UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

PROYECTO DE TESIS

“PROCESO PARA LA PRODUCCION DE GAS DE COMBUSTION POR GASIFICACION DE LA CASCARILLA DE ARROZ”

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO

QUÍMICO

AUTORES: PINEDA ESTEVES JUAN ENOC

GOMEZ LOPEZ GILVERVARGAS ARÁOZ JOHN JULIO

CALLAO – 2013

PERU

INDICE

Página

INTRODUCCION

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.1 Determinación del problema

I.2 Formulación de problemas

I.3 Objetivos de la investigación

I.4 Justificación

II. MARCO TEORICO

II.1 Antecedentes del estudio

II.2 La cascarilla de arroz

II.3 Importancia económica de la cascarilla de arroz

II.4 Importancia económica del gas de combustión

II.5 Requerimiento del gas de combustión para los MCI

II.6 Tecnología de la gasificación

II.7 Limpieza y acondicionamiento del gas

II.8 Propiedades físicas y químicas de la cascarilla

II.9 Propiedades físicas y químicas del gas de combustión

II.10 Adecuación del gas exento de alquitranes

II.11 Fundamentos de las bases de diseño

II.12 Definiciones de términos básicos

III. VARIABLES E HIPOTESIS

III.1 Definición de las Variables de la investigaciónIII.2 Operacionalización de variablesIII.3 Hipótesis General

III.4 Hipótesis Especificas

IV. METODOLOGIA

IV.1 Tipo de investigación

2

IV.2 Diseño de la investigación

IV.3 Etapas de la investigación

IV.4 Población y muestra

IV.5 Técnicas e Instrumentos de recolección de datos

V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

VI. PRESUPUESTO

VII. REFERENCIALES

VIII. ANEXOS

VIII.1Matriz de consistencia completa

VIII.2Esquema tentativo de la tesis

3

INTRODUCCION

En los procesos productivos de diversas industrias es frecuente que sobren residuos de

los cuales gran parte de ellos pueden ser recuperados dándole una recirculación al

proceso o sino también como fuente de energía renovable, por ejemplo la biomasa.

Para una industria el uso de la biomasa como fuente de energía renovable les resulta

importante en lo que a reducción de costos se refiere, pero además contribuye también a

la reducción del impacto ambiental. Para tal fin se deben realizar análisis a los materiales

de desecho, para con ello saber cuáles pueden ser útiles como fuente de energía.

La cascarilla de arroz, también llamado pajilla es un residuo en la industria del pilado del

arroz. Si bien este residuo tiene algunos usos, como por ejemplo abono, adición en

mezclas de concreto o como combustible. Gran parte de este residuo no es utilizado y es

vertido al medio ambiente para su posterior incineración.

El Grupo de Investigación Carbón–Biomasa de la Pontificia Universidad Católica del

Perú (PUCP) sobre el aprovechamiento energético de la cascarilla de arroz indican que

existen muy buenas oportunidades para la generación de calor por medio de la

gasificación donde se podría aplicar en procesos de cocción de alimentos, secado y

producción de vapor entre otros. Para el presente trabajo se propone generar energía

eléctrica por gasificación de la cascarilla de arroz, debido a que se producen grandes

cantidades como desecho.

La gasificación de biomasa o carbón es una tecnología usada desde hace más de 200

años. Los primeros gasificadores de carbón fueron construidos en Alemania. El gas era

utilizado como combustible para los hornos de la industria siderúrgica, luego mediante la

aplicación de mecanismos de limpieza del gas, desarrollados en Inglaterra, el uso de

gasificadores se extendió a hornos pequeños y motores de combustión interna. En

Alemania durante la segunda guerra mundial debido a la escasez de petróleo, los

ingenieros utilizaron el proceso de gasificación para producir combustibles sintéticos

mediante un proceso llamado Fischer Tropsch.

La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sólido que contiene carbono es

transformado en un gas combustible de bajo o medio poder calorífico (1.000 -

3.000kCal/Nm3) comparado con el gas natural (9.000 kCal/m3. El gas producido

contiene CO, H2, CH4, CO2, N2, vapor de agua entre otros que se encuentran en menor

cantidad. Estos compuestos se encuentran en el gas en proporciones distintas según: la

4

presentación, la tecnología utilizada, la composición de la materia prima, el agente

gasificante y la relación agente gasificante/biomasa. El agente gasificante puede ser

vapor de agua, oxigeno, aire o una mezcla de los anteriores, obteniendo el gas con

menor poder calorífico cuando se utiliza aire, en este caso la entrada se limita entre un

20 y un 40% del teóricamente necesario para una combustión completa, y la temperatura

de operación oscila entre 700 y 1.400°C según el tipo de gasificador y las condiciones

del proceso. El gas combustible generado puede ser aprovechado de diversas maneras:

a través de procesos de combustión para producir electricidad y/o energía térmica o

como gas de síntesis transformándose en productos de mayor valor añadido.

Por lo tanto, existe la necesidad de diseñar un proceso para la producción de gas de

combustión de la cascarilla de arroz para emplearlo en generadores eléctricos.

5

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.1 Determinación del problema

La zona norteña del Perú es una zona arrocera y de muchos productos de exportación.

Sin embargo en el proceso de cosecha y el seguido de proceso de valor agregado

genera varios residuos orgánicos. De los cuales algunos, se utilizan en otras etapas para

su aprovechamiento, como es el caso del bagazo de la caña de azúcar. Sin embargo

otros residuos como la cascarilla de arroz obtenida después del pilado del arroz, solo

una parte es utilizada en otros procesos como abono, agregado de concreto, o

combustible para el horno de la fabricación de ladrillos.

Existe una gran parte de cascarilla que es vertida al medio ambiente y luego es

incinerada, afectando así a los diversos ecosistemas presentes.

Otro factor para tener en cuenta, es que las industrias encargadas del rubro arrocero

consumen grandes cantidades de luz, por ejemplo una planta pequeña gasta

aproximadamente 2500 soles mensuales en pago por el servicio de luz. Generando

como residuo la cascarilla de arroz que luego la venden para los distintos usos,

reduciendo asi sus costos.

Colombia, es uno de los países sudamericanos que ha presentado muchos estudios

respecto a esta cascarilla, desde un estudio comparativo de la cascarilla con otros

países hasta las posibles aplicaciones en el campo de la energía eléctrica.

Una industria que pueda reducir sus costos en energía eléctrica, implementando en un

sistema de generación de energía eléctrica a partir de sus propios residuos no solo

reduce sus costos sino que también contribuye a la reducción de los problemas de

impacto ambiental.

6

I.2 Formulación del problema

Problema General

¿Cómo debe ser el proceso para la producción del gas de combustión a partir de la

cascarilla de arroz para emplearlo en generadores eléctricos?

Problemas específicos

a. ¿Cuáles son las características físicas y químicas de la cascarilla de arroz?

b. ¿Cuáles son las características físicas del gas de combustión para los

generadores eléctricos?

I.3 Objetivos de la investigación

Objetivo General

Diseñar un proceso para la producción de gas de combustión de la cascarilla de

arroz para emplearlo en generadores eléctricos

Objetivos Específicos

a. Identificar las características físicas y químicas de la cascarilla de arroz

b. Identificar las características del gas de combustión que se demanda como

fuente de energía de generadores eléctricos

I.4 Justificación

Los resultados de la investigación que se propone desarrollar, tendrá valiosos aportes

en los siguientes contextos;

Legal:

Permitirá estar cumpliendo las normas de contaminación ambiental

Teórica:

Se ampliará la teoría de diseño y mejora de los gasificadores.

Tecnológica:

Permitirá desarrollar tecnologías de generación de energía eléctrica.

Económica:

Permitirá contribuir al desarrollo económico en nuestro país.

Social:

De desarrollar la actividad productiva en este rubro, se generarán puestos de

trabajo.

Práctica:

7

II. MARCO TEORICO

2.1 ANTECEDENTES DEL ESTUDIO

Los estudios se dieron en diferentes partes del Perú y de Sudamérica, buscando una

biomasa fácil de usar, que no se usaba y que contenga gran cantidad de celulosa.

Algunos de los trabajos existentes se dieron de forma experimental para ver el

potencial de las diferentes materias orgánicas.

Aquí vemos una reseña de los residuos celulósicos en la obtención de gas de síntesis

en gasificadores.

Bagazo y residuos de cosecha de caña de azúcar:

Este se trabajó en Centroamérica donde se obtiene grandes cantidades de residuo y

es bueno para su uso en gasificadores

Cascarilla de arroz

Existen varios trabajos, el principal en el Perú, de la universidad católica (Perú) y

también en Colombia.

Residuos de Almendros

Trabajo realizado en Bolivia con restos de los almendros

Fibra de coco

Centroamérica, Colombia.

Residuos madereros (aserrín)

Trabajos realizados en Colombia

2.2. LA CASCARILLA DE ARROZ 

El Perú es un gran productor de arroz en los últimos años ha incrementado su

producción, tiene convenio con Colombia para exportar dicho cereal.

Para el aprovechamiento de la cascarilla de arroz como combustible se debe conocer los

residuos generados por el arroz en el campo (raíces, tallos y hojas), en el molino

cascarilla de arroz, polvillo nielen, arrocillo); y principalmente las propiedades

bioquímicas, físicas y químicas de la cascarilla de arroz como uso alternativo de

combustible.

Como consecuencia de la actividad agrícola del arroz, se genera una gran cantidad de

residuos, y esto está aumentando, ya que el ministerio de agricultura tiene un proyecto

que consiste en aumentar la cantidad de hectáreas cada año, y por ende aumentar la

producción de arroz.

Los residuos son en su mayoría quemados, o se tiran al mar o ríos, lo que genera una

gran contaminación al ambiente. También se puede observar cuales son los principales

productores de arroz en el Perú.

En los siguientes cuadros podremos distinguir como fue aumentando la producción, asi

mismo las zonas de mayor producción.

8

GRAFICA 2.1: Producción de arroz en el Perú

19921994

19961998

20002002

20042006

20082010

20120

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

miles toneladas

FUENTE :THE NATIONAL INSTITUTE OF STATICS AND INFORMATICS

Cuadro 2. 1: Producción de arroz en los últimos 4 años.

PRODUCCIÓN TONELADAS MÉTRICAS(TM)AÑO 2009 2010 2011 2012

CASCARA DE ARROZ

2989592 2831374 2624458 2999101

FUENTE: INE

Cuadro 2.2 Principales regiones del Perú que producen arroz.

PRODUCCION ANUAL (2011) ARROZ CASCARA (TM)PIURA 607807

LAMBAYEQUE 410125SAN MARTIN 557621LA LIBERTAD 335560

AREQUIPA 241328TUMBES 126344

CAJAMARCA 212879FUENTE: INE

Se puede observar que zona norte del Perú se produce la mayor cantidad de arroz.

9

Cuadro 2.3: Distribución porcentual del arroz cascara

RESIDUO PORCENTAJE (%)CASCARILLA 20-22

POLVILLO 5-7NIELEN 0.7-1

ARROCILLO 1-2GRANO DE ARROZ 68-73ARROZ CASCARA 100

FUENTE: INE

Cuadro 2.4: Producción de cascara de arroz

PRODUCCIÓN EN TONELADAS MÉTRICASAÑO 2009 2010 2011 2012

CÁSCARA 597918.4 566274.8 52489 599820.2FUENTE: INE

2.3 IMPORTANCIA ECONÓMICA La cascarilla de arroz generalmente es desechada o quemada ya que su uso no es aún muy difundido.Su uso se da en la comida balanceada de los animales, en construcción de nuevos ladrillos ya que contiene alto porcentaje de sílice en forma de cenizas.Se puede decir que este material de desecho es fácil de conseguir y muy raras veces se podrá gastar gran cantidad de dinero.

2.4. IMPORTANCIA ECONOMICA DEL GAS DE COMBUSTIÓN.La importancia de este tipo de gas se da por su facil acceso a la materia prima del a cual se obtendra , el gasto es minimo ya que la cascarilla de arroz tiene un valor insignificante.El gas obtenido tiene una imortancia eleveda , debido a que se puede ontener de residuos y que puede ser usado en multiples tareas y actividades tales como hornillas , quemadores, evaporadores, producir energia electrica , combustibles.

2.5. REQUERIMIENTO DEL GAS DE COMBUSTIÓN PARA LOS MCI

Uno de los principales requerimientos del gas combustible para ser usado en motores de combustión interna es la concentración de partículas y alquitranes, mostradas en el siguiente cuadro.

CUADRO 2.5: Límites de concentración de partículas - aplicaciones de generación de energía

APLICACION MAXIMO CONTENIDO DE PARTÍCULAS (MG/Nm3)

MÁXIMO CONTENIDO DE ALQUITRANES (MG/Nm3)

Combustión directa Sin limite Sin limiteProducción de gas de sintesis

0.02 0.1

Turbina de gas 0.1 -120 0.05 -5Motor de combustión interna

30 50- 100

Transporte en tuberias - 50 – 500 para el compresorCeldas de combustible - <1

FUENTE : D. CARLOS A. VARGAS SALGADO

10

2.6. TECNOLOGÍA DE LA GASIFICACIÓN

Gasificación

La gasificación es un proceso en el que se convierte, mediante oxidación parcial a

temperatura elevada, una materia prima (generalmente sólida) en un gas con un

moderado poder calorífico. Normalmente se trabaja con un 25-30% del oxígeno

necesario para la oxidación completa. Esta oxidación parcial se puede llevar a cabo

utilizando aire, oxígeno, vapor o mezcla de ambos. El gas obtenido contiene monóxido

de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), metano (CH4), pequeñas

cantidades de otros hidrocarburos más pesados, agua (H2O), nitrógeno (N2) cuando se

utiliza aire como agente gasificante y diversos contaminantes, como pequeñas partículas

carbonosas (semicoque o char), cenizas y alquitranes.

La gasificación de biomasa tiene lugar en tres etapas:

Secado: evaporación de la humedad contenida en la biomasa.

Pirólisis: descomposición térmica de la materia, en nuestro caso un materialorgánico en ausencia de oxígeno. Si el proceso es autotérmico (sin aporte externo de calor), se introduce algo de oxigeno con el fin de producir la combustión parcial que aporte calor al proceso. Los compuestos a base de carbono contenidos en la biomasa se descomponen dando gases, hidrocarburos condensables y un residuo Carbonoso (semicoque o char).

Gasificación: oxidación parcial del carbono, hidrógeno y oxígeno que ha quedado.Después de la pirólisis.Los diferentes tipos de gasificadores, se pueden clasificar en:

Lecho descendente o fijo; tenemos dos tipos Updraft y Downdraft. Lecho fluidizado; tenemos tres tipos burbujeante, circulante y arrastrado. Rotatorios. Reactores paralelos o dobles.

11

Cuadro 2.6.1 Diferentes tipos de gasificadores con el sólido:

FUENTE: VELO E. PROCESOS TERMOQUÍMICOS DE APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA, 2008

En la práctica la totalidad de los gasificadores existentes pertenecen a algunos de los tipos descritos en la tabla anterior. Los gasificadores más utilizados para tratamiento deResiduos Sólidos Urbanos (RSU) y Residuos Sólidos Industriales (RSI) son los rotatorios

y los de lecho fluidizado. Para el aprovechamiento energético de la biomasa se utilizan o

han utilizado los de lecho fijo debido a su simplicidad tecnológica.

A continuación en la Tabla 4.2 se muestra la clasificación de los gasificadores, donde se

resumen las principales características típicas de los gasificadores empleados

(propulsados por aire), como la temperatura del gas de síntesis durante las reacciones

químicas, la temperatura del gas de síntesis a la salida del gasificador, así como la

cantidad a modo cuantitativo de los alquitranes y partículas que resultan. También se

observa las capacidades de los diferentes gasificadores y el rango de potencia eléctrica

a una eficiencia global del 36%.

12

CUADRO 2.6.2 Principales características de los diferentes tipos de gasificadores

FUENTE: VELO E. PROCESOS TERMOQUÍMICOS DE APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA, 2008

Gasificador de lecho descendente o fijo

Este tipo de gasificadores se pueden usar tanto con aire como con oxígeno y vapor de

agua. El sólido se alimenta por la cabeza del gasificador. La extracción de cenizas suele

hacerse por la parte inferior del lecho. La velocidad de descenso del lecho se regula

mediante la extracción de cenizas, que se efectúa de modo continuo. El gasificador de

lecho fijo vertical tiene algunas ventajas sobre los otros tipos de gasificadores,

incluyendo su simplicidad y los costes de inversión relativamente bajos. Sin embargo,

este tipo de reactor es más sensible a las características mecánicas del combustible;

requiere un combustible uniforme y homogéneo. Es posible operar un reactor de lecho

fijo vertical con un flujo contracorriente, con el aire y el gas subiendo a través del reactor

A) Gasificadores de lecho descendente o fijo en contracorriente (Updraft)

En estos gasificadores, el sólido desciende lentamente en contracorriente con la

corriente de gas generada por la introducción de los agentes gasificantes (aire u oxígeno

y vapor) por el fondo del gasificador.

Según desciende el sólido, es calentado por la corriente ascendente de gas hasta llegar

a la zona de combustión donde se alcanza la máxima temperatura, sufriendo un

enfriamiento posterior previo a la descarga de escorias. La temperatura en la zona de

combustión está condicionada por la temperatura de fusión de las cenizas. La regulación

de temperatura en el lecho se realiza mediante inyección de vapor.

El consumo de vapor es mucho más elevado en el caso de trabajar con cenizas

13

secas. Debido a que la degasificación y devolatilización del sólido se realiza en una zona

de baja temperatura de gases (entre 250 y 500 ºC) no se produce la descomposición de

los aceites, alquitranes y gases formados (fenoles, amoníaco, H2S) obteniéndose un

gasbastante contaminado. A continuación se muestra en la Figura 4.1 las zonas de

proceso de un gasificador de lecho fijo descendente (Updraft).

GRAFICA 2.6.1 gasificador de lecho fijo updraft

FUENTE Reed, T. ; Das, A.: Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. Golden,Estados Unidos : Solar energy research institute, 1988

B) Gasificadores de lecho descendente o fijo en equicorriente (Downdraft)

El sólido entra por la parte superior del reactor, experimentando sucesivamente los

procesos de secado y pirólisis al ser sometido a un aumento progresivo de la

temperatura.

Este perfil de temperaturas se debe al hecho que la conducción y radiación de calor a

temperaturas suficientemente elevadas, tiene lugar desde la parte inferior, donde se está

generando calor mediante combustión parcial de los productos que llegan hasta allí. Los

gases, alquitranes y carbón continúan su camino descendente y llegan a la zona de

oxidación a alta temperatura, en la que se queman o craquean una parte con el oxígeno

introducido, proporcionando la energía necesaria para mantener térmicamente el

proceso y empobreciendo la calidad del gas. Los productos reaccionan entre sí, a través

de las reacciones de reducción, para aumentar la cantidad y calidad como combustible

de la fase gaseosa. A continuación se muestra en la Figura 4.2 las zonas de proceso de

un gasificador de lecho fijo descendente (Downdraft).

14

GRAFICA 2.6.2 gasificador de lecho DESCENDENTE (DOWNdraft)

FUENTE Reed, T. ; Das, A.: Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. Golden,Estados Unidos : Solar energy research institute, 1988

PRINCIPALES REACCIONES QUÍMICAS

Las reacciones básicas que ocurren dentro del reactor son:

Combustión (reacciones exotérmicas)

Completa: C + O2 → CO2 ΔH = - 406 MJ/kmol (Ec. 4.1)Parcial: C + ½ O2 → CO ΔH = - 268 MJ/kmol (Ec. 4.2)

Gasificación

C + CO2 → 2 CO ΔH = 78,3 MJ/kmol (Ec. 4.3)C + 2 H2 → CH4 ΔH = - 87,4 MJ/kmol (Ec. 4.4)

C + H2O → CO + H2 ΔH = 118,9 MJ/kmol (Ec. 4.5)

Shift (exotérmica)

CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = - 42 MJ/kmol (Ec. 4.6)

Metanización (exotérmica)

CO + 3 H2 → CH4 + H2O ΔH = - 206,3 MJ/kmol (Ec. 4.7)

El semicoque o char en presencia de oxígeno tenderá a combustionar (Ec. 4.1). Como

quiera que el oxígeno introducido en el reactor sea insuficiente, se favorece la presencia

de CO por combustión incompleta (Ec. 4.2). El exceso de semicoque reacciona con los

gases presentes (principalmente CO2 y agua, (Ec. 4.3 y Ec. 4.5)). Las (Ec. 4.5 y Ec. 4.6)

están favorecidas por la presencia de vapor de agua en el agente oxidante, por lo que la

presencia de vapor favorece la producción de hidrógeno. La formación de metano (Ec.

4.7), está favorecida por las altas presiones tal y como se cita en. A continuación se

muestra en la Figura 4.3 los procesos térmicos de conversión de biomasa, es esta

gráfica se ve como se mueve la composición química de la biomasa en las regiones de

combustible líquido o sólido, ya sea por medios biológicos o térmicos.

15

2.7. LIMPIEZA Y ACONDICIONAMIENTO DEL GAS

El gas producido en el reactor se acondiciona para proteger a los demás equipos de la

erosión y la corrosión. También se acondiciona para obtener la temperatura adecuada

delgas de síntesis para la etapa siguiente. A continuación se muestra en la Figura 5.4 el

diagrama de flujo de la etapa de acondicionamiento del gas.

GRAFICA 2.7 Etapas de acondicionamiento del gas

FUENTE PROPIA

Sistema de limpieza del gas

El gas producido en el reactor, arrastra una elevada concentración de partículas en

suspensión y alquitranes, lo cual es perjudicial para la vida útil de los demás equipos. El

sistema o sistemas de limpieza deberán tener la capacidad suficiente para dejar el gas

limpio de partículas (char y cenizas) antes de ingresar a la siguiente etapa.

La primera unidad de limpieza será un ciclón de alta eficiencia ya que es un sistema que

permite eliminar partículas con diámetro mayor a 5 micras. Los ciclones presentan

mayores eficiencias que las cámaras de sedimentación gravitacional. El ciclón constituye

uno de los sistemas de recolección de partículas menos costoso, tanto desde el punto de

vista de operación como de inversión. Por el hecho de estar diseñados para una amplia

gama de materiales y de temperaturas que incluso asciende hasta los 1000ºC, es posible

ingresar el gas bajo las condiciones de temperaturas dadas en la Tabla 4.2 y con ello

eliminar una amplia gama de partículas.

Ventajas:

Coste de capital bajo

Capacidad de funcionar en las altas temperaturas

Requisitos de mantenimiento bajos porque no hay piezas móviles16

Buenos rendimientos para la remoción de partículas entre los 1 a 20 μm

El filtro de mangas, es la última unidad de limpieza del gas antes de pasar a la

siguiente etapa. Los filtros de mangas tienen la capacidad de mantener las eficiencias de

recolección por encima del 99%, incluyendo materia particulada de diámetro

aerodinámico menor o igual a 10 μm (MP10) y materia particulada de diámetro

aerodinámico menor o igual a 2.5 μm (MP2.5), además las telas se pueden elegir para

trabajar durante períodos prolongados, aún bajo condiciones ácidas o alcalinas. La

elección de este tipo de filtro se debe a que es el más estándar a nivel comercial y de

diseño.

Ventajas:

Proporcionan altas eficiencias de filtración tanto para materia particulada

gruesa.

como para la de tamaño fino.

En los filtros con limpieza continua, la eficiencia y la caída de presión son

relativamente invariables por grandes cambios en la carga de entrada de polvo.

A diferencia de los precipitadores electrostáticos, los sistemas de filtros de tela no

requieren del uso de alto voltaje, por lo tanto, el mantenimiento se simplifica.

Sistema de enfriamiento del gas: el gas obtenido del reactor está a elevada

temperatura, lo que es inviable para su uso en algunas unidades y etapas siguientes. El

gradiente de temperatura que se obtiene de enfriar el gas se podría aprovechar para

calentar otro fluido (aire, agua, etc.) o realimentarlo a alguna unidad o unidades de la

planta. La primera unidad de enfriamiento del gas es un recuperador de calor. En este

tipo de intercambiador, los fluidos están separados por una pared y la energía se

transmite mediante una combinación de convección hacia y desde la pared y conducción

a través de ella.

Sistema de limpieza y enfriamiento del gas: tanto para los sistemas de enfriamiento y

limpieza del gas se utiliza una unidad que trabaja con agua, son los llamados lavadores

Venturi. Estos son unos de los sistemas de eliminación de partículas más comunes.

Esto es debido a su simplicidad y a su relativa alta eficacia de recolección de partículas

entre 0,5 y 10 micras, así como también de la absorción de algunos de los gases

emitidos. Esta unidad será la encargada de eliminar los alquitranes arrastrados en el gas

de síntesis y reducir la temperatura del gas de síntesis obtenido hasta las condiciones de

operación del motor.

17

Ventajas:

Reducen la temperatura (y por tanto el volumen) de los gases de salida. Esto

hace que el tamaño de la vasija, los conductos y ventiladores sean más

pequeños que con otro tipo de instalación.

Se pueden emplear a elevadas temperaturas

Poco peligro de fuego o explosión

Habilidad para coleccionar gases y partículas, mediante coalescencia y

fluctuación.

2.8. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LA CASCARILLA

A) Propiedades físicas de la cascarilla de arroz

Propiedades físicas se refiere al contenido de humedad, materia volátil, contenido de

cenizas y densidad de la cascarilla de arroz, para obtener valores cuantificados se usa el

análisis inmediato que consiste en usar un horno, donde se va elevando la temperatura y

se va observando la pérdida de peso del material. El poder calorífico también se refiere a

un propiedad física a continuación se detallará cada propiedad.

El poder calorífico

El poder calorífico de los combustibles sólidos es la cantidad de energía que la unidad de

masa libera al producirse una reacción química. Para determinar el valor del poder

calorífico se usa una bomba calorimétrica adiabática, a volumen constante, y los valores

obtenidos corresponden al poder calorífico superior (HHV o PCS) o también conocido

como poder calorífico bruto, que es el calor de condensación del agua formada en el

proceso de combustión del combustible. Pero en la práctica, el agua se escapa a la

atmósfera en forma de gas y el calor de vaporización del agua no se recupera y en este

caso sería el poder calorífico inferior (HLV o PCI) o también conocido como poder

calorífico neto

La masa del combustible siempre contiene una cierta cantidad de agua (humedad), que

se libera en forma de vapor al calentarse, esto implica que parte del calor liberado

durante las reacciones químicas es absorbido por el proceso de evaporación, por esta

razón, el valor calorífico neto (PCI), disminuye a medida que el contenido de humedad se

incremente.

18

Contenido de humedad

El contenido de humedad de la biomasa es la cantidad de agua en el material,

expresado como porcentaje del peso del material. En la mayoría de combustibles viene

dado por su origen y también al tratamiento que se le da previamente a ser gasificado.

Debido a que el contenido de humedad influye en el poder calorífico del combustible se

debe mencionar las biomasas tienen un rango de contenido de humedad, que van desde

menos del 10 por ciento de los cereales de paja hasta el 50 al 70 por ciento para los

residuos forestales.

El contenido de humedad de un combustible se puede sub-clasificar típicamente en tres

categorías:

Humedad inherente al combustible es la cantidad de humedad que hay cuando

se encuentra en equilibrio con el medio ambiente (normalmente a 96% - 97% de

relativa). Este tipo de humedad se encuentra retenida o bien oculta en los poros

del combustible.

Humedad superficial es la cantidad de humedad hay sobre las superficies del

combustible.

Humedad producto de la descomposición es la cantidad de humedad que se

genera por la descomposición térmica de compuesto orgánico que conforman el

combustible. Esto se da en el rango de los 200 a 225ºC, a estas temperaturas los

dos primeros tipos de humedad ya se han removido del combustible (por

evaporación).

Para el proceso de gasificación es mejor usar combustibles con un bajo contenido de

humedad, ya que así las pérdidas de calor por evaporación son menores.

Se debe mencionar que el contenido de humedad limita el uso del proceso de

gasificación, ya que si existe una cantidad alta de humedad existirán pérdidas térmicas

grandes, y por ende habrá una pequeña proporción de calor útil en cual será insuficiente

para mantener los procesos endotérmicos.

Un 15% de contenido de humedad en peso es recomendable para una operación del

gasificador sin problemas.

Se debe mencionar que normalmente los datos de humedad del combustible están referidos a los dos primeros tipos de humedades mencionadas.

19

CUADRO 2.7.1: Poder calorífico inferior de la cascarilla de arroz en función del contenido de humedad

CONTENIDO DE HUMEDAD

PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI) kJ/kg

0 19 88010 17 64420 15 41230 13 18040 10 49750 8 71560 6 413

En el Perú el contenido de humedad es de 10,44% y el poder calorífico es de 12 924,38

kJ/kg

Materia volátil

Contenido de materia volátil es la parte de la biomasa que se libera cuando el material

se calienta (400ºC a 500 º C). Durante este proceso de calentamiento de la biomasa se

descompone en gases (metano, acetileno, otros) vapores de agua, sólidos volátiles

(cenizas) y hidrocarburos de la forma CmHn y breas. Entonces los

Combustibles con alto contenido de material volátil tiene el problema en la formación de

breas y condesados corrosivos que obstruyen el paso del aire y gas generado.

Sin embargo, los contenidos de vapores y breas en el gas dependen de la construcción

del gasificador. Las recomendaciones que se da es que si el combustible contiene más

del 10% de materias volátiles, se debe emplear gasificadores de tiro invertido

(Downdraft).

La biomasa tiene un alto contenido de materia volátil, y en la tabla 1.6 se puede ver los

diferentes valores en diferentes lugares del mundo como en California, China, Colombia

y varías zonas de Canadá.

CUADRO 2.7.2: Contenido de volátiles en la cascarilla de arroz en diferentes lugares del mundo

Canadá California China Colombia

Zona 1

Zona 2

Zona 3

Zona 4

Zona 5 Zona 6

Zona 7

Materia volátil

66,40%

67,30%

63,00%

67,70%

63,52% 51,98%

65,47%

En el Perú la cascarilla de arroz tiene un 57,77% de materia volátil y se puede observar

que se encuentra dentro del rango mundial [51,98%- 67,70%].

20

2.7.3 Contenido de cenizas

El que se produzca o no escoria, depende del contenido de cenizas, del punto de

fusión de las cenizas y la distribución del gasificador. Las cenizas pueden causar

problemas en los gasificadores de tiro directo o de tiro invertido. La formación de

escoria en el reactor genera un aumento excesivo de las formaciones alquitrán y el

bloqueo total del reactor. En el peor de los casos existe la posibilidad de que se

produzcan fugas de aire el cual puede ocasionar una explosión, especialmente en los

gasificadores de tiro directo (Updraft).

Para no observar escorias se recomienda el uso de combustibles con 5 % o 6 % de

contenido de cenizas, y entre 6 y 12% el resultado de la formación de escoria depende

de la temperatura de fusión, y a partir de los 12% hay una importante formación de

escorias.

Cuando el combustible tiene una mayor cantidad de contenido de cenizas, la cantidad

de energía disponible del gasificador se reduce y se requiere un mayor espacio o

volumen donde poder descargar dicho material. Además, si las condiciones de

temperatura del hogar del gasificador son tales que propician la fusión de las cenizas

que contiene, se producirá con seguridad un atoro del dispositivo, de un grado de

severidad dependiente del porcentaje de cenizas del combustible. En el sentido

práctico se puede decir que si la temperatura del hogar del gasificador se eleva lo

suficiente para fundir las cenizas, estas fluirán formando clinker, adhiriéndose a

paredes y obstruyendo las toberas de ingreso de aire y la parrilla. Por ello, el flujo de

combustible se verá seriamente obstruido y limitado, propiciando un posterior aumento

de la temperatura y de la relación aire combustible; donde el gas se verá empobrecido

y finalmente llegará el momento en que no pueda ser combustionado.

Los gasificadores de tiro directo (Updraft) y de tiro invertido (Downdraft) pueden

funcionar con combustibles que producen escoria, si se modifican las parillas estáticas a

parrillas de movimiento continuo. Los gasificadores de tiro transversal (Crossdraft) que

trabajan a temperaturas muy elevadas, de 1 500°C, y se necesitan precauciones

especiales respecto a la temperatura de fusión de la ceniza del combustible.

Se debe mencionar que si en el proceso la relación aire-combustible se alcanza el

valor estequiométrico correspondiente a la reacción de combustión, el gasificador se

dañaría seriamente. En la tabla 10 se puede ver el alto contenido de ceniza que tiene

la cascarilla de arroz alrededor del mundo.

21

CUADRO 2.7.3.1 Contenido de cenizas en la cascarilla de arroz en diferentes lugares el mundoCanadá California China Colombi

a

Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 Zona 6 Zona 7

Ceniza 20,00 18,80 24,60 18,20 18,67 16,92 17,89

En el Perú el contenido de ceniza tiene un valor del 17,51% y se encuentra dentro

del rango mundial [16,92% - 24,60%].

Densidad aparente

La densidad aparente se refiere peso de la materia por unidad de volumen. Entonces

la densidad y el poder calorífico nos dan la densidad de energía, es decir, la energía

potencial por unidad de biomasa. En general la densidad de energía está entre la

mitad y la décima parte del carbón (ver figura 1.2). Entonces, los combustibles de alta

densidad aparente tienen ventajas porque poseen un alto valor de energía por

volumen.

Así como la humedad, la densidad aparente tiene una variación extrema en la biomasa,

desde mínimos 150 a 200 kg/m3 de paja y virutas de grano de cereal a máximos de 600

a 900 kg/m3 para la madera sólida.

Los combustibles de alta densidad aparente tienen ventajas, porque representan un

alto valor de energía por volumen; consecuentemente, estos combustibles necesitan

menos espacio de depósito para un tiempo dado de recarga

Los combustibles de baja densidad aparente tienen la desventaja de producir un caudal

insuficiente de gas lo que genera poderes caloríficos del gas reducido. Por lo dicho

anteriormente la densidad aparente es importante, ya que se puede tener una idea del

dimensionamiento de la tolva de cámara de combustible del gasificador y el tamaño del

mismo. Pero el volumen ocupado por un combustible almacenado no solo depende de la

densidad específica (partículas individuales), sino también del contenido de humedad,

del tamaño, de la distribución granulométrica y del modo en que el combustible es

cargado (es decir, si se encuentra muy compacto o si se verifican amplios espacios

intersticiales).

También es importante mencionar que la densidad aparente tiene un impacto fuerte en la

calidad del gas generado puesto que de él depende el tiempo de residencia del

combustible en la zona de combustión, la velocidad de quemado del combustible, la

22

densidad del lecho combustible y el flujo o caudal del gas. El tiempo de residencia del

combustible determina hasta qué punto tiene lugar las reacciones de combustión parcial

y reducción; por ejemplo un tiempo de residencia muy corto origina una conversión

incompleta de CO2 en CO, un gas de calidad muy pobre (poco combustible, bajo

contenido de poder calorífico) y muchas tras de carbón no quemado en las cenizas

removidas, representado un fuerte desaprovechamiento del combustible. Por el

contrario, un tiempo de resistencia muy prolongado aumenta las formaciones de escorias

y residuos sólidos.

La densidad de la cascarilla de arroz es aproximadamente 100 kg/m3. siendo un valor

muy cercano a los 110 kg/m3 [1.16] que tiene la cascarilla de arroz en el Perú.

En la siguiente tabla se presenta los valores del análisis inmediato que se realizó a la

cascarilla de arroz en el Perú.

CUADRO 2.7.3.2 Valores de las propiedades físicas de la cascarilla de arroz en el Perú

Parámetros ValoresHumedad 10,44%Materia Volátil 57,77%Contenido de cenizas 17,51%Carbono fijo 14,27%Total 100%Poder calorífico 12 924,38 kJ/kg

B) Propiedades químicas de la cascarilla de arroz

Propiedades químicas se refiere a la composición química (carbono, nitrógeno,

oxígeno, cloro, azufre, hidrógeno), para obtener las propiedades químicas del

combustible se tiene que hacer un análisis elemental, La técnica está basada en la

completa e instantánea oxidación de la muestra mediante una combustión con oxígeno

puro a una temperatura aproximada de 1 000ºC, donde se obtiene los diferentes

productos de combustión CO2, H2O y N2, donde son transportados a un tubo de

reducción y después selectivamente separados en columnas específicas para ser

luego desorbidos térmicamente. Finalmente, los gases pasan de forma separada por

un detector de conductividad térmica que proporciona una señal proporcional a la

concentración de cada uno de los componentes individuales de la mezcla.

Composición elemental

La composición elemental de las biomasas es relativamente uniforme en su contenido

(porcentaje en masa) de carbono (C), hidrógeno (H), azufre(S), oxígeno(O),

nitrógeno(N), y cenizas (ver tabla). Estos valores ayudan para el análisis de los

procesos de combustión, entre ellos: cálculos de la de los volúmenes de aire, gases y 23

entalpía.

La composición elemental de la biomasa tiene múltiples efectos en la utilización

térmica, C, H y O son los principales componentes que presenta la biomasa, y son de

especial importancia para el poder calorífico superior (bruto), además también para el

poder calorífico inferior (neto). El contenido de nitrógeno (N) es responsable de la

formación de óxidos de nitrógeno (NO Y NO2 denominados NOX), el cloro y el azufre

pueden estar presentes en pequeñas cantidades y forman el SO2 (Dióxido de sulfuro u

óxido de sulfuro) y HCL (ácido clorhídrico) durante la combustión.

A continuación se detallará de cada componente, los efectos que tienen en las

propiedades de la cascarilla de arroz y el impacto ambiental que pueden producir.

Carbono (C) , hidrógeno (H) y oxígeno (O)

El contenido de C y H se oxidan durante la combustión por una reacción exotérmica

(formación de CO2 y H2O). Estos mismos componentes contribuyen positivamente al

poder calorífico superior (bruto), pero el contenido de O contribuye negativamente. El H

influye en el poder calorífico inferior (neto) debido a la formación de agua. Al tratarse de

un proceso de gasificación donde la combustión es incompleta esto provoca emisiones

de carbono sin quemar por contaminantes, como el monóxido de carbono, alquitrán (tar)

y el hollín. Para tratar de minimizar estas emisiones se recomienda un proceso de

combustión optimizado ofreciendo una buena mezcla entre el combustible y al aire, un

tiempo de retención suficiente (>1.5 segundos), altas temperaturas (> 850 ºC) y una

relación estequiometria baja.

Nitrógeno (N)

Los óxidos de nitrógeno (NO y NO2 denominados NOX) también contribuyen a laformación de lluvias ácidas. Se puede producir de dos maneras el NOX los cuales

se producen durante la combustión. El contenido de nitrógeno depende del tipo de

biomasa que se va usar como por ejemplo la madera, cascarillas mazorcas y tallos

tienen un bajo contenido de nitrógeno, sin embargo las hojas y semillas tienen un alto

contenido de nitrógeno. Pero dependiendo de la temperatura de gasificación, esto es

significativamente menor en los gasificadores, que las emisiones de NOX

producido por los sistemas de combustión.

Azufre (Z) y Cloro (Cl)

El azufre y cloro pueden estar presentes en pequeñas cantidades (ver tabla 1.9), y

pueden contribuir a la formación de lluvias ácidas cuando estos se convierten en SO2

(Dióxido de sulfuro o óxido de sulfuro) y HCL (ácido clorhídrico) durante la combustión.

24

A continuación se muestra las máximas concentraciones de nitrógeno, azufre y

cloro, y los resultados del análisis aproximado de la cascarilla de arroz en diferentes

zonas del mundo.

CUADRO 2.7.3.3 Composición de la cascarilla de arroz en diferentes lugares del mundoValores en porcentajes (%)

Parámetros Canadá California

China

Zona 1

Zona 2

Zona 3

Zona 4

Zona 5 Zona 6

C 37,60 42,10 38,70 42,60 38,83 37,60

H 5,42 4,98 4,70 5,10 4,75 5,78

O 36,56 33,66 31,37 33,44 35,47 37,62

N 0,38 0,40 0,50 0,51 0,52 1,88

S 0,03 0,02 0,01 0,02 0,05 0,09

Cl 0,01 0,04 0,12 0,13 0,12 0,00

Cenizas 20,00 18,80 24,60 18,20 18,67 16,92

Total 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

2.7.10 Punto de fusión de la ceniza de la cascarilla de arroz

El uso de fertilizantes en los cultivos hace que las cenizas tengan óxidos de potasio

(K2O). Este tiene un punto de fusión relativamente bajo y en medida que aumente la

proporción el punto de fusión disminuirá. Sin embargo, la ceniza de la cascarilla de

arroz contiene un bajo contenido de óxido de potasio. Además la ceniza obtenida al

quemar la cascarilla de arroz tiene un alto contenido de óxido de sílice que tiene un

punto de fusión alto (1 450 ºC).

Por esta razón el punto de fusión de la ceniza de la cáscara de arroz está alrededor

de los 1 500 ºC y no debería presentarse problemas de la escorificación por bajo

punto de fusión de las cenizas.

2.7.10.1 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL GAS DE COMBUSTIÓN

25

COMPOSICION DEL GAS MIN MAXOXIGENO % 0 1CO2 % 10 20N2% 30 60CO% 15 30H2% 7 18CH4% 1 6CONTENIDO DE ALQUITRANES % 5 20ALQUITRANES RESPECTO A LA BIOMASA ALIMENTADA %

1 5

FUENTE ELABORACION PROPIA A PARTIR DE BASU , 2010

2.10. ADECUACIÓN DEL GAS EXENTO DE ALQUITRANES

Los alquitranes son una mezcla compleja de hidrocarburos condensables de alto peso

molecular. Estos pueden causar problemas operacionales en el proceso aguas abajo,

mediante la asfixia y desgaste de los equipos, así que control y eliminación es un tema

clave para una aplicación exitosa del piloto de gasificación. Los alquitranes se forman en

el reactor (gasificador) y cuenta con un amplio espectro de compuestos orgánicos,

generalmente constituidos por varios anillos aromáticos. Una clasificación simple de los

alquitranes, sería distinguirlos en “alquitranes pesados” y “alquitranes ligeros”.

Alquitranes pesados

Los alquitranes pesados se condensan a medida que baja la temperatura del gas y

puede causar daños importantes como la perdida de eficiencia y paradas no

programadas. El punto de rocío del alquitrán es un factor crítico. A continuación se

muestran la Figura 3 donde se puede apreciar el daño que ocasiona la acumulación de

los alquitranes pesados en una rejilla de un lavador húmedo.

Figura 2.10.1. Alquitran pesado acumulado

Fuente www.olgatechnology.com

Alquitranes ligeros

26

Los alquitranes ligeros como el fenol o naftaleno tienen una influencia limitada en el

punto de rocío del alquitrán. Los alquitranes heterocíclicos como el fenol son muy

solubles en agua. El naftaleno es importante, ya que cristalizan en la entrada de los

motores de gas, provocando una alta demanda de mantenimiento. A continuación se

muestra la Figura 4.6 donde se puede apreciar la cristalización del naftaleno en un motor

de gas con válvula de control.

Figura 2.10.2 Cristalización del naftaleno en un motor a gas.

Fuente www.olgatechnology.com

Clasificación de los alquitranes

En el año 1998 la Unión Europea, IEA y la DOE, normalizaron la clasificación de los

alquitranes en función del peso molecular mayor al benceno . A continuación en el

cuadro 2.7.10.2 se muestra la clasificación de los alquitranes:

CUADRO 2.7.10.2: Clasificación de los alquitranes

27

CLASE TIPO EJEMPLOS1 Alquitranes no detectados por la

cromatografía de gasesFragmentos de la biomasa

2 Compuestos heterocíclicos. Generalmente estos componenetes presentan alta solubilidad en agua

Fenol. Cresol,quinolina y piridina

3 Componenetes aromaticos. Hodricarburos ligeros

Tolueno , xileno y etilbenceno; con exclusión de benceno.

4 Hidrocarburos ligeros poli-aromaticos(PAH2-3 anillos). Estos componentes condensan en concentraciones relativamente altas y temperaturas intermedias.

Naftaleno,indeno,bifenilo y antraceno

5 Hidrocarburos pesados poli-aromaticos(PAH≥ 4 anillos). Estos componentes condensan a temperatura relativamente alta y bajas concentraciones

Fluoranteno, pireno y crysene

Fuente Maniatis K., Beenackers AACM, Tar ptortocols, IEA, 2009

A continuación en la Figura 2.10.2 se muestra un esquema del proceso de formación de los alquitranes en función de la temperatura, propuesto por Elliott

Figura 2.10.2. Régimen de maduración de los alquitranes

FUENTE: Elliot DC. Relation of reaction time and temperature to chemical Composition of pyrolysis oils, In: Soltes EJ, Milne TA, editors, 1998

Punto de rocío de los alquitranes

El punto de rocío del alquitrán, es un parámetro crítico que determina la temperatura

mínima de las reacciones químicas del proceso. Así también el punto de rocío define el

punto en que estos empiezan a ser problemáticos. Los típicos puntos de rocío del

alquitrán son entre 150 y 350 ºC.

Formas básicas de eliminar los alquitranes

Hay dos formas básicamente de destruir los alquitranes: por craqueo catalítico y por

Craqueo térmico (por oxidación parcial o por contacto térmico directo) tal y como se cita

en:

Craqueo catalítico: a temperaturas de 800-900 ºC. Normalmente se lleva a cabo en un

reactor a parte después del gasificador, con dolomita o níquel. La eficiencia de 28

MEZCLASOXIEGENADA

S

FENOLESETERES500 °C

ALQUILICOSFENOLES600 °C

HETEROCICLICOSETERES700 °C

HIDROCARBUROS POLI-AROMATICOS (PAH)

800 ° C

PAHlargas600 °C

eliminación de alquitranes es del 90-95%. La dolomita es un catalizador efectivo y

económico, siendo necesario del orden de 0,03 kg/Nm3 de gas crudo. El craqueo

catalítico puede llevarse a cabo tanto en el propio gasificador, si es de lecho fluidizado,

añadiendo el catalizador al lecho. Esta solución utiliza la temperatura y calor del

gasificador, pero la vida del catalizador no es muy prolongada. Con un reactor

secundario, el catalizador se protege con anti desactivadores pero requiere añadir

oxígeno para oxidar el gas y aumentar la temperatura.

Craqueo térmico: A temperaturas entre 800-1000ºC. Sin embargo, los alquitranes de

biomasa son más difíciles de craquear por este camino pues son muy estables y

refractarios. Es muy efectivo a temperaturas 1300ºC. En los gasificadores de lecho fijo se

utilizan dos diferentes aproximaciones competitivas para éste craqueo: el uso de altas

temperaturas del corazón del lecho y/o el aumento del tiempo de residencia de los

gases. Se puede utilizar el lavado de gas como método efectivo de separación de los

alquitranes de la corriente gaseosa (eliminación de alquitranes por vía húmeda). Los

alquitranes requieren una captura física con coalescencia, más que una simple

condensación. Se necesita una disminución de temperatura para la condensación de

gotas de agua en las partículas de alquitrán, incrementando su tamaño, y facilitando el

proceso de aglomeración y coalescencia.

2.12. DEFINICIONES DE TÉRMINOS BÁSICOS

Pajilla: nombre común de la cascarilla de arroz

PCI: poder calorífico inferior

MCI: motor de combustión interna

PCS: poder calorífico superior

29