformar por combustión incompleta, los
combustibles sólidos en gases combustionables.
La forma de transformar el combustible de sólido en gaseoso, consiste en un proceso de pirolisis
donde se descomponen químicamente los combustibles sólidos mediante calor en una
atmósfera con poco oxígeno. Esto genera una corriente de gas compuesta por H2, CH4, CO, CO2,
cenizas y otros gases, según las características orgánicas del material combustionable.
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En el proceso de gasificación ocurre la reacción C + O2 Ö CO2 pero por una reacción endotérmica
parte del CO2 se reduce a CO.
En este proceso al existir déficit de O2 no queda lo suficiente como para combinarse con las
materias volátiles, saliendo estas del lecho de combustible sólido mezcladas con el CO generado,
así como el CO2 no reducido durante el proceso. Este gas mezclado es a lo que se le llama “gas
pobre”.
Para mejorar el valor calorífico del gas pobre se utiliza la inyección de vapor de agua donde está
ocurriendo el proceso de pirólisis, descomponiéndose según la reacción:
H2O + C Ö H2 + CO
Estos dos gases producidos enriquecen el gas que sale del lecho de combustible.
Este gas se caracteriza por su bajo poder calórico inferior (1200 a 1400 Kcal/kg), en comparación
con otros gases combustibles, tanto naturales como manufacturados. El PCI de este gas varia (así
como su composición química) en función del tipo de materia prima que se gasifica, los ciclos de
operación y el equipamiento empleado. Este concepto es válido tanto para los de aplicación
industrial como para los utilizados en motores de combustión interna.
Antecedentes Históricos y Esferas de Aplicación
El primer uso del verdadero principio del uso del gasógeno, en que la combustión del CO e H2
ocurre fuera de la cama de combustible sólido, se le atribuye a Von Faber du Faur, en el año
1832. Ya en 1842 muchos altos hornos estaban equipados con instalaciones especiales para
utilizar los gases. Hasta 1857 los generadores de gas (el de Kaersten y Heine, Bischof de
Magdesprung, la herrería de St. Stephan en Steiermark), se construyeron en forma de altos
hornos, pero entre 1857-1861 los hermanos Siemens introdujeron el gasógeno que lleva su
nombre, en conexión con su invención del horno Martins. Este poseía pared posterior inclinada,
parrilla plana y en gradería, que permitía gasificar combustibles medianos de grano fino sin
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insuflar el aire por la parte inferior; hasta el presente se emplean en la industria ambas clases de
gasógenos: el de Cuba y el Siemens.
Para la época del surgimiento del gasógeno era ya conocido el gas de agua, Bischoff había hecho
observar la ventaja de conducirle a este equipo aire húmedo para obtener una gas más rico. En
1843, Ebelmen verificó ensayos para dirigir vapor de agua a un gasógeno cargado con carbón de
madera y así obtuvo un gas que contenía 14 % de hidrógeno. Dowson en Inglaterra realizó
sistemáticamente ensayos y los llevó a la práctica, en los años 1878-1881 ideó los aparatos
necesarios y alimentó su gasógeno con cantidades medidas de vapor de agua recalentado,
logrando gases con 18% de hidrógeno; en 1884 se utilizó por primera vez este gas para accionar
motores en la fábrica de Crossley Bros, Manchester. Dowson empleaba la antracita como
combustible y se limitaba a producir un buen gas rico.
Se han hecho proposiciones para alimentar los gasógenos con aire rico en oxígeno, llamado
aire Linde (1889) y con oxígeno puro, mezclado con vapor de agua (Cerazoli, 1927 y Drawe,
1926-1927), los que tropezaban en la práctica con dificultades de orden económico.
En general, la tendencia del empleo del gasógeno de forma industrial y para uso general,
contemplaba la obtención del gas pobre con mezcla de aire y vapor, para evitar la fusión de las
escorias y obstrucción del gasógeno, lográndose así un funcionamiento satisfactorio de este
equipo, una menor temperatura relativa y resultando un gas de mayor poder calórico (140-185
BTU/cu.ft).
Como combustibles los más empleados eran los carbones bituminosos, aunque el más común
era el coque. Su uso ha estado dirigido fundamentalmente a la industria siderúrgica (para
calentar hornos Martín, de Reverbero, de Recocer o Caldear lingotes o planchas), la del vidrio,
refractarios, cerámica y porcelana, hornos de fabricar coque, fábricas de gas de alumbrado,
hornos de secar y destilar, etc.; en general empleándolos donde se necesitaran temperaturas
relativamente altas y la economía de combustible.
Por ejemplo, en 1926 se estimaban en EEUU 1 000 gasógenos, en función de la generación de
electricidad.
En la Argentina se ha aplicado en hornos de cemento, en calderas de vapor (durante la II guerra
mundial, en calderas de fuel-oil, sustituyéndose sus quemadores por quemadores de gas y
gasificándose maíz).
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Por esta época, en Brasil, en Baixo Jaguaribe, Ceara (y hasta el presente) se han desarrollado
gasógenos rústicos de mampostería que utilizan carbón de madera y alimentan motores de 60 a
100 HP de motobombas o generadores eléctricos.
En Latinoamérica estos aparatos se han utilizado en las áreas rurales en motogeneradores desde
8 CV (6 Kw) hasta 250 CV (184 Kw), en secadores artificiales de granos, etc.
Gasógenos y su aplicación en Cuba
En Cuba se conoce su utilización en la década del 40 del siglo XX, para hacer funcionar motores
estacionarios de gasolina en descascaradoras de café, con muy buenos resultados, para
elloutilizaba como combustible fundamental las propias cáscaras del grano; otro ejemplo de
aplicación es la distribución en la ciudad de La Habana de gas de agua carburado, el cual poseía
entre sus componentes gas pobre con capacidad calorífica de 60 B.T.U/cu.ft (534 Kcal/m3)
obtenido a partir de coque en horno cilíndrico de chapa de acero forrado interiormente de
ladrillos refractarios y con parrilla de hierro.
De mediado a finales de la década de los 80 del pasado siglo, se desarrollan generaciones de
gasogeneradores del tipo concurrente, aplicándolos de forma experimental y demostrativa a
algunos vehículos militares.
Se plantea la producción de gas pobre en gasógenos a partir de residuos de biomasa agrícola y
forestal, mediante un sistema integral de aprovechamiento de estos residuos, con este gas
producido se alimentarían M.C.I. que accionarían generadores u otros equipos para ser utilizados
en tiempo de guerra o de crisis energéticas. En este mismo período, se planteó el uso de
gasógenos construidos para la electrificación en la Isla de la Juventud, empleando carbón de
leña, señalando ahorros entre 50-70 % de diesel en máquinas de potencia entre 30 y 120 HP y
alrededor de 95 % de gasolina en motores entre 5 y 60 HP.
A principio de la década del 90 del siglo pasado, debido a la carencia de combustible proveniente
de la ex Repúblicas Soviéticas, se propone nuevamente como una de las alternativas energéticas,
en el sector de transporte. Estas proyecciones comienzan a materializarse con algunos prototipos
instalados en ómnibus, camiones, equipos agrícolas, pequeños generadores de electricidad y
barcazas, observándose que esta tecnología es muy sensible a las variaciones tecnológicas, de
explotación y sobre todo de la disciplina y seriedad en los diseños del sistema y sus componentes
así como los defectos constructivos y de instalación, dando al traste con las ventajas de esta
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tecnología. Por ejemplo, en las combinadas cañeras KTP-2 se obtuvieron ahorros de combustible
diesel en el orden de un 25 % por cada 1 000 arrobas de caña cortada, en equipos estacionarios y
de la construcción se lograron ahorros de un 50%.
LA COMBUSTIÓN POR GASIFICACIÓN UNA, TECNOLOGÍA PARA
PROTEGER LA BIOSFERA
La esencia de la tecnología de combustión por gasificación descansa en el GPCS (Gas Producer
Combustion System), que permite quemar oxígeno en una atmósfera gaseosa controlada. Siendo
una técnica radicalmente nueva (aplicable también a la modernización de locomotoras a vapor),
por el diseño de su caldera, que logra una combustión prácticamente total, eliminando o
reduciendo al mínimo los elementos contaminantes, su aerodinamismo interno, nuevos conceptos
en el aparato de tiro, un óptimo aprovechamiento del vapor generado a mayores presiones,
demostrando con esto que los factores inherentes a la tecnología de los gasógenos anteriormente
señalados como problemáticos son solucionados con adecuados estudios termodinámicos y
tecnológicos, apoyados siempre en los logros alcanzados por el Ing. Porta, el cual fue su precursor.
La nueva tecnología puede trabajar totalmente con biomasa.
Esta tecnología se apoya en el principio de trabajo de los gasógenos con la diferencia de que la
combustión no se realiza fuera de la cuba del gasógeno sino dentro de éste.
Los resultados obtenidos en Cuba con la asesoría y aplicación de la tecnología de Porta no quedaron sólo
en papeles y conversaciones, sino que se logró mejorar la combustión del bagazo en las calderas de
herradura de los Centrales Azucareros en Cuba, así como modernizar una locomotora de vapor con
resultados exitosos.
POSIBILIDADES DEL USO DE LOS R.S.U. PARA GENERAR
COMBUSTIBLE A PARTIR DE LA COMBUSTIÓN POR GASIFICACIÓN
Se afirma que en cualquier parte donde existen aglomeraciones de personas se producen los
R.S.U. y estos pueden ser utilizados para generar electricidad con la gasificación como tecnología
limpia, pero el problema está en resolver cuatro factores, entre otros, que van en detrimento del
desarrollo de ella, estos son:
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Gran heterogeneidad de los R.S.U. hace que su uso se dificulte de forma simple
requiriendo introducir procesos tecnológicos de clasificación.
Se produce la dioxina que requiere de un tratamiento previo de los gases de escape para
reducir su efecto nocivo.
Los niveles de humedad pueden ser elevados sobre todo en ambientes donde la
humedad relativa es alta (trópico).
Hay que controlar muy bien los procesos de combustión pues los subproductos pueden
tener un carácter corrosivo y nocivo al medio ambiente.
Además, el futuro tecnológico estará asociado al perfeccionamiento de los procedimientos
existentes de producción y utilización de energía. Este avance tecnológico estará supeditado a tres
direcciones de trabajo:
Mejora de la eficiencia.
Reducción de los costes de fabricación y explotación.
Reducción de su impacto ambiental. Siendo en estos momentos uno de los factores que
ha ido ocupando el lugar que le corresponde.
Se afirma que la Combustión por Gasificación, responde con justeza a las estrategias de estudios y
valoraciones tecnológicas en que se enmarcan los procesos termodinámicos actuales. Por la
sencillez en su fabricación, explotación y conservación y por los costes bajos, así como los
niveles de eficiencia y rendimiento que se obtienen y como complemento importante sus residuos
de escape con bajos niveles de contaminantes, hace que tenga un lugar decisivo como tecnología
de punta para tenerla presente en cualquier alternativa en que intervengan procesos de combustión
y gasificación. Sólo habría que realizar estudios más profundos para atenuar la incidencia de los
cuatro factores anteriormente señalados que limitan el uso apropiado de los RSU.
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CONSIDERACIONES FINALES
Los RSU representan una alternativa en el siglo XXI para la obtención de combustibles
ecológicos además de ser una fuente segura para la generación de electricidad, calefacción y
otros usos industriales a bajos costos.
El uso de los gasogeneradores tiene más de 150 años, con las respectivas altas y bajas en
su generalización en dependencia de las crisis energéticas, pero en estos momentos no es
esta la causa fundamental en que debemos retomarla, sino esencialmente por sus bondades
medioambientales y, sobre todo, porque la tecnología GPCS ha perfeccionado sus procesos
de combustión, elevando su rendimiento y eficiencia.
La tecnología GPCS aunque tiene ya varios años de desarrollada y aplicada,
fundamentalmente en locomotoras de vapor con resultados exitosos, es una alternativa que,
sin temor a equivocarnos, puede ser una de las más apropiadas para combustionar los
residuos sólidos sin el peligro de generar gases tóxicos y dañinos al medio ambiente.
La GPCS es una tecnología que por su sencillez, rendimientos energéticos tienen un
carácter universal, es decir, es para los países en vías de desarrollo una fórmula totalmente
apropiada para solucionar no solo los problemas de déficit energéticos, sino de actuar en
consecuencia con el medio ambiente, pues el 80 % de la población mundial vive en estos
países y en muchos de ellos la actividad primordial se sustenta en la agricultura, la cual
genera grandes volúmenes de residuos agrícolas.
Con la tecnología de GPCS se cierra el ciclo con mayor eficiencia en la utilización de los
residuales sólidos, pues las tecnologías de selección, compactación y eliminación de los
gases tóxicos y perjudiciales al medio ambiente existen.
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