plan de tesis gasificador cascarilla de arroz
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GASIFICACIÓNTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
Campus Santo Domingo
FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
Proyecto técnico previo a la obtención del título de:
INGENIERO AUTOMOTRIZ
ESTUDIO, DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN GASIFICADOR PARA LA
GENERACIÓN DE CONBUSTIBLE ALTERNATIVO A TRAVÉS DE LA
BIOMASA PARA MCI EN SANTO DOMINGO DE LOS TSACHILAS,
PERIODO 2015 - 2016.
Nombre:
MOISÉS FILIBERTO MORA MURILLO
Docente Tutor
Lic. Remberto Rodríguez Msc.
Santo Domingo – Ecuador
Septiembre del 2015
Dedicatoria
Lleno de regocijo, de amor y esperanza, dedico este proyecto, a
cada uno de mis seres queridos, quienes han sido mis pilares para
seguir adelante.
Es para mí una gran satisfacción poder dedicarles a ellos, que con
mucho esfuerzo, esmero y trabajo me lo he ganado.
A mis padres Walter Mora y Lida Murillo, porque ellos son la
motivación de mi vida mi orgullo de ser lo que seré.
A mis hermanos Walter y Moisés, porque son la razón de
sentirme tan orgullosa de culminar mi meta, gracias a ellos por
confiar siempre en mí.
Y sin dejar atrás a toda mi familia por confiar en mí, a mis
abuelitos, tíos y primos, gracias por ser parte de mi vida y por
permitirme ser parte de su orgullo.
Agradecimiento
Agradezco eternamente a Dios por haberme iluminado y
permitirme seguir adelante, con sabiduría, paciencia y hacer
realidad una de mis aspiraciones y obtener la Ingeniería en
Mecánica Automotriz.
A cada una de las personas que colaboraron con un granito de
arena para que este proyecto se haga realidad, mi eterno
agradecimiento por su incondicional apoyo y ayuda.
Un agradecimiento especial al
PhD……………………………….. por ser parte fundamental de
la culminación de este proyecto, por haberme brindado sus
conocimientos con sus experiencias y sapiencias.
I. INTRODUCCION
1.1. Planteamiento del problema
El estado actual del planeta desde el punto de vista energético permite que la
generación de energías renovables tome cada vez una mayor relevancia a nivel
global. La generación de un combustible alternativo a partir de la biomasa como
combustible en conjunto con agentes en la gasificación, tiene una doble ventaja ya
que posibilitan la diversificación energética y reducen la dependencia del petróleo
con lo cual disminuyen las emisiones globales de CO2.
Alrededor de las tres cuartas partes de las emisiones de CO2 antropogénicas que se
han producido en los últimos 20 años en el mundo se deben a la quema de
combustibles fósiles, ya que el 80% de nuestra energía depende todavía de los
combustibles fósiles (petróleo y gas natural). El resto se debe fundamentalmente a
los cambios en el uso del suelo y especialmente a la deforestación. La única manera
de evitarlo es gestionar la demanda de energía, aumentar la eficiencia energética y el
uso de energías renovables. (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 6)
En este trabajo se propone la obtención de un gas de síntesis con la finalidad de que
el mismo tenga un poder calorífico razonable con el objetivo de que pueda
combustionar dentro de un MCI con la ayuda de un agente oxidante elevando así el
poder calorífico del gas resultante.
Es así, que desde el punto de vista ambiental uno de los procesos más viables para
generación de combustibles alternativos es la utilización de residuos biomasicos
convirtiéndolos en un gas de síntesis. Es por esta razón que en la Universidad
Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo se quiere implementar un sistema de
gasificación termoquímica, buscando realizar nuevas investigaciones sobre la
óptima utilización de la biomasa como recurso renovable y que a priori otras
instituciones se den cuenta de del aprovechamiento que se le puede dar a este
recurso con el finalidad de que también lo implementen en sus instalaciones.
1.2. Justificación
Los sistemas de gasificación de residuos sólidos, ya sean de origen forestales,
agrícolas o urbanos, se enmarcan dentro del desarrollo sostenible tanto en los países
desarrollados como en los emergentes ya que se integran con planes de manejo
integral de residuos de sólidos, generando energía eléctrica utilizando la misma,
disminuyendo la dependencia de combustibles derivados del petróleo y reduciendo
las emisiones de dióxido de carbono en la atmósfera.
Uno de los procesos con mayor potencial es la gasificación. Este permite la
generación tanto de energía térmica como eléctrica, mediante tecnologías de bajo
costo como los gasificadores. En el país la investigación con la biomasa como
energía renovable se encuentra a muy bajo nivel, es así que este proyecto va de la
mano con las políticas y lineamientos del plan del buen vivir que en su objetivo
once, que menciona asegurar la soberanía y eficiencia de los sectores estratégicos
para la transformación de la industria y tecnología.
De la misma manera esto implicaría ingresos de recursos lo que afianzaría los
procesos de investigación y vinculación alineándose con el plan del buen vivir, con
la misión y visión de la institución, justificando de esta forma la ejecución del
mismo.
1.3. Objetivos de la investigación
1.3.1. Objetivo General
“DISEÑAR, Y CONSTRUIR UN GASIFICADOR PARA LA GENERACIÓN DE
CONBUSTIBLE ALTERNATIVO A TRAVÉS DE LA BIOMASA PARA MCI
PARA LA UTE SEDE SANTO DOMINGO”
1.3.2. Objetivos Específicos
Determinar los parámetros de diseño y construcción del gasificador de
biomasa para MCI.
Diseñar el sistema alternativo acoplado al MCI.
Evaluar técnica y económicamente el gasificador.
1.4. Hipótesis
1.5.1 Hipótesis alternativa
El gas de síntesis obtenido en el gasificador térmico es viable para la
utilización en un MCI.
El gas de síntesis obtenido en el gasificador térmico no es viable para la
utilización en un MCI.
1.5. Alcance de la investigación
El presente proyecto tiene como alcance la implementación, montaje y construcción
de un sistema de gasificación, para el funcionamiento de un motor de combustión
interna previamente modificado para biogás para el taller mecánico de la
Universidad Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo, y posterior desarrollo
de procedimientos para el uso del mismo.
II. REVISION DE LITERATURA
II.1. Antecedentes
El aprovechamiento de las fuentes de energía renovable, entre ellas la energía solar,
eólica e hidráulica, y el uso de combustibles de biomasa es muy antiguo; desde hace
muchos años ya se utilizaban, no obstante, después de la primera guerra mundial se
produjo un retorno total a los combustibles líquidos tan pronto como volvieron a
estar disponibles, debido evidentemente a su comodidad, seguridad y ventajas
económicas.
Recientemente se ha despertado de nuevo el interés por esta tecnología,
especialmente como un medio de utilizar combustibles de biomasa, en vez de
combustibles de petróleo importados en países en desarrollo. Este interés procede de
la evidencia bien documentada de que durante la Segunda Guerra Mundial más de 1
millón de vehículos, autobuses, camiones, automóviles, barcos y trenes fueron
propulsados por gasificadores alimentados a base de madera, carbón vegetal, turba o
carbón mineral.
Los sistemas de gasificación se vienen usando desde hace muchos años. La
producción de biogás a partir de materiales a base de carbono es una tecnología
antigua, y a pesar de que las ventajas del proceso de gasificación fueron descubiertas
a principios de los años 1800, la utilización de esta tecnología se ha planteado como
una alternativa viable hasta en los últimos 50 años. Estos sistemas han demostrado
ser una buena alternativa para resolver los problemas energéticos en comunidades
aisladas del sistema electro-energético. El primer gasificador de flujos paralelos
concurrentes fue instalado en 1839. Los principios básicos de la gasificación de la
biomasa han sido conocidos desde finales del siglo XVIII, pero las primeras
aplicaciones comerciales datan de 1830. Hacia comienzos de 1850 un gran número
de lámparas de alumbrado público en Londres ya funcionaban con gas producido de
la gasificación de biomasa, este experimento constituyó en el comienzo definitivo de
las investigaciones es esta área.
Los orígenes del proceso de gasificación comienzan en Francia e Inglaterra en el
siglo XIX donde se empleaba para la manufactura de un gas combustible cuyo uso
era doméstico. Durante la Primera Guerra Mundial su uso se extendió en la
fabricación de motores alimentados por biomasa o carbón para vehículos
automotores, barcos, trenes y generadores de energía eléctrica de pequeña escala.
Sin embargo, la llegada de combustibles fósiles relativamente baratos y de
“quemado” fácil como la gasolina desplazó a los gasificadores de la industria
energética. En el inicio de la Segunda Guerra Mundial surgió un interés por formas
alternativas de producir combustibles, retomando el uso de gasificadores en la
industria automotriz. Un caso destacable de este hecho surgió en Suecia, donde en
1943 alrededor del 90% de los vehículos contaban con un motor basado en
gasificador.
Cuando la producción de petróleo comenzó a estar disponible, el gas combustible
producto de la gasificación de biomasa cayó. Actualmente debido al agotamiento de
los combustibles y a la alza en los precios del petróleo, las tecnologías de
gasificación han sido redescubiertas recientemente como una fuente de energía
alternativa que ofrece varias ventajas sobre la combustión o quemado directo de
combustibles fósiles como la gasolina y el carbón. De manera que el proceso de
gasificación resulta atractivo debido a que es posible utilizar materiales de escaso
valor comercial para generar energía eléctrica con alta eficiencia y baja producción
de gases de efecto invernadero a un costo capital relativamente bajo.
Con ello se ha puesto en evidencia el efecto nocivo de los elevados precios del
petróleo, en continuo aumento, para la economía y los esfuerzos de progresos de los
países en desarrollo importadores de petróleo. Como resultado de ello, se ha
producido un aumento del interés por las fuentes nacionales de energías renovables,
de las cuales, la biomasa, en forma de madera o de residuos agrícolas, es el más
fácilmente disponible en muchos países en desarrollo.
En el presente existe una creciente preocupación por el medio ambiente, que ha
hecho generar una serie de cuestionamientos sobre continuar usando combustibles
fósiles y por ello, la necesidad de producir energía sostenible ha incrementado la
investigación en este campo y especialmente en el campo de la gasificación. (Javier
Alejandro Villegas, 2012, pág. 8)
II.2. Fundamentos teóricos
Se refiere biomasa a cualquier conjunto de materia orgánica renovable de origen
vegetal, procedente de un proceso biológico espontaneó o provocado. Conteniendo
carbono, nitrógeno, oxigeno e hidrogeno como cada ser vivo. Puede clasificarse
como natural (producida en ecosistemas) y la residual producida por cualquier
actividad humana principalmente en procesos agrícolas, industriales, basura
producida y aguas residuales.
En Ecuador la utilización de biomasa se reduce a la autogeneración en
agroindustrias como por ejemplo ingenios azucareros, piladoras de arroz e industrias
agroforestales, se destacan por su disponibilidad de residuos de madera, tusa de
maíz, bagazo de caña de azúcar, cascara de coco, cascara de café, cascara de arroz,
cascara de cacao.
Cuya mayor dificultad es obtener un estimado de la cantidad de residuos ay que son
utilizados mayormente para fertilización y combustión para la obtención de calor.
No se puede obtener un estimado ya que nadie cuantifica la biomasa, por lo que no
hay notas fiscales para la compra de la misma, siendo difícil y casi imposible
recolectar datos sobre la biomasa disponible en el país.
2.1.1. Residuos de bosques
En la provincia de Pichincha se tiene grandes parques los cuales tienen vegetación
endémica de su localidad. Tienen una gran capacidad de generación de biomasa
como por ejemplo los parques metropolitanos de Quito.
Así como explotación de maderas comerciales en la provincia de Esmeraldas, Los
ríos y muy controlada en la amazonia ecuatoriana. (Javier Alejandro Villegas, 2012,
pág. 10)
2.1.2. Especies Agrícolas
Cascara de café
Producida en pequeñas agroindustrias productoras de café localizadas
principalmente en la zona de la sierra sur del Ecuador. Su residuo se utiliza como
fuente energética con combustión directa.
Cascara de arroz
Producida en toda la zona de la costa del Ecuador donde la producción y
almacenamiento del residuo lo realizan las piladoras utilizada mayormente para la
avicultura y ganadería como filtros para recolección de residuos animales. También
la semi – combustión de esta materia para el uso como fertilizante de tierra.
Bagazo de caña de azúcar
Este material es el más utilizado en la industria ecuatoriana, el residuo de la
producción de azúcar es utilizado en la cogeneración de energía a través de calderos,
los cuales ayudan a la autonomía energética de las empresas azucareras.
Cascara de coco
En toda la costa ecuatoriana se puede encontrar esta especie agrícola, con pequeñas
industrias dedicadas al procesamiento de este producto la utilización del agua y
corteza como fuente de alimento y procesamiento de duces y utilización en la
cocción de alimento teniendo como residuo la fibra la cual se desecha sin ningún
tipo de procesamiento.
Cascara de palma africana
La industria de producción de aceites se utiliza este especie vegetal cuyo producto
es la pulpa y residuo es toda la cascara.
Cascara de cacao
Ecuador es un exportador de cacao de alta calidad, cuya producción se lo realiza en
todas las zonas del piso climático caliente, el producto final son los granos secos de
cacao y su residuo es toda la cascara la cual se utiliza como fertilizante de tierra.
Tusa de maíz
Toda la producción de harinas y diferentes granos se la realiza con diferentes
especies de maíz en los cuales solo se utilizan los granos y la tuza viene a ser un
desecho los cuales combustionan en los campos y son utilizadas sus cenizas como
fertilizantes de tierra.
PODER CALORIFICO DE LA BIOMASA
BIOMASAHHV
MJ/KgCarbón coquizado 25 a 32Madera 10 a 20Paja 14 a 16Cáscara de coco 18 a 19
Cáscara de café 16Tallos de algodón 16Cáscara de cacao 13 a 16Cuesco de la palma de aceite 15Cáscara de arroz 13 a 14Tallos de maíz 13 a 15Aserrín 11
Fuente: Highman
II.3. Gasificación
La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (carbón
, biomasa, restos agrícolas, plástico) es transformado en un gas combustible
mediante una serie de
reacciones que ocurren en presencia de un agente gasificante (generalmente aire) en
un ambiente pobre en oxígeno.
El sustrato carbonoso de origen y el agente gasificante son los parámetros que deter
minan el mayor o menor contenido en energía (poder calorífico) del gas.
Las principales aplicaciones de la gasificación se basan en la utilización del gas prod
ucido y la
energía térmica que genera el propio proceso, además el calor puede transformarse e
n vapor y
producir electricidad mediante un generador eléctrico conectado a la turbina.
III. MATERIALES Y METODOS
III.1. Sitio de estudio
El presente proyecto se llevará a cabo en la Universidad Tecnológica Equinoccial
sede Santo Domingo.
Coordenadas geográficas.
Latitud: -0.236871
Longitud: -79,20782099 Altura: 492 m.s.n.m
III.1.1.Localización geográfica
Macro localización
PAIS: ECUADOR
PROVINCIA: SANTO DOMINGO DE LOS TSACHILAS
Micro localización
CIUDAD: SANTO DOMINGO DE LOS COLORADOS
LUGAR: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL
III.1.2.Ubicación en el tiempo
El presente proyecto de investigación se lo llevara a cabo el presente año 2015 en
Ecuador, en la provincia Santo Domingo de los Colorados, en la cuidad de Santo
Domingo de los Tsáchilas, teniendo como sede de investigación a la Universidad
Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo.
III.1.3.Características climáticas
La Universidad Tecnológica Equinoccial con su sede en Santo Domingo de los
Tsáchilas, la misma con características climáticas lluvia tropical, su temperatura
habitual es de unos 18 a 33 °C en verano. En invierno normalmente hace más calor
de 23 a 34 grados y a veces llega a los 38 °C. Su temperatura media es de 25,5 °C.
La playa más cercana, Pedernales, está a 120 km, a 1 hora por el nuevo camino (La
Concordia - Puerto Nuevo), una arteria de 32 kilómetros de dos carriles. Está
asfaltada y soporta poco tránsito vehicular. Quienes llegan a La Independencia
deben avanzar hasta el redondel de La Concordia y de ahí tomar la nueva vía, que
también se la conoce como Latitud 0.
III.1.4.Características edáficas
El siguiente cuadro muestra las características edáficas de la zona donde se realizó
el proyecto de investigación.
CARACTERÍSTICAS EDÁFICAS DE SANTO DOMINGO DE LOS TSÁCHILAS
ALTITUD 492 m.s.n.mCLIMA Tropical húmedo alterado
TEMPERATURA 25.5 °CPRECIPITACION 8.7 mm
HELIOFÁNIA 600 a 1700 horas por añoHUMEDAD RELATIVA 85%
Elaborado por: Moisés MoraFuente: Jacqueline Mejía, 2011
III.2. Materiales, instrumentos y recursos
III.2.1.Materiales
Los materiales utilizados para la construcción del gasificador son los siguientes.
Plancha de acero de 1.5 mm de espesor. Pernos de media pulgada. Tuercas de media pulgada. Perfiles simples y en L de media pulgada. Abrazaderas. Barra de fierro de ¼ de pulgada.
La construcción se ha llevado a cabo de una forma muy artesanal debido a la carencia de herramientas en la tornería. Se enumeran a continuación las herramientas utilizadas:
Taladro. Esmeril. Guillotina. Cincel. Martillo. Compas. Soldador de arco eléctrico. Oxicorte. Abrazaderas de apriete. Torno. Metro. Escuadra. Disco de esmeril
1 filtro ciclón
1 metro de tubo de acero inoxidable, D = 1 ½ in 1 catalizador de gases
1 válvula neumática Biomasa sólida, residuos de cacao y café.
III.2.2.Instrumentos y recursos
Gas de síntesis Biomasa solida (residuos de cáscara de cacao y café) Motor de combustión interna (SUZUKI 100 CC)
FICHA TÉCNICA MCI SUZUKI AX 100Cilindrada 98 ccTipo de motor 2 tiempos, 1 cilindroTorque 0.97 kg-m / 6500 rpmPotencia 10 CV/7500Diámetro por carrera 50 mm x 50 mmRelación de compresión 6:6:1
III.3. Diseño experimental, factores y variables de estudio
Esquema gasificador – motorFuente (Solar technical information program 1998)
III.3.1.Diseño experimental
Cada sistema de gasificación y en especial ese consta o consiste de 4 partes
fundamentales:
El reactor del gasificador
La alimentación La purificación del gas
La utilización del gas combustible
III.3.1.1. El Reactor de Gasificación
Se han desarrollado diferentes tecnologías adecuadas para cada escala de
utilización.
Tipos de gasificadores y potencias optimas de funcionamiento Fuente (ALTERNER, 2002), (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 45)
III.3.1.2. La alimentación
III.3.1.3. La limpieza del gas
La limpieza del gas de síntesis tiene como objetivo primordial la remoción de
alquitranes y material particulado que se da origen de la gasificación, los elementos
encargados para la filtración de las mismas son filtros de material particulado y el
ciclón, todo esto buscando la prolongación de la vida útil del MCI.
Resumen de los métodos catalizadores para limpieza de síntesis atendiendo las impurezas y temperaturas de los procesos.
Fuente (Skoblja S., Malecha J., Koutsky B., Buryan P., 2005) (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 47)
III.3.1.4. Utilización del gas combustible
Una vez que obtenemos el gas de síntesis, hay que tener en cuenta la utilización fija
del mismo como combustible gaseoso, todo esto porque a partir de aquí se
incorporaran los procesos de limpieza. Este combustible gaseoso va a tener su
destino en la cámara de combustión de gases dentro del MCI (motor de combustión
interna alternativo) con lo que los requerimientos de partículas y porcentaje de
alquitrán deben ser controlados ya que pueden incidir notablemente sobre el
rendimiento del MCI, una de las mismas puede la obstrucción de las válvulas del
motor y desgastar las camisas del pistón.
Parámetros en diferentes tipos de gasificadores.Fuente (Rodríguez Muñoz, sf) (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 48)
III.4. Métodos estadísticos
Para hacer la elección del tipo de gasificador a implementar, se ha tomado en cuenta
la siguiente matriz de ponderación de los distintos tipos de sistemas de gasificación.
Matriz de ponderación del gasificador.Fuente (García D., 2014) (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 49)
III.5. Concepción e implementación de la solución
III.5.1.Parámetros de diseño del gasificador
El gasificador será conformado de tres capas de diferentes materiales, la primera capa
exterior de acero al carbono de 5 mm de espesor, que es la estructura del gasificador que
estará en contacto con el exterior, le sigue una capa de material aislante de 20 mm de
espesor que puede ser lana aislante mineral o algún otro material que pueda disipar una
temperatura máxima de 1200 °C, esta capa tiene la función además de absorber posibles
dilataciones; finalmente se encuentra interiormente una capa de 110 mm de espesor de
cemento refractario, cerámica o la compactación de residuos de partículas de ladrillo
que se encargaran netamente de realizar el aislamiento térmico, esta última se utiliza
para la construcción del interior del cuerpo del gasificador y da la forma a la garganta,
este material cerámico se recomienda que sea de una densidad de 350 kg/m3.
La parrilla será construida de acero refractario de aproximadamente 5 mm de espesor y
los diámetros irían en función de la zona de la garganta
III.5.2.Parámetros específicos de diseño
Un aspecto importantísimo a tomar en cuenta en la construcción de este tipo de
gasificadores, es el diseño de la zona de oxidación (zona de la garganta), el tamaño de
esta zona depende lógicamente de la cantidad de biomasa a utilizarse en función del
tiempo, razón por la cual teniendo en cuenta el factor experiencia en la construcción de
gasificadores downdraft tipo garganta por parte del “Grupo de Procesos Termoquímicos
de la Universidad de Zaragoza – España” (GPT – Unizar.,2005), ellos trabajan en un
rango optimo entre 1200 y 1300 kg/h.m2, cuyos valores han dado excelentes resultados.
De acuerdo a los datos obtenidos de gasificadores de pequeña escala, entre 25 y 350
kg/h de alimentación, se puede estimar que el flujo de aire necesario para los 100 kg/h
de alimentación es de 120 Nm3/h, por otro lado se estima una producción del gas de
200 Nm3/h. Los datos obtenidos son de gasificadores con el mismo diseño de parrilla,
mismo sistema de remoción de partículas y con similares tiempos de residencia de la
biomasa dentro del gasificador.
Flujo de aire y gases producidos respecto a la biomasa procesada para gasificadores Downdraft tipo garganta
(GPT- Unizar., 2005)