Gasificación de bagazo de caña de azúcar con aire y vapor para la producción de bio-combustible

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(1)GASIFICACIÓN DE BAGAZO DE CAÑA DE AZUCAR CON AIRE Y VAPOR PARA LA PRODUCCIÓN DE BIO-COMBUSTIBLE. DIEGO ENRIQUE GALÁN BORRÁS. PROFESOR ASESOR: GERARDO GORDILLO ARIZA M.Sc, PhD. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA BOGOTÁ 2012. 1.

(2) TABLA DE CONTENIDOS 1.. RESUMEN: ................................................................................................................................ 5. 2.. INTRODUCCIÓN: .................................................................................................................... 6. 3.. MARCO TEORICO: ................................................................................................................. 9. 3.1 Gasificación: ........................................................................................................................................ 9 3.1.1 Desarrollo histórico de la gasificación: .......................................................................................... 9 3.1.2 Gasificación en la actualidad: ...................................................................................................... 11 3.1.3 Proceso de gasificación: .............................................................................................................. 11 3.1.4 Tipos de reactores: ..................................................................................................................... 12 3.1.5 Gasificación en reactor de lecho fijo: .......................................................................................... 14 3.1.6 Ecuaciones de gasificación: ......................................................................................................... 15 3.2 Biomasa: .......................................................................................................................................... 15 3.2.1 Aplicaciones de la Biomasa: ........................................................................................................ 16 3.2.2 Ventajas del uso de la biomasa: .................................................................................................. 17 3.3 Bagazo de caña de azúcar: ................................................................................................................. 17. 4.. ESTUDIOS PREVIOS DE GASIFICACIÓN: ............................................................. 19. 4.1 Modelo de gasificación de bagazo de caña de azúcar:........................................................................ 21. 5.. OBJETIVOS: .......................................................................................................................... 23. 5.1 Objetivo general: ............................................................................................................................... 23 5.2 Objetivos específicos: ........................................................................................................................ 23. 6.. INSTACIÓNES, MONTAJES Y CALIBRACIÓN DE EQUIPOS: ....................... 24. 6.1 Reactor: ............................................................................................................................................ 24 6.2 Generador de vapor: ......................................................................................................................... 26 6.2.1 Curvas de calibración del generador de vapor: ............................................................................ 27 6.3 Sistema de muestra de gases: ............................................................................................................ 28 6.4 Panel de control: ............................................................................................................................... 29 6.5 Adquisición de datos de temperatura: ............................................................................................... 30. 2.

(3) 6.6 Sistema de alimentación: ................................................................................................................... 31 6.6.1 Pruebas de alimentación: ........................................................................................................... 32 6.7 Remoción de cenizas: ........................................................................................................................ 33. 7.. CARACTERIZACIÓN DE BIOMASA:................................................................................ 35. 7.1 Análisis próximo y análisis último: ..................................................................................................... 35 7.2 Humedad: ......................................................................................................................................... 36 7.3 Tamaño de partícula: ......................................................................................................................... 36. 8.. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: ............................................................................. 38. 8.1 Cálculos de los parámetros de experimentación (ER) y (SF): ............................................................... 38 8.1.1 Relación de equivalencia: ........................................................................................................... 39 8.1.2 Relación vapor combustible: ....................................................................................................... 40 8.2 Parámetros de experimentación: ....................................................................................................... 41 8.3 Condiciones de operación: ................................................................................................................. 42. 9.. RESULTADOS EXPERIMENTALES: ................................................................................ 43. 9.1 Perfiles de temperatura: .................................................................................................................... 43 9.1.1 Dinámica de los perfiles de temperatura: .................................................................................... 44 9.1.2 Gasificación con aire: .................................................................................................................. 45 9.1.3 Gasificación aire-vapor: .............................................................................................................. 47 9.1.4 Tendencias y análisis de los perfiles de temperatura: .................................................................. 52 9.2 Temperatura pico: ............................................................................................................................. 53 9.3 Composición de los gases: ................................................................................................................. 54. 10.. CONCLUSIONES: .............................................................................................................. 56. 11.. BIBLIOGRAFÍA: ............................................................................................................... 57. 3.

(4) LISTA DE IMÁGENES: Imagen 1: Tipos de reactores en procesos de gasificación. ............................................................................. 13 Imagen 2: Proceso de gasificación en lecho fijo en contracorriente ............................................................... 14 Imagen 3: Principales productores de caña de azúcar por hectáreas en toneladas anuales ........................... 18 Imagen 4: Producción de H2 y CO2 a partir de gasificación de bagazo de caña de azúcar. ........................... 21 Imagen 5: Producción de CO2 y CH4 a partir de gasificación de bagazo de caña de azúcar.......................... 22 Imagen 6: Ilustración del reactor de lecho fijo usado en la experimentación. ................................................ 25 Imagen 7: Modificaciones en el reactor ........................................................................................................... 26 Imagen 8: Generador de vapor ........................................................................................................................ 26 Imagen 9: Curvas del flujo de vapor a diferentes potencias ............................................................................ 27 Imagen 10: Curvas del flujo de vapor en los puntos de operación. ................................................................. 28 Imagen 11: Esquema del sistema de filtro de gases. ........................................................................................ 29 Imagen 12: Panel de control ............................................................................................................................ 30 Imagen 13: Data logger y termocuplas. ........................................................................................................... 30 Imagen 14: Sistema de alimentacion de biomasa ............................................................................................ 31 Imagen 15: Alimentación de bagazo de caña vs frecuencia del motor. ........................................................... 32 Imagen 16: Vibrador neumatico para remocion de cenizas. ............................................................................ 34 Imagen 17: Perfil de temperatura y las principales zonas en lecho fijo para ER=2.42 y SF=0.52................. 43 Imagen 18: Dinámica de los perfiles de temperatura en estado estable para gasificación con aire ............... 45 Imagen 19: Perfiles de temperatura con aire usado como oxidante. ............................................................... 46 Imagen 20: Perfil de temperatura para SF=0.3 con diferentes relaciones de equivalencia. ........................... 48 Imagen 21: Perfil de temperatura para SF=0.52 con diferentes relaciones de equivalencia .......................... 49 Imagen 22: Perfil de temperatura para SF=0.64 con diferentes relaciones de equivalencia .......................... 50 Imagen 23: Perfil de temperatura para SF=0.75 con diferentes relaciones de equivalencia .......................... 51 Imagen 24: Pico de temperatura en función de ER y SF. ................................................................................. 53. LISTA DE TABLAS: Tabla 1: Valores promedio e incertidumbre en puntos de operación para el flujo de vapor. .......................... 28 Tabla 2: Valores promedio e incertidumbre en alimentación de bagazo de caña. .......................................... 33 Tabla 3: Parámetros y tiempos de llenado del lecho de biomasa en alimentación. ......................................... 33 Tabla 4: Análisis próximo y análisis último de bagazo de caña. ..................................................................... 35 Tabla 5: Pruebas de humedad .......................................................................................................................... 36 Tabla 6: Pruebas de tamizado .......................................................................................................................... 37 Tabla 7: Parametros de gasificacion. ............................................................................................................... 41 Tabla 8: Condiciones de operacion de gasificacion. ......................................................................................... 42 Tabla 9: Porcentaje de los gases combustibles. ............................................................................................... 55. 4.

(5) 1. RESUMEN:. Colombia es líder mundial en la producción de caña de azúcar por hectárea, generando al año un estimado de 23.5 millones de toneladas de azúcar y 256 millones de litros de etanol [1]. Esto representa residuos agrícolas cercanos a 9 millones de toneladas de bagazo de caña anuales que en la actualidad son utilizados en combustión de hornos paneleros y azucareros, en la enmienda de suelos y la producción de papel [2]. Frente a la crisis energética actual por la que atraviesa el mundo sumada a la contaminación producida por los combustibles fósiles, la gasificación surge como nueva tecnología que además de ser ambientalmente viable (neutra en la producción de CO 2) y renovable, utiliza como materia prima residuos agrícolas para la producción de gas combustible. El presente estudio muestra los resultados experimentales en un reactor de lecho fijo utilizando como oxidante una mezcla de aire y vapor con el fin de obtener un gas rico en H2. Tanto los perfiles de temperatura a lo largo del reactor como el gas combustible producido, son analizados en función de dos parámetros: relación de equivalencia (ER) y la relación vapor combustible (SF). Los resultados de gasificación de bagazo de caña muestran que el pico de temperatura (temperatura zona de oxidación) decrece con el aumento de la relación de equivalencia y la relación vapor combustible, resultados experimentales utilizando solo aire como oxidante alcanzan a su vez las temperaturas más altas de gasificación. Se ilustran los perfiles de temperatura obtenidos con diferentes (ER) y (SF) que denotan claramente las regiones en donde se producen los principales procesos propios de la gasificación en lecho fijo (secado, pirolisis, reducción y oxidación) y garantizan la correcta ejecución del proceso cuando las temperaturas se mantienen estables. En cuanto a la composición de los gases se observa que un aumento en la relación de equivalencia causa una mayor producción de H2 y CO2 mientras que se disminuye la producción de CO.. 5.

(6) 2. INTRODUCCIÓN: El mundo atraviesa una crisis energética y se hace evidente la búsqueda de alternativas. de. conversión de energía que reemplacen los combustibles fósiles que además de ser limitados en el mundo, generan un impacto ambiental negativo. Las reservas energéticas mundiales se estiman en aproximadamente 200 años para el carbón, 50 años para el petróleo y un poco menos de 100 años para el gas natural. Por otro lado la población mundial en la actualidad es de 7000 millones de habitantes con un crecimiento de 2 a 3% anual, esto implica que si se continúa con esa tasa de crecimiento la población se duplicará de 20 a 30 años al igual que la demanda energética que cada vez será mayor por habitante [4]. Asimismo, organismos internacionales han creado leyes de control ambiental que favorecen a formas de transformación de energía libres de contaminantes y se ejerce un control riguroso en contra de las emisión contaminantes como los precursores de la lluvia acida y los gases causantes del efecto invernadero. La gasificación surge en la actualidad como una alternativa de conversión de energía que utiliza la biomasa (combustible orgánico considerado neutro en cuanto a las emisiones de CO2) como materia prima para producción de gas combustible. En la antigüedad la madera, cascaras y las semillas de alimentos como el arroz y las nueces fueron usadas como combustibles especialmente para la generación de calor, la cocción de alimentos y la iluminación de las ciudades. En el siglo XVIII, con el descubrimiento del poder energético proveniente de los combustibles fósiles en especial el carbón y el petróleo, y posteriormente el gas natural y la aparición de la energía nuclear se modificaron completamente estas prácticas debido a la indiscutible eficiencia y poder energético de estas nuevas fuentes energéticas. En el periodo de la segunda guerra mundial debido a la gran demanda de energía se reactivo el uso de la biomasa como fuente para la producción de energía y principalmente en Europa (Francia, Alemania y Suecia) se desarrollaron algunas técnicas de gasificación de biomasa especialmente para el sector automotriz [3], sin embargo, estos procesos en su mayoría fueron realizados en forma artesanal. En la actualidad se están estudiando los procesos de gasificación con el ánimo de aumentar la eficiencia en la calidad de los gases producidos, las investigaciones con respecto al tema de gasificación de biomasa se centran en la disminución del impacto ambiental que actualmente generan los combustibles fósiles y surgen como una forma alternativa de energía teniendo en cuenta la crisis energética actual y la creciente demanda de energía que será insostenible en algunos años para las reservas de energías no renovables con las que cuenta el planeta. Se considera biomasa a cualquier tipo de materia orgánica producida por medio del proceso de fotosíntesis, así como la que se origina a través de los procesos de transformación de esta materia. 6.

(7) La biomasa además está compuesta principalmente por carbono, oxigeno, hidrogeno y pequeñas fracciones de minerales como potasio, fosforo y sulfuro entre otros. Cuando la biomasa es quemada el carbono reacciona con el oxigeno produciendo bióxido de carbono, agua y calor. Tanto el agua como el bióxido de carbono producidos en el proceso son evacuados al ambiente, estos mas la energía solar y algunos compuestos inorgánicos son absorbidos nuevamente por las plantas que a su vez producen carbohidratos que posteriormente son convertidos en madera y tejido vegetal. Es decir que nueva biomasa es creada, por tal motivo es considerada una energía renovable y debido a este proceso, el CO2 producido en la combustión de la gasificación es denominado neutro. La biomasa se pude clasificar en 4 categorías: residuos agrícolas, desechos orgánicos, madera y lodos. Según el último informe de cenicaña (2009-2010), Colombia es el líder mundial en la producción azucarera con 14.6 Toneladas por hectárea al año por encima de países como Australia, India, Brasil y Estados Unidos [1]. En el 2009 Colombia ocupo el puesto 17 en la producción mundial de azúcar alcanzando 23.58 millones de toneladas (con un aumento de 23% frente al año anterior) y 324.5 millones de litros de alcohol carburante [1], esta actividad agrícola implica significantes residuos de caña de azúcar cercanos a 9 millones de toneladas anuales que se utilizan principalmente como materia prima para la cogeneración de energía en los grandes ingenios. Sistemas de cogeneración de energía aprovechan el 84% de la energía contenida en el combustible en comparación con termoeléctricas convencionales que solo hacen eficiente el 33% de la energía [1]. Procesos de gasificación de bagazo de caña surgen entonces como una alternativa de cogeneración que aprovecha los residuos agrícolas, diversifica la oferta energética del país, disminuye la dependencia de los combustibles fósiles y es considerada como transformación de energía no contaminante. La gasificación es un proceso de combustión incompleta que transforma un combustible sólido en gas combustible que puede ser quemado en motores de combustión interna, turbinas y equipos de producción de calor o potencia [3]. El oxidante utilizado en el proceso juega un papel importante en la composición del gas obtenido, cuando se utiliza aire se genera un gas pobre por ser de bajo poder calorífico (4-7 MJ/m3) debido al alto contenido de nitrógeno, por otra parte cuando se utiliza oxigeno se obtiene un gas síntesis que tiene un poder calorífico mayor en un rango entre (1018MJ/m3.) Para esta investigación se utiliza como oxidante una mezcla entre aire y vapor con el fin de obtener un gas rico en H2, el cual es de mayor calidad desde el punto de vista ambiental, ya que la combustión del hidrogeno produce H2O que no implica ningún tipo de contaminación. Por otra parte usar como oxidante una mezcla entre aire y vapor puede proporcionar al proceso la energía necesaria para hacerlo adiabático (reacciones exotérmica generan la energía necesaria para las. 7.

(8) reacciones endotérmicas) a diferencia de la gasificación usando únicamente vapor (reformado) la cual requiere de energía externa para completar el proceso [5]. La gasificación requiere oxidación parcial para generar una mezcla de gases combustible (CH 4, CO, CO2, H2), esto se obtiene suministrando al proceso aire insuficiente con el fin de evitar la combustión completa. La reacción que representa el proceso de gasificación de cualquier biomasa usando una mezcla de aire vapor se representa por la reacción estequiométrica: (1) Tanto la cantidad de aire como la cantidad de vapor son los parámetros que determinan la fracción molar de los gases producidos, por tal motivo se centraliza la investigación en dos parámetros principales. El primer parámetro estudiado es la relación de equivalencia (ER) que se define como el número de moles de aire estequiometrico para la combustión completa en relación a las moles actuales de aire. El segundo parámetro mide la cantidad de vapor inyectado como oxidante y se denomina relación vapor combustible (SF). Los resultados experimentales obtenidos de las temperaturas y la composición de los gases son mostrados en función de la relación de equivalencia y la relación vapor combustible.. 8.

(9) 3. MARCO TEORICO:. 3.1 Gasificación: El proceso de transformación de un combustible sólido en un gas combustible es un arte antiguo que ha adquirido importancia en los últimos años. El termino gasificación hace referencia a la conversión de un sólido carbonoso (biomasa) en un producto en forma de gas con un poder calorífico útil. Dentro de los procesos de gasificación se excluye totalmente la combustión debido a que sus productos no representan residuos combustibles, por lo tanto la gasificación incluye únicamente procesos de pirolisis, oxidación parcial y reformado aire-vapor u oxigeno-vapor. Las primeras tecnologías de gasificación tenían una importante dependencia de la pirolisis que en la actualidad ha perdido protagonismo convirtiendo a la oxidación parcial y el reformado en un proceso industrial más dominante, donde el gas producido básicamente consiste en una mezcla entre hidrogeno y monóxido de carbono a diferentes proporciones según el oxidante usado en el proceso y las condiciones de operación [3]. 3.1.1 Desarrollo histórico de la gasificación: Solo hasta el siglo XVIII fue utilizado a gran escala el proceso de producción de gas combustible por medio de la pirolisis del carbón. Con la aparición en 1812 de London Gas y Light and Coke Company, finalmente la gasificación logro convertirse en un proceso comercial. El más importante combustible gaseoso usado durante el primer siglo del desarrollo industrial fue el gas de ciudad (town gas) que se obtenía principalmente mediante dos procesos: pirolisis, donde hornos de operación discontinua producían coque y gas con un poder calorífico relativamente alto y el segundo proceso consistía en convertir el coque en una mezcla de hidrogeno y monóxido de carbono por medio de un método discontinuo [3]. Las primeras aplicaciones del gas industrial se limitaban solamente a la iluminación. Posteriormente el gas entro en funcionamiento como fuente de calor y en la industria química, recientemente se adapto para la generación de energía eléctrica. En sus inicios el gas de ciudad producido mediante la gasificación era costoso, por tal razón sus usos eran restringidos para la iluminación y la cocción de alimentos debido a que su utilización tenía grandes ventajas respecto a las velas y el carbón únicas alternativas de la época. En 1900 con la aparición de la bombilla eléctrica el gas fue eliminado como fuente de iluminación, posteriormente en el siglo veinte con el desarrollo de nuevas tecnologías el uso del gas se utilizo ampliamente en el ámbito de la calefacción de espacios 9.

(10) cerrados. Finalmente el uso del gas y del carbón como fuente de calefacción de espacios llego a su fin con la aparición del gas natural que eventualmente representaba menores costos. La desaparición del uso de gas de ciudad se origino principalmente por dos motivos: este tenía un poder calorífico relativamente bajo y además era difícil de transportar a largas distancias de una forma económica. Relacionado a este problema la industria de la gasificación avanzo con el desarrollo paralelo de tubos de metal y nuevos materiales que facilitaran el transporte.[3] Hasta el final de 1920 los únicos gases que podían ser producidos mediante un proceso continuo fueron los gases de alto horno y los gases síntesis. Los gases síntesis eran obtenidos mediante la oxidación de coque con humedad en el aire. Ambos tipos de gases posee un bajo poder calorífico y por lo tanto solo pueden ser usados muy cerca de donde son producidos [5]. El éxito de la producción de gases por medio de oxidación parcial no solo se le atribuía al hecho de la fácil manipulación del combustible sólido, existían también una serie reacciones químicas de importancia que hacían atractivo al proceso. (2). (3) (4). Estas reacciones químicas muestran que solo se invierte el 28% del poder calorífico del carbón en la conversión del combustible sólido al gas CO, el restante 72% de la energía es conservado dentro del gas producido. Teniendo en cuenta que la gasificación se origino como una fuente de iluminación y calor, en los años 1900 adquiere una importancia en el ámbito de la química debido a que el monóxido de carbono producido podía reaccionar con H2O (water shift reaction): (5). La cual hace posible que el vapor de agua se convierta en hidrogeno o en un gas síntesis (mezcla entre H2 y CO) que fueron ampliamente utilizados para la producción de amoniaco y el metanol síntesis respectivamente. [3] Posteriormente en los años 70 con la llegada de la primera crisis del petróleo y la escasez del gas natural, la investigación en la gasificación vuelve a incentivarse como un proceso de producción 10.

(11) importante para la producción de gases combustible. Finalmente el siglo XXI atraviesa por una crisis energética en donde gran parte de los recursos mundiales se invierten para la tecnología de nuevas formas de transformación de energía que remplacen la dependencia de los combustible fósiles y demás recursos no renovables. 3.1.2 Gasificación en la actualidad: El incremento de los precios de la energía han sido la principal razón para el surgimiento o el nuevo renacimiento en la tecnología de la gasificación como alternativa energética, durante los últimos 15 años se ha incrementado la producción de singas a nivel mundial. El precio del petróleo 20 años antes del 2003 variaban entre 20 y 30 dólares por barril, a partir del 2005 hasta la actualidad el precio fluctúa de 55 a 100 dólares por barril. Un caso similar ocurre con el precio del gas natural en los Estados Unidos. La percepción de esta tendencia del alza en los precios de la energía convencional sumada a la rápida industrialización de países como China e India que causan un aumento significativo en la demanda mundial de energía logran que el mundo encuentre en el carbón como una fuente importante de alternativa energética especialmente por su disponibilidad. La gasificación de carbón puede significar la generación de una amplia gama de productos en el ámbito de la energía, industria química, substitución de gas natural y transporte de combustibles. [3] Desde que la gasificación incremento la aceptabilidad del carbón en el campo ambiental, la generación de energía eléctrica ha emergido como un nuevo campo de desarrollo de mercado para la tecnología de gasificación. La idea de usar gas síntesis como combustible en turbinas a gas se ha retomado como una propuesta aceptable aunque se había originado en 1950 por Gumz, sumado al uso del carbón en la industria química para la fabricación de algunos productos como el amoniaco. En uso de la gasificación de residuos para obtención de hidrogeno y el surgimientos de algunas refinerías donde se introduce la gasificación para la desulfuración de combustibles y producción de energía hacen que la gasificación retome una importancia significativa en el mercado de la transformación de energía renovable. 3.1.3 Proceso de gasificación: Gasificación se define como la conversión termoquímica de un combustible sólido (biomasa) en un gas combustible que es portador de energía y se obtiene por medio de la oxidación parcial a altas temperaturas. El gas combustible o gas síntesis es por lo general de bajo poder calorífico ( 5MJ/m3) y puede ser quemado en motores de combustión interna, equipos de producción de potencia o turbinas. 11.

(12) Los procesos de gasificación se dividen en tres grandes ramas: reformado, oxidación parcial y gasificación pirolítica. La gasificación pirolítica se caracteriza por calentar el combustible sólido a elevadas temperaturas en ausencia de oxigeno (no disponibilidad de aire). La oxidación parcial requiere de una relación de equivalencia mayor a uno, es decir menor cantidad de aire que el estequiometrico para la combustión completa, es un proceso exotérmico y se alcanzan altas temperaturas de gasificación. El reformado vapor utiliza como oxidante una mezcla entre airevapor, oxigeno vapor o puro oxigeno. Procesos de gasificación por reformado alcanzan porcentajes más altos en la producción de hidrogeno [6]. El proceso de gasificación se ejecuta en una cámara de combustión cerrada y sellada en donde por lo general se trabaja con presiones internas un poco por debajo de la presión atmosférica (lecho fijo). El proceso se desarrolla en 4 etapas básicas que ocurren en distintas zonas dependiendo del tipo de reactor utilizado en el proceso, las etapas se clasifican en: -Secado: En la zona delimitada como secado la temperatura se encuentra en valores cercanos a 100 0. C y el calor reacciona con la biomasa removiendo la humedad del combustible.. - Pirolisis: Es un proceso en el cual la biomasa experimenta una descomposición térmica en ausencia del oxigeno. La temperatura en la zona de pirolisis varía entre 200-600 0C en esta etapa el combustible sólido reacciona con el calor para producir materia volátil, carbón (char) y algunos gases. - Reducción: En esta zona numerosas reacciones químicas ocurren a elevadas temperaturas, en especial el carbón producido en la pirolisis reacciones con gases como el hidrogeno o el dióxido de carbono. - Oxidación: En esta zona el aire o el oxidante suministrado al proceso reacciona con el char producido, este procesos se lleva a cabo a altas temperaturas mayores a 800 0C.. 3.1.4 Tipos de reactores: En la actualidad existen diferentes tipos de gasificadores que se diferencian básicamente por la forma como la biomasa y el oxidante interactúa dentro del reactor. Sin embargo los reactores de mayor importancia se clasifican en: reactores de lecho fijo (corriente ascendente o corriente descendente), reactores de lecho fluidizado y reactores de arrastre.. 12.

(13) Imagen 1: Tipos de reactores en procesos de gasificación. Adaptado de [12]. Los diferentes tipos de reactores y la interacción de la biomasa con el oxidante se ilustran en la imagen 1. El reactor de lecho fijo trabaja prácticamente a presión atmosférica, la alimentación de la materia prima se realiza por la parte superior del reactor y desciende por la acción de la gravedad. El oxidante se suministra por la parte inferior del reactor. Cuando la biomasa reacciona con el oxidante se produce un gas que asciende y se evacua por la parte superior del reactor mientras que las cenizas descienden para ser acumuladas. En el reactor de arrastre tanto la alimentación como el oxidante se suministran en la parte superior del reactor, dentro del reactor altas temperaturas, elevadas presiones y un flujo extremo turbulento causan la transformación de biomasa a gas rápidamente alcanzado altos rendimientos. En un reactor de lecho fluidizado se introduce aire a través de un lecho de partículas sólidas a velocidades necesarias para mantenerlas en estado de suspensión. El proceso inicia calentando externamente el lecho y el material de alimentación se introduce tan pronto como se alcanza una temperatura suficientemente elevada. Las partículas del combustible se introducen por el fondo del reactor, se mezclan muy rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente alcanzando la temperatura del lecho. Como resultado de este tratamiento, el combustible pasa por el proceso de pirolisis muy rápidamente, dando como resultado una mezcla de componentes, con una cantidad relativamente elevada de materiales en forma de gas. [13]. 13.

(14) 3.1.5 Gasificación en reactor de lecho fijo: En los gasificadores de lecho fijo, el combustible ingresa por la parte superior del reactor mientras que el agente oxidante (mezcla de aire vapor) se inyecta en la parte inferior del gasificador (fluyen en direcciones contrarias). La mezcla entre aire y vapor reacciona con la biomasa para producir gases y ceniza. Los gases producidos ascienden y salen del reactor, mientras que las cenizas descienden para ser evacuadas.. Imagen 2: Proceso de gasificación en lecho fijo en contracorriente. Adaptado de [13]. En la parte superior del reactor tiene lugar el secado de la biomasa, en esta zona la biomasa es lentamente calentada y se libera H2O, la humedad de la biomasa es removida. La temperatura aproximada en esta zona de secado varía entre 100-200 grados centígrados. La biomasa desciende y llega a la zona de pirolisis en donde el combustible sólido produce algunos gases, alquitrán y carboncillo (char), las temperaturas dentro de esta zona tienen una fluctuación entre 250-600 grados centígrados, aquí es liberada la materia volátil de la biomasa. Posteriormente la biomasa ingresa en la zona de reducción en donde la temperatura varía entre 600-900 grados. En la zona de reducción y combustión, el carboncillo (producido en la pirolisis) reacciona con O2, H2O, H2, y CO2 para producir finalmente CO2, CO, H2 y CH4. En la zona de oxidación ocurren reacciones exotérmicas que liberan calor y son fuente de energía para las reacciones que suceden en las zonas superiores de la cama y que requieren una fuente de calor (pirolisis y secado) [5].. 14.

(15) 3.1.6 Ecuaciones de gasificación: De manera generalizada las reacciones que ocurren en la gasificación de biomasa pueden ser modeladas con las siguientes ecuaciones. Combustible Sólido + Calor = Materia Volátil + Char (6) C+O2 = CO2,. HR = -32765 kJ/Kg c. (7). C+ ½ O2 =CO. HR = -9205 kJ/Kg c. (8). C + CO2 = 2CO,. HR = 14360 kJ/Kg c (9). CO + ½ O2 = CO2,. HR = -10105 kJ/Kg c (10). C + H2O = CO + H2,. HR = 10930 kJ/Kg c (11). CO + H2O =CO2 + H2. HR = -1470 kJ/Kg c (12). C + 2H2 =CH4. HR = -6230 kJ/Kg c (13). En cada una de estas ecuaciones una entalpia de reacción reacción exotérmica y por lo tanto una reacción con HR. HR. indica que allí ocurre una. indica una reacción endotérmica que. requiere de calor [5]. Las reacciones heterogéneas (1) y (2) tiene lugar en la zona de combustión, mientras que las ecuaciones homogéneas (4) y (6) acurren en las zonas bajas del reactor. La entalpia total del proceso de gasificación de biomasa puede llegar a alcanzar un valor de cero si se utiliza como oxidante una mezcla entre aire y vapor.. 3.2 Biomasa: Se denomina biomasa a todo tipo de materia orgánica de origen animal o vegetal que se origina como resultado de un proceso de conversión de fotosíntesis. La biomasa puede utilizarse directamente como en la combustión de madera o indirectamente cuando pasa por un proceso de transformación en un combustible líquido o gaseoso (producción de etanol o gasificación).El valor energético de la biomasa de materia vegetal proviene originalmente de la energía solar a través la fotosíntesis [4]. La energía química que se almacena en las plantas y animales, o en los desechos 15.

(16) que producen, se denomina bioenergía. Durante procesos de conversión tales como la combustión, la biomasa libera su energía, a menudo en la forma de calor, y el carbón se oxida nuevamente a dióxido de carbono para restituir el que fue absorbido durante el crecimiento de la planta. La energía neta disponible en la biomasa por combustión es de alrededor de 8MJ/kg para la madera verde, 20MJ/kg para la materia vegetal seca, 55MJ/kg para el metano; en comparación con cerca de 23 a 30MJ/kg para el carbón [4]. 3.2.1 Aplicaciones de la Biomasa: La producción de biocombustibles tales como el etanol y el biodiesel tiene el potencial de sustituir cantidades significativas de combustibles fósiles en varias aplicaciones de transporte. El uso extenso del etanol en Brasil ha demostrado que los biocombustibles son técnicamente factibles en gran escala. La producción de biocombustibles en los EE.UU. y Europa (etanol y biodiesel ) está aumentando, siendo la mayoría de los productos utilizados en combustible mezcla, y se ha descubierto que es eficaz en la mayoría de los motores de ignición sin ninguna modificación. En la actualidad la producción de biocombustibles es apoyada con incentivos del gobierno, pero en el futuro, con el crecimiento de los sembrados dedicados a la bioenergía, y las economías de la escala, las reducciones de costos pueden hacer competitivos a los biocombustibles [7]. Los biogases producidos de la gasificación, digestión o la pirolisis anaerobia tienen un número de aplicaciones. Pueden ser utilizados en motores de combustión interna para accionar turbinas para la producción eléctrica, puede utilizarse para producir calor para necesidades comerciales y domésticas, y en vehículos especialmente modificados como un combustible. La electricidad puede ser generada a partir de un número de fuentes de biomasa y al ser una forma de energía renovable se la puede clasificar como "energía verde". La producción de electricidad a partir de fuentes renovables de biomasa no contribuye al efecto invernadero ya que el dióxido de carbono liberado por la biomasa cuando es quemado, (directa o indirectamente después de que se produzca un biocombustible) es igual al dióxido de carbono absorbido por el material de la biomasa durante su crecimiento [7]. La combustión de la biomasa o de biogás puede utilizarse para generar calor y vapor. El calor puede ser el producto principal, en usos tales como calefacción de hogares y cocinar, o puede ser un subproducto de la producción eléctrica en centrales combinadas de calor y energía. El vapor generado por la biomasa puede utilizarse para accionar turbinas de vapor para la producción. 16.

(17) eléctrica, utilizarse como calor de proceso en una fábrica o planta de procesamiento, o utilizarse para mantener un flujo de agua caliente. 3.2.2 Ventajas del uso de la biomasa: La biomasa es una fuente renovable de energía y su uso no contribuye al calentamiento global. De hecho, produce una reducción los niveles atmosféricos del bióxido de carbono, cuando actúa como recipiente y el carbón del suelo puede aumentar. Los combustibles de biomasa tienen un contenido insignificante de azufre y por lo tanto no contribuyen a las emisiones de dióxido de azufre que causan la lluvia ácida. La combustión de la biomasa produce generalmente menos ceniza que la combustión del carbón, y la ceniza producida se puede utilizar como complemento del suelo en granjas para reciclar compuestos tales como fósforo y potasio. La conversión de residuos agrícolas, de la silvicultura, y la basura sólida municipal para la producción energética es un uso eficaz de los residuos que a su vez reduce significativamente el problema de la disposición de basura, particularmente en áreas municipales. La biomasa es un recurso doméstico, que no está afectado por fluctuaciones de precio a nivel mundial o a por las incertidumbres producidas por las fuentes de combustibles importados. En países en vías de desarrollo en particular, el uso de biocombustibles líquidos, tales como biodiesel y etanol, reduce las presiones económicas causadas por la importación de productos de petróleo. Los cultivos para energía perennes (las hierbas y los árboles) tienen consecuencias para el medio ambiente más bajas que los cultivos agrícolas convencionales.. 3.3 Bagazo de caña de azúcar: Según las estadísticas el sector azucarero en Colombia es el más productivo a mundial en la producción azucarera con 14.6 Toneladas por hectárea al año (2006-2007), por encima de países como Australia, Brasil y Estados Unido. Imagen [3]. 17.

(18) Imagen 3: Principales productores de caña de azúcar por hectáreas en toneladas anuales. Tomado [1]. En el 2009 Colombia ocupo el puesto 17 en la producción mundial de azúcar alcanzando 23.58 millones de toneladas (con un aumento de 23% frente al año anterior) y 324.5 millones de litros de alcohol carburante [1]. Esto implica residuos agrícolas de caña de azúcar de aproximadamente 9 millones de toneladas al año. Estos residuos son utilizados para la combustión de las hornillas paneleras y azucareras, enmienda de suelos y producción de papel. En las fábricas de azúcar y alcohol de la región, se emplea actualmente el bagazo de la caña como combustible en las calderas que generan el vapor que necesitan las turbinas para el accionamiento de generadores eléctricos, molinos de trapiches, bombas centrífugas, ventiladores. Por otra parte, la producción de etanol implica la utilización del cultivo de caña de azúcar que su vez se utiliza como alimento, esto puede generar un enfrentamiento en el uso de este recurso natural.. 18.

(19) 4. ESTUDIOS PREVIOS DE GASIFICACIÓN: Diversos estudios de gasificación de biomasa han sido publicados con diferentes tipos de reactores y usando diversos oxidantes en el proceso. En esta sección se realiza una revisión general de los resultados obtenidos, principalmente en gasificación de reactores de lecho fijo de pequeña escala y gasificación de bagazo de caña en diferentes tipos de reactores.. Investigaciones previas de gasificación en reactores de lecho fijo realizadas por Gordillo [5] en “Adiabatic fixed bed gasification of diary biomass with air and steam”, muestran los resultados de pruebas experimentales. en un reactor de pequeña escala (10KW). Los estudios se enfocan. principalmente en el efecto de la relación de equivalencia y la relación vapor-combustible respecto a la composición de los gases y la eficiencia en la conversión de energía. Los resultados obtenidos muestran que un aumento en la relación de equivalencia (ER) causa un aumento en la producción de H2 y CO2 pero a su vez disminuye la temperatura pico de gasificación, la eficiencia de conversión de energía además de la producción de CO. Por otra parte el incremento en la relación vapor combustible aumenta la producción de H2, CO2 y CH4 mientras que produce una disminución en la producción de CO y la eficiencia de conversión de energía. Tanto las dimensiones del reactor como su capacidad, tasa de alimentación y condiciones de operación son muy similares al reactor construido para las pruebas de gasificación de bagazo de caña. En cuanto a estudios experimentales de gasificación de bagazo de caña de azúcar la mayor parte de la literatura e investigación se centran en gasificadores de media y alta escala para una producción a gran escala de gases combustibles como por ejemplo: „‟Evaluation of cyclone gasifier performance for gasification of sugar cane residue 1: gasification of bagasse” por Gabra [8]. En este documento se muestran los resultados cuando polvo de bagazo se introduce en un ciclón con aire y vapor como medio de transporte. Se realizan pruebas de gasificación que varían de 39 a 52Kg/h en cuanto a la alimentación de biomasa. Siete experimentos son llevados a cabo variando la relación de equivalencia. Se logra separar alrededor de 60-70% de alkali que se encuentra en el combustible por medio del ciclón. En cuanto a la producción de H2 los resultados experimentales llegan a valores que varían de 7 a 9 %, la producción de CO alcanza valores de 12%. Aunque se tiene en cuenta la relación de equivalencia en cada una de las pruebas experimentales, no es el parámetro principal de análisis. Las pruebas se centran en los contaminantes de los gases producidos y en la viabilidad para el uso comercial del gas.. 19.

(20) ”Exergy analysis of sugarcane bagasse gasification”por Pellegrini [9] muestra un modelo simplificado para el proceso de gasificación basado en consideraciones de equilibrio químico. El modelo consiste en minimizar la energía libre de Gibbs en el gas producido. Dentro del modelo propuesto se evalúan algunas variables como temperatura de gasificación, porcentaje de humedad, temperatura del aire entre otras. En cuanto a estudios experimentales de gasificación de biomasa gran parte ellos muestran los resultados experimentales en gasificadores de lecho fluidizado. En “An experimental study of biomass air-steam gasification in fluidized bed” [10]: Se realizan una serie de experimentos con el fin de investigar la temperatura del reactor, la relación entre la biomasa y el vapor, la relación de equivalencia y el tamaño de las partículas del gas producido. Los resultados muestran que altas temperaturas contribuyen con la producción de hidrogeno, sin embargo temperaturas muy elevadas ocasionan un poder calorífico menor en el gas producido. En cuanto al poder calorífico del gas los resultados muestran que existe una disminución de este valor a medida que se aumenta la relación de equivalencia. Cuando se compara gasificación de biomasa en oxidación parcial con reformado aire vapor, se encontró que introducir vapor al oxidante mejora considerablemente la calidad del gas producido. En cuanto al tamaño de partícula se concluye que un tamaño más pequeño produce un gas con un mayor poder calorífico. Otro tipo de estudios realizados en pruebas experimentales de gasificación como: “Air steam gasification of biomass in fluidized bed: process optimisation by enriched air”realizado por Campoy [11]: muestran los resultados de gasificación cuando el enriquecimiento del aire se incrementa (oxigeno) de 21% a 40% donde se obtiene un aumento de la eficiencia de la gasificación de 54% a 68%. Las mejores condiciones se encontraron para la relación vapor-biomasa en un rango entre 0.25-0.35. A pesar de que existen diferentes estudios en procesos de gasificación, la gran mayoría centran los análisis en procesos de gran escala. Existe poca documentación de gasificadores de pequeña escala especialmente en reactores de lecho fijo en contracorriente. El actual documento no solo describe los resultados en cuanto a los parámetros ER y SF sino que muestra el proceso completo de instalación y calibración de equipos, modificación y pruebas en el mecanismo de alimentación entre otros procedimientos para hacer posible un proceso de gasificación (in situ) como alternativa de abastecimiento de energía en pequeños trapiches o grandes ingenios.. 20.

(21) 4.1 Modelo de gasificación de bagazo de caña de azúcar: La experimentación en gasificación de bagazo de caña de azúcar parte de un modelo de simulación computacional realizado por Rodríguez [2] en donde la fracción molar de los principales gases combustibles producidos mediante el proceso de gasificación de bagazo de caña de azúcar y de cascarilla de café han sido simulados mediante EES (Engineering equation solver) y CEA (chemical equilibrium with application). Las graficas que se obtienen de los datos simulados ilustran el comportamiento (porcentaje de fracción molar) de los principales gases producidos (CO 2, CO, H2, CH4) en función de los parámetros relación de equivalencia (ER) y relación vapor combustible (SF).. Imagen 4: Producción de H2 y CO a partir de gasificación de bagazo de caña de azúcar. Adaptado [2]. La imagen 4 muestra el porcentaje molar de hidrogeno y monóxido de carbono al variar el valor de relación de equivalencia entre 1-6 con 3 valores diferentes en la relación vapor combustible (0.3, 0.5, 0.8). En el caso de la producción de hidrogeno, el estudio indica que existe un aumento significativo de forma lineal al aumentar la relación de equivalencia, siendo 0% la producción de hidrogeno con una relación de equivalencia de 1 (combustión completa) hasta alcanzar un valor de 30% de la fracción molar en valores cercanos a 4 de ER. Por otro lado no se evidencian cambios significativos con valores mayores en la relación de equivalencia (entre 4-6). La relación vapor combustible no parece tener incidencia en la producción de hidrogeno, sin embargo se observa que al aumentar SF existe también un pequeño aumento de hidrogeno en la gasificación.. 21.

(22) La producción de CO al igual que la de hidrogeno se altera principalmente con el aumento de la relación de equivalencia pero esta presenta un. punto de inflexión. Este valor máximo en la. producción de CO se observa en valores cercanos de 3.5 en la relación de equivalencia, el máximo valor de CO producido se encuentra cercano al 20%. Por otro lado se evidencia que al aumentar la relación vapor combustible (SF) se produce una menor producción de este gas principalmente cuando la relación vapor combustible es mayor a 2.. Imagen 5: Producción de CO2 y CH4 a partir de gasificación de bagazo de caña de azúcar. Adaptado [2]. La imagen 5 muestra el porcentaje molar de metano (CH4) y dióxido de carbono al variar nuevamente el valor de relación de equivalencia entre 1-6 con 3 valores diferentes en la relación vapor combustible. Los resultados muestran que la producción de CH4 es bastante pobre con relaciones de equivalencias bajas siendo la producción de este gas nula en un rango entre 1-3 de la relación de equivalencia, con valor valores mayores a 4 en la relación de equivalencia se observa un aumento importante principalmente cuando la gasificación tiene valores más pequeños en la relación vapor combustible. El valor máximo se obtiene con la máxima relación de equivalencia donde también se observan las mayores diferencia cuando se varia la relación vapor combustible. En cuanto al dióxido de carbono los resultados muestran una fluctuación entre 6-14%. Inicialmente en combustión completa (ER=1) el porcentaje molar de CO2 tiene un valor de 13% que disminuye con el aumento de la relación de equivalencia hasta su punto de inflexión que se presenta en valores cercanos a 2.5 de relación de equivalencia, aquí alcanza su valor mínimo de 6% de la fracción molar. Valores mayores a 2.5 en la relación de equivalencia producen un aumento en la producción de CO2. El máximo valor en porcentaje de CO2 se obtiene con una relación de equivalencia máxima combinada con el valor masa grande en la relación vapor combustible. 22.

(23) 5. OBJETIVOS:. 5.1 Objetivo general: Investigar el efecto de la relación de equivalencia (ER) y la relación vapor-combustible (SF) en la composición de gases producidos por la gasificación del bagazo de caña de azúcar usando como oxidante una mezcla de aire y vapor para la parcial oxidación.. 5.2 Objetivos específicos: Realizar una revisión bibliográfica con respecto a las investigaciones más recientes de temas relacionados con gasificación de bagazo, haciendo un especial énfasis en procesos de gasificación con mezcla de aire y vapor. Obtener y preparar las muestras de biomasa utilizadas como materia prima (desechos de caña de azúcar) para la gasificación de bagazo realizando los correctos procedimientos de pre-tratamiento. Realizar la calibración, instalación e instrumentación del gasificador de lecho fijo con flujo paralelo y otros equipos, que serán utilizados para la ejecución de las pruebas. Ejecutar el proceso de experimentación para la obtención de gas combustible a partir de bagazo, variando progresivamente la relación de equivalencia en un rango aproximando entre 1.5-6 de este valor. Variar la relación que existe entre vapor-combustible en la gasificación de biomasa para valores que oscilan entre 0.2-0.8. Analizar, comparar y describir que efecto tiene la relación de equivalencia y la relación vaporcombustible en la composición del gas y su repercusión en su valor energético final.. 23.

(24) 6. INSTACIÓNES, MONTAJES Y CALIBRACIÓN DE EQUIPOS: El sistema de gasificación se compone de los siguientes equipos: un reactor de lecho fijo, un generador de vapor, una unidad para la toma de muestras de los gases producidos, una caja de control, un sistema de precalentamiento de la parrilla, un sistema de adquisición de datos de temperatura, la tolva y el tornillo sin fin para la alimentación controlada de la materia prima y un sistema de vibración para la remoción de las cenizas. Cada uno de los componentes se adaptó y ensambló para la experimentación requerida, las curvas de calibración de algunos equipos y la adición de nuevos componentes fueron añadidas al montaje a medida que se avanzaba en la experimentación. 6.1 Reactor: Se cuenta con un reactor de lecho fijo de pequeña escala con una altura aproximada de 2.05 metros desde la base del soporte hasta la parte superior del sistema de alimentación. El reactor por su parte tiene una altura de 1.08 m y se encuentra dividido en 5 secciones, cada una de estas secciones tiene una altura aproximada de 0.215 m. La primera sección se diseño con el fin de acumular las cenizas producidas durante la experimentación, cuenta a su vez con una compuerta para el ingreso del sistema que precalienta la parrilla y la remoción de las cenizas producidas en el proceso de gasificación. En la segunda sección se localiza la entrada del oxidante, allí se conecta con el flujo de aire y vapor por medio de una serie de reducciones y válvulas que permiten el control de flujos y protegen la integridad los equipos. En la tercera sección se localiza la parrilla que tiene un ángulo pequeño de inclinación y agujeros de ½ pulgada de diámetro que permiten el paso de las cenizas hacia la parte inferior del reactor, esta recamara está equipada a su vez con un juego de 8 termocuplas tipo K que monitorean las mediciones de temperatura de la cama de biomasa durante todo el proceso (imagen 6). Las 2 secciones superiores del reactor fueron construidas con el fin de contener los gases producidos por la gasificación y permitir el paso de la alimentación de biomasa.. 24.

(25) Imagen 6: Ilustración del reactor de lecho fijo usado en la experimentación.. El reactor está construido en un tubo refractario con un diámetro externo de 35cm, cada una de las secciones en su interior se encuentran rellenada con dos cilindros de cemento uno de estos es refractario, mientras que el otro es aislante con el fin de minimizar las pérdidas de calor. Después del ensamblaje se realizaron pruebas herméticas en el reactor inyectando aire para detectar cualquier tipo de escape, se confirmo un sello total cuando el reactor mantuvo presión interna que fue monitoreada mediante un manómetro. Modificaciones en el reactor: Se modifico totalmente el diseño de la compuerta inferior que permitía el ingreso de aire e imposibilitaba que el reactor fuera hermético. (Imagen 7) Pequeños agujeros en la superficie del reactor detectados en las pruebas herméticas fueron sellados a través de puntos de soldadura. El sello entre cada una de las secciones fue ajustado a través de un cordón grafitado en asbesto que se coloco entre cada una de las secciones del reactor. La posición de la parrilla y la distancia a cada una de las termocuplas se ajusto con el fin de tener un control adecuado en el lecho de biomasa.. 25.

(26) Imagen 7: Modificaciones en el reactor. 6.2 Generador de vapor: Se construye un generador de vapor que consta de un cilindro metálico de 16‟‟ de longitud con un diámetro interno de 4” que se encuentra rodeado por una cinta eléctrica calentadora que varia su potencia en un rango entre 0.1-1.2KW. El evaporador se encuentra aislado térmicamente mediante fibra de vidrio. Con la construcción de las curvas de calibración que relacionan la potencia de entrada con el flujo de vapor producido y el uso de un flujo-metro de agua en cada una de las pruebas, se aseguran los valores de vapor necesarios para la ejecución de cada una de las pruebas.. Imagen 8: Generador de vapor. 26.

(27) Con el fin de proporcionar un flujo de vapor constante en el proceso de gasificación, se mantiene el mismo nivel de agua dentro del evaporador durante la experimentación. Este nivel se verifica mediante un medidor de vidrio que muestra una columna de agua. (Imagen 8). Mediante la lectura de un flujometro de agua se realiza el control de la cantidad de agua que ingresa al evaporador. Para garantizar el nivel de agua constante se realizan los cálculos de volumen de vapor producido a una potencia fija (W) en la cinta eléctrica. Se ajusta el vapor producido por hora que es igual a la cantidad de agua que ingresa al evaporador cuando el nivel se mantiene constante. 6.2.1 Curvas de calibración del generador de vapor: Las curvas de calibración del generador de vapor relacionan la potencia de entrada en la cinta eléctrica calentadora (heating tape) con el flujo de vapor producido. Durante cada una de las pruebas se mantiene constante el nivel del agua dentro del recipiente mediante un rotámetro de agua que ajusta el flujo de agua deseado. La grafica 1 muestra el vapor producido por hora en un rango de potencia entre 330 y 1025 vatios.. Potencia vs flujo de vapor 1200. y = 0,630x + 227,1 R² = 0,992. Potencia W. 1000 800 600 400 200 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 1400. Flujo de vapor Kg/h. Imagen 9: Curvas del flujo de vapor vs potencia.. Para el caso práctico en la experimentación de gasificación el rango de operación de flujo de vapor es bastante reducido. Una relación vapor combustible de 0.75 se alcanza prácticamente con una potencia no mayor a 4.5 vatios, por tal motivo se realizaron una serie de pruebas especialmente en los puntos de operación donde se obtienen los siguientes resultados. 27.

(28) Flujo de vapor (Experimentación) Corriente (A). Potencia Min Max (W) (mL/h) (mL/h). 3 3.5 4 4.5. 330 385 440 495. 150 230 330 400. 170 270 350 410. Promedio (mL/h) 163.33 253.33 336.67 406.67. Tabla 1: Valores promedio e incertidumbre en puntos de operación para el flujo de vapor.. Para cada valor de potencia se tomaron 4 datos y la tabla muestra el valor mínimo el máximo además de su valor promedio que finalmente fue el utilizado en la experimentación. Valores intermedios para el flujo de vapor se calcularon a través de la ecuación que representa la regresión lineal de los datos tomados (Imagen 10).. Potencia vs flujo de vapor 550. Potencia (W). 500 450. y = 0,674x + 217 R² = 0,996. 400 350 300 250 -. 100,00. 200,00. 300,00. 400,00. 500,00. Agua evaporada (ml/h) Imagen 10: Curvas del flujo de vapor en los puntos de operación.. 6.3 Sistema de muestra de gases: No todos los gases producidos en el proceso de gasificación son analizados, la gran mayoría de estos son enviados directamente al ambiente mientras que una pequeña cantidad es tomada como muestra con el fin de obtener su composición. Como protección del analizador de gases se diseña un sistema en donde las muestras atraviesan primero en medio de 2 condensadores con agua fría a 00C que remueven el alquitrán y la humedad que poseen los gases, posteriormente los gases pasan por dos filtros que eliminan las partículas y finalmente la bomba del analizador absorbe la cantidad de gas necesaria para el análisis de su composición. 28.

(29) Los gases generados en el proceso de gasificación se evacuan gracias a un extractor ubicado al final del circuito de expulsión de gases que garantiza un tiro fuerte y presiones negativas de gasificación. Durante la mayor parte de la experimentación la válvula ubicada a la salida de los gases permanece abierta para que los gases circulen directamente al ambiente. Cuando la válvula se cierra obliga a que los gases circulen por el circuito de filtros y condensadores teniendo así un control para la toma de muestras de la composición de los gases.. Imagen 11: Esquema del sistema de filtro de gases.. 6.4 Panel de control: Se diseñó una caja de control en donde se ubica cada uno de los instrumentos que actúan en el control de las variables para el estudio de los parámetros de la gasificación. El motor de alimentación, el variador de frecuencias, el vibrador de alimentación, la potencia de la cinta eléctrica calentadora y la adquisición de los datos de temperatura se accionan y ajustan desde el panel de control.. 29.

(30) Imagen 12: Panel de control. 6.5 Adquisición de datos de temperatura: Se monitorean las temperaturas en el reactor a diferentes alturas de la cama mediante 8 termocuplas tipo K localizadas a diferentes alturas respecto a la parrilla. Los datos de temperatura se visualizan continuamente en una pantalla y se registran datos cada 30 segundos.. Imagen 13: Data logger y termocuplas.. Los datos de temperatura durante la experimentación se almacenan para posteriormente ser observados y analizados. El data logger de temperatura tiene una pantalla táctil para su configuración y desde allí es controlado el proceso de gasificación en cuanto a las zonas de temperatura.. 30.

(31) 6.6 Sistema de alimentación: El sistema de alimentación de biomasa consta básicamente de una tolva y un tornillo sin fin que se encuentra conectado a un motor eléctrico (imagen 14). Para controlar la velocidad del motor eléctrico, se adaptó un variador de frecuencia con el que se obtiene un rango de alimentación de 600 a 6200 g/h. Las curvas de alimentación relacionan la frecuencia de funcionamiento del motor con la masa de combustible que ingresa al reactor por hora.. Imagen 14: Sistema de alimentación de biomasa. Modificaciones en el sistema de alimentación: - Las primeras pruebas experimentales de alimentación evidenciaron que las frecuencias para alcanzar la cantidad de biomasa requerida eran extremadanamente bajas. Se añadió al sistema de alimentación una reducción de velocidad por medio de engranajes con el fin de operar el variador a frecuencias más razonables entre 10-20 Hz. -. Una discontinuidad en la alimentación sumada a poca una nula biomasa al final del tornillo. sinfín en pruebas preliminares de alimentación mostraron un problema en el flujo de biomasa desde la tolva hacia el tornillo sinfín. Se implemento un vibrador mecánico sobre la tolva que actúa básicamente como un motor con una excentricidad marcada que genera vibración como solución al problema de fluidez.. 31.

(32) - Pruebas de hermeticidad en el gasificador evidenciaron escapes principalmente en la tapa de la tolva de alimentación. Se añadió a la tapa un sello junto a 4 prensas manuales que confirmaron la hermeticidad del sistema. 6.6.1 Pruebas de alimentación: Controlar el flujo de biomasa alimentada es uno de los parámetros de mayor importancia en el proceso, por tal razón se realizaron diferentes pruebas de flujo de bagazo de caña de azúcar a diferentes frecuencia, la masa acumulada en determinado tiempo fue pesada para obtener los resultados que se muestran en la siguiente grafica. (Imagen 15). Alimentación de biomasa Alimentacion de bagazo (Kg/h). 7,00 6,00 5,00. y = 0,122x + 0,021 R² = 0,999. 4,00 3,00 2,00 1,00 0. 10. 20. 30. 40. 50. Frcuencia (Hz). Imagen 15: Alimentación de bagazo de caña vs frecuencia del motor.. La tabla 2 muestra un resumen de los datos adquiridos durante las pruebas de alimentación de biomasa. Para cada una de las frecuencias se realizaron 4 repeticiones, la tabla muestra el mínimo el máximo y el promedio de cada una de ellas.. 32.

(33) Alimentación de bagazo de caña (g/h) HZ Frecuencia 10 12.5 15 20 25 50. Incertidumbre de alimentación Min 1130 1430 1781 2437 3048 5964. Max 1284 1560 1950 2559 3206 6246. Promedio 1,201 1,506 1,882 2,516 3,105 6,105. Tabla 2: Valores promedio e incertidumbre en alimentación de bagazo de caña.. Para la experimentación de gasificación en donde la alimentación de biomasa es relativamente baja, se usa un rango en el variador de frecuencia que oscila entre 8-12Hz. Por otro lado para el llenado inicial de la cama se calculo el tiempo promedio en el cual la altura de bagazo de caña alcanza un valor de 14cm además de los cálculos del tiempo durante el cual el tornillo se llena de biomasa. Cada uno de estos tiempos se tomó durante 5 repeticiones para obtener un valor promedio experimental. La tabla muestra los resultados obtenidos, el valor de inicio experimentación hace referencia al tiempo que total que toma el llenado del tornillo mas el llenado del lecho dentro del gasificador a una frecuencia de 50Hz. Alimentación inicial del lecho de bagazo tiempo (min) Min 1.95 2.06 NA. Llenado del tornillo Altura total lecho Inicio experimentación. Max 2.11 2.16 NA. Promedio 2.05 2.12 4.17. Tabla 3: Parámetros y tiempos de llenado del lecho de biomasa en alimentación.. 6.7 Remoción de cenizas: El equipo cuenta con un sistema para remover las cenizas que funciona con un vibrador neumático el cual varía su frecuencia gradualmente cuando se aumenta el flujo de aire al que se encuentra conectado mediante una manguera delgada. El aire comprimido ingresa al vibrador y causa el movimiento de una esfera, este movimiento causa una vibración sobre todo el artefacto. La frecuencia de vibración varía con la presión de aire que ingresa en el vibrador, a mayor presión mayor frecuencia de vibración. Este sistema de vibración se encuentra acoplado a la parrilla mediante un eje de acero. En la experimentación el accionamiento del vibrador neumático se realizó de forma manual y se graduó mediante la válvula de acceso de aire comprimido.. 33.

(34) Imagen 16: Vibrador neumático para remoción de cenizas.. Modificaciones en el vibrador: El gasificador inicialmente se construyó con un sistema de remoción de cenizas compuesto por un motor conectado a una leva que estaba en contacto con el eje principal que sostiene la parrilla. Al accionar el motor, la leva golpeaba repetidamente al eje produciendo una vibración sobre la parrilla que sostiene la biomasa. Sin embargo este sistema de vibración presentaba las siguientes limitaciones: La velocidad nominal del motor era excesivamente alta y la frecuencia de vibración además de la amplitud no solo removían las cenizas sino que desocupaban rápidamente la biomasa dentro del gasificador. El diseño de la leva no era el apropiado y el contacto entre la leva y el eje generaban fuertes golpes de grandes amplitudes. El motor funcionaba a una velocidad constante. Esto impide la variación de la frecuencia de vibración. Para la solución de esto era necesario adquirir un variador de frecuencia monofásico. El peso del eje, la parrilla y la biomasa en algunas ocasiones impedía el movimiento de la leva. Debido a las limitaciones que presentaba el sistema de vibraciones de leva y motor para la remoción de cenizas se modificó totalmente por el vibrador neumático anteriormente descrito.. 34.

(35) 7. CARACTERIZACIÓN DE BIOMASA: 7.1 Análisis próximo y análisis último: El análisis próximo, el análisis último sumado a la determinación del poder calorífico son procedimientos que permiten la caracterización de la biomasa. Estos análisis muestran los porcentajes de materia volátil, carbón fijo, cenizas y humedad además de los elementos químicos que componen a la biomasa. El análisis ultimo para muestras de combustibles carbonosos básicamente es la determinación de la cantidad de carbón e hidrogeno en los productos gaseosos después de pasar por el proceso de combustión completa además se obtiene las cantidades de azufre, nitrógeno y cenizas cuando estas se presentan [Norma ASTM D3176]. El porcentaje de oxigeno en el combustible se determina por el método de diferencia. Para el caso del análisis próximo se realizan una serie de pruebas que determinan la cantidad de humedad, materia volátil, cenizas y carbón fijo [Norma ASTM D3172].. Tabla 4: Análisis próximo y análisis último de bagazo de caña. Adaptado de [2]. La tabla 4 muestra los resultados del análisis próximo y análisis último realizado a muestras de bagazo de caña de azúcar por cenicaña. Cada uno de estos datos fue utilizado en el cálculo de los parámetros de gasificación como la relación de equivalencia, la relación vapor combustible y la formula empírica. Los resultados suministrados por cenicaña fueron comparados con literatura de caracterización de bagazo de caña de azúcar (Gasification second edition) y tanto en la composición 35.

(36) de elementos químicos como en los resultados de los análisis próximos no existen diferencias mayores a 1.5% en ninguno de los datos exceptuando la humedad la cual difiere ampliamente en diferentes análisis. 7.2 Humedad: Se realizaron pruebas de humedad con muestras del bagazo de caña de azúcar que se utilizó durante toda la experimentación de gasificación. La tabla 5 muestra los datos obtenidos y el porcentaje de humedad promedio que fue utilizado en los cálculos de los parámetros ER y SF.. Muestra 1.00 2.00 3.00 4.00. Determinación de la humedad del bagazo de caña Peso recipiente Peso R + B R+B (24 h) Sólidos total (%) 3.86 5.83 5.38 77.37 3.73 6.23 5.66 77.37 3.82 6.79 6.12 77.36 3.77 6.38 5.79 77.36 PROMEDIO. 77.36531009. Humedad (%) 22.63 22.63 22.64 22.64 22.63468991. Tabla 5: Pruebas de humedad. El bagazo de caña utilizado en las pruebas experimentales no fue sometido a procesos previos de secado, sin embargo antes de su uso este fue almacenado durante un par de meses en lonas que posiblemente alteraron el porcentaje de humedad con respecto al momento de su obtención. Las muestras se sacaron aleatoriamente durante los días en los cuales se realizaba la experimentación.. 7.3 Tamaño de partícula: La granulometría de la materia orgánica en cualquier tipo de proceso de gasificación tiene que ser la adecuada para que permita un aprovechamiento energético del combustible. Un material de alimentación con granos bastantes finos puede ocasionar problemas de circulación en la sección de depósito en este caso en la tolva de alimentación, además puede generar una considerable cantidad de polvo en el gas producido. Por otro lado un tamaño muy grande en la biomasa da lugar a menor reactividad del combustible que puede afectar seriamente el arranca del proceso, se puede presentar otros problemas con tamaños de granos grandes como una mala calidad del gas combustible y problemas de transporte especialmente en la alimentación.. 36.

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