Tesis diseño de un gasificador de lecho fluidizado

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Tesis diseño de un gasificador de lecho fluidizado

  1. 1. EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO OPERACIONAL DE UN GASIFICADORPARA CASCARILLA DE ARROZ EN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO A ESCALA PILOTO. JUAN DANIEL MARTÍNEZ ÁNGEL. UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA. ESCUELA DE INGENIERÍAS. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. MEDELLÍN. 2005.
  2. 2. EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO OPERACIONAL DE UN GASIFICADORPARA CASCARILLA DE ARROZ EN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO A ESCALA PILOTO. JUAN DANIEL MARTÍNEZ ÁNGEL. Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico. Director: JHON JAIRO RAMÍREZ BEHAINNE. M.Sc. Ingeniería Térmica y de Fluidos. UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA. ESCUELA DE INGENIERÍAS. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. MEDELLÍN. 2005.
  3. 3. Nota de aceptación. ___________________ ___________________ ___________________ ___________________ ___________________ Presidente del jurado ___________________ Jurado ___________________ JuradoMedellín, 11 de Noviembre de 2005.
  4. 4. DEDICATORIA A mi Madre, Ana Clara.Porque ni con creces, tendré como pagarle todo eso que desde siempre me ha brindado, su Amor. A mi Abuela, Chelita. Porque siempre nos ha cuidado. A mis Hermanos, Ana Isabel y José Félix. Por todo eso que envuelve la hermandad.
  5. 5. AGRADECIMIENTOSEl autor expresa sus agradecimientos a:Al Grupo de Investigaciones Ambientales (GIA) de la Universidad Pontificia Bolivariana,por brindarme la confianza y los recursos necesarios para la realización de este trabajo.Jhon Jairo Ramírez Behainne, director del presente trabajo. Por su tiempo, paciencia,tolerancia y enseñanzas a lo largo del proyecto de investigación y en el presente trabajo degrado. Por su amistad.Sergio Luís Petro Bedoya, por abrirme las puertas del “Mundo Real”. Gracias por lapaciencia, los consejos y la confianza para el desarrollo del proyecto de investigación. Porsu amistad.A los amigos de la U, por todos los momentos compartidos y por compartir, y la“hermandad” construida. Por su amistad, tolerancia y colaboración.A COLCIENCIAS, por la oportunidad con el proyecto de investigación, que permitió eldesarrollo del presente trabajo de grado.A PREMAC S.A, por su colaboración para la realización del proyecto de investigación y elpresente trabajo de grado.
  6. 6. El Hombre triunfa en la vida, si se levanta por la mañana se acuesta por la noche y en el intermedio hace lo que le gusta. Bob Dylan.
  7. 7. CONTENIDO Pág.INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 1.1 OBJETIVOS .......................................................................................................... 3 1.1.1 Objetivo General. ........................................................................................... 3 1.1.2 Objetivos Específicos. ................................................................................... 32. ASPECTOS BÁSICOS Y ESTADO DEL ARTE ......................................................... 4 2.1 LA BIOMASA ...................................................................................................... 4 2.1.1 Tipos de Biomasa. ......................................................................................... 5 2.1.2 Características Energéticas de la Biomasa. ................................................... 6 2.1.3 Mecanismos de Transformación de la Biomasa. ........................................... 7 2.1.4 Aplicaciones a partir de la Transformación de la Biomasa. .......................... 8 2.1.5 Ventajas del Uso de la Biomasa. ................................................................. 10 2.1.6 Desventajas del Uso de la Biomasa. ............................................................ 11 2.2 LA CASCARILLA DE ARROZ COMO COMBUSTIBLE Y SU PRODUCCIÓN EN COLOMBIA. .................................................................. 12 2.3 EL PROCESO DE GASIFICACIÓN .................................................................. 14 2.3.1 Tipos de Gasificadores. ............................................................................... 15 2.3.2 Gasificadores de Lecho Fluidizado. ............................................................ 18 2.3.3 Variables del Proceso de Gasificación en Lecho Fluidizado. ..................... 22 2.4 ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN DE CASCARILLA DE ARROZ ........................................................................... 273. MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................................... 34 3.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICO – QUÍMICA DE LA CASCARILLA DE ARROZ............................................................................................................ 34 3.1.1 Densidad a Granel y Aparente..................................................................... 35 3.1.2 Análisis Granulométrico............................................................................... 37 3.1.3 Análisis Inmediato........................................................................................ 39 3.1.4 Análisis Elemental........................................................................................ 39 3.1.5 Análisis de Poder Calorífico......................................................................... 40
  8. 8. 3.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICO – QUÍMICA DEL MATERIAL INERTE DEL LECHO............................................................................................................. 413.2.1 Análisis Granulométrico............................................................................... 423.3 DESCRIPCION DEL EQUIPO GASIFICADOR................................................ 433.3.1 Subsistema Reactor ...................................................................................... 433.3.2 Subsistema Precalentador del Lecho Fluidizado .......................................... 453.3.3 Subsistema Alimentador de Combustible .................................................... 463.3.4 Subsistema Separador y Colector de Material Particulado .......................... 483.3.5 Subsistema Eliminador de Gas Combustible ............................................... 503.3.6 Subsistema Muestreador de Gas Combustible ............................................. 513.3.7 Subsistema Registrador de Temperaturas de Proceso .................................. 523.3.8 Subsistema Alimentador del Aire de Fluidización y Gasificación............... 533.3.9 Subsistema Chasis ........................................................................................ 553.4 CALIBRACION Y ADECUACION DE LOS COMPONENTES DEL EQUIPO GASIFICADOR ............................................................................................... 563.4.1 Subsistema Alimentador de Cascarilla ......................................................... 563.4.2 Subsistema Alimentador de Aire de Fluidización ........................................ 573.4.3 Subsistema Precalentador ............................................................................. 573.5 BALANCE DE MASA Y ENERGÍA PRELIMINAR PARA LA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS OPERACIONALES 583.5.1 Balance de Masa........................................................................................... 583.5.2 Balance de Energía ....................................................................................... 723.5.3 Eficiencia del Gasificador ............................................................................ 833.5.4 Factor de Aire ............................................................................................... 843.6 DISEÑO EXPERIMENTAL................................................................................ 863.6.1 Definiciones Básicas en el Diseño Estadístico Experimental ...................... 873.6.2 Selección de Variables de Entrada y Salida ................................................. 883.6.3 Selección del Modelo de Ejecución Experimental ....................................... 903.6.4 Modelo de Ejecución Experimental ............................................................. 913.6.5 Consideraciones de Diseño........................................................................... 923.6.6 Pruebas Preliminares de Gasificación .......................................................... 963.6.7 Programa Experimental de Gasificación ...................................................... 993.7 DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES EXPERIMENTALES DE PROCESO ...................................................................................................... 1003.7.1 Descargas Experimentales de Cascarilla de Arroz y Aire; Velocidad de Fluidización................................................................................................. 1003.7.2 Concentraciones Experimentales de los Compuestos de Gasificación ...... 1023.7.3 Poder Calorífico Inferior del Gas Producto................................................ 1063.7.4 Campo Volumétrico Experimental del Gas Producto ................................ 1063.7.5 Potencia Térmica Experimental del Gas Producto ..................................... 1073.7.6 Eficiencia a Frío Experimental del Equipo Gasificador............................. 108
  9. 9. 3.8 PROCEDIMIENTO DE LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES DE GASIFICACIÓN ............................................................................................ 108 3.8.1 Procedimiento de Preparación de Ensayo .................................................. 108 3.8.2 Procedimiento de Operación del Gasificador............................................. 110 3.8.3 Procedimiento de Limpieza y Acondicionamiento .................................... 1124. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.................................................................................. 115 4.1 DESCARGAS DE CASCARILLA DE ARROZ Y AIRE; VELOCIDAD DE FLUIDIZACIÓN ............................................................................................ 115 4.2 COMPOSICIÓN, FLUJO MOLAR Y DESCARGA MÁSICA DEL GAS DE GASIFICACIÓN ............................................................................................ 117 4.3 PODER CALORÍFICO INFERIOR DEL GAS PRODUCTO .......................... 121 4.4 CAMPO VOLUMÉTRICO DEL GAS PRODUCTO ....................................... 122 4.5 POTENCIA TÉRMICA DEL GAS PRODUCTO ............................................. 123 4.6 EFICIENCIA A FRIO DEL EQUIPO GASIFICADOR.................................... 124 4.7 RESULTADOS DEL DISEÑO EXPERIMENTAL .......................................... 125 4.7.1 Composición Estimada de Compuestos Combustibles del Gas Producido 125 4.7.2 Poder Calorífico Estimado del Gas Producido ........................................... 132 4.7.3 Campo Volumétrico Estimado del Gas Producido..................................... 135 4.7.4 Potencia Térmica Estimada del Gas Producido.......................................... 138 4.7.5 Eficiencia a Frío Estimada del Equipo Gasificador.................................... 141CONCLUSIONES ............................................................................................................ 144REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 147
  10. 10. ANEXOS Pág.Anexo A. Valores físicos de cascarilla de arroz, para la determinación de la densidad aparente…..………………………………………………………………..… 150Anexo B. Análisis Granulométrico de Cascarilla de Arroz……………………………... 151Anexo C. Análisis Granulométrico de Arena…………………………………………… 159Anexo D. Perfiles de Temperatura de los Ensayos de Gasificación…………………….. 163
  11. 11. LISTA DE FIGURAS Pág.Figura 2.1. Origen de la biomasa………………………………………………………....... 5Figura 2.2. Sistemas de aprovechamiento energético en función del tipo de biomasa…….. 9Figura 2.3. Aplicaciones del gas producto de la gasificación……….….………….……... 17Figura 2.4. Esquema de un gasificador de lecho fluidizado……………….………..……. 18Figura 2.5. Caída de presión en el lecho en función de la velocidad de fluidización….…. 19Figura 2.6. Contenido de alquitrán en el gas producto en función de la temperatura de reacción…..………………………………………………….………………... 25Figura 2.7. Gasificador comercial para cascarilla de arroz………………….………..…... 31Figura 2.8. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Greenville, Mississippi…..… 32Figura 2.9. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Stuttgart, Arkansas….....…... 32Figura 3.1. Porosidad de un lecho de partículas en función de su empacamiento y su esfericidad…….……………………………………………….……………... 36Figura 3.2. Subsistema de precalentamiento……………………….…………………….. 46Figura 3.3. Detalle del subsistema de alimentación…………….………………………... 47Figura 3.4. Subsistema de alimentación………………….………………………………. 48Figura 3.5. Separador de material particulado…………….…………………………….... 49Figura 3.6. Colector de partículas……………………….………………………………... 49Figura 3.7. Combustión del gas producto de la gasificación de cascarilla de arroz….….. 50Figura 3.8. Esquema del tren de muestreo para colecta del gas combustible…….…….... 52Figura 3.9. Componentes del sistema de adquisición de datos…………….…………….. 52Figura 3.10. Soplador rotativo…………………………………….…………………….... 54Figura 3.11. Placa de orificio…………………………………….……………………….. 54Figura 3.12. Sistema gasificador……………………………….……………………….... 55Figura 3.13. Curva de calibración del tornillo dosificador……….……………………... 57Figura 3.14. Flujos de masa en el gasificador………………….……………………….... 69
  12. 12. Figura 3.15. Flujos energéticos en el gasificador…………….…………………………... 72Figura 3.16. Modelo de diseño de composición central……….…………………………. 92Figura 4.1. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la concentración de CO en el gas producto……………………………...…………………….. 126Figura 4.2. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la concentración de CH4 en el gas producto..……………………………………………….…. 127Figura 4.3. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la concentración de H2 en el gas producto………………………………..…………………..... 128Figura 4.4. Valoración de efectos para la concentración de CO en el gas producto…...... 128Figura 4.5. Valoración de efectos para la concentración de CH4 en el gas producto….... 129Figura 4.6. Valoración de efectos para la concentración de H2 en el gas producto…….. 129Figura 4.7. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para CO………………………………………………….……....... 130Figura 4.8. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para CH4…………………………………..…………………….… 130Figura 4.9. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para H2……………………………………………………………. 131Figura 4.10. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para el poder calorífico del gas producto………………….……………………………... 133Figura 4.11. Valoración de efectos para el poder calorífico del gas producto…………... 134Figura 4.12. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para poder calorífico del gas producto………………………….. 134Figura 4.13. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para el campo volumétrico de gas producto………………………………………………. 136Figura 4.14. Valoración de efectos para el campo volumétrico de gas producto……..… 137Figura 4.15. Valoración de efectos para el campo volumétrico de gas producto……...... 138Figura 4.16. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la potencia térmica del gas producto…………………………………………………... 139Figura 4.17. Valoración de efectos para la potencia térmica del gas producto….……… 139Figura 4.18. Valoración de efectos para potencia térmica del gas producto……..……... 140Figura 4.19. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la eficiencia térmica a frío del gasificador……………………………………….……... 141Figura 4.20. Valoración de efectos para la eficiencia térmica a frío del gasificador….... 142Figura 4.21. Valoración de efectos para la eficiencia térmica a frío del gasificador….... 142
  13. 13. LISTA DE TABLAS Pág.Tabla 2.1. Contenido energético de algunas biomasas residuales húmedas……….………. 7Tabla 2.2. Contenido energético de algunas biomasas residuales secas……….…….…...... 7Tabla 2.3. Producción aproximada de arroz y cascarilla para el año 2004 en el departamento del Tolima…………………………………………………....….13Tabla 2.4. Ventajas y desventajas de la gasificación de biomasa en lecho fluidizado….… 21Tabla 2.5. Parámetros operacionales de algunas investigaciones sobre gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado………………………………………... 28Tabla 2.6. Características y resultados de algunas investigaciones sobre gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado………………………………………... 29Tabla 2.7. Resultados y características operacionales de gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado………….………………………………………………… 30Tabla 3.1. Densidad Aparente y a Granel de la Cascarilla de Arroz……….………….….. 37Tabla 3.2. Diámetros medios de cascarilla de arroz……………………….………….…... 38Tabla 3.3. Análisis Inmediato de la Cascarilla de Arroz………………….………….…… 39Tabla 3.4. Análisis Elemental de la Cascarilla de Arroz……………….…………….….... 40Tabla 3.5. Composición química de la cascarilla de arroz por cada 100 g…….……….… 40Tabla 3.6. Poder Calorífico de la Cascarilla de Arroz……………………………………. 41Tabla 3.7. Propiedades físico químicas del material inerte………………………….…..... 42Tabla 3.8. Diámetros medios del análisis granulométrico para la arena……………..….... 43Tabla 3.9. Composición estimada de compuestos energéticos en el gas producto……...... 58Tabla 3.10. Velocidad de Completa Fluidización para Arena y Cascarilla de Arroz…….. 59Tabla 3.11. Propiedades psicrométricas del aire para la ciudad de Medellín……….……. 62Tabla 3.12. Cantidades de oxígeno y nitrógeno presentes en el aire………………….….. 63Tabla 3.13. Fracciones molares y pesos moleculares de los componentes del gas producto……………………..………………………………….…………….. 71Tabla 3.14. Flujos másicos teóricos para la gasificación de cascarilla de arroz……….…. 72
  14. 14. Tabla 3.15. Entalpías de formación de los productos del gas energético…….…………... 75Tabla 3.16. Densidades a condiciones normales del gas combustible…………….……… 77Tabla 3.17. Calor específico de cada componente del gas en función de la temperatura… 79Tabla 3.18. Entalpías de los componentes del gas energético……………………………. 79Tabla 3.19. Entalpías de formación para la combustión del carbono………………….…. 81Tabla 3.20. Calor específico del carbono en función de la temperatura…………….……. 82Tabla 3.21. Flujos energéticos del proceso de gasificación…………………………..…... 83Tabla 3.22. Factores y respuestas consideraciones en los ensayos de gasificación de cascarilla de arroz……………………………………………………………... 89Tabla 3.23. Clasificación de los diseños experimentales……………………..…………... 91Tabla 3.24. Ortogonalidad en un arreglo de dos factores con dos niveles……….….……. 93Tabla 3.25. Características del diseño CCD……………………………………….……... 95Tabla 3.26. Porcentaje de influencia de rotabilidad y ortogonalidad……………….……. 95Tabla 3.27. Variables de entrada teóricas…………………………………………….…... 96Tabla 3.28. Condiciones experimentales de los ensayos preliminares de gasificación.….. 97Tabla 3.29. Combinaciones experimentales para los ensayos de gasificación..…….......... 99Tabla 4.1. Descarga másica y caudal de aire en los ensayos de gasificación realizados... 115Tabla 4.2. Descarga de cascarilla de arroz de los ensayos de gasificación realizados….. 116Tabla 4.3. Valores de temperatura y presión para el cálculo de la velocidad de fluidizacióna condiciones de operación…………………………..……………………...................... 117Tabla 4.4. Composición y flujo molar del gas producido en los experimentos…….….... 118Tabla 4.5. Flujos molares específicos y descarga másica de gas producido………......... 118Tabla 4.6. Poder calorífico inferior del gas producto para los ensayos de gasificaciónrealizados……………………………………………………………………………..…. 121Tabla 4.7. Descarga volumétrica normalizada y campo volumétrico de los ensayos degasificación realizados…………………………………………………………....………122Tabla 4.8. Potencia térmica del gas producto de los ensayos de gasificación realizados.. 123Tabla 4.9. Eficiencia a frío experimental del sistema gasificador para los ensayos degasificación realizados……………………………….………………………………….. 124Tabla 4.10. Valores promedio e intervalos de confianza para las variables de respuestaanalizadas…………………………………………………………………………..……. 125Tabla 4.11. Error absoluto de las predicciones para las concentraciones de CO, CH4 y H2utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……….……………….…… 132
  15. 15. Tabla 4.12. Error absoluto de las predicciones para el poder calorífico del gas productoutilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……………………………... 135Tabla 4.13. Error absoluto de las predicciones para el campo volumétrico de gas productoutilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……………………..………. 137Tabla 4.14. Error absoluto de las predicciones para la potencia térmica del gas productoutilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta…………………..…………. 140Tabla 4.15. Error absoluto de las predicciones para la eficiencia térmica a frío delgasificador utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……………..….. 143
  16. 16. NOMENCLATURAa: Moles de agua en la cascarilla.AT: Área transversal del reactor.b: Moles de agua en el Aire.Campogas: Campo Volumétrico Experimental del Gas Producto.Carbonoresidual: Porcentaje de carbono residual en la ceniza de cascarilla.Cenizas: Porcentaje de cenizas en la cascarilla.Cp: Calor específico a presión constante.dh: Cambio de entalpía.di: Diámetro medio de las partículas retenidas en el tamiz i. Este valor corresponde al promedio aritmético entre del tamaño de la apertura del tamiz i y el tamaño de la apertura del tamiz inmediatamente inferior.dp: Diámetro medio de las partículas.dT: Cambio de temperatura.Eaire: Energía debida al aire de fluidizaciónEcarbono _ residual : Pérdida de energía en el carbono inquemado (carbono residual).Ecascarilla: Energía correspondiente a la cascarilla de arroz.Ecenizas : Pérdida de energía sensible en las cenizas.Egas: Energía del gas producto de la gasificación.E pared : Calor de pérdidas por paredes.Epérdidas: Energía correspondiente a las pérdidas por calor.(E ) química gas : Energía química (útil) del gas producto.Eresiduos : Energía de pérdida contenida en los residuos sólidos.(Esensible )gas : Energía sensible del gas producto.f : Porcentaje en peso de hidrogeno contenido en la cascarilla.
  17. 17. F.A: Factor de Aire.h(b.s): Humedad en base seca.hcarbono : Entalpía del carbono a 750 ºC.ºh f : Entalpía de formación de cada producto – reactivo.hi: Entalpía de cada gas combustible a la temperatura de operación del gasificador.k: Número de factores en el diseño experimental.ma: Masa de aire seco.mv: Masa de vapor de agua.•m aire (b.h ) : Flujo másico aire húmedo.•m aire ( b.s ) : Flujo másico de aire seco.•m aire ( real ) : Flujo molar real de aire utilizado en el ensayo.•m carbono− residual : Flujo másico de carbono residual.mcascarilla (b.s ) : Masa de cascarilla en base seca•m cascarilla (b.s ) : Flujo másico de cascarilla en base seca.•m cascarilla (b.h ) : Flujo másico de cascarilla en base húmeda.•m cascarilla ( real ) : Flujo real de cascarilla de arroz utilizado en el ensayo.•m cenizas : Flujo másico de cenizas.•m gas : Flujo másico de gas producto.•m gas ( real ) : Flujo másico real de gas producido.Mwaire : Peso molecular del aire.____Mw gas : Peso molecular ponderado del gas producto.Mwi: Peso molecular de los componenentes del gas producto.ni: Moles de los productivos.ne: Moles de los reactivos.
  18. 18. •n aire ( b.s ) : Flujo molar de aire seco.nc: Número de puntos vértice en el diseño.•n gas : Flujo molar de gas producto.nH2O(gas): Moles de agua en el gas producido por unidad de tiempo.•n N 2 ( aire ) : Moles de nitrógeno en el aire por unidad de tiempo.•n N 2 ( gas ) : Moles de nitrógeno en el gas por unidad de tiempo.no: Número de puntos centrales en el diseño.ns: Número de puntos de estrella en el diseñoP: Presión atmosférica.Pb.m: Presión barométrica promedio de Medellín.P est: Presión estática del aire de gasificación.Pg: Presión de saturación a la temperatura de operación.Pc.n: Presión a condiciones normales.Pc.o: Presión a condiciones de operación.Pv: Presión parcial de vapor de agua.PCI cascarilla : Poder calorífico inferior de la cascarilla.PCI gas : Poder calorífico inferior del gas producto.PCS cascarilla : Poder calorífico superior de la cascarilla.PCI carbono : Poder calorífico inferior del carbono.Ptérmica: Potencia térmica experimental del gas producto.Raire: Constante de gas para el aire.Ru: Constante universal de los gases. R  : Relación aire – combustible real. A  C  realR  A  : Relación aire – combustible estequiométrica. C  estequiométricaTcenizas: Temperatura de las cenizas (ºC).Tc.n: Temperatura a condiciones normales.
  19. 19. Tc.o: Temperatura a condiciones de operación.u : Humedad de la cascarilla.Ufc.n: Velocidad de fluidización a condiciones normales.Ufc.o: Velocidad de fluidización a condiciones de operación.Vaire(real-c.n): Volumen de aire real a condiciones normales.•V gas −c.n : Caudal experimental a condiciones normales del gas producido.•V aire ( c.n ) : Flujo volumétrico de aire a condiciones normales de temperatura y presión.w: Humedad absoluta.wagua: Masa de agua.wh: Masa de combustible húmedo.ws: Masa de combustible seco.xi: Fracción másica de las partículas retenidas en el tamiz i.yH2O(gas): Fracción volumétrica del agua en el gas producido.yi: Fracciones molares de los gases componentes del gas producto.%CO : Concentración volumétrica de CO en el gas combustible.%CH4 : Concentración volumétrica de CH4 en el gas combustible.%H2 : Concentración volumétrica de H2 en el gas combustible.α: Distancia desde el punto central hasta un punto estrella. −∆ h : Cambio de entalpía entre las temperaturas de referencia y de interés para cada producto – reactivo.ε m : Porosidad del lecho de partículas.φ : Humedad relativa.η caliente : Eficiencia energética en caliente del gasificador.η frío : Eficiencia energética en frío del gasificador.ηtérmica(%): Eficiencia a frío experimental del equipo gasificador.ρ aire ( c.o ) : Densidad del aire a condiciones de operación.
  20. 20. ρ aire ( c.n ) : Densidad del aire a condiciones normales.ρb: Densidad a granel.ρp: Densidad aparente.
  21. 21. RESUMENA fin de contribuir con una propuesta de solución racional al problema de la disposiciónfinal de residuos agroindustriales en Colombia, en este proyecto de grado fue evaluado elrendimiento energético de un sistema gasificador de cascarilla de arroz en lecho fluidizadoburbujeante a escala piloto, construido con cámara de reacción de 0,3 m de diámetrointerno y 3 m de altura. Los ensayos experimentales, realizados en la ciudad de Medellín,fueron programados de acuerdo con el modelo estadístico de superficie de respuesta, con elpropósito de optimizar costos y tiempo operacional durante la evaluación e intentar obtenercorrelaciones específicas del sistema para su uso en el área industrial.Los resultados del estudio mostraron que el equipo gasificador instalado puede producircerca de 52,33 kW de potencia energética de gas combustible a porcentajes de eficiencia afrío alrededor de 33,04%, específicamente cuando el factor de aire se encuentra entre 0,24 y0,32, y la velocidad de fluidización normalizada varía entre 0,15 y 0,18 m/s. En este rangode operación, el poder calorífico del gas energético producido registró valores alrededor de3,12 MJ/Nm3, indicando la presencia de componentes energéticos en concentracionesmedias correspondientes a 11,09% para CO, 3,45% para CH4, y 4,56% para H2. Duranteestas condiciones, la temperatura del lecho fluidizado se mantuvo alrededor de 820°C,alcanzándose un valor mínimo de 780°C y un máximo de 870°C. De acuerdo con el análisisde la superficie de respuesta generada a partir de los ensayos experimentales, la eficienciatérmica a frío del gasificador para cascarilla de arroz tiende a un valor máximo deaproximadamente 38%, concretamente cuando el factor de aire se aproxima al valor de 0,3y la velocidad de fluidización normalizada se acerca a 0,15 m/s. Aunque los resultadosobtenidos durante los experimentos concordaron aceptablemente con otros anteriormentepresentados en diversos estudios de la literatura, fue evidente la necesidad de mejoras en ladisminución de fuentes de error del método experimental, especialmente con relación a latoma de muestra y análisis del gas energético resultante del proceso. Con lasmodificaciones pertinentes, las correlaciones matemáticas arrojadas por el modelo
  22. 22. estadístico podrían elevar el nivel de confianza obtenido del 70 al 95%, a fin de alcanzar elrequerimiento normalmente establecido en el área industrial.Estudios posteriores en el campo de la aplicación práctica se hacen necesarios, con elpropósito de concretar el aprovechamiento del gas energético mediante las dosposibilidades más inmediatas: quema directa en cámaras de combustión paraaprovechamiento del calor en procesos de secado o calentamiento, o en motores decombustión interna para generación de electricidad en zonas de beneficiamiento del arrozactualmente producido en Colombia.Palabras claves: Gasificación, biomasa, lecho fluidizado, cascarilla de arroz.
  23. 23. INTRODUCCIÓNDurante años, la evolución de la sociedad ha estado principalmente ligada alaprovechamiento de las energías eléctrica y térmica originadas a partir de fuentescombustibles de carácter no renovable. Sin embargo, en las últimas décadas, el usoindiscriminado de fuentes fósiles ha conducido a la humanidad a un progresosocioeconómico con repercusiones negativas sobre la integridad del ecosistema;combustibles de este tipo son cada día más escasos y costosos, perjudicando el crecimientoeconómico, la calidad de vida y el bienestar social. En contraposición, la utilización defuentes renovables de energía comienza a mostrarse como una de las mejores herramientashacia el desarrollo sostenible; la protección del medio ambiente a través del acceso al usoracional de la energía, en busca de una reducción de las emisiones de gases de efectoinvernadero y de otros residuos contaminantes, representa hoy en día el motivo quefortalece la investigación de la transformación de las fuentes renovables en energía útil ymás limpia para el hombre.En particular, la biomasa de tipo vegetal constituye una de las diversas fuentes de energíade carácter renovable, y ella corresponde a cualquier tipo de materia orgánica que hayatenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico por vía fotosintética[1]. La cascarilla de arroz, originada durante el proceso de trillado del cereal realizado enlos molinos de beneficiamiento, hace parte de este selecto grupo. En el mundo, ella ha sidoutilizada principalmente en galpones o en camiones transportadores de ganado, comoingrediente en preparación de concentrados para animales, en viveros como fertilizante, yen procesos industriales como aislante térmico. Empresas privadas y gubernamentales enotros países también han empleado extensivamente la cascarilla en equipos térmicos con elfin de aprovechar sus propiedades energéticas. 1
  24. 24. En Colombia, el arroz es el tercer producto agrícola en extensión, después del café y elmaíz; representa el 12% del área cosechada y el 30% de los cultivos transitorios. Suproducción corresponde al 6% del valor de la producción agropecuaria y al 10% de laactividad agrícola Colombiana. El valor generado por este producto es equivalente al 53%del valor constituido por el cultivo del café [2]. Sin embargo, de acuerdo con informaciónsuministrada por Induarroz (2003), la producción de arroz ocasiona varios problemasambientales, derivados de los métodos de preparación de los suelos, manejo del agua ycontrol de malezas, plagas y enfermedades. En la fase industrial, el impacto ambiental serelaciona con la emisión de partículas al aire, la disposición final de la cascarilla comoresiduo sólido, y el ruido que pueden producir los equipos de beneficiamiento. EnColombia se producen aproximadamente 500 mil toneladas anuales de cascarilla de arroz,que representan casi cinco millones de metros cúbicos. Debido a que solo una cantidadincipiente de este total se utiliza como combustible en quemas incontroladas, galpones,viveros y cultivos, su disposición final como residuo sólido constituye el principalproblema ambiental que enfrenta actualmente la industria arrocera del país, cuestionándoseadicionalmente, el desperdicio de una importante fuente de energía de carácter renovable.Ante esta situación, el aprovechamiento de la cascarilla de arroz a partir del procesoespecífico de gasificación, surge como una interesante alternativa para contribuirsimultáneamente con su disposición y con la generación de energía térmica de manera máslimpia. En dicho proceso, el residuo agrícola sufre una transformación termoquímica queproduce gas energético con potencial suficiente para convertirse en fuente de calor, energíamecánica y/o energía eléctrica. Un paso en esta dirección fue realizado por el Grupo deInvestigaciones Ambientales (GIA) de la Universidad Pontificia Bolivariana, con apoyo deCOLCIENCIAS y la empresa PREMAC S.A, quien construyó e instaló un gasificador paracascarilla de arroz en reactor de lecho fluidizado a escala piloto. A fin de evaluar laposibilidad de implementar esta tecnología en la industria arrocera del país, el equiporequirió ser ensayado y evaluado experimentalmente desde el punto de vista energético. Esen este aspecto específico que se enmarcan los objetivos descritos a continuación para elpresente proyecto de grado. 2
  25. 25. 1.1 OBJETIVOS.1.1.1 Objetivo General.Evaluar, a partir de la calidad del gas combustible generado, el rendimiento operacional deun gasificador de cascarilla de arroz en reactor de lecho fluidizado a escala piloto, conmiras a la valorización de un residuo sólido y al posterior uso del gas energético.1.1.2 Objetivos Específicos. • Establecer el procedimiento experimental para la puesta a punto y operación del sistema de gasificación. • Diseñar un programa experimental para la realización eficiente de las pruebas en campo con base en un modelo estadístico. • Obtener las condiciones operacionales del sistema de gasificación. • Caracterizar y cuantificar el gas energético producido a fin de evaluar el rendimiento del gasificador de cascarilla de arroz. 3
  26. 26. 2. ASPECTOS BÁSICOS Y ESTADO DEL ARTEEn el presente capítulo se describen algunos aspectos relacionados con la biomasa, suscaracterísticas y potencial como combustible renovable. Posteriormente, se aborda el temade la importancia de la cascarilla de arroz como fuente energética, el proceso degasificación y su estado del arte tanto en el mundo como en Colombia.2.1 LA BIOMASALa biomasa es una sustancia orgánica de carácter renovable de origen animal o vegetal, quedebe su poder energético al sol. El proceso que lleva a su formación se visualiza en laFigura 2.1. Mediante la fotosíntesis, el reino vegetal absorbe y almacena una parte de laenergía solar que llega a la tierra; las células vegetales utilizan la radiación solar paraformar sustancias orgánicas a partir de sustancias simples y del CO2 presente en el aire. Elreino animal incorpora, transforma y modifica dicha energía. En este proceso detransformación de la materia orgánica, se generan subproductos que no tienen valor para lacadena nutritiva o no sirven para la fabricación de productos de mercado, pero que puedenutilizarse como combustible en diferentes procesos de transformación energética [3]. 4
  27. 27. Fuente: SEBASTIAN N, Fernando y ROYO H, Javier. Energías renovables: La biomasa.España: Fundación CIRCE, 2002. Figura 2.1. Origen de la biomasa.2.1.1 Tipos de Biomasa.Los diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden ser utilizados para suplir unademanda energética se agrupan en:Biomasa natural: Producida espontáneamente en la naturaleza sin ningún tipo deintervención humana, p.e, residuos generados en las podas de bosques.Biomasa residual seca: Subproductos generados a partir de las diferentes actividadesagrícolas, forestales y en los procesos de las industrias agroalimenticias. Algunos ejemplosde este tipo de biomasa son la cáscara de almendra, la cascarilla de arroz, el cisco de café,el bagazo de caña, el aserrín, etc.Biomasa residual húmeda: Representados por los vertimientos denominadosbiodegradables: aguas residuales y residuos ganaderos. 5
  28. 28. Cultivos energéticos: Biomasa obtenida a partir de siembras, que tienen como únicafinalidad la producción de combustible. Algunos ejemplos son el cardo (cynaracardunculus), el girasol cuando se destina a la producción de biocombustibles, el miscanto,etc.Biocombustibles: Aunque su origen se encuentra en la transformación tanto de la biomasaresidual húmeda (reciclado de aceites) como de la biomasa residual seca, rica en azúcares(trigo, maíz, etc.) o en los cultivos energéticos (colza, girasol, pataca, etc.), por susespeciales características y usos finales, este tipo de biomasa se encuadra en unaclasificación distinta a las anteriores.2.1.2 Características Energéticas de la Biomasa.En el caso industrial, los residuos biomásicos representan serios problemas de disposición,y su eliminación de manera no racional se traduce en el desperdicio de una fuente valiosade energía. El contenido energético de la biomasa, como de otros combustibles, se mide enfunción de su poder calorífico. Sin embargo, para la biomasa residual húmeda, su contenidoenergético se determina en función del valor que posee el biogás obtenido de su digestiónanaerobia. Para este caso, la cantidad de biogás generado y su contenido energético,dependen de las características del sustrato tratado y de la tecnología empleada [3].Las Tablas 2.1 y 2.2 muestran los respectivos contenidos energéticos de algunas biomasasresiduales secas y húmedas. 6
  29. 29. Tabla 2.1. Contenido energético de algunas biomasas residuales húmedas. Cantidad de Gas de Contenido en Poder Calorífico Biomasa Residuo Seco @ 30ºC. Metano (%) Inferior del Biogas (l/kg) (kcal/Nm3) Estiércol con paja 286 75 6.100 Excrementos de vaca 237 80 6.500Excrementos de cerdo 257 81 6.600Agua residual urbana 100 (por m3 de agua 65 5.300 tratado)Fuente: SEBASTIAN N, Fernando y ROYO H, Javier. Energías renovables: La biomasa.España: Fundación CIRCE, 2002. Tabla 2.2. Contenido energético de algunas biomasas residuales secas. Biomasa Poder Calorífico Inferior (MJ/kg) Cascarilla de Arroz. 13,0 Bagazo de Caña. 14,4 Cisco de Café. 19,1 Aserrín. 14,3 Fuente: SANCHEZ G, Caio. Gasificação de Biomassa. Brasil: UNICAMP. Faculdade de Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Térmica e de Fluidos, 1997.2.1.3 Mecanismos de Transformación de la Biomasa.De acuerdo a la clase de biomasa, diferentes mecanismos para su transformación energéticaaparecen como alternativas interesantes. Sin embargo, antes de poder utilizar esta energíarenovable de manera eficiente, es necesario considerar los siguientes aspectos:Disposición del recurso: Cabe a las empresas y/o comunidades que disponen de biomasaresidual en sus propias instalaciones (p.e las trilladoras de arroz), plantear la posibilidad de 7
  30. 30. un aprovechamiento energético. En el caso de no disponer de biomasa residual propia éstapuede ser adquirida en el mercado, sin embargo, en este caso es necesario considerar conmucha más atención la viabilidad económica para su transformación energética.Utilidad energética: Usualmente, la energía térmica presenta bastante demanda en el sectoragroindustrial. Una de las aplicaciones más directas de la biomasa se encuentraprecisamente en la generación de calor para el secado, obtención de vapor y/o aire caliente.En el caso de producción de energía eléctrica o mecánica, son necesarios consumos debiomasa mucho más elevados y mayores costos para la implementación de la tecnología.2.1.4 Aplicaciones a partir de la Transformación de la Biomasa.Cuando se desea transformar la energía contenida en la biomasa, en energía térmica,mecánica, e incluso, energía eléctrica, existen diferentes mecanismos tecnológicos que seacomodan mejor a cada situación. La elección entre uno y otro mecanismo depende de lacuantía disponible, tipo de demanda energética requerida, dinero para la inversión, entreotros. En la Figura 2.2 se ilustra la relación entre producto obtenido, sistema deaprovechamiento y tipo de biomasa utilizada. 8
  31. 31. Fuente: SEBASTIAN N, Fernando y ROYO H, Javier. Energías renovables: La biomasa.España: Fundación CIRCE, 2002. Figura 2.2. Sistemas de aprovechamiento energético en función del tipo de biomasa.En general, los mecanismos de transformación energética a partir de la biomasa másaplicados son:Generación de energía térmica: Se logra mediante la combustión directa de la biomasa otambién del biogás procedente de la digestión anaerobia o del gas energético producto de lagasificación.Generación de energía mecánica y eléctrica: El mecanismo más adecuado a emplear paraeste caso varía en función del tipo y cantidad de biomasa disponible, así como de latecnología. Tomando el caso de la digestión anaerobia y la gasificación, los gases 9
  32. 32. combustibles producidos por estos procesos pueden ser empleados en motores decombustión interna, sustituyendo total o parcialmente a los combustibles fósiles. Lautilización de este gas energético es especialmente interesante en industrias agrarias quedispongan de biomasa para su producción y que puedan auto-consumirlos. Después de latransformación en energía mecánica, la energía eléctrica se lleva a cabo mediante el acoplede generadores.Ciclo de vapor: Mediante la generación de vapor, producto de la combustión directa debiomasa, del gas producto de la gasificación o de la digestión anaerobia, es posible obtenerenergía mecánica y/o eléctrica por medio de la expansión de este fluido en una turbinaespecial para vapor.Turbina de gas: En función de la presión y la temperatura de un fluido gaseoso, se puededesarrollar la transformación de energía por medio de la expansión de estos en una turbina.Si los gases de escape de la turbina se aprovechan en un ciclo de vapor se obtendrá un ciclocombinado.Cogeneración.Es el resultado del aprovechamiento de los calores residuales, donde existe producciónconjunta de energía térmica y eléctrica. Su principal ventaja es el rendimiento globalobtenido en comparación con la producción de estas energías por separado. Lacogeneración a partir de biomasa permite disminuir el costo del consumo de energíaeléctrica y combustibles fósiles.2.1.5 Ventajas del Uso de la Biomasa.La conversión de la biomasa en las diferentes formas de energía ofrece numerosas ventajasmedioambientales y socioeconómicas, las cuales se describen a continuación [3].Ventajas ambientales. 10
  33. 33. • Debido a que todo el CO2 emitido en la utilización energética de la biomasa había sido previamente fijado en el crecimiento de la materia vegetal que la había generado, no existe contribución neta del compuesto hacia la atmósfera y, por tanto, la conversión energética no contribuye al aumento del efecto invernadero.• El contenido de azufre presente en la biomasa es generalmente inferior al 0,1%. Es por esto que las emisiones de dióxido de azufre (causante de la lluvia ácida) se consideran mínimas.• En el caso de la digestión anaerobia para tratar la biomasa residual húmeda, además de anular la carga contaminante, reduce fuentes de olores molestos y elimina, casi en su totalidad, los gérmenes y los microorganismos patógenos del vertido. Los fangos resultantes del proceso de digestión anaerobia pueden ser utilizados como fertilizantes en la agricultura.Ventajas socioeconómicas.• Diversificación energética de utilización de combustibles, lo que contribuye a la no dependencia exclusiva por fuentes fósiles.• Posibilidades de implantación de cultivos energéticos en tierras abandonadas, evitando con esto, la erosión y degradación del suelo.• Creación de puestos de trabajo en el medio rural.2.1.6 Desventajas del Uso de la Biomasa.De igual forma que existen ventajas en el aprovechamiento energético de la biomasa,también sobresalen algunos inconvenientes con relación a los combustibles fósiles. Lasdesventajas más importantes son [3]:• Menores rendimientos en diferentes máquinas térmicas.• Debido a su menor densidad, los volúmenes de almacenamiento para la biomasa requieren ser mucho mayores. 11
  34. 34. • Mayor complejidad en los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de cenizas, reflejándose en costos de operación y mantenimiento más elevados.• Debido al gran contenido de humedad presente en los diferentes tipos de biomasa, en varias de las aplicaciones se requieren procesos previos de secado.2.2 LA CASCARILLA DE ARROZ COMO COMBUSTIBLE Y SU PRODUCCIÓN EN COLOMBIA.La cascarilla de arroz es un tejido vegetal constituido por celulosa y sílice, elementos queayudan a su buen rendimiento como combustible. La celulosa determina la estructura de lapared celular de la cascarilla y corresponde a la biomolécula más abundante de la biomasa.El combustible primario de este subproducto agrícola es precisamente la celulosa,contenida en un 40% de su peso aproximadamente [1]. El uso de la cascarilla de arrozcomo combustible representa un aporte significativo a la preservación de los recursosnaturales y un avance en el desarrollo de tecnologías limpias y económicas.En el mundo, la producción de cascarilla de arroz está alrededor de 80 millones detoneladas por año, representando un potencial energético de 1,2 x 109 GJ. India, Indonesiay Tailandia, poseen 92.000, 60.000 y 40.000 molinos respectivamente, que tienen lacapacidad de procesar entre 10 y 20 toneladas por hora. En promedio, la cascarilla de arroztiene un poder calorífico inferior entre 13 y 16 MJ/Nm3, por lo que, en comparación con loscombustibles fósiles tradicionales, la capacidad energética de la cascarilla representa untercio de la capacidad de los crudos y la mitad respecto a un buen carbón bituminoso [4].Para Colombia, los índices de producción no son tan elevados como en los países asiáticosanteriormente mencionados. Sin embargo, y de acuerdo con datos suministrados porAGROCADENAS1, en el año de 2003 la producción total de arroz estuvo alrededor de 2,5millones de toneladas, cantidad que representan 500.000 toneladas de cascarilla y/o 5millones de metros cúbicos.1 http://www.agrocadenas.gov.co 12
  35. 35. En la Tabla 2.3 se presenta la producción molinera de arroz del departamento del Tolima,región colombiana con la mayor producción del cereal. Además del departamento delTolima, las principales áreas arroceras de Colombia se concentran en los departamentos deMeta, Casanare, Norte de Santander, Huila, Sucre y Córdoba.Tabla 2.3. Producción aproximada de arroz y cascarilla para el año 2004 en el departamento del Tolima. Producción Producción Aproximada Clase de Aproximada de Arroz de Cascarilla Trilladora (t/año) (t/año) Grupo I 50.000 – 60.000 10.000 – 12.000 Grupo II 20.000 – 50.000 4.000 – 10.000 3.000 – 4.000 600 – 800 Grupo III y y 8.000 – 1.0000 1.600 – 2.000 Grupo IV 3.000 600 Fuente: Observatorio AGROCADENAS. Bogotá, Colombia 2004.La clasificación mencionada en la Tabla 2.3 se refiere también a la capacidad tecnológicade las trilladoras para beneficiar el arroz. A continuación se describen brevemente lascaracterísticas principales de cada uno de estos grupos:• Grupo I: Empresas que se caracterizan por su constante innovación en tecnología de producción y su continuo esfuerzo por mejorar y ampliar su red de distribución de arroz empaquetado. Cabe mencionar, que algunas empresas sobrepasan la cifra de 100.000 toneladas anuales de arroz paddy.• Grupo II: Empresas cuya tecnología es adquirida de acuerdo a las versiones fabricadas en el país de las máquinas importadas por los líderes. 13
  36. 36. • Grupo III: Molinos que trabajan con tecnología no actualizada, aunque de manera continua.• Grupo IV: Molinos que trabajan con tecnología no actualizada y de manera esporádica.2.3 EL PROCESO DE GASIFICACIÓNLa gasificación es definida como la conversión de cualquier combustible sólido en un gasenergético, a través de su oxidación parcial a temperaturas elevadas (700 a 800 ºC)[5]. El gas combustible, compuesto principalmente por CO, CH4 y H2, es producido a partirde un proceso termoquímico endotérmico que requiere la presencia de una agente oxidante(aire, oxígeno, vapor de agua, etc.) para generar el calor necesario en la zona de reacción afin de mantener el proceso de conversión. Antes de transformarse en gas, el combustiblesólido experimenta cuatro etapas o fases:• Secado (liberación de la humedad).• Pirólisis (desprendimiento de volátiles)• Oxidación (combustión)• Reducción (gasificación).De acuerdo al tipo de gasificador, alimentación de combustible y agente gasificante, estascuatro fases se presentan en determinadas zonas o regiones del sistema, en dondefinalmente se desarrollan las siguientes reacciones químicas principales [5]:Reacciones Heterogéneas (gas – sólidos)Oxidación de carbono: Ec(2.1) kJ C + 1 O 2 = CO − 110,6 2 mol 14
  37. 37. Ec(2.2) kJ C + O2 = CO2 − 393,8 molReacción de Bouduard: Ec(2.3) kJ C + CO2 = 2CO 172,6 molReacción de vapor de agua (reacción de “shift”): Ec(2.4) kJ C + H 2 O = CO + H 2 131,0 molFormación de Metano: Ec(2.5) kJ C + 2 H 2 = CH 4 − 74,93 molReacciones Homogéneas (fase gaseosa) Ec(2.6) kJ CO + H 2 O = CO2 + H 2 − 41,2 mol Ec(2.7 ) kJ CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 201,9 molLas reacciones expresas por las ecuaciones 2.3, 2.4 y 2.7 son endotérmicas, y son lasresponsables por la formación de monóxido de carbono (CO). El calor necesario para eldesarrollo de estas reacciones es suministrado a partir de las reacciones de oxidación delcarbono, establecidas por las ecuaciones 2.1 y 2.2.2.3.1 Tipos de Gasificadores.La clasificación de los diferentes tipos de gasificadores comerciales está impuesta por lascondiciones operacionales específicas del proceso [5]. Estos parámetros y condiciones sedescriben a continuación. 15
  38. 38. • Poder calorífico del gas producido. Gas de bajo poder calorífico: Hasta 5 MJ/Nm3. Gas de medio poder calorífico: De 5 MJ/Nm3 a 10 MJ/Nm3. Gas de alto poder calorífico: De 10 MJ/Nm3 a 40 MJ/Nm3.• Agente gasificante. Aire Vapor de Agua Oxigeno Hidrógeno.• Dirección del movimiento relativo del combustible sólido y el agente gasificante. Contraflujo. Flujo directo. Flujo cruzado. Lecho fluidizado. Lecho fijo.• Presión de trabajo. Presión atmosférica. Alta presión. (Presurizados, más de 2.000 kPa)• Tipo y forma de biomasa. Residuos agrícolas Residuos industriales. Residuos sólidos urbanos. Biomasa natural. Biomasa peletizada. Biomasa pulverizada. 16
  39. 39. En el caso de utilizarse oxigeno, vapor de agua o hidrógeno como agente gasificante,niveles de medio o alto poder calorífico del gas producido pueden ser alcanzados.De acuerdo con el tipo de gasificador utilizado y las condiciones específicas de operación,el gas producido en el proceso tiene muchas aplicaciones prácticas, entre las que se puedenmencionar:• Motores de combustión interna.• Turbinas de gas.• Cámaras de combustión, para generar calor.• Materia prima para síntesis de productos químicos.La Figura 2.3 ilustra un esquema de las posibles aplicaciones del gas generado durante lagasificación de un combustible sólido. GAS PRODUCTO DE LA GASIFICACIÓN. Cámaras de Combustión Motor de Turbina Combustión en Calderas Combustión Interna de Gas Energía Potencia Energía Potencia Calor Vapor Eléctrica Mecánica Eléctrica Mecánica Secado Turbina de Vapor Energía Eléctrica Figura 2.3. Aplicaciones del gas producto de la gasificación. 17
  40. 40. Conforme con el objeto de este proyecto de grado, a continuación se describen solamentelos aspectos más relevantes con relación a los gasificadores de lecho fluidizado.2.3.2 Gasificadores de Lecho Fluidizado.La fluidización es una operación en la que un sólido se pone en contacto con un líquido oun gas, de tal forma que el conjunto adquiere características similares a las de los fluidos[1]. Un reactor de lecho fluidizado consiste de una cámara de reacción que contienepartículas inertes soportadas por una placa distribuidora y mantenidas en suspensión por unfluido que las atraviesa en sentido ascendente. En el caso especial de la gasificación decombustibles sólidos, se utilizan exclusivamente compuestos gaseosos como mediofluidizante. Para materiales biomásicos, un gasificador operando en condición de lechofluidizado presenta ventajas considerables, entre la que se destaca, la alta tasa deconversión de carbono en gas energético debido a la presencia de elevadas eficiencias delos mecanismos de transferencia de calor y masa. La Figura 2.4 muestra un esquemageneral de un gasificador en lecho fluidizado. Figura 2.4. Esquema de un gasificador de lecho fluidizado. 18
  41. 41. El proceso de la fluidización comienza a desarrollarse a partir de un lecho estático departículas que ofrece resistencia al paso vertical de un agente fluidizante. Si la velocidad dealimentación de este agente incrementa, aumenta la fuerza de arrastre ejercida sobre laspartículas y comienza una expansión del lecho. Si se sigue aumentando la velocidad delfluido, la expansión continúa hasta un valor en que las fuerzas de arrastre son suficientespara soportar el peso de las partículas del lecho. En ese momento, la mezcla bifásica secomporta como un fluido que se caracteriza por presentar excelentes condiciones detransferencia de masa y energía, así como, de homogenización de temperatura en la cámarade reacción [5].En la Figura 2.5 se observa el comportamiento típico de la presión estática en un reactor delecho fluidizado. Para el caso del lecho burbujeante, en el que la cantidad de material en ellecho no varía, se aprecia que después de determinada velocidad superficial del fluido, lacaída de presión permanece constante. Este comportamiento tiene su explicación en elhecho de que las partículas se expanden en igual proporción al alivio de carga generado porla presencia de mayores espacios entre las partículas.Fuente: SANCHEZ G, Caio. Gasificação de Biomassa. Brasil: UNICAMP. Faculdade deEngenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Térmica e de Fluidos, 1997. Figura 2.5. Caída de presión en el lecho en función de la velocidad de fluidización. 19
  42. 42. En el proceso de conversión termoquímica de la biomasa a gas combustible, el lecho dematerial inerte es inicialmente precalentado con ayuda de una fuente externa de energía(normalmente a través de gases calientes producto de la combustión de combustiblesalternativos, p.e, gas natural). Estos gases calientes atraviesan la placa distribuidora yelevan la temperatura del lecho hasta el valor de auto-ignición del combustible sólido,(aproximadamente 450ºC para el caso de la cascarilla de arroz). A partir de ese momento,se establecen condiciones apropiadas para la combustión de la biomasa alimentada,buscando que el lecho de inertes alcance una temperatura cercana a 750°C. A partir de eseinstante, se imponen las condiciones operacionales de gasificación que darán origen al gascombustible.El poder calorífico del gas producido en reactores de lecho fluidizado depende en granmedida del tipo de agente gasificante y de las condiciones operacionales del equipo. Encaso de que se gasifique con hidrógeno o vapor de agua, es posible obtener incrementos enlas concentraciones de CH4 e H2, llevando consigo a un aumento del poder calorífico delgas producido. Igualmente, la gasificación en reactores fluidizados presurizados aumenta lacapacidad energética del gas. Sin embargo, aunque este tipo de equipos es bastante comúnpara la generación de potencia en ciclos combinados, tienen como principal desventaja elalto costo para su implementación [5].Un equipo de gasificación en lecho fluidizado burbujeante generalmente consiste de lassiguientes partes:• Reactor: que incluye la cámara de reacción donde se aloja el lecho fluidizado, una placa distribuidora para soporte del lecho y homogenización del agente fluidizante y una cámara de amortiguación de velocidad para los mismos (plenum).• Chasis de soporte.• Mecanismo dosificador y alimentador de inertes y combustible sólido (biomasa).• Mecanismo alimentador del agente fluidizante – gasificante.• Mecanismo registrador de variables de proceso. 20
  43. 43. • Mecanismo de precalentamiento del lecho.• Mecanismo separador y colector de material particulado.• Dispositivo de colecta e instrumentación para el análisis del gas combustible producido.• Un mecanismo para eliminación de los gases combustibles generados en el caso de ninguna aplicación específica para los mismos, a fin de evitar impacto a la atmósfera.Las principales ventajas y desventajas de un sistema de gasificación en lecho fluidizadoburbujeante para biomasa se resumen en la Tabla 2.4. Tabla 2.4. Ventajas y desventajas de la gasificación de biomasa en lecho fluidizado. VENTAJAS DESVENTAJAS • Alta flexibilidad con relación a la tasa de • La temperatura del lecho se limita a alimentación del combustible. la sinterización de las cenizas • Alta potencia volumétrica. • Si no es controlado eficientemente, • Fácil control de temperatura del lecho. puede existir alta carga de partículas • Bajas emisiones de NOx y SOx. en el gas de salida con pérdida de • Operación con amplia variedad en la carbono en el hollín. composición del combustible (alto contenido • Posibles problemas con el alquitrán de cenizas y humedad). formado a relativas bajas temperaturas.Las mayores dificultades referentes al proceso de gasificación de biomasa se presentan enel sistema de limpieza del gas producido para su aplicación exclusiva en motores decombustión interna o turbinas. Pueden surgir también algunos problemas en la disposiciónfinal de las cenizas si no existe un programa conjunto para disposición final de reuso de lasmismas, y con el alquitrán si se opera a temperaturas de lecho por debajo de 750°C. Paraevitar el impacto a la atmósfera por partículas de cenizas volantes, generalmente se usanciclones como mecanismos de limpieza del gas producido, no obstante, también es comúnla utilización de separadores electrostáticos. Para el caso de los alquitranes, estos son 21
  44. 44. recogidos por lavadores de gases o filtros cerámicos (candelas); sin embargo aún sedesarrollan investigaciones en este tema para lograr mecanismos más eficaces.Las cenizas, debido principalmente a su alto contenido de sílice, pueden ser utilizadascomo materia prima en la industria de materiales cerámicos. Adicionalmente, por estar librede metales tóxicos, también son valorizadas como fertilizante en diferentes cultivos [6].Los alquitranes, por ser hidrocarburos pesados, pueden ser separados del gas yaprovechados para la generación directa de calor. Finalmente, debido a que la tecnología delecho fluidizado opera por debajo de las temperaturas de formación de NOx térmico (1.100ºC aproximadamente), la presencia de este compuesto no es objeto de preocupación.2.3.3 Variables del Proceso de Gasificación en Lecho Fluidizado.A continuación se describen brevemente las variables de mayor importancia durante elproceso de gasificación en lecho fluidizado.Factor de Aire: Este parámetro corresponde al valor de la relación aire - combustible realutilizada durante el proceso dividida por la relación aire - combustible teórica para elcombustible gasificado. Por lo tanto, el factor de aire define en cierta medida la proporciónde combustible quemado (combustión completa) con relación a la cantidad gasificada(oxidación parcial y/o reducción) [4].El límite inferior del factor de aire está establecido por la cantidad mínima de aire requeridapara quemar el combustible y generar el calor suficiente para sostener las diferentesreacciones endotérmicas de la gasificación. Valores muy pequeños de esta variable haráque la temperatura de reacción baje demasiado y se imposibilite la liberación de energíasuficiente para el avance de las reacciones de reducción. De otro lado, valores muy altos delfactor de aire propiciarán aumentos en la temperatura por causa de mayor presencia deoxígeno, favoreciendo principalmente a la fase de combustión. 22
  45. 45. Para gasificación en lecho fluidizado, la cantidad de partículas elutriadas (aquellas enviadaspara fuera del reactor), la expansión y temperatura del lecho, tienen relación directamenteproporcional con el aumento del factor de aire. En la literatura, los valores reportados paraéste parámetro en el caso de biomasa vegetal varían en el rango de 0,2 a 0,55 [4].La relación teórica para el factor de aire aparece expresa en función del análisis elementaldel combustible gasificado, de la siguiente manera [5]: R    = 0,0889 ⋅ (C + 0,375.S ) + 0,265 ⋅ H − 0,033 ⋅ O  Nm 3   Ec(2.8)  A C  estequiométrica  kg  Adicionalmente al factor de aire, la temperatura del lecho, el campo volumétrico,composición y poder calorífico del gas energético, así como, la eficiencia en frío delequipo, entre otros, son igualmente consideradas variables importantes para la operación degasificadores [4]:Temperatura: La temperatura de la zona de reacción está condicionada principalmente porel factor de aire utilizado y la composición elemental del combustible a gasificar. Su límiteinferior es establecido por la condición de conversión total de carbono. En cualquier caso,durante el proceso se debe garantizar que la temperatura en el lecho, para determinadovalor en el factor de aire, sea suficientemente elevada para que el carbono presente en elcombustible se transforme por completo y no se acumule en las cenizas, produciendoineficiencias.De acuerdo al principio de Le Chatelier (cuando sobre un sistema químico en equilibrio seejerce una acción exterior que modifica las condiciones del sistema, el equilibrio sedesplaza en el sentido que tienda a contrarrestar la perturbación introducida), altastemperaturas favorecen los reactivos en reacciones exotérmicas y favorece los productos enreacciones endotérmicas. De esta forma, la reacción endotérmica de la ecuación (2.7) seconsolida con incrementos en la temperatura, aumentando la concentración de H2 ydisminuyendo la concentración de CH4. 23
  46. 46. De otro lado, el límite superior de la temperatura de reacción está condicionado por latemperatura de fusión de las cenizas, la cual, para el caso específico de la cascarilla dearroz, se encuentra alrededor de 900ºC [4]. Por encima de esta temperatura, los óxidos desilicio y potasio presentes en las cenizas se funden, formando una barrera que evita lasreacciones con el carbono fijo presente en la estructura de la cascarilla de arroz y permitenla indeseable aglomeración de partículas que lleva al colapso del lecho.El control de la temperatura de proceso también es importante para mantener laconcentración de alquitrán del gas combustible dentro de límites tolerables [7]. El alquitránes una mezcla de hidrocarburos pesados condensados de alto peso molecular, y aunque sucontenido disminuye cuando la temperatura del reactor aumenta (como ilustrado por laFigura 2.6), las cantidades presentes a temperaturas normales de gasificación aún sonconsideradas altas para la mayoría de las aplicaciones del gas combustible.Una solución parcial a este problema se fundamenta en la utilización de lechos másprofundos y en la adición de catalizadores. Sin embargo, la presencia de alquitrán puede serinteresante debido a que aumenta el poder calorífico del gas producido y proporciona unallama más luminosa que suministra mayor transferencia de calor por radiación [5].En general, la tolerancia de la presencia del alquitrán en el gas producido depende de lautilización de éste último en los diferentes mecanismos de transformación energética. Porejemplo, cuando la producción de gas tiene fines exclusivos para generación de calor porcombustión directa, la limpieza puede no ser necesaria. En cambio, para la transformaciónen potencia mecánica en motores de combustión interna, se hace necesaria la remoción dealquitrán hasta un nivel de por lo menos 10 mg/Nm3, a fin de evitar problemas serios demantenimiento y de vida útil del motor [4]. 24
  47. 47. Fuente: KAUPP. Albrecht. Gasification of Rice Hulls. Deutsches Zentrum für Entwicklungstechnologien – GATE. 1984. Figura 2.6. Contenido de alquitrán en el gas producto en función de la temperatura de reacción.Campo volumétrico de gas producido: Este parámetro mide la cantidad de caudal de gasgenerado por masa de combustible alimentado al sistema. El campo volumétrico de gasproducido por un gasificador tiene una relación directamente proporcional a variaciones delfactor de aire. Valores normalmente obtenidos en operación con biomasa vegetal muestrancampos volumétricos de gas que oscilan entre 1,85 y 2,5 Nm3/kg [4].Composición y poder calorífico del gas producido: En general, el gas producto de lagasificación de biomasa con aire como agente gasificante, comprende los siguientescomponentes: CO2, CO, CH4, H2O, H2, N2 y pocas cantidades de hidrocarburos gaseososmás pesados (alquitranes), así como algo de O2. Las concentraciones de CO, CH4 y H2determinan el poder calorífico del gas producido, debido a que estos tres constituyen loscomponentes energéticos de la mezcla. Con el incremento de la temperatura para un 25
  48. 48. determinado factor de aire, las concentraciones de H2 y CO tienden a aumentar, mientrasque las de CO2, N2 y CH4 a disminuir [4].Utilizándose solamente aire como agente gasificante, valores reportados en la literaturamuestran que generalmente el poder calorífico inferior del gas producto varía entre 4 y 6MJ/Nm3. Valores mayores para el poder calorífico del gas producido pueden obtenerse sila gasificación de desarrolla con vapor de agua, oxígeno o hidrógeno como agentegasificante. Si aumenta el factor de aire, la temperatura del lecho también tiende aincrementarse debido a la acción predominante de las reacciones de oxidación; estoconlleva a una disminución del poder calorífico inferior del gas producido.Eficiencia del gasificador: La eficiencia térmica de un gasificador puede calcularse encaliente y en frío. La eficiencia en caliente corresponde al cociente de la suma de lasenergías sensible y química del gas producido respecto a la energía química contenida en elcombustible gasificado; por otro lado, la eficiencia en frío se refiere solamente al cocienteentre la energía química del gas y la energía química del combustible. Para efectos decomparación de rendimiento de gasificadores, la mayoría de los autores de la literaturaprefiere considerar la eficiencia en frío, debido a que ésta evita la obtención de valoresengañosos influenciados por el valor del calor sensible del gas, que en realidad no es elobjeto más importante del proceso.Para gasificadores de lecho fluidizado operados con biomasa, valores de eficiencias en fríohasta de 60% han sido reportados con eficiencias de conversión de carbono del 90%. Laeficiencia del gasificador está relacionada de forma directa con el poder calorífico del gasproducido y su campo volumétrico, por lo que la temperatura del lecho y el factor de aireson parámetros de influencia sobre la eficiencia del equipo [4]. 26
  49. 49. 2.4 ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN DE CASCARILLA DE ARROZDe acuerdo con información disponible en la literatura, una cantidad considerable deinvestigaciones sobre sistemas de gasificación en lecho fijo y fluidizado usando residuosagrícolas, incluida la cascarilla de arroz, ha sido reportada. La elevada disponibilidad deeste subproducto del arroz, principalmente en países de Asia, llevó al desarrollo actual delos gasificadores de tipo comercial, especialmente para uso en sistemas de generación deenergía eléctrica instalados directamente en plantas de beneficio agrícola.Los primeros estudios sobre el tema buscaban mejorar el proceso de la gasificación que yavenía siendo ampliamente usado para la obtención de gas combustible como sustituto delpetróleo durante la segunda guerra mundial. Los famosos gasogenios a partir de carbón ymadera, suministraban energía necesaria para mover las maquinas térmicas de aquellaépoca [6]. La crisis del petróleo en 1973, representó un impulso considerable para eldesarrollo de la utilización de la biomasa como fuente de energía importante en el mundo, através de procesos térmicos como la combustión, gasificación y pirolisis [5]. Aunque losprimeros trabajos publicados con relación a gasificadores para biomasa vegetal en lechofluidizado se remontan a los años setenta, solamente a mediados de la década de losochenta se intensificaron las investigaciones al respecto [8].La Tabla 2.5, presentan algunas de los parámetros operacionales de varias investigacionesreportadas en la literatura sobre gasificación de cascarilla de arroz. Igualmente la Tabla 2.6,muestra ciertas características y resultados de otras investigaciones relacionadas con eltema. 27
  50. 50. Tabla 2.5. Parámetros operacionales de algunas investigaciones sobre gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado. RelaciónMaterial inerte Altura Temperatura altura de Factor Velocidad Flujo de del lecho y de lecho del lecho – de de gas tamaño de estático lecho diámetro aire fluidización combustiblepartícula (µm) (mm) (°C) reactor (cm/s) (kg/h) --- 0,27 – Alumina 600 2 750 – 950 50 0,34 --- --- --- --- --- 0,15 – 523 – 907 0,38 --- --- 0,18 – Arena (234) 60 – 75 700 – 815 9 – 22 0,21 --- 0,30 –Alumina (486) 60 1,5 721 – 871 75 – 105 0,48 --- --- --- 0,21 – Arena (826) 500 – 757 14 – 18 0,29 --- --- Arena (225) 0,26 500 – 800 60 – 100 15 – 20 --- 0,1 – Alumina 480 - 370 1,85 – 2,4 75 600 - 800 0,8 Fuente: NATARAJAN, E.; NORDIN, A.; RAO, A. Overview of Combustion and Gasification of Rice Husk in Fluidized Bed Reactors. Biomass & Bioenergy, v. 14. 1998. pp. 533-546. 28
  51. 51. Tabla 2.6. Características y resultados de algunas investigaciones sobre gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado.Diámetro del Temperatura Factor Poder Composición del Eficiencia de reactor del lecho de Calorífico gas energético gasificación (mm) (°C) aire (MJ/Nm3) CO H2 CH4 (%) 0,48- 406 721-871 6,3(1) 12,2 4,7 6,3 66 - 67 0,86 --- 0,24- 600-850 5,7(1) 10,4 4,7 6,0 35 0,45 200 760 0,49 4,0(2) 15,0 6,0 3,7 54 (2) 200 740 0,50 3,3 13,4 4,2 2,7 58(1) Poder calorífico superior.(2) Poder calorífico inferior.Fuente: RAMÍREZ B. Jhon Jairo. Gasificación de Cascarilla de Arroz en Reactor de LechoFluidizado a Escala Piloto: Propuesta para proyecto de innovación tecnológica Sena-Colciencias. Medellín: UPB. Grupo de investigaciones Ambientales, 2002.En uno de los trabajos de investigación más recientes fueron obtenidas potencias de ejealrededor de 45,1 kW, acoplando un motor de combustión interna de 26% de eficiencia aun gasificador de lecho fluidizado a escala piloto [6]. Los resultados y las característicasoperaciones más relevantes se muestran en la Tabla 2.7. 29
  52. 52. Tabla 2.7. Resultados y características operacionales de gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado.Diámetro del Altura del Temperatura Factor Poder Eficiencia de reactor reactor del de Calorífico gasificación (mm) (m) lecho aire Inferior (%) (ºC) (MJ/Nm3) 400 4,6 720 - 880 0,28 – 0,40 4,2 40Fuente: FERNANDES C, Marcelo. Investigação Experimental de Gaseificação deBiomassa em Leito Fluidizado. Brasil: UNICAMP, 2004. Tesis (Doctor en IngenieríaMecánica).Con relación a los logros en el campo comercial de la gasificación de cascarilla de arroz,en la Figura 2.7 se ilustra uno de los primeros gasificadores puestos en operación [9]. Esteequipo funcionaba en lecho fijo y poseía una parrilla rotativa para la evacuación de cenizas,sello de agua en el fondo y una camisa de agua para el control de la temperatura en la zonade reacción, con el fin de evitar la sinterización de las cenizas. El sistema fue fabricado enChina e instalado en un molino de arroz en Malí durante los años ochenta, requiriendo unconsumo específico de combustible que variaba entre 3,75 y 4,0 kg/kWh.Actualmente, las investigaciones del desarrollo industrial de la gasificación de biomasa seencuentran principalmente en Estados Unidos, India, China y Brasil. La compañíanorteamericana Primenergy2, se ha destacado en la realización de proyectos detransformación energética mediante la tecnología de gasificación, con aplicaciones directasen la generación de energía eléctrica, producción de vapor, calor, etc.2 http://www. primenergy.com 30
  53. 53. 1 1- Entrada para la cascarilla de arroz y el aire 2- Camisa de agua para refrigeración 3- Accionamiento de la parrilla rotatoria 14 4- Descarga del gas 5- Parrilla rotatoria 10 10 6- Soporte de la parrilla 13 7- Trompa de cenizas 8- Tubería de descarga de las cenizas 4 2 9- Entrada del agua de refrigeración 10- Salida del agua de refrigeración 11- Gas 9 12- Cenizas 11 11 13- Límite superior de combustión 14- Límite superior de la cascarilla de arroz 15- Agua para la remoción de las cenizas 5 16- Bocales de atomización del agua 8 6 3 12 7 16 15Fuente: BARBOSA CORTEZ, Luis Augusto y SILVA LORA, Electo. Tecnologias deconversao da biomassa. Manaus: EDUA/EFEI, 1997. Figura 2.7. Gasificador comercial para cascarilla de arroz.En la Figura 2.8 se observa uno de los sistemas de gasificación para cascarilla de arrozdesarrollados por esta empresa, localizado en Greenville (Mississippi). Este equipo puedeprocesar 330 toneladas por día del residuo agrícola y corresponde a un sistema de dosgasificadores modelo KC-18, acoplados en paralelo, que bajo condiciones normales deoperación, generan 5.200 kW de energía eléctrica y 15.000 kg/h de vapor de agua,destinados al secado de granos. 31
  54. 54. Figura 2.8. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Greenville, Mississippi.En la Figura 2.9 se muestra otro sistema gasificador en paralelo desarrollado porPrimenergy. Este equipo es capaz de gasificar alrededor de 500 toneladas por día decascarilla de arroz, con el cual se generan 12 MW de energía eléctrica por medio de unaturbina de vapor. Figura 2.9. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Stuttgart, Arkansas. 32
  55. 55. En Colombia, las investigaciones sobre gasificación en lecho fluidizado para biomasa ycascarilla de arroz se han enfocado sobre equipos a escala de laboratorio, como losdesarrollados en la Universidad Pontificia Bolivariana, Rojas (2002)3 y en la Universidadde los Andes, Barriga (1997)4.Recientemente, el Grupo de Investigaciones Ambientales de la Universidad PontificiaBolivariana, motivado por la necesidad de contribuir con una propuesta de soluciónracional al problema de disposición final de residuos agroindustriales en Colombia, diseñó,construyó e instaló un sistema gasificador para cascarilla de arroz en lecho fluidizado concámara de reacción de 300 mm de diámetro interno y 3 m de altura. La evaluación delrendimiento operacional de este sistema constituyó el objeto principal del presente proyectode grado. Los detalles referentes a dicho trabajo se presentan en los próximos capítulos.3 ROJAS, R, Juan Carlos. Gasificación de biomasa en lecho fluidizado como alternativa de tecnología limpia.Medellín. UPB, 2002. Tesis (Maestría en Sistemas Energéticos).4 BARRIGA A, Mario Bernardo. Construcción de un gasificador en lecho fluidizado de cascarilla de arroz.Santafé de Bogotá: UNIANDES, 1997. Tesis (Ingeniero Mecánico). 33
  56. 56. 3. MATERIALES Y MÉTODOSEn este capítulo se describen las propiedades y características físico-químicas másimportantes de los materiales que conforman el lecho de partículas del sistema degasificación. Adicionalmente, se detallan los componentes e instrumentos que componen elequipo experimental, así como, los métodos y procedimientos realizados para la evaluacióndel gasificador.3.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICO – QUÍMICA DE LA CASCARILLA DE ARROZ.La cascarilla de arroz utilizada en los experimentos de gasificación fue adquirida en laempresa Agromolinos de Colombia S.A, localizada en la ciudad de Medellín. Estacascarilla tuvo origen en la ciudad de Ibagué – Tolima y no necesitó ningún proceso previode adecuación para su utilización en el equipo gasificador.Las propiedades físico – químicas del combustible gasificado fueron obtenidas a partir dediversos análisis realizados en laboratorio, específicamente, a través de ensayos dedistribución granulométrica, densidad, composición química y poder calorífico. Ladensidad aparente y la distribución granulométrica de la cascarilla de arroz fueronobtenidas en el Laboratorio de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la UniversidadPontificia Bolivariana – Sede Medellín. Los otros análisis fueron realizados en elLaboratorio de Carbones adscrito a la Facultad de Minas de la Universidad Nacional deColombia, sede Medellín. 34
  57. 57. 3.1.1 Densidad a Granel y Aparente.La densidad a granel (ρb) se define como la relación entre la masa y el volumen ocupadopor un conjunto de partículas levemente empaquetadas. Además del vacío existente entrecada una de las partículas que conforman el lecho, esta densidad incluye también los porosinternos y superficiales del sólido. Como se describe posteriormente, la densidad a graneles de importancia para el cálculo de la densidad aparente y para el correctodimensionamiento de los silos de almacenamiento.Por otra parte, la densidad aparente (ρp) se refiere a la relación entre la masa y el volumende una partícula, incluyendo los poros internos y superficiales existentes. Esta propiedad esllamada también como densidad hidrodinámica y es la utilizada en los cálculos defluidización. El valor de la densidad aparente, puede determinarse con relativa precisión apartir del conocimiento de la esfericidad y porosidad de la partícula [10]. Para el caso de lacascarilla de arroz, el cálculo de la esfericidad fue realizado según la ecuación 3.1,aproximando su configuración física a la de un cilindro seccionado por la mitad a través desu eje longitudinal. φ = Área superficial de una esfera en el mismo volumen de la partícula Ec(3.1) Área superficial de la partícula.Con base en valores medidos de longitud y diámetro de la cascarilla, fueron encontrados losvalores de área superficial para una esfera con el mismo volumen de la partícula, así como,el área superficial de la partícula. El resultado obtenido mostró un valor medio deesfericidad de 0,49 de esfericidad para la cascarilla de arroz. En el Anexo A, se presenta elanálisis correspondiente para las 10 mediciones realizadas de diámetro y longitud de lacascarilla. 35
  58. 58. Adicionalmente, considerándose un empacamiento normal de las partículas en el lecho ycon el valor de esfericidad anteriormente determinado, así como, a través de la Figura 3.1,fue obtenido un valor de 0,64 para la porosidad de la cascarilla de arroz.Fuente: KUNII, Daizo y LEVENSPIEL Octave. Fludization engineering. 2ª ed. Newton:Butterworth – Heinemann, 1991. 491 p. Figura 3.1. Porosidad de un lecho de partículas en función de su empacamiento y su esfericidad.Finalmente, la densidad aparente del material combustible fue determinada por medio de laecuación 3.2 [11]. ρb ρp = Ec(3.2) 1− εmdonde:ε m : Porosidad del lecho de partículas.En la Tabla 3.1 se presentan los valores de las densidades a granel y aparente calculadas. 36

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