producciÓn de gas combustible por medio de gasificaciÓn de biomasa cuesco de palma africana
DESCRIPTION
Tesis GasificaciónTRANSCRIPT
PRODUCCIÓN DE GAS COMBUSTIBLE POR MEDIO DE GASIFICACIÓN DE
BIOMASA: CUESCO DE PALMA AFRICANA
Esneider Alberto Osorio Campbell
Proyecto de grado para optar al titulo de
Ingeniero Químico
DIRECTOR
Dr. - Ing. Sonia Lucia Rincón Prat
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA Y AMBIENTAL
BOGOTA D.C. COLOMBIA
2012
TABLA DE CONTENIDO
Lista de símbolos ........................................................................................................................ 3
Lista de subíndices ..................................................................................................................... 3
INTRODUCCION ........................................................................................................................ 4
1. GENERALIDADES ................................................................................................................ 6
1.1. PALMA DE ACEITE ....................................................................................................... 6
1.2. GASIFICACIÓN .................................................................................................................. 8
1.2.1 GASIFICADORES: ........................................................................................................... 9
2. CARACTERIZACION DE LA MATERIA PRIMA: CUESCO DE PALMA ................. 12
2.1. CONTENIDO DE HUMEDAD ......................................................................................... 12
2.2. CONTENIDO DE CENIZAS ............................................................................................ 14
2.3. CONTENIDO DE MATERIAL VOLÁTIL ........................................................................ 16
2.4. ANÁLISIS ELEMENTAL. ................................................................................................. 20
2.5. PODER CALORIFICO .................................................................................................... 21
3. BALANCE DE MATERIA .................................................................................................... 26
3.1. CINÉTICA QUIMICA. ....................................................................................................... 26
3.1.1. MODELO ALEATORIO DE POROS .......................................................................... 26
3.2. VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN. .............................................................................. 31
4. HOJAS DE CALCULOS .................................................................................................. 34
4.1 HOJA VELOCIDAD CINETICA A TEMPERATURA Y FRACCION DE AGUA
DADOS: r a T y H2O dados..................................................................................................... 34
4.2. HOJA VELOCIDAD DE REACCION PUNTUAL: Aleatorio poro-ERROR ............... 35
4.3. HOJA PARA EL CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE ALIMENTACION:
Alimentación. ............................................................................................................................. 37
4.4. HOJA ECUACIÓN PARA EL PERFIL DE TEMPERATURA. ................................ 38
4.5. OTRAS HOJAS: 750ºC, 850ºC, 950ºC, 70%H2O, 30%H2O y 100%H2O ............ 38
CONCLUCIONES ..................................................................................................................... 40
BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 41
Lista de símbolos
C Carbono
Ci Concentración agente gasificante
Cp Calor especifico
Cz Contenido de cenizas
d Diámetro
ϵ Fracción de vacío
H Hidrógeno
Hi Entalpia
Hu Contenido de humedad
m Masa
N Nitrógeno
n Numero de moles
p Prueba o ensayo
P Presión
Q Poder calorífico
t Tiempo
T Temperatura
V Contenido de material volátil
Lista de subíndices
1 Masa recipiente vacío
2 Masa recipiente y muestra
3 Masa recipiente y muestra al finalizar ensayo
BS Base seca
SlCz Base seca y libre de cenizas
sup Superior
INTRODUCCION
Aun hoy la mayor fuente para suplir la demanda de energía en nuestra
sociedad son los combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural,
por esta causa nuestra sociedad ha creado una dependencia a una fuente finita
y no renovable (cada vez mas escasa) de recursos en el corto y mediano plazo,
a lo que hay que sumarle los problemas ambientales que genera, como son el
efecto invernadero causado principalmente por las emisiones de dióxido de
carbono, y las emisiones de gases contaminantes como lo son el monóxido de
carbono, los óxidos de nitrógeno y los compuestos azufrados. Estos factores
han impulsado una serie de investigaciones destinadas al desarrollo, mejora y
la aplicación de tecnologías alternativas en la generación de energía.
La biomasa como fuente de energía ha sido utilizada desde los inicios de la
humanidad siendo el de mas amplio uso las maderas y leñas. A comienzos del
estadio de la industrialización fueron usadas de manera indiscriminada como la
fuente de energía para mover las maquinas de vapor, lo que llevo a la
deforestación de grandes áreas de la Europa industrial. Con el descubrimiento
de grandes yacimientos de petróleo y carbón y a la desaparición o inexistencia
de bosques maderables en algunas regiones, el uso de la madera fue
sustituido gradualmente por el de los combustibles fósiles. A pesar de lo
anterior el uso de madera sigue siendo ampliamente extendido en especial en
zonas aisladas y donde la tecnología y las fuentes de suministro son precarias,
también sigue siendo usado en la generación de carbón vegetal cuyo principal
uso sigue siendo los hogares, restaurantes y asaderos.
En la búsqueda de alternativas al uso de los combustibles fósiles, desde
mediados del siglo pasado se ha ensayado con tecnologías que emplean como
materia prima la biomasa. El empleo de biomasa como combustible ha
buscado suplir parte requerimientos energéticos de nuestra sociedad con
procesos como la combustión directa de la biomasa, pellets, y la combustión de
sus transformaciones química o termoquímicas como la gasificación [4].
Actualmente la biomasa con fines energéticos es ampliamente usada en países
como Noruega, Suecia y Dinamarca, dichos países cuentan con los mejores
estándares y tecnología para la transformación de la biomasa en energía.
Países como India, China, Estados Unidos, la Unión Europea y Brasil están
haciendo grandes esfuerzos en el desarrollo e investigación para un mejor
aprovechamiento de la biomasa como fuente de energía [5].
En el país se han venido haciendo importantes estudios para el desarrollo e
implementación de tecnologías que contribuyan a mitigar la dependencia de los
combustibles fósiles, aunque estos esfuerzos han estado muy ligados y
centrados en la obtención de alcohol carburante y biodiesel [7].
El uso de biomasa como alternativa energética en Colombia tiene un gran
potencial, este potencial se explica porque en la producción agroindustrial del
país se generan muchos residuos que podrían ser fácilmente aprovechables
para la generación de energía. Entre estos residuos se tiene: Cuesco de palma
de aceite, bagazo de caña, cascarilla de arroz, cascarilla de café, tusa de maíz,
maderas, entre otros [6].
Entre los procesos de transformación de la biomasa se encuentra la
gasificación; que es el proceso de combustión parcial, en el cual se obtiene
como producto de interés un gas combustible o un gas de síntesis. Dicho gas
puede ser utilizado en la generación de potencia y energía por medio de su
combustión en turbinas o motores de combustión interna o en la producción de
algunos compuestos como alcoholes, olefinas o parafinas [3][4][5][6].
En este trabajo se realizo la caracterización de la materia prima a gasificar;
para este caso cuesco de palma de aceite, además la revisión bibliográfica de
otros trabajos y artículos que tratan sobre el tema de la gasificación del cuesco
de palma de aceite con el fin de la elaboración de unas hojas de cálculos que
nos permitan predecir el comportamiento del gasificador de lecho fijo del
laboratorio de transmisión de calor.
1. GENERALIDADES
Entre alternativas para suplir la necesidad de energía la gasificación de
biomasa es una de las opciones mas adecuada no solo porque mitiga la
dependencia a los combustibles fósiles si no porque también ayuda a la
reducción de las emisiones de dióxido de carbono a la atmosfera contribuyendo
de esta manera a unas de las grandes problemáticas a la que se enfrenta
nuestra sociedad. Esta disminución a las emisiones de dióxido de carbono hay
que mirarla desde la perspectiva que el carbono que se esta incorporando a la
atmosfera, es un carbono que aun se encuentra dentro del ciclo del carbono,
por lo que al mantenerse la misma producción del material agrícola se fija el
mismo porcentaje de carbono. Por el contrario los carbono de los combustibles
fósiles hace millones de años se apartaron o no estaban dentro del ciclo.
Para la obtención de gas combustible en el trabajo se consideraron diferentes
materias primas provenientes de los residuos agroindustriales del país como:
cascarilla de café, tusa de maíz, bagazo de caña, cascarilla de arroz y cuesco
de palma, siendo este ultimo el seleccionado debido a su alta concentración,
abundancia y cercanía.
1.1. PALMA DE ACEITE
Una de las mayores fuentes de biomasa en Colombia la representan todos los
residuos de la producción de acetite de la palma africana en las que se
destacan el cuesco, las fibras y los racimos de los frutos.
Aunque se habla de palma africana realmente existen tres especies de palmas
aceitera o palmas de aceite; todas pertenecientes al genero Elaeis de las
cuales dos son de origen americano (Elaeis oleífera y Elaeis odorífera) y una
de origen africano (Elaeis guineensis) [1] [2].
En la actualidad, tienen importancia comercial dos especies, la oleífera y la
guineensis. En el país se cultivan ambas especies además de su hibrido el
Elaeis oleífera x Elaeis guineensis siendo extendido el uso del hibrido debido a
las ventajas agronómicas que presenta [1] [2].
Colombia se ubica en el quinto lugar entre los productores de aceite de palma
con una participación de un poco menos el 2% de la producción mundial [7][8].
La producción nacional de aceite de palma para el año pasado (2011) fue de
un poco mas de 920 mil toneladas, para este año (2012) se espera una
producción récord de un millón de toneladas [7] [8], esto según los estimativos
de la Federación Nacional de Cultivadores de Palma de Aceite (Fedepalma)
[8].
En la producción del aceite de palma se producen una cantidad considerable
de residuos. Representando el aceite crudo aproximadamente el 43% en peso
del racimo, siendo el 57% restante los residuos agroindustriales del proceso
como son: la fibra, el cuesco, racimos y afrechos [6].
Los afrechos son residuos que quedan después de triturar y extraer el aceite de
las almendras y la pulpa del fruto y representan cerca del 2% en peso del
racimo y son utilizados principalmente en compostaje [6].
Los racimos vacíos (aproximadamente 21.1% del racimo) y las fibras
(aproximadamente 11.3%) también son utilizadas en la elaboración de
compostaje. De estos materiales se vienen haciendo estudios para su
adecuación y aprovechamiento como material combustible en especial de
calderas [6].
Por ultimo el cuesco de palma que es la cubierta dura que se encuentra entre
la pulpa del fruto y la almendra; representa aproximadamente el 6% del peso
del racimo, su uso más común es el de aditivo al asfalto que se usa en la
pavimentación de las vías de acceso a las plantaciones y a las plantas de
procesamiento [6].
Tabla 1.1. Composición racimos de fruta fresca [6].
Parte Porcentaje
Racimos vacíos 17,7 – 26.1
Aceite puro 17 - 25,3
Fibras 9,6 – 13
Cuesco 5 – 7
Afrecho 2
Impurezas 0,5 – 2
Almendra 3 – 6,3
Humedad 26 - 32
El cuesco de la palma africana o palma de aceite fue el material seleccionado
para la realización de este trabajo debido a que es de entre los residuos
anteriormente nombrados el que se obtiene de manera mas concentrada. Lo
que constituye una gran ventaja en término de los costos generados en la
recolección y selección del material [6].
La producción proyectada de aceite, también supone la generación residual de
alrededor de 143000 toneladas de cuesco de palma. Siendo esta una cantidad
no despreciable de biomasa [7][8].
Para este trabajo el material utilizado en el desarrollo experimental proviene de
las plantaciones de palma de aceite del departamento del meta.
1.2. GASIFICACIÓN
La gasificación es la descomposición termoquímica de la biomasa en una
mezcla de gas combustible o gas de síntesis (SynGas). Para que este proceso
se lleve a cabo la biomasa debe ser sometida a altas temperaturas; de 500 a
1000 ºC y en contacto con un agente gasificante en una atmosfera carente o
con poco oxigeno para así evitar las reacciones de combustión total. La
gasificasion se realizar normalmente a temperaturas superiores a 700 ºC
debido a que la velocidad de las reacciones de gasificación son muy lentas a
temperaturas menores. Durante la gasificación se logra transformar un solido
en un gas de allí su nombre [4,5].
La gasificación es llevada a cabo después de la pirolisis. La pirolisis es un
proceso de degradación termoquímica donde la biomasa es transformada en:
una fracción solidad (carbón vegetal), un liquido (alquitranes) y un gas de
síntesis, las reacciones de pirolisis se presentan entre los 250 y 500. El
proceso de pirolisis puede realizarse en el mismo reactor o de manera separa
[3][4][5].
Cuando el proceso de gasificación es realizado partiendo directamente desde
la biomas y no del carbonizado, en el reactor se presentan tres zonas
claramente diferenciadas; una zona de secado, una zona de pirolisis y una
última zona donde se produce realmente la gasificación.
1.2.1 GASIFICADORES:
Los reactores donde es llevado a cabo el proceso de gasificación son llamados
gasificadores y son clasificados según el movimiento del lecho en:
Gasificadores de lecho fijo: En ellos la biomasa se carga y mantiene una
altura media en donde las partículas van cayendo hasta alcanzar la gasificación
o el fondo del gasificador, permiten el paso del agente gasificante a través de la
altura de la cama presentando esta las tres zonas anteriormente mencionadas.
pueden trabajar por lotes o en continuo [3][4][5].
Gasificadores de lecho móvil: En ellos la biomasa se carga en uno de los
extremos y se mueve de forma mas rápida al otro extremo que en los
gasificadores de lecho fijo, son mas adecuados para el funcionamiento en
continuo que los de lecho fijo, usualmente presentan algún tipo de movimiento
[3][4][5].
Gasificadores de lecho fluidizado: En ellos las partículas de biomasa
alimentadas son soportadas sin ser arrastradas por la corriente del agente
gasificante; generando velocidades de reacción mas rapidas y homogéneas
[3][4][5].
También los gasificadores de lecho fijo y lecho móvil son clasificados según la
forma como se alimentan en:
Flujo a contracorriente: Son los que la biomasa es alimentada por uno de los
extremos (generalmente el superior) y el agente gasificante es alimentado por
el extremo contrario. Tienen la ventaja que el gas de salida presenta menores
temperatura que otras configuraciones, bajo contenido de material particulado
en el gas de salida y alta eficiencia y la desventaja, alto contenido de
alquitranes en el gas de salida y sensibilidad al contenido de humedad [3][4][5].
Flujo paralelo: son los que la biomasa y el agente gasificante son alimentados
por el mismo extremo. Tiene la ventaja de un bajo contenido de alquitranes y la
desventaja de la sensibilidad al contenido de cenizas [3][4][5].
Flujo cruzado: son aquello donde la biomasa se alimenta por un extremo y el
agente gasificante atraviesa transversalmente el flujo de la biomasa [3][4].
También pueden ser clasificados dependiendo la forma de suministrar el calor
al equipo:
Calentamiento directo: El calor es suministrado por la combustión del
carbonizado o de otro combustible en contacto directo con el material a
gasificar. Tiene la ventaja de una distribución mas homogénea de la
temperatura y poca perdida del calor y la desventaja del poco poder calorífico
del gas resultante [3].
Calentamiento indirecto: El calor es suministrado a través de las paredes del
reactor, es decir el medio de calentamiento no entra en contacto con la
biomasa. Tiene la desventaja que presenta gradientes radiales por lo que la
velocidad de reacción no es homogénea en un sección y la ventaja que el gas
producido presenta un alto poder calorífico [3].
Figura 1.1. Esquema gasificadores según su flujo [3].
2. CARACTERIZACION DE LA MATERIA PRIMA: CUESCO DE PALMA
La caracterización es una serie de procesos estandarizados por la cual se
intenta definir las propiedades de un material. Para los combustibles solidos y
biomasa la caracterización se debe realizar con los análisis próximo (contenido
de humedad, cenizas y material volátil), análisis ultimo y el poder calorífico.
2.1. CONTENIDO DE HUMEDAD
La medición del contenido de humedad se realizó siguiendo la norma DIN EN
14774-3:2010-02 la cual es aplicable a todos los biocombustibles solidos. El
procedimiento para realizar la prueba es el siguiente:
1. Triturar el material
2. Tamizar y seleccionar el material con tamaño menor a un milímetro (d <
1,0 mm).
3. Pesar entre 1,1 g y 1,0 g del material
4. Introducir la muestra en el horno y Calentar de la temperatura ambiente
a 105 ± 2 ºC hasta que la masa de la muestra sea constante.
Normalmente este proceso toma un tiempo de 2 - 3 h.
5. Retirar la muestra del horno.
6. Introducir la muestra en un desecador hasta que alcance la temperatura
ambiente.
7. Pesar la muestra.
La probeta en el que se realiza la prueba debe ser de material inerte o
resistente a la corrosión y a las altas temperaturas. Debe contar con una tapa
que ajuste bien y ser construido de tal manera que la superficie inferior en
contacto con la muestra no sea mayor a 0,2 g/cm2.
Los resultados obtenidos del ensayo se presentan en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1 Contenido de Humedad
Probeta
Probeta con
muestra.
Masa inicial
masa final
%humedad %humedad
media
Muestra 1 19,9926 21,0012 1,0086 0,9199 8,7944 8,8524
Muestra 2 23,4512 24,4534 1,0022 0,9129 8,9104
La diferencia entre resultados del contenido de humedad está dentro del rango
permitido de la prueba (± 0,2%), siendo este de: 0,1060%
La prueba se realizó con un tamaño de partícula menor a 0,053 mm (malla 270)
y el tiempo de duración fue el recomendado por la norma 3 h.
Como resultado de la prueba se obtuvo el valor medio de la humedad.
Hu = 8,85 %
Figura 2.1. Probeta usada en la prueba de contenido de humedad.
También se realizó este ensayo en una balanza determinadora de humedad
donde el ensayo duro aproximadamente 13 min a una temperatura de 105 ºC
± 2 ºC. los resultados se presentan en la Tabla 2.2
Tabla 2.2 Ensayo en balanza determinadora de humedad
Masa inicial 1,0084
Masa final 0,9199
Contenido de humedad 8,776%
2.2. CONTENIDO DE CENIZAS
La medición del contenido de cenizas se realizó siguiendo la norma DIN EN
14775: 2010-04 la cual es aplicable a todos los biocombustibles solidos. El
procedimiento para realizar la prueba es el siguiente:
1. Triturar el material
2. Tamizar y seleccionar el material con tamaño menor a un milímetro (d <
1,0 mm).
3. Pesar entre 1,1 g y 1,0 g del material
4. Introducir la muestra en el horno y Calentar desde temperatura ambiente
hasta 500 ± 10 ºC en un tiempo de 30 - 50 min. Esta temperatura debe
sostenerse por 60 min.
5. Aumentar la temperatura del horno se de 500 ± 10 ºC hasta 815 ± 10 ºC
en un intervalo de 30 min y mantener a esta temperatura al menos 60
min.
6. Retirar la muestra del horno
7. Dejar enfriar durante 5 - 10 min.
8. Introducir la muestra a un desecador sin medio de secado hasta que
alcance la temperatura ambiente.
9. Pesar la muestra.
El crisol debe ser de un material inerte, tal como porcelana, sílice o platino,
debe ser construido de tal manera que la superficie inferior en contacto con la
muestra no debe ser más de 0,1 g/cm2.
La diferencia máxima entre dos pruebas del mismo material en base seca no
debe ser superior a ± 0,1 %.
Para realizar esta prueba se utilizó cuesco de palma con diámetro de partícula
menor a 0,053 mm (malla 270). Debido a que los hornos de los laboratorios no
tienen el control para la rampa de calentamiento, ésta no pudo ser llevada con
la rigurosidad que exige la norma. Las rampas de calentamiento durante la
prueba se muestran en el termograma de la Figura 2.2. los resultados de la
prueba se presentan en la Tabla 2.3.
Figura 2.2. Termograma prueba contenido de cenizas.
Tabla 2.3 Contenido de cenizas
Crisol Crisol con muestra Masa final % CzBS % cenizas
Prueba 1 39,0732 40,0876 39,0838 1,1464 1,0450
Prueba 2 48,0195 49,032 48,031 1,2461 1,1358
Promedio 1,1963 1,0904
La diferencia entre las dos pruebas es: 0,0997 %
CzBS = 1,1963 %.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 20 40 60 80 100
Tem
pe
ratu
ra /
ºC
tiempo / minutos
Figura 2.3. crisol usado en la prueba de cenizas.
2.3. CONTENIDO DE MATERIAL VOLÁTIL
La medición del contenido de cenizas se realizó siguiendo la norma DIN EN
15148: 2010-03 la cual es aplicable a biocombustibles solidos. El procedimiento
para realizar la prueba es el siguiente:
1. Triturar el material.
2. Tamizar y seleccionar el material con tamaño menor a un milímetro (d <
1,0 mm).
3. Pesar entre 1,1 g y 1,0 g del material.
4. Introducir los crisoles tapados en la canastilla.
5. Calentar el horno desde la temperatura ambiente hasta 900 ± 10 ºC y se
deja estable en esta temperatura.
6. Introducir la canastilla con las muestras en el horno durante 7 min.
7. Retirar las muestras son retiradas del horno.
8. dejar enfriar durante 3 min.
9. Introducir la muestra a un desecador hasta que alcance la temperatura
ambiente.
10. Pesar la muestra.
La diferencia máxima admisible entre dos pruebas del mismo material en
base seca es de ± 4% en base seca.
Para calcular el contenido de material volátil se utilizan las ecuaciones 2.4,
2.5 y 2.6.
[
] (
)
Material recomendado por la norma.
Figura 2.4. Crisol con tapa de cuarzo para prueba de volatilidad.
Figura 2.5. Canastilla para prueba de volatilidad.
1 piernas a 120º cada una
2 anillos
3 mangos
4 placas cerámicas.
Material usado
Material utilizado en la prueba
Figura 2.6. Canastilla usada en la prueba de contenido de material volátil.
Figura 2.7. Probeta y tapa usada en el contenido de material volatil.
La prueba se realizó con cuesco de palma con un diámetro de partícula (d)
menor a 0,053 mm (malla 270). Los resultados de la prueba se presentan en la
tabla 2.4.
Tabla 2.4. Material volátil.
crisol Crisol con muestra
Masa final crisol-muestra
%V %VBS
%VSlCz
p1 13,2869 14,3194 13,5393 66,7021 73,1803 72,8556
p2 13,6808 14,6865 13,9305 66,3191 72,7601 72,4303
p3 13,6575 14,6659 13,9088 66,2270 72,6590 72,3280
p4 13,3738 14,3824 13,6229 66,4500 72,9037 72,5757
Promedio 66,4246 72,8758 72,5474
La diferencia máxima de las pruebas se presento entre p1 y p5 siendo esta de:
0,5213 %
El contenido promedio de volátiles fue:
VBS = 72,8758 %
En pruebas anteriormente realizadas la diferencia entre las probetas
recomendadas por la norma y la de construcción nacional no presentan
diferencias significativas siendo esta inferior al 0,6 %.
2.4. ANÁLISIS ELEMENTAL.
El análisis elemental o análisis último nos permite saber los elementos
químicos principales que constituyen o están presentes en la biomasa. El
análisis elemental es fundamental para realizar un correcto cálculo del balance
de masa y energía.
El análisis elemental fue realizado en el laboratorio de suelos del Instituto
Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), el análisis realizado es el Q-27 o análisis
CHN que es el que determina el carbono, hidrogeno y nitrógeno totales de la
muestra. En la Tabla 5 se presentan los resultados.
Tabla 2.5. Análisis elemental.
Elemento %mBS %mSlCz
C 58,40 59,11
H 5,17 5,23
O 31,89 32,28
N 4,54 4,59
El porcentaje de oxigeno es calculado por diferencia.
Para calcular el porcentaje en base seca y libre de cesnizas se usa la ecuacion
2.7.
2.5. PODER CALORIFICO
Según norma ASTM D240. Que es la norma utilizada para determinar el poder
calorífico de los combustibles solidos.
La prueba consiste en determinar el calor que produce la combustión del
material al aumentar la temperatura de sistema. La combustión se lleva a cabo
en una atmosfera de oxigeno para garantizar la combustión total del material y
el paso de los productos al mayor estado de oxidación.
El calor generado se determina por el cambio de temperatura de sistema,
siendo conocido el calor especifico del sistema.
1. Pesar la muestra (de 0,7 - 0,9 g)
2. Pesar el alambre de hierro.
3. Calentar el agua a aproximadamente 25 ºC
4. Introducir la muestra en el crisol y estos a la bomba.
5. Conectar el alambre de hierro a los bornes de la bomba asegurándose
que haga contacto con la muestra.
6. Sellar la bomba y purgar con oxigeno
7. Llenar la bomba con oxigeno hasta alcanzar las 25 atm de presión.
8. Llenar el baño con 2 l de agua a 25 ºC.
9. Introducir la bomba en el baño y conectar los cables a los bornes de la
bomba.
10. Encender el agitador e igualar las temperaturas del baño externo con el
interno (25 ºC).
11. Hacer ignición y tomar los datos de cambio de temperatura cada 15 s
durante 7 min; durante este tiempo ir igualando la temperatura del baño
exterior con la del interno para garantizar que el sistema funcione
adiabáticamente.
12. Retirar la bomba del baño y pesar el alambre que no combustionó y
pesar el crisol con las cenizas o residuos que hallan quedado.
Datos del ensayo:
Tabla 2.6. Datos.
Masa muestra (m1) /g 0,7231
Delta de temperatura /ºC 1,3
Masa inicial alambre (m2) /g 0,0209
Masa final alambre (m3) /g 0,0135
Volumen bomba /l 0,38
Masa agua baño (m4) /g 2000
T ambiente /ºC 17,6
T baño exterior /ºC 24,6
Presión parcial vapor de agua /atm 0,0381
Tabla 2.7. Cambio de temperatura.
t 1/s T 1/ºC t 1/s T 1/ºC
0 24,6 150 25,96
15 24,82 165 25,96
30 25,16 180 25,98
45 25,32 195 25,98
60 25,54 210 26
75 25,7 225 26
90 25,76 240 26
105 25,84 255 26
120 25,9 270 26
135 25,92 285 26
Figura 2.4. Termograma ensayo calor de combustión.
Para calcular el poder calorifico debe tenerse en cuenta el estado enque se
presenta el agua, si el agua se encuentra liquida obtenemos el poder calorifico
superior pero si esta en estado gaseoso se obtiene el poder calorifico inferior.
En el ensayo no se obtiene ninguna de las dos formas, en realidad lo que se
presenta es el equilibrio de fases del agua a la temperatura y presion final de la
prueba. El equilibrio esta dado por la presion parcial de vapor.
Para calcular el poder calorifico en las diferentes bases de cálculos se utilizan
las ecuaciones 2.7, 2.8 y 2.9.
(
) ∑
2.8
(
) ∑
(
) ∑
24,6
24,8
25
25,2
25,4
25,6
25,8
26
26,2
0 50 100 150 200 250 300
Tem
pera
tura
/ º
C
tiempo / s
Tabla 2.8. Entalpias de formación.
HFe2O3: energía de formación del oxido férrico 41.56 J/mol
HFe: energía de formación del hierro. 10,116 J/mol
HO2: energía de formación del oxigeno. 11,752 J/mol
El número de moles iniciales en el gas se halla con la ecuación de gas ideal,
luego se hallan las moles de agua en equilibrio (agua que pasa al estado
gaseoso). Para hallar las moles que se forman durante la combustión se
supone que todos los compuestos pasan a especies con el mayor grado de
oxidación y con el análisis elemental, la masa inicial y los contenidos de
humedad y cenizas. Se le debe restar el contenido de humedad y cenizas a la
masa inicial, luego a esta masa resultante se le halla su peso de Carbono,
hidrogeno, nitrógeno y oxigeno.
Tabla 2.9. Moles de productos.
% Masa /g Moles especies
producidas Especies producidas
C 58,4 0,37998 0,03166 Dióxido de Carbono
H 5,17 0,03364 0,01682 Agua
O 31,89 0,20749 0,01297 Agua
N 4,54 0,02954 0,00105 N2
Para este calculo los porcentajes de los elemento son tomados del análisis
elemental presentado en la tabla 2.5.
Tabla 2.10. Capacidad calorífica.
Especie O2 CO2 H2O
Fe
Cp 29,4 37 4,18 25,1
Con los datos anteriores puede hallarse el poder calorifico.
Q= 17512,54 J ó 17,51 kJ
A este calor falta sumarle el calor adsorbido por el agua que paso al estado
gaseoso.
nH2O,g = 0,00059308
Qsup = Q + Δhvap*Δn*18 2.11
Qsup = 18,57 kJ
También se puede hallar el calor de combustión mediante algunas
correlaciones; de las más usadas es la correlación de Boie:
Qsup = 23,17 kJ
Tabla 2.11. Poder calorífico superior.
cr BS SlCz Teórico Boie
Qsup 16,93 18,57 18,82 23,17
Por medio de la correlación de Boie se obtiene el poder calórico en base seca.
3. BALANCE DE MATERIA
Para realizar el balance de masa se partió desde un modelo 0-D o
termodinámico donde [3][4]:
Se considera la biomasa como CHxOy
El tiempo es suficiente para alcanzar el equilibrio.
Todo el carbono se gasifica.
No se consideran productos intermedios.
Hay mezcla perfecta y temperatura uniforme.
Adiabático.
Los productos son: CO, CO2, CH4, H2 y H2O.
El contenido de humedad se considera parte del agua agregada.
Balance de masa para el carbono.
Balance de masa para el Hidrogeno.
Balance de masa para el Oxigeno.
3.1. CINÉTICA QUIMICA.
Son las ecuaciones o correlaciones empíricas y experimentales que nos dicen
que tan rápido se forma o desaparecen las especies químicas en una reacción
y su relación o dependencia con otros factores como son la temperatura y la
concentración.
3.1.1. MODELO ALEATORIO DE POROS
La gasificación esta constituida por una serie de reacciones heterogéneas que
hacen que la composición y estructura o forma de los carbonizados estén
cambiando constantemente con el tiempo y el grado de conversión. Por esta
razón los modelos de leyes de potencia no son los mejores para las
expresiones de las ecuaciones de velocidades cinéticas o de reacción para la
gasificación, de ahí que sea adecuado un método que tenga en cuenta las
variaciones en la estructura del solido como el método aleatorio de poros que
tiene en cuenta los parámetros iniciales del área superficial, volumen, fracción
de vacío, tamaño de partícula, entre otros.
Al igual que los modelos de ley de potencia tiene los parámetros que dependen
de la temperatura (K (T)), y de la concentración del agente de gasificación (Cn),
relacionándolos con los parámetros de forma, resultando una ecuación con la
siguiente forma:
Donde w es un parámetro que relaciona los parámetros de forma o estructura y
las perdidas de masa.
Los Resultados de aplicar el modelo nos llevan a la obtención de la ecuación
cinética para la perdida de masa:
( (
))
Siendo:
(
)
Los parámetros de este modelo para gasificación de cuesco de palma se
presentan en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Parámetros cinéticos y de forma del cuesco de palma [6].
d /m 0,00025
Sm0 / m2/g 25
Vp,m / mm3/g 225
ρHg 1
ϵ0 0,3
K / (mol/m3)^-n(m3/m2 min) 0,144
r0 /m 0,000000018
So 25000000
Lo 2,21048E+14
ψ 3,11
σ 8928,57
Aplicando el modelo se obtuvieron las Figura 3.1 y 3.2.
Figura 3.1. Gasificación a 750 ºC
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 200 400 600 800 1000
mas
a re
man
en
te /
1
tiempo / min
70%H2O
30%H2O
100%H2O
Figura 3.2. Gasificación de cuesco de palma de aceite con 70 % H2O
Los resultados de estas graficas no presentan error significativo comparado
con datos experimentales de gasificación en termobalanzas.
Los resultados de comparar los valores de conversión teórica suministrados por
el anterior modelo con datos experimentos realizados en un horno rotatorio a
diferentes concentraciones de agente gasificante y temperatura se presentan
en la tabla 3.2.
Tabla 3.2. Error relativo datos teóricos modelo aleatorio de poros con valores experimentales de un horno rotatorio.
Experimento T/K CH2O w t/min teórico %error
2A 836 0,33 0,9 29 0,75358 19,4299
4A 844 0,58 0,82 39 0,51344 59,7071
7A 839 0,73 0,73 39 0,50603 44,2602
8A 829 0,85 0,68 42 0,52312 29,9892
5A 823 0,86 0,6 53 0,46716 28,4356
3A 740 0,86 0,79 70 0,86654 -8,83282
10A 795 0,87 0,76 42 0,74318 2,26324
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
mas
a re
man
en
te /
1
tiempo /s
750ºC
900ºC
850ºC
El error que se presenta entre el modelo aleatorio de poro y los datos
experimentales en el gasificador rotatorio son debidos principalmente a las
problemas de transporte.
Figura 3.3. Error respecto la temperatura.
Figura 3.4. Error respecto a la fracción de agua
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
720 740 760 780 800 820 840 860
%e
rro
r
Temperatura
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
%Er
ror
Fraccion H2O
En las figura 3.3 y 3.4 se muestra como va cambiando el error con la variación
de la temperatura y la concentración; mostrando este una tendencia siempre
ascendente al aumentar la temperatura y una forma de volcán respecto la
concentración.
Debido a que los valores experimentales son muy escasos y a que en los hay
variaban la temperatura, la concentración y el tiempo al tiempo; no se pudo
hallar una correlación que los relacionara de una mejor manera con el error, lo
ideal habría sido una grafica que nos mostrara curvas de nivel del error sobre
un plano de temperatura y concentración.
3.2. VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN.
La velocidad de alimentación del sistema depende de la velocidad de reacción
en todo el sistema y esta es afectada en mayor medida de la temperatura, pero
debido a que la temperatura no es la misma en todo el gasificador; como
primera medida este se puede dividir en tres zonas correspondientes; al
secado, pirolisis y gasificación. Siendo la gasificación del carbonizado la
limitante del proceso.
Según ensayos anteriores el gasificador tarda poco mas de una hora en
alcanzar el estado estable, una vez alcanzado el estado estable la altura de la
cama de carbonizado en proceso de gasificación es un poco menos de un
metro (990 mm). Por razones de comodidad y una mayor aproximación del
calculo de la velocidad cinética esta zona se divide en 10 secciones a cada
cual se le asignara el valor medio de la temperatura en esa sección.
La temperatura media es calculada de por medio de la ecuación cuadrática que
se aproxima al perfil de temperatura a lo largo de la cama de carbonizado del
gasificador, para poder aplicar esta ecuación se toma como origen la parte baja
del gasificador, es decir, donde están los quemadores por lo que las distancias
deben ser medidas a partir de allí.
Siendo b la temperatura a la altura de los quemadores.
En cada uno de estos intervalos o secciones de la cama de carbonizado debe
también calcularse la concentración del agente gasificante, para hallar el valor
correspondiente a cada sección se debe saber la cantidad inicial del agente
que entra al gasificador, para luego restarle la cantidad consumida en la o las
secciones anteriores y teniendo en cuenta la estequiometria de las reacciones
que se llevan a cabo (para el caso del agua todas son 1:1 por lo que el calculo
se facilita) y las condiciones de temperatura en ella. Esto se resuelve de forma
iterativa debido a que la cantidad de agente gasificante alimentado
inicialmente, depende de velocidad con que se consuma el carbonizado y esta
a su vez de la concentración del agente gasificante.
En este trabajo se resolvió el sistema en una hoja de Excel aplicando la opción
de buscar objetivo a cada una de las secciones en que se dividió la zona de
gasificación por lo que fue necesario aplicar una macro.
Tabla 3.3. Valores del perfil de temperatura y agente gasificante para temperatura inicial de 850 ºC y un exceso del 50% del agente gasificante
(H2O).
SECCION 0-99 99-198
198-297
297-396
396-495
495-594
594-693
693-792
792-891
891-990
Valor medio de x 0 159 257 355 453 551 649 747 845 943
T/ºC 850 796 768 743 723 706 693 684 679 677
Proporción H2O 1 0,599 0,486 0,428 0,396 0,376 0,363 0,353 0,346 0,339
CH2O 11,846 7,451 6,216 5,603 5,284 5,107 4,995 4,911 4,839 4,751
Los resultados obtenidos para los valores de temperatura en los quemadores
de 850 ºC y un exceso de agua del 50% se presentan en la tabla 3.4 y 3.3.
Tabla 3.4. Alimentación de biomasa en base seca y de vapor de agua.
Carbonizado consumido total / kg/h 18,8017
Alimentación biomasa / kg/h 62,6724
Alimentación H2O / kmol/h 1,4378
Error alimentación 0,6
Alimentación biomasa corregido / kg/h 25,0690
Tabla 3.5. Resultados de aplicar el modelo variando temperatura y la relación agua/biomasa.
T quemador
T media Relación
agua/biomasa CH2O
kmol/m3
Consumo biomasa
kg/h % Error
Consumo real
1000 882 0,7 3,99 62,6724 79 13,1612
950 832 0,7 4,08 28,0016 73 7,5604
900 782 0,7 4,17 11,7534 67 3,8786
850 732 0,7 4,27 4,603 45 2,5317
800 682 0,7 4,38 1,6662 25 1,2497
750 632 0.7 4,5 0,5515 21 0,4357
700 582 0,7 4,65 0,1647 18 0,1351
700 582 1,5 9,71 0,2357 2 0,2310
750 632 1,5 9,65 0,7893 5 0,7498
800 682 1,5 9,38 2,356 7 2,1911
850 732 1,5 9,16 6,598 25 4,9485
900 782 1,5 9,15 16,98 30 11,8860
950 832 1,5 8,74 40,2089 36 25,7337
1000 882 1,5 8,55 89,9495 43 51,2712
1000 882 1 5,7 74,2308 43 42,3116
950 832 1 5,82 33,1693 36 21,2284
900 782 1 5,96 13,9135 30 9,7395
850 732 1 6,1 5,4461 25 4,0846
800 682 1 6,25 1,9712 7 1,8332
750 632 1 6,43 0,6523 5 0,6197
700 582 1 6,45 0,1948 2 0,1909
700 582 0,3 1,99 0,1106 6 0,1040
750 632 0,3 1,93 0,3703 8 0,3407
800 682 0,3 1,88 1,1185 13 0,9731
850 732 0,3 1,83 3,0888 35 2,0077
900 782 0,3 1,79 7,8788 42 4,5697
950 832 0,3 1,75 18,7454 55 8,4354
1000 882 0,3 1,71 41,9131 69 12,9931
4. HOJAS DE CALCULOS
Para realizar los cálculos y desarrollo de los modelos cinéticos, alimentación,
error y perfil de temperatura en el gasificador se desarrollo un archivo en Excel
que consta de diez hojas en donde los valores a ingresar las celdas fueron
resaltadas con color amarillo, los resultados finales con rojo y en las tablas
bases para los gráficos las columnas tiene el color de la línea de su respectiva
serie:
4.1 HOJA VELOCIDAD CINETICA A TEMPERATURA Y FRACCION DE
AGUA DADOS: r a T y H2O dados
Contiene la ecuación de velocidad cinética con todos los parámetros para la
gasificación del cuesco de palma, en ella se puede ver como serio el
comportamiento de la gasificación si esta fuera llevada a cabo en un
termobalanza o en un gasificador donde los problemas de transporte no sean
significativos.
En esta hoja en el lado izquierdo arriba se encuentran todo los parámetros de
forma y estructura para la gasificación del cuesco de palma de aceite para el
modelo aleatorio de poros, en la izquierda abajo se encuentran los parámetros
cinéticos de la ley de velocidad, como las k iniciales y la energía de activación.
En el centro arriba esta la tabla con los tres valores que se deben dar para que
se realicen los cálculos, estos valores son:
la temperatura en ºC
fracción molar de agua
el diámetro de partículas en metros
Una vez dado estos datos se obtienen los resultados del modelo, que son
presentados en la tabla inferior central y en un grafico en la parte derecha, para
asegurarnos que haga un amplio barrido la tabla y el grafico contienen los
resultados hasta 1500 minutos, esto puede ser seleccionado y a cortado en el
grafico para una mejor apreciación cuando las condiciones en que se realiza la
gasificación sean las favorables para una rápida reacción (temperatura y
concentraciones de agua altas).
Figura 4.1. Hoja r a T y H2O dados
Tabla 4.1. Valores a ingresar Hoja r a T y H2O dados.
Valores a ingresa
T/ºC 725
fraccionH2O 0,66
Diametro de particula / m 0,00025
4.2. HOJA VELOCIDAD DE REACCION PUNTUAL: Aleatorio poro-ERROR
En esta hoja el objeto es hallar la velocidad puntual a condiciones dadas para
su comparación con un valor arrojado por la experimentación a esas mismas
condiciones y observar el porcentaje de error relativo, observando asi los
errores provocados por los fenómenos de transporte.
En la parte superior de esta hoja se encuentra una tabla con los valores que se
deben ingresar:
la temperatura en ºC
fracción molar de agua
tiempo de duración en minutos.
el diámetro de partículas en metros
En esta hoja en el lado izquierdo arriba se encuentran todo los parámetros de
forma y estructura para la gasificación del cuesco de palma de aceite para el
modelo aleatorio de poros, a su lado se encuentran los parámetros cinéticos de
la ley de velocidad, como las k iniciales y la energía de activación, luego la
tabla resultados cinéticos donde w es la masa teórica remanente que es el
resultado de interés en esta hoja; bajo esta la tabla de error relativo que fue
presentada en el capitulo anterior como Tabla 3.2. Finalmente bajo esta se
encuentran los gráficos de los errores respecto la temperatura y la
concentración.
Figura 4.2. Hoja Aleatorio poro-ERROR
4.3. HOJA PARA EL CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE
ALIMENTACION: Alimentación.
Esta es la hoja mas importante debido a que en ella se obtiene como resultado
cual debe ser la alimentación de biomasa y vapor de agua al gasificador. Como
en el gasificador de lecho fijo la concentración del agente de gasificación y la
temperatura varían con la longitud transversal y radial su velocidad de reacción
no es la misma en los diferentes tramos del gasificador por lo que para resolver
este problema se dividió el gasificador en diez secciones que fueron analizadas
de forma independiente con sus valores puntuales o promedio de temperatura
y concentración de agua, finalmente estos resultados deben ser sumados para
reportar así el consumo total y los diferentes perfiles.
Para el perfil de temperatura se conto con una ecuación cuadrática que
relaciona la variación de la temperatura con respecto a la longitud del
gasificador medida desde los quemadores, esta ecuación pudo hallarse por
medio de los datos de una anterior experimentación en el gasificador.
El calculo del perfil de concentración fue un poco mas complejo debido a que el
agua que se consume total es la suma del agua consumida en cada sección y
como el único consumo que se tiene es el consumo inicial el cual no se sabe
que fracción es del agua total porque esta depende de la velocidad en cada
sección, lo cual crea una dependencia mutua que nos lleva a una referencia
circular por lo que se debe resolver de forma iterativa. Para la solución de este
problema se crearon dos celdas Fracción de agua una que es calculada
dependiendo el consumo para cada sección y la otra a la cual solo se le dan
valores iniciales para poder realizar los cálculos iterativos, luego se creo una
fila llamada error donde se establece una función objetivo; donde la resta de las
fracciones de agua de cada sección debe ser cero. Como el gasificador fue
dividido en diez secciones el calculo manual es muy tedioso por lo que se
programo una macro con la función objetivo de cada sección. Esta macro se
activa al oprimir en el botón que dice H2O generando valores cercanos a cero
en la fila de error, para una mayor precisión se recomienda oprimir el botón dos
veces. Los resultados son presentados en la tabla inferior al tabla de la macro
llamada, resultados alimentación base seca.
Figura 4.3 Hoja Alimentación.
4.4. HOJA ECUACIÓN PARA EL PERFIL DE TEMPERATURA.
Esta hoja fue hecha para hallar la ecuación del perfil de temperatura en la zona
de gasificación del reactor, como en una experimentación anterior se logro
tomar datos de temperatura en tres puntos la ecuación resultante fue una
cuadrática que dependía de la longitud desde los quemadores y de b que es la
temperatura en los quemadores, la cual hace que el perfil de corra con
respecto al eje de temperatura arriba o abajo.
4.5. OTRAS HOJAS: 750ºC, 850ºC, 950ºC, 70%H2O, 30%H2O y
100%H2O
Las otras hojas fueron realizadas con el fin de comprobar que el modelo usado
se ajustara a los valores reportados en la literatura por lo que estas seis
páginas todas presentan las comparaciones mostradas en trabajos previos [6].
CONCLUCIONES
La temperatura es el factor con mayor incidencia en la velocidad de reacción;
pasando de 0,19 kg/h a 700 ºC hasta 42.31 kg/h a 1000 ºC de temperatura en
los quemadores y 1 de relación agua/biomasa.
La relación agua/biomasa tiene una fuerte incidencia en la velocidad de
reacción aunque esta relación es menor que la de la temperatura, pasando de
2 kg/h a relación 0,3 hasta 5 kg/h a relación de 1.5 esto a 850 ºC.
El error tiene una alta dependencia con la temperatura pasando de 0 – 10 %
entre 700 y 780 a errores cercanos al 90 % a temperatura de 1000 ºC en los
quemadores.
El error tiene una tendencia volcán respecto a la concentración presentando los
mayores valores cerca a 0,6 de relación agua/biomasa.
Es necesario realizar más experimentación para encontrar una mejor tendencia
del error.
El modelo se ajusta a las condiciones reportadas en la literatura para la
gasificacion del cuesco de palma de aceite. Sin embargo, Los datos
presentados en este documento deben verificarse mediante la experimentación
en el gasificador de lecho fijo del laboratorio de transmisión de calor para poder
ser validados.
BIBLIOGRAFIA
[1] BASTIDAS S. ; CADENA M. ; PEÑA E. ; REYES R.: Susceptibilidad En
Vivero De Materiales De Palmas Aceiteras (Elaeis Guineensis, Elaeis Oleifera
X Elaeis Guineensis) A Las Enfermedades Mancha Anular Y Anillo Clorótico
[2] BASTIDAS S. ; PEÑA E. ; PEREZ J. ; REYES R. ; TOLOSA W.:
Comportamiento agronómico del cultivar híbrido rc1 De palma de aceite.
[3] GARCIA H; Modelación de la gasificación de biomasa en un reactor de
lecho fijo. Bogotá, Colombia, Universidad Nacional de Colombia, tesis de
grado.
[4] GARCIA, L.; Obtención de gas combustible a partir de la gasificación de
biomasa en un reactor de lecho fijo. Bogotá, Colombia, Universidad Nacional
de Colombia, tesis de grado
[5] GOMEZ, A.: Investigación del proceso de gasificación de biomasa en un
gasificador en paralelo. Bogotá, Colombia, Universidad Nacional de Colombia,
tesis de grado 2002
[6] RINCON S. ; GOMEZ A. ; KLOSE W.: gasificación de biomasa residual de
procesamiento agroindustrial. Bogotá, Colombia, Universidad Nacional de
Colombia
[7] FEDERACION NACIONAL DE BIOCOMBUSTIBLES DE COLOMBIA
http://www.fedebiocombustibles.com/v2/nota-web-id-1049.htm
[8]FEDERACION NACIONAL DE PALMICULTORES www.fedepalma.org/