Principios de ingeniería para el diseño de la tecnología PGMCC de tratamiento por plasma de residuos sólidos urbanos e industriales y biomasa, con obtención de metano, hidrógeno y otros productos útiles

Lazar Potashnyik. 

Int-Energia Kft., Hungría. 

Arian Mamayenko. 

Metaplasma S.L., España. 

PGMCC constituye una tecnología de ingeniería integrada para tratar residuos sólidos urbanos e industriales y biomasa, producir gas de pirólisis, depurarlo y convertirlo posteriormente en metano o hidrógeno, aprovechar el CO₂ y generar un producto mineral útil

Resumen

La tecnología PGMCC¹ está destinada al tratamiento integral de residuos sólidos urbanos e industriales, así como de biomasa. El proceso se basa en la gasificación y fusión por plasma (PGM), utilizando vapor de agua como gas plasmógeno. La fracción orgánica de la materia prima preparada se transforma en gas de pirólisis, mientras que la inorgánica se convierte en un fundido mineral. Dentro de PGMCC, el sistema posterior de depuración y conversión química acondiciona las corrientes gaseosas, captura y aprovecha el CO₂ y permite obtener metano o hidrógeno. El hidrógeno necesario para sintetizar metano se genera dentro del propio proceso tecnológico, sin electrolizador. Se ha elaborado la documentación técnica de ejecución de los equipos de proceso para una capacidad de 100 kg/h de materia prima seca; se ha realizado el escalado de los equipos empleados hasta 1.000 kg/h y se han calculado los balances de materia y energía, incluidos los correspondientes a los modos alternativos de producción de metano e hidrógeno a 1.000 kg/h de materia prima seca. Estas soluciones constituyen la base para el diseño completo y la construcción de plantas concretas. Además de producir metano, el diseño del reactor Sabatier–WGS permite pasar a la producción de hidrógeno mediante la sustitución de los cartuchos catalíticos.

1. Ámbito de aplicación y productos del proceso

PGMCC se ha desarrollado para tres categorías principales de materias primas carbonosas: residuos sólidos urbanos, residuos sólidos industriales y biomasa. Sus composiciones difieren en humedad, contenido de cenizas, carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y cloro, proporción de componentes minerales y granulometría. Por ello, la línea tecnológica comprende la preparación de la materia prima, su tratamiento por plasma a alta temperatura, la depuración del gas de pirólisis y su posterior conversión.

En el modo principal, el producto gaseoso objetivo es metano con características normalizadas, apto para su posterior aprovechamiento energético mediante la producción de electricidad y calor o para su inyección en la red de gas. A diferencia de la combustión directa de un gas de pirólisis de composición variable, la obtención de metano depurado permite disponer de características combustibles más estables. Se contemplan asimismo un material mineral procedente del fundido y productos de fijación química del CO₂, incluidos carbonatos en los modos de operación correspondientes.

2. Base experimental de PGM y aplicación del plasma de vapor

En los estudios de Zhang y colaboradores [1, 2] se analizaron experimentalmente la gasificación y la fusión de residuos sólidos urbanos en un reactor Plasma Gasification Melting. Estos trabajos constituyen una base científica para el tratamiento de residuos a alta temperatura; sin embargo, la configuración utilizada difiere de PGMCC: el medio plasmógeno era aire y el vapor de agua se suministraba por separado como agente gasificante. Los resultados de dichos ensayos no deben equipararse automáticamente a los parámetros del complejo desarrollado.

En PGMCC se utiliza directamente vapor de agua como gas plasmógeno. Esta solución evita la incorporación de nitrógeno atmosférico de lastre a través de una corriente de aire plasmógeno y crea condiciones para formar un gas de pirólisis rico en hidrógeno. El consumo energético de los generadores de plasma y de la preparación del vapor se incluye en el balance energético. La posibilidad de utilizar medios plasmáticos que contienen vapor también se estudia en investigaciones independientes [3, 4], cuyas condiciones específicas deben distinguirse de las de PGMCC.

En el reactor de plasma PGMCC, el tratamiento termoquímico de los residuos se realiza en un medio de vapor de agua a alta temperatura, sin aporte de aire ni de oxígeno libre. A diferencia de la combustión, los principales mecanismos de transformación de los componentes orgánicos son la descomposición termoquímica y la gasificación con vapor, en condiciones predominantemente reductoras. Esta organización del proceso inhibe la formación de dioxinas y furanos en la zona de reacción, mientras que el posterior enfriamiento rápido del gas de pirólisis mediante inyección por boquillas dificulta su síntesis secundaria.

3. Sistema integrado de depuración y conversión de gases PGMCC

El subsistema de depuración del gas de pirólisis se ha desarrollado en el marco de la tecnología PGMCC. Sobre la misma base tecnológica se ha creado una solución para depurar gases que contienen metano, incluido el biogás. Ambas aplicaciones se basan en principios comunes de depuración y gestión de los componentes capturados, mientras que los regímenes de funcionamiento y la configuración de los equipos se adaptan a las características del gas de entrada.

El sistema contempla la eliminación en varias etapas de impurezas, incluidos componentes ácidos, partículas y sustancias que dificultan el tratamiento catalítico posterior. Según la configuración, se aplican absorción reactiva, tratamiento catalítico y depuración avanzada por adsorción. El CO₂ capturado puede fijarse para obtener productos carbonatados útiles. Se prevén la regeneración de los medios de trabajo, el aprovechamiento del calor de los procesos exotérmicos y el retorno al ciclo tecnológico de componentes valiosos recuperados de las corrientes gaseosas. PGMCC contempla el retorno al proceso del metano recuperado de las corrientes gaseosas residuales, reduciendo así las pérdidas del producto objetivo.

Para la metanación se utiliza hidrógeno generado dentro del proceso PGMCC, sin electrolizador externo. Las reacciones conocidas:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O  y  CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂

constituyen la base química de las transformaciones. La secuencia concreta de aparatos, los regímenes operativos y las corrientes internas de recirculación forman parte de la documentación de ingeniería de los equipos implementados en PGMCC. Una característica constructiva del reactor Sabatier–WGS son sus cartuchos catalíticos intercambiables, cuya sustitución permite pasar del modo de producción de metano al modo de obtención de hidrógeno como producto gaseoso objetivo. Los requisitos de acondicionamiento y depuración posteriores del hidrógeno comercial dependen del modo elegido y del destino del producto.

Las ventajas técnicas de PGMCC comprenden la depuración avanzada de la corriente gaseosa, la reducción de pérdidas de componentes útiles, el uso del CO₂ como materia prima para productos de fijación química y la adaptación de los regímenes de depuración a la composición del gas. La posibilidad de obtener K₂CO₃, KHCO₃ y CaCO₃ corresponde a los modos previstos del sistema pertinente; las características comerciales de los productos dependen de su composición real y de los requisitos de uso.

4. Preparación de la materia prima y producto mineral

La posibilidad de tratar residuos urbanos e industriales heterogéneos y biomasa depende, ante todo, de la preparación de la materia prima. Para corrientes húmedas se prevé secado térmico al vacío; el desarrollo contempla una humedad inicial de hasta el 80 %, con la preparación previa correspondiente. Este valor caracteriza la materia prima entrante, no la humedad del material alimentado directamente al reactor de plasma. La aplicabilidad concreta depende de la composición morfológica y química de los residuos sólidos urbanos e industriales, así como de la biomasa.

Los componentes inorgánicos de los residuos sólidos urbanos e industriales y de la biomasa se transforman en un fundido en el reactor de plasma PGMCC que, tras enfriarse, forma un producto mineral vitrificado de características similares al basalto. La formación de una estructura vítrea favorece la inmovilización de metales pesados y reduce su tendencia a la lixiviación, en consonancia con los resultados conocidos de investigaciones sobre procesos de fusión y gasificación con fusión de residuos [6].

La composición química de las escorias fundidas obtenidas mediante tratamiento por plasma de residuos sólidos urbanos fue estudiada por el laboratorio acreditado de GUP MosNPO «Radon» en 2008–2009 [7, 8], así como por el Instituto Kurnakov de Química General e Inorgánica de la Academia de Ciencias de Rusia en 2009 [9]. Los análisis confirman la composición predominantemente silicatada y oxidada de los materiales estudiados. La evaluación técnica de su posible uso para fabricar aislamiento mineral arrojó un valor calculado del módulo de acidez de 4,05 para la escoria de referencia [9], acorde con los criterios de aptitud de la materia prima para producir lana mineral recogidos en el estudio.

El producto mineral obtenido se considera una posible materia prima para fabricar materiales de construcción y aislamiento mineral, para obras viales y para su uso como árido mineral. La posibilidad de cada aplicación concreta depende de las características del material obtenido y de los requisitos de las normas correspondientes.

5. Balances de materia y energía

Se ha elaborado la documentación técnica de ejecución de los equipos de proceso para una capacidad de 100 kg/h de materia prima seca. Se ha realizado el escalado de los equipos empleados hasta una capacidad de 1.000 kg/h. Para ambos niveles de capacidad se han calculado balances de materia y energía, utilizados para seleccionar los equipos y acordar sus parámetros operativos. Para una capacidad de 1.000 kg/h de materia prima seca se han calculado dos modos alternativos: producción de metano y producción de hidrógeno.

Los balances de materia abarcan la materia prima, la humedad que contiene, el vapor de proceso y los reactivos, así como el metano, el condensado, el producto mineral, los productos carbonatados y las impurezas separadas. Los balances elementales de carbono, hidrógeno y oxígeno permiten coordinar las etapas de tratamiento por plasma y conversión posterior. El balance energético considera los generadores de plasma, la producción de vapor, la preparación de la materia prima, la compresión, la refrigeración, la depuración y las operaciones catalíticas; se prevé la recuperación de los flujos térmicos aprovechables.

Comparación de los indicadores calculados de ambos modos con 1.000 kg/h de residuos sólidos urbanos secos:

Los indicadores siguientes corresponden a configuraciones calculadas sobre la base de residuos sólidos urbanos secos; para residuos industriales y biomasa, los valores se determinan según su composición. Los cálculos constituyen datos iniciales de ingeniería para diseñar la planta. Los consumos específicos de recursos y los rendimientos de productos dependen de la composición adoptada de la materia prima y de las condiciones de la instalación.

Fuente de los indicadores: cálculos propios de ingeniería de PGMCC para los modos de producción de metano e hidrógeno.

6. Implantación industrial y escalado

La documentación técnica de ejecución de los equipos preparada para 100 kg/h y el escalado de los equipos hasta 1.000 kg/h permiten pasar a la siguiente fase de implantación: el diseño completo de una instalación concreta. En esta etapa se desarrollan el plan general, las soluciones constructivas, la disposición de los equipos, las redes de servicios, la automatización y la seguridad industrial y ambiental, teniendo en cuenta las características del emplazamiento y la normativa local. La base tecnológica del proyecto está constituida por las soluciones desarrolladas para los equipos de proceso y la estructura de la tecnología PGMCC.

La aplicabilidad industrial de PGMCC viene determinada por la combinación de varios resultados técnicos: la posibilidad de tratar residuos urbanos e industriales y biomasa, obtener metano con características controladas, aprovechar el CO₂ capturado, generar un producto mineral y utilizar el calor de reacción disponible. El sistema desarrollado de depuración del gas de pirólisis constituye, a su vez, la base tecnológica para depurar otros gases que contienen metano y puede funcionar tanto como parte del complejo PGMCC de tratamiento de residuos como de forma independiente, como sistema de depuración de otros gases que contienen metano. El funcionamiento del sistema de depuración de gas que contiene metano, desarrollado sobre la base tecnológica de PGMCC, ha sido confirmado mediante ensayos prácticos de una instalación de biogás en España, con la participación del organismo de inspección independiente Bureau Veritas. Durante los ensayos se registraron la composición del gas, las cantidades obtenidas de metano y carbonato de potasio, así como los principales indicadores energéticos, según los datos del desarrollador.

Conclusiones

PGMCC constituye una tecnología de ingeniería integrada para tratar residuos sólidos urbanos e industriales y biomasa, producir gas de pirólisis, depurarlo y convertirlo posteriormente en metano o hidrógeno, aprovechar el CO₂ y generar un producto mineral útil. Las publicaciones experimentales confirman la base científica de PGM, mientras que el sistema de depuración del gas de pirólisis desarrollado para PGMCC integra la depuración de gases, el aprovechamiento de los componentes capturados y el acondicionamiento del gas para su conversión. La documentación técnica de ejecución de los equipos para 100 kg/h, el escalado realizado hasta 1.000 kg/h y los balances calculados de materia y energía, incluidos ambos modos gaseosos a 1.000 kg/h, constituyen la base para el diseño completo y la posterior construcción de plantas en emplazamientos concretos. El diseño del reactor Sabatier–WGS contempla la posibilidad de pasar a la producción de hidrógeno mediante la sustitución de los cartuchos catalíticos; de este modo, el complejo permite elegir el producto gaseoso objetivo: metano o hidrógeno.

___

¹ PGMCC (Plasma Gasification and Melting with Carbon Capture): tecnología de gasificación y fusión por plasma de residuos sólidos urbanos e industriales y biomasa, con captura y aprovechamiento posteriores de CO₂ para obtener metano o hidrógeno y otros productos útiles.

² Nm³ — volumen de gas referido a condiciones normales: temperatura de 0 °C y presión absoluta de 101,325 kPa.

Referencias

[1] Zhang Q. et al. Gasification of municipal solid waste in the Plasma Gasification Melting process. Applied Energy 90 (2012), 106–112. DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.01.041.

[2] Zhang Q. et al. Performance analysis of municipal solid waste gasification with steam in a Plasma Gasification Melting reactor. Applied Energy 98 (2012), 219–229. DOI: 10.1016/j.apenergy.2012.03.028.

[3] Rutberg P. G., Kuznetsov V. A., Serba E. O., et al. Novel three-phase steam–air plasma torch for gasification of high-caloric waste. Applied Energy. 2013. Vol. 108. P. 505–514. DOI: 10.1016/j.apenergy.2013.03.052.

[4] Jothiprakash G., Sundararaju P., Subburamu K., et al. Plasma gasification of agro-residues for syngas production: process optimization and system performance. Waste Disposal & Sustainable Energy. 2026. Vol. 8. P. 533–545. DOI: 10.1007/s42768-026-00289-y.

[5] Int-Energia Kft. PGMCC — materiales del desarrollador: https://int-energia.com/solutions/

[6] Jung C. H., Matsuto T., Tanaka N. Behavior of metals in ash melting and gasification-melting of municipal solid waste (MSW). Waste Management. 2005. Vol. 25, No. 3. P. 301–310. DOI: 10.1016/j.wasman.2004.08.012.

[7] GUP MosNPO «Radon». Protocolo n.º 1/8-2008 de los resultados del análisis químico de escorias fundidas obtenidas mediante tratamiento por plasma de residuos sólidos urbanos. 24 de noviembre de 2008. Muestras P-1 a P-4. Informe de laboratorio.

[8] GUP MosNPO «Radon». Protocolo n.º 1/15-2009 de los resultados del análisis químico de escorias fundidas obtenidas mediante tratamiento por plasma de residuos sólidos urbanos. 8 de octubre de 2009. Muestras ShP 16-7, ShP 16-8 y ShP 16-10. Informe de laboratorio.

[9] Evaluation of a Possibility of Using Vitrified Slag for Manufacturing Heat Insulation Material. Technical Note. Con los resultados adjuntos del análisis de escoria vitrificada del Instituto Kurnakov de Química General e Inorgánica de la Academia de Ciencias de Rusia, de 9 de diciembre de 2009, y el cálculo del módulo de acidez. Documento técnico.