proyecto de grado 2014-2 estudio del efecto de la

SERGIO F. PARRA 201014393

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PROYECTO DE GRADO 2014-2

ESTUDIO DEL EFECTO DE LA CASCARILLA DE ARROZ EN LA REDUCCIÓN DE LAS EMISIONES DE NOX EN LA COMBUSTIÓN DE CARBÓN MEDIANETE EL PROCESO REBURN.

SRGIO FELIPE PARRA MANRIQUE COD: 201014393

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO INGENIERIA MECÁNICA

BOGOTA, COLOMBIA ABRIL - 2014


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Contenido:

• Introducción.

• Contexto

– ¿Qué son NOx?

– ¿Qué es el proceso Reburn?

• Objetivos

– Objetivo General.

– Objetivos Específicos.

• Metodología:

– Diseño General.

– Materia Prima

– Análisis Termoquímicos

– Parametrización.

– Equipos.

– Caracterización equipos.

– Ejecución.

• Resultados:

– Resultados Específicos

– Resultados Generales

– Análisis

• Conclusiones.

• Recomendaciones

• Bibliografía.


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Introducción:

El carbón es un mineral fundamental para el desarrollo industrial en la actualidad. Desde generar el 41% de la electricidad mundial (mas que cualquier otra fuente energética), hasta producir el 68% del acero global, el Carbón sin duda es una de las fuentes energéticas más importantes utilizadas hoy en día. Según la World Coal Association, la fuente energética más importante hoy en día son los combustibles, que al combinarlos todos; la gasolina, gas natural, energía nuclear y energía renovable, producen 1400 Mtoe (Millones de toneladas equivalente de gasolina) de energía primaria. Por otro lado, tan solo el carbón mineral produce alrededor de 1250 Mtoe de la energía primaria. [WCA, 2013] Las capacidades caloríficas del carbón han convertido a esta piedra en la segunda fuente energética más importante a nivel global. Así mismo, el consumo mundial de carbón juega un papel fundamental en la economía mundial. Actualmente, el consumo de carbón de todo el planeta es de 7,864.8 Millones de toneladas. Los países que más consumen este mineral son China (3,648.12), Estados Unidos (935.24 Mt), India (655.34), La federación rusa (234.66), Alemania (229.61 Mt), y Sur África (182.73 Mt)[IEA, 2012]. Aparte del sector energético, a nivel mundial el carbón es utilizado en diversos sectores industriales tales como metalúrgico (hierro y aceros), químico, petro-químico, metales no ferrosos, minerales no metálicos, comida, tabaco y papel.

Actualmente Colombia es un país productor y consumidor de carbón. El carbón Colombiano ha logrado obtener una muy buena reputación a nivel mundial, pues el 94% de este se considera un carbón duro de buena calidad con altas capacidades caloríficas. En Colombia están las dos minas de carbón a cielo abierto más grandes del mundo; el cerrejón en el departamento de la Guajira y “El Descanso Norte” en el departamento del Cesar. Esto genera que Colombia sea el cuarto país que más exporta carbón térmico a nivel mundial con 69.3 Millones de toneladas [Cadena, 2012]. Además el carbón es la segunda exportación más grande que se hace a nivel nacional, por lo cual el papel del carbón en la economía colombiana es algo fundamental. En cuanto al consumo, en Colombia se está consumiendo 6.2 millones de toneladas de carbón anualmente, dejando a este país de tercero en Sur América después de Brasil y Chile. Este consumo de carbón se distribuye dentro de la industria nacional tal como se observa en la Imagen 1. [UPME, 2012]

Como se mencionó anteriormente, el carbón es la Fuente más grande del mundo de combustible sólido. Al existir en casi todos los países del mundo y ser explotado por 70 países aproximadamente, su consumo se estima que siga creciendo radialmente por lo menos dos décadas más. Pero así mismo, entre más aumente el consumo del carbón, más preocupación por el medio ambiente, pues este no es un combustible limpio.


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Ilustración 1 : Distribución industrial del consumo del Carbón en Colombia. [UPME,2012]

El valor del carbón es desvalorizado por su impacto negativo en el medio ambiente. Dejando a un lado los efectos que conllevan la minería del carbón y concentrándose un poco en la combustión del carbón, se sabe que la combustión del carbón produce diferentes tipos de emisiones que afectan críticamente el aire presente al nivel de la tierra. Las principales emisiones nocivas que se generan en esta combustión son: dióxido de sulfuro (SO2), óxidos de nitrógeno (NOx), materia particulada (PM), dióxido de carbono (CO2) y, en muy bajos niveles, emisiones de mercurio. [IEA, 2012]. A nivel mundial, las emisiones de CO2 por el consumo de carbón en el 2012 fue de 43,661 Millones de toneladas (85 Millones de toneladas en Colombia) posicionándolo responsable de las emisiones del 43.2% de CO2 mundial liberado a la atmosfera [GCP, 2014]. Así mismo el consumo del carbón mineral es el principal contribuyente a las 520 Millones de toneladas generadas anualmente de óxidos de nitrógeno (NOx). Además, por este mineral se producen 120 millones de toneladas en residuos relacionados con la combustión del carbón incluyendo fly ash, bottom ash, boiler slag y flue gas desulfurization entre otros. Finalente, la emisión de gases múltiples por el consumo de carbón aumentos un 2.8%, a diferencia del petróleo que fue de 1.2%. [WCA, 2013] [Miller,B 2011] Como se demostró anteriormente el carbón no solo es la base de muchas industrias a nivel nacional e internacional, sino también es la base energética del planeta entero. Al mismo tiempo, el consumo del carbón, está generando un inmenso impacto negativo sobre el planeta por las emisiones de distintos gases nocivos que este mineral libera a la hora de su combustión. Por esto, es fundamental estudiar la posible reducción de las emisiones de la combustión del carbón, para así, hacer del carbón la solución energética más viable y sostenible en el mundo.


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Un primer paso, en la solución de esta problemática, es la disminución de los gases que no solo son nocivos directamente para el medio ambiente sino también para el ser humano. Dentro de las emisiones de la combustión del carbón mencionadas anteriormente, los NOx, son unos gases compuestos por nitrógeno y oxigeno que tienen un impacto negativo crítico sobre todo su alrededor.

En este trabajo se busca implementar el proceso ‘Reburn’ durante la combustión del carbón. Este proceso permite insertar una biomasa a la combustión analizada, en este caso especifico, buscando reducir la emisión de NOx durante la quema del carbón. Para este proyecto, la biomasa seccionada fue la cascarilla de arroz. Así, las ventajas de esta solución no solo es reducir las emisiones de óxidos nítricos, sino también darle un uso a una biomasa que se considera como desecho y así poder obtener un doble impacto positivo en el medio ambiente y la industria.

Puntualmente lo que busca esta investigación es estudiar el efecto de la cascarilla de arroz en la reducción de las emisiones de NOx en la combustión de carbón mediante el proceso Reburn. Aquí se analizó la relación de las concentraciones de los combustibles con respecto la generación de NOx y las temperaturas de combustión en relación a la generación de NOx. Finalmente se encontró un punto óptimo para la reducción de NOx en la combustión dual carbón-cascarilla de Arroz.


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Contexto Teórico:

En esta sección se pretende dar una breve contextualización de dos conceptos fundamentales que se trabajaran en este proyecto de grado: Proceso Reburn y NOx. Además se exponen las razones por la cuales se seleccionó la cascarilla de arroz como el segundo combustible en este proyecto.

¿Qué son NOx?

Los óxidos nítricos se producen cuando el nitrógeno y el oxígeno reaccionan. Debido a que estos elementos no reaccionan mutuamente a temperatura ambiente, esta reacción generalmente se da en la combustión de diferentes materiales, es decir a elevadas temperaturas. La principales fuentes más comunes de los óxidos nítricos generados por combustión son los motores de combustión interna, las plantas eléctricas de generación de vapor y lo rayos. En estos casos, cuando se alcanzan las temperaturas necesarias el nitrógeno puede reaccionar con el oxígeno de forma endotérmica produciendo los distintos posibles NOx que son: NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4 y N2O5.

Al obtener las condiciones ideales mediante los procesos de combustión mencionados anteriormente, los NOx se pueden categorizar dependiendo de su mecanismo de producción: Prompt NOx, Thermal NOx, Fuel NOx. Los Prompt NOx suceden cuando se descomponen los hidrocarburos y se combina con el nitrógeno disponible en el ambiente circundante. Este mecanismo de producción sucede en las temperaturas máximas de las combustiones y su producción es extremadamente rápida, por eso su nombre Prompt de “promptly” en inglés. Los Thermal NOx son en los cuales la temperatura se elevada al punto en el que el nitrógeno disponible en el medio es capaz de reaccionar y mezclarse con el oxígeno disponible en el medio. Finalmente, esta investigación se concentrará en los Fuel NOx. Este mecanismo de producción sucede cuando el nitrógeno contenido en un combustible es liberado por las altas temperaturas y se mezcla con el oxígeno disponible en el medio circundante. Más específicamente, durante la devolatizacion del combustible, una porción del nitrógeno presente en el carbón se lanza en forma de ácido cianhídrico (HCN) y este reacciona con alta facilidad con el oxígeno presente en el medio de la combustión para formar monóxido de nitrógeno (NO). [Annamalia,K 2007] [Miller,B 2011]

Los Fuel NOx son la fuente primaria de los NOx producidos en una combustión dual carbón - combustible secundario. Estos NOx, se forma con mucha más facilidad que los NOx térmicos (Thermal NOx), pues sus enlaces dobles son mucho más sencillos y débiles que los enlaces triples formados en los NOx térmicos. Por debajo de una temperatura de combustión de 1450 C, los fuel NOx son entre el 75%-95% de los NOx medidos en la combustión del carbón. Aquí, las condiciones de combustión, y la concentración del nitrógeno afectan directamente la presencia de estos NOx como gas de emisión.

La concentración de NOX depende directamente de la temperatura, contenido de nitrógeno, contenido de oxígeno y velocidad de enfriamiento del entorno. Se ha comprobado en estudios previos, que entre más alta es la temperatura del medio circundante a estos gases, más se propicia la formación de los óxidos nítricos. Además, entre más rápido se enfríe el medio donde se formaron lo


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NOx, más rápido se consolidaran permanentemente estos gases. Así mismo, entre más nitrógeno tenga el combustible y más enriquecido este el medio ambiente con oxígeno mayor formación de NOx de tendrá [Beychok,M 1973].

Por estas razones, al utilizar el proceso Reburn, se busca disminuir la temperatura en la zona primaria de combustión insertando la biomasa a la combustión del carbón, evitando las condiciones óptimas de formación de los NOx. Además, debido a que los NOx surgen principalmente por el contenido de nitrógeno del combustible primario (Carbón), es ideal que la biomasa utilizada (Combustible secundario) tenga el menor contenido de nitrógeno posible. Principalmente esta fue la razón para utilizar la cascarilla de arroz como el segundo combustible. El último análisis de esta biomasa comprueba que a nivel mundial la cascarilla de arroz contiene tan solo entre un 0.38% y un 1.23% de nitrógeno [Valverde, A. 2007]. Adicionalmente, se seleccionó esta biomasa por otras dos razones; primero, esta biomasa abunda dentro del contexto local (Colombia) y es considerada como desecho orgánico, entonces se le estaría encontrando una utilidad y disminuyendo el impacto en el medio ambiente; segundo, en la literatura se comprueba que utilizando biomasas naturales, como combustible secundario, es la mejor forma de reducir los NOx. Esto se debe principalmente a la ausencia de material volátil, ausencia de Dry-ash y al hecho que la liberación de nitrógeno se hace en forma de amoniaco (NH3) en vez de ácido cianhídrico (HCN) dificultando la unión endotérmica del nitrógeno con el oxígeno disponible en el medio. [Annamalaia, K 2007]

Los óxidos nítricos tienen consecuencias perjudiciales tanto para la salud humana como para el medio ambiente. Enfocando la atención al medio ambiente, los NOx son considerados gases de efectos invernadero que contribuyen directamente con el calentamiento global. El N2O es 300 veces más dañino que el CO2. Además ha comprobado que el NO2 llega a truncar el crecimiento de algunos granos, tomates, y naranjas entre mucha más vegetación. Así mimos, los NOx contribuyen a la formación de lluvia acida. Cuando NO y NO2 reaccionan con la humedad presente en la aire de ambiente formando NO3- y H+ esto ocasiona una corrosión crítica en superficies metálicas, daños forestales y efectos perjudiciales en diferentes cuerpos de agua. Los Nox además contribuyen en el cambio y mutación en la vegetación (por ejemplo en el crecimiento descontrolado del alga). Adicionalmente, los NOX contribuyen al crecimiento de las toxinas acuáticas dañina para diversas especies de peces y vegetación acuática. En cuanto a la salud humana, exposición bajo-media a estas emisiones (menos de tres horas al día) puede conllevar a cambios en la velocidad de responder de las vías respiratorias y aumentando en enfermedades respiratorias con mayor impacto en niños de 5 a 12 años. Además, si se exponen de medio-alto puede llevar a infecciones respiratorias, bronquitis agudas, y alteraciones en los pulmones tales como atrofio. [Miller B, 2011] ¿Qué es el Proceso Reburn?

El proceso Reburn, patentando en 1997 en Estado Unidos, fue creado por Mark J. Khinkis, Iosif K. Rabovitser y Michael J. Roberts. Este proceso bajo la patente US5937772 A, consiste en crear inicialmente un zona de combustión primaria con el material combustible analizado.


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El punto crítico del Reburn process es la re-inserción de cenizas volátiles (con una grado de material orgánico) y gases residuales directamente a la zona de combustión primaria. Esta inserción se hace de esta manera para generar los siguientes efectos: Una zona de combustión baja en oxígeno, disminución de la temperatura en la zona de Combustión, Reducción del contenido de NOx en los gases residuales directamente en la zona de combustión primaria, y reducción de la formación de NOx en la zona de oxidación terciaria [Khinkis, M,

1997].

Para este proyecto, se utilizará una variación del Reburn process creada en 2001 por Kalyan Annamalai y John M. Sweeten llamada Reburn system with feedlot biomass. Este procedimiento bajo la patente US6973883 B1, consiste en reducir la generación de NOx en la combustión de un combustible primario mediante la quema de Biomasa como combustible secundario insertándolo directamente en la zona de combustión primaria del combustible primario. Esto se hace mediante el uso de alimentadores para la inserción controlada del combustible primario (en este caso Carbón) y del combustible secundario (Biomasa). Idealmente la inserción de la biomasa como combustible secundario no puede exceder el 25% del combustible primario. [Annamalia K,2005].

Objetivos:

El objetivo general de este proyecto de grado es estudiar el efecto de la cascarilla de arroz en la reducción de las emisiones de NOx en la combustión de carbón mediante el proceso Reburn.

Para poder lograr obtener el objetivo global planteado anteriormente, es necesario cumplir con objetivos más específicos enumerados a continuación:

1. Revisar la literatura sobre la combustión del carbón y la cascarilla de arroz para analizar los efectos del proceso reburn.

2. Caracterizar termoquímicamente el carbón y la biomasa a través de un próximo y último análisis de los componentes implementados en la experimentación para reportar resultados confiables y replicables.

3. Determinar el comportamiento de la temperatura en la zona de combustión para identificar la influencia de la inserción de cascarilla de arroz mediante Reburn en la zona de combustión del carbón.

4. Medir la variación en la cantidad de los gases NOx con respecto a la inserción de distintas cantidades de cascarilla de arroz, en la combustión del carbón, con el objetivo de analizar la relación directa entre la inserción de biomasa y emisión de gases NOx.


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Metodología:

Para el desarrollo de este proyecto se realizó un diseño experimental de 6 pasos, por medio de los cuales se lograría cumplir con los objetivos específicos y general planteados:

1. Adquisición Materia Prima. 2. Análisis Termoquímico Materia Prima. 3. Parametrización: Constantes y Variables. 4. Equipos utilizados. 5. Caracterización de los equipos. 6. Diseño de pruebas.

A continuación se explica detalladamente las actividades realizadas en cada uno de estos pasos.

Adquisición Materia Prima: En la primera etapa del diseño experimental planteado principalmente se adquirieron los dos combustibles que se utilizarían en este proyecto: Carbón y Cascarilla de Arroz. Inicialmente se enfocó en la adquisición del carbón, pues las características de este eran más rigurosas. Los tres factores críticos que tenía que cumplir este carbón eran: que fuera carbón mineral térmico nacional, que tuviera un tamaño igual o inferior a mesh 200 (por recomendaciones técnicas del manual del equipo utilizado), y que su contenido de humedad fuera bajo (<10%). Teniendo estas limitaciones en consideración, se logró adquirir 15 Kg de carbón mineral térmico pulverizado de un tamaño mesh 300. Para comprobar este tamaño de partícula se hicieron tres pruebas sobre un tamiz 200. En cada una de estas pruebas se tomaron aleatoriamente 200 gr de este carbón para comprobar su tamaño, todo el talco de carbón mineral térmico logro filtrarse por el tamiz 200. Con los análisis termoquímicos que se realizarían a esta materia prima se lograría comprobar si cumplía con los otros requisitos. Una vez se adquirió el combustible primario, se procedió a conseguir el combustible secundario: Cascarilla de arroz. Esta se encontró más fácil pues su compra no tenía restricción, simplemente se buscaba la cascarilla de arroz en su presentación natural. Una vez se adquirieron 7 Kg de esta biomasa, se procedió a triturarla y adecuarla para ser procesada de forma experimental. Este procedimiento se realizó utilizando la maquina moledora disponible en el laboratorio del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes. Finalmente, se logró un tamaño mesh 30 para esta biomasa.

Análisis termoquímico: En esta parte se buscaba identificar las características fisicoquímicas del carbón y la cascarilla de arroz verificando si cumplían con los requisitos previamente mencionados para ser usados en esta experimentación. Se decidió realizar un Próximo Análisis y Último Análisis en base natural y base seca por medio de la empresa Laboratorio Cotecna Minerals. Los resultados de estos ensayos se presentan en la ilustración 2 para el carbón e ilustración 3 para la cascarilla de arroz.


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Como se puede observar en la ilustración 2 y con base en los Anexos 1 y 2, el carbón adquirido es un carbón ASTM bituminoso clase C con material volátil medio – alto. También es fundamental resaltar que la humedad total de este carbón es del 3.76% lo cual cumple con las limitaciones del proyecto. Además, vale la pena destacar el poder calorífico de 29.48 MJ/kg y su contenido de nitrógeno de 1.57% de su peso total.

Ilustración 2: Análisis Termoquímico Combustible Primario: Carbón Mineral Térmico.

La cascarilla de arroz adquirida también cumple con las condiciones teóricas mencionadas al inicio de este trabajo. Principalmente se buscaba un combustible secundario con un menor contenido de nitrógeno al carbón utilizado. De acuerdo a la ilustración 3, la cascarilla de arroz obtenida tiene 0.45% de nitrógeno de su peso total. Al comparar con el contenido de nitrógeno del carbón adquirido, la cascarilla de arroz tiene aproximadamente 75% menos nitrógeno. También es importante resaltar el poder calorífico de la cascarilla de 14.8 MJ/Kg, que es aproximadamente la mitad del poder calorífico del carbón.

Ilustración 3: Análisis termoquímicos combustible secundario: Cascarilla Arroz.


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Finalmente con base en los análisis termoquímicos se procedió a obtener la formula empírica de cada uno de los combustibles. Primero se obtuvo la formula en base seca para el carbón libre de material volátil:

C H0.795 N0.0189 O0.083 S0.0026

Segundo, se obtuvo la formula en base seca de la cascarilla de arroz:

C H1.408 N0.009 O0.651 S0.0006

Estas dos fórmulas se utilizarán para diseñar y parametrizar la combustión.

Parametrización: Constantes Inicialmente es fundamental describir las constantes de esta experimentación. Para comenzar, el punto de inyección de la cascarilla de arroz es uno de los factores fijos a los largo del proyecto. Por medio de la modalidad de uso del proceso reburn, se insertó la cascarilla de arroz en el primero punto de inyección del horno de combustión utilizado. Esta inserción fue en la zona primaria de combustión del carbón a 16.5 cm. de la llama de ignición.

Segundo, otra constante a lo largo de la experimentación es el exceso de Aire. Por recomendación de la literatura, cuando se busca disminuir la generación de gases NOx por medio de una combustión dual carbón-biomasa, se recomienda un exceso de aire entre el 20%-35% [Annamalai,K 2005] Se seleccionó un exceso de aire del 20% por dos razones principales: se busca tener la menor cantidad disponible de oxígeno en el medio de la combustión para no promover las condiciones ideales de la formación de NOx y se busca comparabilidad con trabajos realizados anteriormente dentro de la misma universidad [Villate,A 2012][Roncancio,J 2012].

Tercero, la necesidad y medición del aire total de la combustión se haría de forma distinta. La necesidad de aire se define como el aire total teórico que se requiere y la medición, como el aire total real que se tendrá en la combustión. Para comenzar a realizar estos cálculos es indispensable saber el aire teórico o estequiometrico de cada combustible:

ath, coal = 1.159 moles de aire ; ath, Biomasa=1.027 moles de Aire.

Así mismo para saber el aire total teórico, se relaciona el aire estequiometrico del carbón (ath, coal) con el contenido de carbón (%C), el aire estequiometrico de la cascarilla de arroz (ath, Biomasa) con el contenido de cascarilla (%Biomasa) y finalmente con el exceso de aire seleccionado. Esta relación es de la siguiente manera:

Aire Total Teórico = 1.2 [(%C * ath, coal) + (%Biomasa * ath, Biomasa)] [Eq.1]

El Aire total real de la combustión se obtiene de la sumatoria del aire de transporte del carbón, aire de transporte de la cascarilla de arroz y el aire secundario:

Aire Total Real = Aire Secundario + Aire Transporte Carbón + Aire Transporte Cascarilla [Eq.2]

Lo ideal es que en la experimentación el aire total real se ajuste a la misma cantidad que el aire total teórico.


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Cuarto, se escogió una tasa de alimentación del carbón de 1.43 kg/h. Esta tasa se seleccionó principalmente porque a esta velocidad se presentaba una alimentación continua, estable y controlada.

Finalmente se sacaron las fórmulas que representan el comportamiento de las combustiones que se presentarán en este proyecto. Para el caso de solo carbón como para el caso de carbón-cascarilla de arroz se obtuvo el balanceo químico que representa lo reactantes y productos creados en sus respectivas combustiones. A continuación se presenta la fórmula de combustión para 100% carbón:

C H0.795 N0.0189 O0.083 S0.0026+ 1.391 (O2 + 3.76N2) => CO2 + 0.398H2O + 5.278N2 + 0.002SO2

[Eq.3]

A continuación se presenta la fórmula para la combustión dual carbón-cascarilla de arroz:

C H0.795 N0.0189 O0.083 S0.0026+ C H1.408 N0.009 O0.651 S0.0006+2.623 (O2 + 3.76N2) => 2CO2 +1.101H2O+9.871 N2+0.0032 SO2

[Eq.4]

Parametrización: Variables Como se mencionó en los objetivos de este proyecto, aquí se busca analizar principalmente dos comportamientos. Primero, se busca analizar y medir la generación de NOx. Segundo, se busca crear un perfil de temperaturas de las distintas combustiones que se realizarán. Por esto, durante la experimentación las únicas variables de las cuales se tomaran medidas son de la cantidad de NOx ppm y de la temperatura en 6 diferentes puntos a lo largo del horno de combustión.

Equipos: Para poder analizar y ejecutar de forma correcta las combustiones planteadas, se utilizó la Cámara de Combustión disponible en el laboratorio de Conversión de Energías del departamento de Ing. Mecánica de la Universidad de los Andes. Este equipo es una “Cámara de combustión vertical con ducto de escape lateral en la parte inferior del equipo. 6 puertos laterales para inyección de combustible para operación bajo esquema de Reburn. 10 puertos para instalación de instrumentación. Sección de atemperación de gases de combustión y captura de material particulado por aspersión de agua”[U. De los Andes, 2012]. En la Ilustración 4 se presenta un esquema general de la cámara de combustión y la distribución de sus equipos periféricos que permiten su correcto funcionamiento.

De la ilustración 4, se observa principalmente la cámara de combustión de color amarillo posicionada de forma vertical. El dimensionamiento general de la cámara de combustión es de 3360 mm de alto, 560 mm de ancho, 1803 mm de largo y un peso de 930 kg. Adicional, en la parte superior derecha se observa el alimentador del carbón. Este es un equipo de dosificación volumétrica el cual permite ajustar de forma precisa la alimentación del carbón pulverizado. También se observa el alimentador de la cascarilla de arroz en la parte lateral izquierda de la cámara de combustión. Este es un equipo de dosificación gravimétrica, el cual permite dosificar de manera precisa la biomasa utilizada.


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Debido a que el equipo contiene una celda de carga, se puede mantener la precisión en la dosificación sin importar la forma geométrica de la biomasa [U. De los Andes, 2012]. Es por esto, que las limitaciones del tamaño de la cascarilla de arroz fueron mucho menos rigurosas que la del carbón pulverizado.

Ilustración 4: Esquema General de la distribución e instrumentación de la cámara de combustión. [Villate,2012]

La inserción del carbón pulverizado se realizó por la parte superior de la cámara de combustión. Por otro lado, la cascarilla de arroz se insertó por el costado lateral cumpliendo con la reglamentación del proceso reburn. La inserción de los dos combustibles tiene en común que el transporte del material es de forma neumática. En la ilustración 5a y 5b se puede observar el esquema general de transporte neumático del carbón pulverizado y cascarilla de arroz respectivamente:

Ilustración 5: a) Esquema Transporte Neumático carbón pulverizado b) Esquema Transporte Neumático Cascarilla de Arroz en modalidad Reburn [U. De los Andes, 2012]


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El Aire utilizado para transportar ambos combustibles es cuantificado por medio del Rotámetro mostrado en la ilustración 4. En esta ilustración también se puede observar un Variador de Frecuencia (parte inferior derecha). Este, es utilizado para accionar el ventilador de extracción de la cámara de combustión y así darle un buen manejo a los gases de escape de las combustiones. Esta ventilación es la responsable en generar el aire secundario mencionado en la Ecuación 2. Para obtener una cuantificación numérica del aire secundario utilizado, se usó un Anemómetro de Hilo Caliente (parte Superior Ilustración 4) por medio del cual se obtiene la velocidad lineal del aire succionado por el ventilador de extracción.

Finalmente, se resaltaran los dos equipos por medio de los cuales se tomaran las mediciones de este proyecto. Primero, está el Analizador de Gases (ver ilustración 4). Por medio de este, se obtendrá la medida de la cantidad de NOx presentes ppm en los gases de escape de la combustión con una incertidumbre del 5% del valor medido. Segundo, en la ilustración 4 se observan 7 termocuplas a lo largo del costado lateral de la cámara de combustión. Con estas termocuplas se obtendrá el perfil de temperatura de las combustiones por medio de mediciones puntuales distanciadas a 20 cm. También, cada una de estas termocuplas presenta una incertidumbre del 1% de la medición + 0.6˚C.

Caracterización Equipos: En el quinto paso del diseño de la experimentación, fue necesario caracterizar dos equipos fundamentales para la correcta ejecución de este proyecto. El primer equipo que se caracterizó fue el alimentador del carbón pulverizado. Debido a que este equipo es de dosificación volumétrica, se requiere realizar una curva de calibración alrededor de los puntos de dosificación que se trabajaran en cada práctica [U. De los Andes, 2012]. En la ilustración 6, se observa la relación entre la frecuencia que se le introduce a la tolva alimentadora del carbón y la tasa de alimentación obtenida con el carbón mineral térmico pulverizado utilizado.

Ilustración 6: Caracterización Alimentador carbón pulverizado. Se relaciona la frecuencia introducida al equipo con la velocidad alimentación que se obtendrá.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ve

loci

dad

Alim

en

taci

on

[g/

s]

Frecuencia (Hz)

Caracterización Alimetación Carbón


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Segundo, se caracterizó el aire secundario de la combustión. Como este aire dependía directamente del variador manual de frecuencias que activa el ventilador de extracción, era fundamental cuantificar la velocidad con la que se succiona el aire en la zona de combustión. Por esta razón, se relacionó la frecuencia introducida al ventilador con la velocidad lineal del aire medida por el Anemómetro (ver ilustración 7).

Ilustración 7: Caracterización Aire Secundario.

Diseño de Pruebas: El último paso del diseño experimental inicialmente planteado fue diseñar las pruebas que se harían. Aquí, principalmente se buscó variar las concentraciones de los dos combustibles y observar el cambio en la generación de gases NOx y el perfil de temperatura de la combustión. Teniendo en cuenta la parametrización planteada, se decidió ejecutar toda la experimentación sobre 4 pruebas distintas cada una de dos repeticiones (ver Tabla 1):

Tabla 1: Diseño de pruebas experimentales.

Prueba Concentraciones Exceso de Aire Aire Total Mediciones Repeticiones

1 100% Carbón

0% Cascarilla Arroz 20% 11.25 CFM

- NOx producidos ppm

- Perfil de Temperaturas

2

2 95% Carbón

5% Cascarilla Arroz 20% 11.96 CFM



2

3

90% Carbón

10% Cascarilla Arroz

20% 11.68 CFM



2

4

85% Carbón

15% Cascarilla Arroz

20% 11.39 CFM



2

2.5

2.7

2.9

3.1

3.3

3.5

3.7

3.9

4.1

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Vel

oci

dad

Air

e (m

/s)

Frecuencia (hz)

Velocidad Lineal Aire Secundario


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En cada una de las pruebas se cambió las concentraciones de los combustibles. Se comenzó la primera prueba con 100% carbón y 0% cascarilla de arroz y se fue disminuyendo el contenido de carbón y aumentando el contenido de biomasa. El cambio en las concentraciones fue de 5% y la última prueba terminó con 85% carbón y 15% cascarilla de arroz. En cada una de las pruebas realizadas, se tomó la medición de los NOx producidos ppm y el perfil de temperatura a lo largo de la cámara de combustión. Se decidió trabajar en este rango de porcentajes porque tanto la literatura como trabajos previos hechos en la misma universidad habían indicado que los mejores resultados en la reducción de NOx se dan en un rango de inserción de un combustible secundario entre 0%-15%.

Resultados:

Para cada una de las pruebas realizadas, fue necesario dejar un tiempo de estabilización de 15 – 25 min para que el sistema se estabilizara y las mediciones que se tomara fueran confiables. Las segundas repeticiones de cada una de las pruebas se ejecutaron en condiciones ambientales distintas después de haber apagado completamente el sistema.

Vale la pena resaltar nuevamente que el error en los perfiles de temperatura son el 1% de a mediciones realizada más 0.6C. La barra de error no se incluyó en las gráficas ilustrativas de estos perfiles para no saturar el contenido.

Inicialmente se presentarán los resultados de la primera repetición, después los resultados de la segunda repetición y finalmente los resultados promedios de todo el proyecto.

Repetición 1

A continuación se presenta el perfil de temperaturas obtenido para las cuatro pruebas en la primera repetición (ver Ilustración 8)

Ilustración 8: Perfil de temperatura para la cuatro pruebas en la primera repetición.

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tem

per

atu

ra (

C)

Distancia Desde la Llama [c.m]

Perfil de Tempretura Combustión Carbón-Biomasa Repetición 1

100%-0%

85%-15%

90%-10%

95%-5%


17

Como era de esperarse, de la ilustración 8 la temperatura de la combustión disminuye a lo largo del horno de combustión. Adicional, se obtuvo una disminución relativa promedio de la temperatura del 8.31%, 5.79% y 4,16% con respecto a la del 100% de carbón, para los contenidos de 5%, 10% y 15% de cascarilla de Arroz respectivamente.

A continuación se presenta la reducción de los gases NOx para cada una de las pruebas en su primera repetición (ver Ilustración 9):

Ilustración 9: Reducción emisiones gases NOx repetición 1.

En la ilustración 9 se observa una disminución máxima del 21.5% para una concentración 95% carbón 5% cascarilla de arroz. Después de este punto, se obtuvo la reducción mínima de 12.1% en la concentración 90% carbón 10% cascarilla.

Repetición 2

A continuación se presenta el perfil de temperaturas obtenido para las cuatro pruebas en la segunda repetición (ver Ilustración 10)

329

258

289 286

287

200

220

240

260

280

300

320

340

360

0 5 10 15 20

NO

x [p

pm

]

Porcentaje Biomasa [%]

Reducción NOx Repetición 1


18

Ilustración 10: Perfil de temperatura para la cuatro pruebas en la segunda repetición.

Como era de esperarse, de la ilustración 10 la temperatura de la combustión nuevamente disminuye a lo largo del horno de combustión. Adicional, se obtuvo una disminución relativa promedio de la temperatura del 7.81%, 6.04% y 3.88% con respecto a la del 100% de carbón, para los contenidos de 5%, 10% y 15% de cascarilla de Arroz respectivamente.

A continuación se presenta la reducción de los gases NOx para cada una de las pruebas en su segunda repetición (ver Ilustración 11):

Ilustración 11: Reducción emisiones gases NOx repetición 2.

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tem

per

atu

ra (

C)

Distancia Desde llama [c.m]

Perfil de Tempretura Combustión Carbón-Biomasa repetición 2

100%-0%

85%-15%

90%-10%

95%-5%

330

248

281278

200

220

240

260

280

300

320

340

360

0 5 10 15

NO

x [

pp

m]


Reducción NOx Repetición 2


19

En la ilustración 11 se observa una disminución máxima del 24.8% para la concentración 95% carbón 5% cascarilla de arroz. Después de este punto, se obtuvo la reducción mínima de 14.8% en la concentración 90% carbón 10% cascarilla.

Promedio:

A continuación se presenta el perfil de temperaturas promedio obtenido durante todas las pruebas experimentales de esta práctica (ver Ilustración 12)

Ilustración 12: Perfil de temperatura total promedio.

Se obtuvo una disminución relativa promedio total de la temperatura del 8.07%, 5.93% y 4.03% con respecto a la del 100% de carbón, para los contenidos de 5%, 10% y 15% de cascarilla de arroz respectivamente. Así mismo en la ilustración 12 se observa que el punto de máxima diferencia de temperatura con respecto al 100% fue a los 20 cm, con 5% de cascarilla de arroz en donde la temperatura alcanzo a disminuir un 14.56%.

Finalmente se presenta la reducción promedio total de los gases NOx para toda la experimentación de esta práctica (ver Ilustración 13).

En promedio se obtuvo una reducción máxima de NOx del 23.2% en la concentración de 5% cascarilla de arroz 95% carbón. De igual forma la reducción mínima fue del 13.5% con las concentración 10% cascarilla de arroz 90% carbón.

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tem

per

atu

ra (

C)

Distancia Llama [c.m]

Perfil de Tempretura Promedio

100%-0%

85%-15%

90%-10%

95%-5%


20

Ilustración 13: Reducción de gases NOX promedio.

Análisis:

Sorpresivamente la temperatura de la combustión aumento a medida que se insertaba más cascarilla de arroz. Como se visualiza en la ilustración 12, entre más contenido de cascarilla de arroz y menos carbón, más se acerca la temperatura a la de 100% carbón (ideal). Este fenómeno puede estar ligado directamente con la energía de activación de los dos combustibles. Como se sabe, la energía de activación de la cascarilla de arroz es inferior a la energía de activación del carbón, por ende, la cascarilla de arroz se consumirá de forma más inmediata. Al consumirse con mayor velocidad, la cascarilla de arroz será capaz de elevar la temperatura espontáneamente más alta que lo que el carbón podría. Por supuesto, al consumirse más rápido, la temperatura disminuirá de manera similar, por lo cual, en un largo plazo el carbón es el que mantiene la temperatura de la combustión.

Adicionalmente se puede observar de la ilustración 12 que a una distancia de 120 cm se experimentó un alza de temperatura inesperada. Esto se le puede atribuir a la combustión de combustible no consumido en la zona de combustión primaria. Es decir, cuando en la zona primaria de combustión no se consume la totalidad del combustible (carbón o biomasa), estos residuos se terminaron consumiendo a 120 cm de la llama de ignición.

La perdidas promedio en temperaturas máximas obtenidas fueron del 8.06% aproximadamente. Esto no es una pérdida significativa en la combustión del carbón. Adicionalmente, el perfil de temperatura se vio favorecido en la concentración 15% cascarilla y 85% carbón. Mientras que la temperatura de la combustión se vio mayormente afectada en la concentración de 95% carbón 5% cascarilla.

329.5

253

285282

200

220

240

260

280

300

320

340

360

0 5 10 15

NO

x [

pp

m]


Reducción NOx Promedio


21

En cuanto a la reducción de NOx, la máxima reducción obtenida fue de 23.2% en la composición dual 95% Carbón con 5% cascarilla. Este resultado está ligado directamente con los resultados del perfil de temperatura. Como se mencionó al principio, entre más alta sea la temperatura de combustión, mayor generación de NOx se tendrá. Por el contrario, al bajar la temperatura de combustión, se está interrumpiendo las condiciones ideales de generación de NOx. Por lo tanto, el perfil de temperatura más bajo fue el de 5% cascarilla de arroz-95% carbón, lo cual explica que en esta concentración se obtuviera la mayor reducción de gases NOx.

Por otro lado, la mínima reducción de gases NOx se obtuvo en la concentración del 10% cascarilla de arroz con 13.5%. Después de este punto se obtuvo una tendencia de estabilización. Mientras la temperatura siguió aumentando a medida que se inyectaba más cascarilla de arroz, la generación de NOx no necesariamente siguió aumentado como se esperaba. Esto está relacionado nuevamente con las condiciones ideales de los NOx. Como se mencionó, las formaciones de NOx también dependen directamente del contenido total de nitrógeno en la combustión. Entonces aunque la temperatura aumentaba con la inserción de más cascarilla de arroz, al mismo tiempo, entre más cascarilla de arroz y menos carbón más se disminuía el contenido de nitrógeno disponible para reaccionar con el oxígeno.

Conclusiones:

• La biomasa ´Cascarilla de arroz’ es un combustible secundario apropiado para reducir la generación de NOx en la combustión del carbón.

• El proceso Reburn es apropiado para la disminución de la producción de NOx en una combustión dual carbón y biomasa.

• Entre mayor sea la concentración de cascarilla de arroz, mayor se acerca la temperatura de la combustión del carbón.

• El bajo contenido de nitrógeno de la cascarilla de arroz es la razón por la cual al mezclarse con el carbón se disminuyó la generación de NOx, pues la cantidad de nitrógeno total disponible en la mezcla disminuyó.

• Los resultados desde un punto de vista de la temperatura tienen una muy buena aplicación en la industria. Pues la pérdida calorífica fue de tan solo el 8%, mientras las ganancias ambientales superaron el 23%.


22

Recomendaciones:

• Se propone estudiar los posibles efectos del cambio de la distancia en la inyección de la cascarilla de arroz en el proceso reburn.

• Se incentiva a estudiar en detalle el comportamiento de la temperatura de combustión y su relación con la energía de activación de los combustibles en cuestión.

• Finalmente se propone continuar esta experimentación ejecutando el procedimiento un mayor número de veces con mayores cantidades de composiciones para poder soportar los resultados de forma estadística.


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Anexos:

Anexos 1: Clasificación por contenido del carbón mineral térmico. .[ Dao NB D; Sharon M, 2008]

Anexos 2: Clasificación ASTM del carbón.[ Dao NB D; Sharon M, 2008]


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proyecto de grado 2014-2 estudio del efecto de la

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