tesis diseño de un gasificador de lecho fluidizado

EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO OPERACIONAL DE UN GASIFI CADOR

PARA CASCARILLA DE ARROZ EN REACTOR DE LECHO FLUIDI ZADO A

ESCALA PILOTO.

JUAN DANIEL MARTÍNEZ ÁNGEL.

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA.

ESCUELA DE INGENIERÍAS.

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA.

MEDELLÍN.

2005.

EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO OPERACIONAL DE UN GASIFI CADOR

PARA CASCARILLA DE ARROZ EN REACTOR DE LECHO FLUIDI ZADO A

ESCALA PILOTO.

JUAN DANIEL MARTÍNEZ ÁNGEL.

Trabajo de Grado para optar al título de

Ingeniero Mecánico.

Director:

JHON JAIRO RAMÍREZ BEHAINNE.

M.Sc. Ingeniería Térmica y de Fluidos.

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA.

ESCUELA DE INGENIERÍAS.

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA.

MEDELLÍN.

2005.

Nota de aceptación.

___________________

___________________

___________________

___________________

___________________

Presidente del jurado

___________________

Jurado

___________________

Jurado

Medellín, 11 de Noviembre de 2005.

DEDICATORIA

A mi Madre, Ana Clara.

Porque ni con creces, tendré como pagarle todo eso que desde siempre me ha brindado,

su Amor.

A mi Abuela, Chelita.

Porque siempre nos ha cuidado.

A mis Hermanos, Ana Isabel y José Félix.

Por todo eso que envuelve la hermandad.

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a:

Al Grupo de Investigaciones Ambientales (GIA) de la Universidad Pontificia Bolivariana,

por brindarme la confianza y los recursos necesarios para la realización de este trabajo.

Jhon Jairo Ramírez Behainne, director del presente trabajo. Por su tiempo, paciencia,

tolerancia y enseñanzas a lo largo del proyecto de investigación y en el presente trabajo de

grado. Por su amistad.

Sergio Luís Petro Bedoya, por abrirme las puertas del “Mundo Real”. Gracias por la

paciencia, los consejos y la confianza para el desarrollo del proyecto de investigación. Por

su amistad.

A los amigos de la U, por todos los momentos compartidos y por compartir, y la

“hermandad” construida. Por su amistad, tolerancia y colaboración.

A COLCIENCIAS, por la oportunidad con el proyecto de investigación, que permitió el

desarrollo del presente trabajo de grado.

A PREMAC S.A, por su colaboración para la realización del proyecto de investigación y el

presente trabajo de grado.

El Hombre triunfa en la vida,

si se levanta por la mañana

se acuesta por la noche

y en el intermedio

hace lo que le gusta.

Bob Dylan.

CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 1.1 OBJETIVOS .......................................................................................................... 3 1.1.1 Objetivo General. ........................................................................................... 3 1.1.2 Objetivos Específicos. ................................................................................... 3

2. ASPECTOS BÁSICOS Y ESTADO DEL ARTE ......................................................... 4

2.1 LA BIOMASA ...................................................................................................... 4 2.1.1 Tipos de Biomasa. ......................................................................................... 5 2.1.2 Características Energéticas de la Biomasa. ................................................... 6 2.1.3 Mecanismos de Transformación de la Biomasa. ........................................... 7 2.1.4 Aplicaciones a partir de la Transformación de la Biomasa. .......................... 8 2.1.5 Ventajas del Uso de la Biomasa. ................................................................. 10 2.1.6 Desventajas del Uso de la Biomasa. ............................................................ 11 2.2 LA CASCARILLA DE ARROZ COMO COMBUSTIBLE Y SU

PRODUCCIÓN EN COLOMBIA. .................................................................. 12 2.3 EL PROCESO DE GASIFICACIÓN .................................................................. 14 2.3.1 Tipos de Gasificadores. ............................................................................... 15 2.3.2 Gasificadores de Lecho Fluidizado. ............................................................ 18 2.3.3 Variables del Proceso de Gasificación en Lecho Fluidizado. ..................... 22 2.4 ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN DE

CASCARILLA DE ARROZ ........................................................................... 27 3. MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................................... 34

3.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICO – QUÍMICA DE LA CASCARILLA DE

ARROZ............................................................................................................ 34 3.1.1 Densidad a Granel y Aparente..................................................................... 35 3.1.2 Análisis Granulométrico............................................................................... 37 3.1.3 Análisis Inmediato........................................................................................ 39 3.1.4 Análisis Elemental........................................................................................ 39 3.1.5 Análisis de Poder Calorífico......................................................................... 40

3.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICO – QUÍMICA DEL MATERIAL INERTE DEL LECHO............................................................................................................. 41

3.2.1 Análisis Granulométrico............................................................................... 42 3.3 DESCRIPCION DEL EQUIPO GASIFICADOR................................................ 43 3.3.1 Subsistema Reactor ...................................................................................... 43 3.3.2 Subsistema Precalentador del Lecho Fluidizado.......................................... 45 3.3.3 Subsistema Alimentador de Combustible .................................................... 46 3.3.4 Subsistema Separador y Colector de Material Particulado .......................... 48 3.3.5 Subsistema Eliminador de Gas Combustible ............................................... 50 3.3.6 Subsistema Muestreador de Gas Combustible ............................................. 51 3.3.7 Subsistema Registrador de Temperaturas de Proceso .................................. 52 3.3.8 Subsistema Alimentador del Aire de Fluidización y Gasificación............... 53 3.3.9 Subsistema Chasis ........................................................................................ 55 3.4 CALIBRACION Y ADECUACION DE LOS COMPONENTES DEL EQUIPO

GASIFICADOR ............................................................................................... 56 3.4.1 Subsistema Alimentador de Cascarilla ......................................................... 56 3.4.2 Subsistema Alimentador de Aire de Fluidización ........................................ 57 3.4.3 Subsistema Precalentador ............................................................................. 57 3.5 BALANCE DE MASA Y ENERGÍA PRELIMINAR PARA LA

DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS OPERACIONALES 58 3.5.1 Balance de Masa........................................................................................... 58 3.5.2 Balance de Energía ....................................................................................... 72 3.5.3 Eficiencia del Gasificador ............................................................................ 83 3.5.4 Factor de Aire ............................................................................................... 84 3.6 DISEÑO EXPERIMENTAL................................................................................ 86 3.6.1 Definiciones Básicas en el Diseño Estadístico Experimental ...................... 87 3.6.2 Selección de Variables de Entrada y Salida ................................................. 88 3.6.3 Selección del Modelo de Ejecución Experimental ....................................... 90 3.6.4 Modelo de Ejecución Experimental ............................................................. 91 3.6.5 Consideraciones de Diseño........................................................................... 92 3.6.6 Pruebas Preliminares de Gasificación .......................................................... 96 3.6.7 Programa Experimental de Gasificación ...................................................... 99 3.7 DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES EXPERIMENTALES DE

PROCESO ...................................................................................................... 100 3.7.1 Descargas Experimentales de Cascarilla de Arroz y Aire; Velocidad de

Fluidización................................................................................................. 100 3.7.2 Concentraciones Experimentales de los Compuestos de Gasificación ...... 102 3.7.3 Poder Calorífico Inferior del Gas Producto................................................ 106 3.7.4 Campo Volumétrico Experimental del Gas Producto ................................ 106 3.7.5 Potencia Térmica Experimental del Gas Producto ..................................... 107 3.7.6 Eficiencia a Frío Experimental del Equipo Gasificador............................. 108

3.8 PROCEDIMIENTO DE LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES DE GASIFICACIÓN............................................................................................ 108

3.8.1 Procedimiento de Preparación de Ensayo .................................................. 108 3.8.2 Procedimiento de Operación del Gasificador............................................. 110 3.8.3 Procedimiento de Limpieza y Acondicionamiento.................................... 112

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.................................................................................. 115

4.1 DESCARGAS DE CASCARILLA DE ARROZ Y AIRE; VELOCIDAD DE

FLUIDIZACIÓN............................................................................................ 115 4.2 COMPOSICIÓN, FLUJO MOLAR Y DESCARGA MÁSICA DEL GAS DE

GASIFICACIÓN............................................................................................ 117 4.3 PODER CALORÍFICO INFERIOR DEL GAS PRODUCTO .......................... 121 4.4 CAMPO VOLUMÉTRICO DEL GAS PRODUCTO ....................................... 122 4.5 POTENCIA TÉRMICA DEL GAS PRODUCTO............................................. 123 4.6 EFICIENCIA A FRIO DEL EQUIPO GASIFICADOR.................................... 124 4.7 RESULTADOS DEL DISEÑO EXPERIMENTAL.......................................... 125 4.7.1 Composición Estimada de Compuestos Combustibles del Gas Producido 125 4.7.2 Poder Calorífico Estimado del Gas Producido........................................... 132 4.7.3 Campo Volumétrico Estimado del Gas Producido..................................... 135 4.7.4 Potencia Térmica Estimada del Gas Producido.......................................... 138 4.7.5 Eficiencia a Frío Estimada del Equipo Gasificador.................................... 141

CONCLUSIONES ............................................................................................................ 144 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 147

ANEXOS

Pág.

Anexo A. Valores físicos de cascarilla de arroz, para la determinación de la densidad aparente…..………………………………………………………………..… 150

Anexo B. Análisis Granulométrico de Cascarilla de Arroz……………………………... 151

Anexo C. Análisis Granulométrico de Arena…………………………………………… 159

Anexo D. Perfiles de Temperatura de los Ensayos de Gasificación…………………….. 163

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 2.1. Origen de la biomasa………………………………………………………....... 5

Figura 2.2. Sistemas de aprovechamiento energético en función del tipo de biomasa…….. 9

Figura 2.3. Aplicaciones del gas producto de la gasificación……….….………….……... 17

Figura 2.4. Esquema de un gasificador de lecho fluidizado……………….………..……. 18

Figura 2.5. Caída de presión en el lecho en función de la velocidad de fluidización….…. 19

Figura 2.6. Contenido de alquitrán en el gas producto en función de la temperatura de reacción…..………………………………………………….………………... 25

Figura 2.7. Gasificador comercial para cascarilla de arroz………………….………..…... 31

Figura 2.8. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Greenville, Mississippi…..… 32

Figura 2.9. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Stuttgart, Arkansas….....…... 32

Figura 3.1. Porosidad de un lecho de partículas en función de su empacamiento y su esfericidad…….……………………………………………….……………... 36

Figura 3.2. Subsistema de precalentamiento……………………….…………………….. 46

Figura 3.3. Detalle del subsistema de alimentación…………….………………………... 47

Figura 3.4. Subsistema de alimentación………………….………………………………. 48

Figura 3.5. Separador de material particulado…………….…………………………….... 49

Figura 3.6. Colector de partículas……………………….………………………………... 49

Figura 3.7. Combustión del gas producto de la gasificación de cascarilla de arroz….….. 50

Figura 3.8. Esquema del tren de muestreo para colecta del gas combustible…….…….... 52

Figura 3.9. Componentes del sistema de adquisición de datos…………….…………….. 52

Figura 3.10. Soplador rotativo…………………………………….…………………….... 54

Figura 3.11. Placa de orificio…………………………………….……………………….. 54

Figura 3.12. Sistema gasificador……………………………….……………………….... 55

Figura 3.13. Curva de calibración del tornillo dosificador……….……………………... 57

Figura 3.14. Flujos de masa en el gasificador………………….……………………….... 69

Figura 3.15. Flujos energéticos en el gasificador…………….…………………………... 72

Figura 3.16. Modelo de diseño de composición central……….…………………………. 92

Figura 4.1. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la concentración

de CO en el gas producto……………………………...…………………….. 126

Figura 4.2. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la concentración de CH4 en el gas producto..……………………………………………….…. 127

Figura 4.3. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la concentración de H2 en el gas producto………………………………..…………………..... 128

Figura 4.4. Valoración de efectos para la concentración de CO en el gas producto…...... 128

Figura 4.5. Valoración de efectos para la concentración de CH4 en el gas producto….... 129

Figura 4.6. Valoración de efectos para la concentración de H2 en el gas producto…….. 129

Figura 4.7. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para CO………………………………………………….……....... 130

Figura 4.8. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para CH4…………………………………..…………………….… 130

Figura 4.9. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para H2……………………………………………………………. 131

Figura 4.10. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para el poder calorífico del gas producto………………….……………………………... 133

Figura 4.11. Valoración de efectos para el poder calorífico del gas producto…………... 134

Figura 4.12. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de respuesta para poder calorífico del gas producto………………………….. 134

Figura 4.13. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para el campo volumétrico de gas producto………………………………………………. 136

Figura 4.14. Valoración de efectos para el campo volumétrico de gas producto……..… 137

Figura 4.15. Valoración de efectos para el campo volumétrico de gas producto……...... 138

Figura 4.16. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la potencia térmica del gas producto…………………………………………………... 139

Figura 4.17. Valoración de efectos para la potencia térmica del gas producto….……… 139

Figura 4.18. Valoración de efectos para potencia térmica del gas producto……..……... 140

Figura 4.19. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la eficiencia térmica a frío del gasificador……………………………………….……... 141

Figura 4.20. Valoración de efectos para la eficiencia térmica a frío del gasificador….... 142

Figura 4.21. Valoración de efectos para la eficiencia térmica a frío del gasificador….... 142

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 2.1. Contenido energético de algunas biomasas residuales húmedas……….………. 7

Tabla 2.2. Contenido energético de algunas biomasas residuales secas……….…….…...... 7

Tabla 2.3. Producción aproximada de arroz y cascarilla para el año 2004 en el

departamento del Tolima…………………………………………………....….13

Tabla 2.4. Ventajas y desventajas de la gasificación de biomasa en lecho fluidizado….… 21

Tabla 2.5. Parámetros operacionales de algunas investigaciones sobre gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado………………………………………... 28

Tabla 2.6. Características y resultados de algunas investigaciones sobre gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado………………………………………... 29

Tabla 2.7. Resultados y características operacionales de gasificación de cascarilla de arroz en lecho fluidizado………….………………………………………………… 30

Tabla 3.1. Densidad Aparente y a Granel de la Cascarilla de Arroz……….………….….. 37

Tabla 3.2. Diámetros medios de cascarilla de arroz……………………….………….…... 38

Tabla 3.3. Análisis Inmediato de la Cascarilla de Arroz………………….………….…… 39

Tabla 3.4. Análisis Elemental de la Cascarilla de Arroz……………….…………….….... 40

Tabla 3.5. Composición química de la cascarilla de arroz por cada 100 g…….……….… 40

Tabla 3.6. Poder Calorífico de la Cascarilla de Arroz……………………………………. 41

Tabla 3.7. Propiedades físico químicas del material inerte………………………….…..... 42

Tabla 3.8. Diámetros medios del análisis granulométrico para la arena……………..….... 43

Tabla 3.9. Composición estimada de compuestos energéticos en el gas producto……...... 58

Tabla 3.10. Velocidad de Completa Fluidización para Arena y Cascarilla de Arroz…….. 59

Tabla 3.11. Propiedades psicrométricas del aire para la ciudad de Medellín……….……. 62

Tabla 3.12. Cantidades de oxígeno y nitrógeno presentes en el aire………………….….. 63

Tabla 3.13. Fracciones molares y pesos moleculares de los componentes del gas producto……………………..………………………………….…………….. 71

Tabla 3.14. Flujos másicos teóricos para la gasificación de cascarilla de arroz……….…. 72

Tabla 3.15. Entalpías de formación de los productos del gas energético…….…………... 75

Tabla 3.16. Densidades a condiciones normales del gas combustible…………….……… 77

Tabla 3.17. Calor específico de cada componente del gas en función de la temperatura… 79

Tabla 3.18. Entalpías de los componentes del gas energético……………………………. 79

Tabla 3.19. Entalpías de formación para la combustión del carbono………………….…. 81

Tabla 3.20. Calor específico del carbono en función de la temperatura…………….……. 82

Tabla 3.21. Flujos energéticos del proceso de gasificación…………………………..…... 83

Tabla 3.22. Factores y respuestas consideraciones en los ensayos de gasificación de cascarilla de arroz……………………………………………………………... 89

Tabla 3.23. Clasificación de los diseños experimentales……………………..…………... 91

Tabla 3.24. Ortogonalidad en un arreglo de dos factores con dos niveles……….….……. 93

Tabla 3.25. Características del diseño CCD……………………………………….……... 95

Tabla 3.26. Porcentaje de influencia de rotabilidad y ortogonalidad……………….……. 95

Tabla 3.27. Variables de entrada teóricas…………………………………………….…... 96

Tabla 3.28. Condiciones experimentales de los ensayos preliminares de gasificación.….. 97

Tabla 3.29. Combinaciones experimentales para los ensayos de gasificación..…….......... 99

Tabla 4.1. Descarga másica y caudal de aire en los ensayos de gasificación realizados... 115

Tabla 4.2. Descarga de cascarilla de arroz de los ensayos de gasificación realizados….. 116

Tabla 4.3. Valores de temperatura y presión para el cálculo de la velocidad de fluidización a condiciones de operación…………………………..……………………...................... 117

Tabla 4.4. Composición y flujo molar del gas producido en los experimentos…….….... 118

Tabla 4.5. Flujos molares específicos y descarga másica de gas producido………......... 118

Tabla 4.6. Poder calorífico inferior del gas producto para los ensayos de gasificación realizados……………………………………………………………………………..…. 121

Tabla 4.7. Descarga volumétrica normalizada y campo volumétrico de los ensayos de gasificación realizados…………………………………………………………....………122

Tabla 4.8. Potencia térmica del gas producto de los ensayos de gasificación realizados.. 123

Tabla 4.9. Eficiencia a frío experimental del sistema gasificador para los ensayos de gasificación realizados……………………………….………………………………….. 124

Tabla 4.10. Valores promedio e intervalos de confianza para las variables de respuesta analizadas…………………………………………………………………………..……. 125

Tabla 4.11. Error absoluto de las predicciones para las concentraciones de CO, CH4 y H2 utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……….……………….…… 132

Tabla 4.12. Error absoluto de las predicciones para el poder calorífico del gas producto utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……………………………... 135

Tabla 4.13. Error absoluto de las predicciones para el campo volumétrico de gas producto utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……………………..………. 137

Tabla 4.14. Error absoluto de las predicciones para la potencia térmica del gas producto utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta…………………..…………. 140

Tabla 4.15. Error absoluto de las predicciones para la eficiencia térmica a frío del gasificador utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta……………..….. 143

NOMENCLATURA

a: Moles de agua en la cascarilla.

AT: Área transversal del reactor.

b: Moles de agua en el Aire.

Campogas: Campo Volumétrico Experimental del Gas Producto.

Carbonoresidual: Porcentaje de carbono residual en la ceniza de cascarilla.

Cenizas: Porcentaje de cenizas en la cascarilla.

Cp: Calor específico a presión constante.

dh: Cambio de entalpía.

di: Diámetro medio de las partículas retenidas en el tamiz i. Este valor corresponde al

promedio aritmético entre del tamaño de la apertura del tamiz i y el tamaño de la

apertura del tamiz inmediatamente inferior.

dp: Diámetro medio de las partículas.

dT: Cambio de temperatura.

Eaire: Energía debida al aire de fluidización

residualcarbonoE _ : Pérdida de energía en el carbono inquemado (carbono residual).

Ecascarilla: Energía correspondiente a la cascarilla de arroz.

cenizasE : Pérdida de energía sensible en las cenizas.

Egas: Energía del gas producto de la gasificación.

paredE : Calor de pérdidas por paredes.

Epérdidas: Energía correspondiente a las pérdidas por calor.

( )gasquímicaE : Energía química (útil) del gas producto.

residuosE : Energía de pérdida contenida en los residuos sólidos.

( )gassensibleE : Energía sensible del gas producto.

f : Porcentaje en peso de hidrogeno contenido en la cascarilla.

F.A: Factor de Aire.

h(b.s): Humedad en base seca.

carbonoh : Entalpía del carbono a 750 ºC.

fhº

: Entalpía de formación de cada producto – reactivo.

hi: Entalpía de cada gas combustible a la temperatura de operación del gasificador.

k: Número de factores en el diseño experimental.

ma: Masa de aire seco.

mv: Masa de vapor de agua.

).( hbairem•

: Flujo másico aire húmedo.

).( sbairem•

: Flujo másico de aire seco.

)(realairem•

: Flujo molar real de aire utilizado en el ensayo.

residualcarbonom −

•: Flujo másico de carbono residual.

).( sbcascarillam : Masa de cascarilla en base seca

).( sbcascarillam•

: Flujo másico de cascarilla en base seca.

).( hbcascarillam•

: Flujo másico de cascarilla en base húmeda.

)(realcascarillam•

: Flujo real de cascarilla de arroz utilizado en el ensayo.

cenizasm•

: Flujo másico de cenizas.

gasm•

: Flujo másico de gas producto.

)(realgasm•

: Flujo másico real de gas producido.

aireMw : Peso molecular del aire.

gasMw____

: Peso molecular ponderado del gas producto.

Mwi: Peso molecular de los componenentes del gas producto.

ni: Moles de los productivos.

ne: Moles de los reactivos.

).( sbairen•

: Flujo molar de aire seco.

nc: Número de puntos vértice en el diseño.

gasn•

: Flujo molar de gas producto.

nH2O(gas): Moles de agua en el gas producido por unidad de tiempo.

)(2 aireNn•

: Moles de nitrógeno en el aire por unidad de tiempo.

)(2 gasNn•

: Moles de nitrógeno en el gas por unidad de tiempo.

no: Número de puntos centrales en el diseño.

ns: Número de puntos de estrella en el diseño

P: Presión atmosférica.

Pb.m: Presión barométrica promedio de Medellín.

P est: Presión estática del aire de gasificación.

Pg: Presión de saturación a la temperatura de operación.

Pc.n: Presión a condiciones normales.

Pc.o: Presión a condiciones de operación.

Pv: Presión parcial de vapor de agua.

cascarillaPCI : Poder calorífico inferior de la cascarilla.

gasPCI : Poder calorífico inferior del gas producto.

cascarillaPCS : Poder calorífico superior de la cascarilla.

carbonoPCI : Poder calorífico inferior del carbono.

Ptérmica: Potencia térmica experimental del gas producto.

Raire: Constante de gas para el aire.

Ru: Constante universal de los gases.

realCAR

: Relación aire – combustible real.

tricaestequioméCAR

: Relación aire – combustible estequiométrica.

Tcenizas: Temperatura de las cenizas (ºC).

Tc.n: Temperatura a condiciones normales.

Tc.o: Temperatura a condiciones de operación.

u : Humedad de la cascarilla.

Ufc.n: Velocidad de fluidización a condiciones normales.

Ufc.o: Velocidad de fluidización a condiciones de operación.

Vaire(real-c.n): Volumen de aire real a condiciones normales.

ncgasV .−

•: Caudal experimental a condiciones normales del gas producido.

).( ncaireV•

: Flujo volumétrico de aire a condiciones normales de temperatura y presión.

w: Humedad absoluta.

wagua: Masa de agua.

wh: Masa de combustible húmedo.

ws: Masa de combustible seco.

xi: Fracción másica de las partículas retenidas en el tamiz i.

yH2O(gas): Fracción volumétrica del agua en el gas producido.

yi: Fracciones molares de los gases componentes del gas producto.

%CO : Concentración volumétrica de CO en el gas combustible.

%CH4 : Concentración volumétrica de CH4 en el gas combustible.

%H2 : Concentración volumétrica de H2 en el gas combustible.

α: Distancia desde el punto central hasta un punto estrella.

−∆ h : Cambio de entalpía entre las temperaturas de referencia y de interés para cada

producto – reactivo.

mε : Porosidad del lecho de partículas.

φ : Humedad relativa.

calienteη : Eficiencia energética en caliente del gasificador.

fríoη : Eficiencia energética en frío del gasificador.

ηtérmica(%): Eficiencia a frío experimental del equipo gasificador.

).( ocaireρ : Densidad del aire a condiciones de operación.

).( ncaireρ : Densidad del aire a condiciones normales.

ρb: Densidad a granel.

ρp: Densidad aparente.

RESUMEN

A fin de contribuir con una propuesta de solución racional al problema de la disposición

final de residuos agroindustriales en Colombia, en este proyecto de grado fue evaluado el

rendimiento energético de un sistema gasificador de cascarilla de arroz en lecho fluidizado

burbujeante a escala piloto, construido con cámara de reacción de 0,3 m de diámetro

interno y 3 m de altura. Los ensayos experimentales, realizados en la ciudad de Medellín,

fueron programados de acuerdo con el modelo estadístico de superficie de respuesta, con el

propósito de optimizar costos y tiempo operacional durante la evaluación e intentar obtener

correlaciones específicas del sistema para su uso en el área industrial.

Los resultados del estudio mostraron que el equipo gasificador instalado puede producir

cerca de 52,33 kW de potencia energética de gas combustible a porcentajes de eficiencia a

frío alrededor de 33,04%, específicamente cuando el factor de aire se encuentra entre 0,24 y

0,32, y la velocidad de fluidización normalizada varía entre 0,15 y 0,18 m/s. En este rango

de operación, el poder calorífico del gas energético producido registró valores alrededor de

3,12 MJ/Nm3, indicando la presencia de componentes energéticos en concentraciones

medias correspondientes a 11,09% para CO, 3,45% para CH4, y 4,56% para H2. Durante

estas condiciones, la temperatura del lecho fluidizado se mantuvo alrededor de 820°C,

alcanzándose un valor mínimo de 780°C y un máximo de 870°C. De acuerdo con el análisis

de la superficie de respuesta generada a partir de los ensayos experimentales, la eficiencia

térmica a frío del gasificador para cascarilla de arroz tiende a un valor máximo de

aproximadamente 38%, concretamente cuando el factor de aire se aproxima al valor de 0,3

y la velocidad de fluidización normalizada se acerca a 0,15 m/s. Aunque los resultados

obtenidos durante los experimentos concordaron aceptablemente con otros anteriormente

presentados en diversos estudios de la literatura, fue evidente la necesidad de mejoras en la

disminución de fuentes de error del método experimental, especialmente con relación a la

toma de muestra y análisis del gas energético resultante del proceso. Con las

modificaciones pertinentes, las correlaciones matemáticas arrojadas por el modelo

estadístico podrían elevar el nivel de confianza obtenido del 70 al 95%, a fin de alcanzar el

requerimiento normalmente establecido en el área industrial.

Estudios posteriores en el campo de la aplicación práctica se hacen necesarios, con el

propósito de concretar el aprovechamiento del gas energético mediante las dos

posibilidades más inmediatas: quema directa en cámaras de combustión para

aprovechamiento del calor en procesos de secado o calentamiento, o en motores de

combustión interna para generación de electricidad en zonas de beneficiamiento del arroz

actualmente producido en Colombia.

Palabras claves: Gasificación, biomasa, lecho fluidizado, cascarilla de arroz.

1

INTRODUCCIÓN

Durante años, la evolución de la sociedad ha estado principalmente ligada al

aprovechamiento de las energías eléctrica y térmica originadas a partir de fuentes

combustibles de carácter no renovable. Sin embargo, en las últimas décadas, el uso

indiscriminado de fuentes fósiles ha conducido a la humanidad a un progreso

socioeconómico con repercusiones negativas sobre la integridad del ecosistema;

combustibles de este tipo son cada día más escasos y costosos, perjudicando el crecimiento

económico, la calidad de vida y el bienestar social. En contraposición, la utilización de

fuentes renovables de energía comienza a mostrarse como una de las mejores herramientas

hacia el desarrollo sostenible; la protección del medio ambiente a través del acceso al uso

racional de la energía, en busca de una reducción de las emisiones de gases de efecto

invernadero y de otros residuos contaminantes, representa hoy en día el motivo que

fortalece la investigación de la transformación de las fuentes renovables en energía útil y

más limpia para el hombre.

En particular, la biomasa de tipo vegetal constituye una de las diversas fuentes de energía

de carácter renovable, y ella corresponde a cualquier tipo de materia orgánica que haya

tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico por vía fotosintética

[1]. La cascarilla de arroz, originada durante el proceso de trillado del cereal realizado en

los molinos de beneficiamiento, hace parte de este selecto grupo. En el mundo, ella ha sido

utilizada principalmente en galpones o en camiones transportadores de ganado, como

ingrediente en preparación de concentrados para animales, en viveros como fertilizante, y

en procesos industriales como aislante térmico. Empresas privadas y gubernamentales en

otros países también han empleado extensivamente la cascarilla en equipos térmicos con el

fin de aprovechar sus propiedades energéticas.

2

En Colombia, el arroz es el tercer producto agrícola en extensión, después del café y el

maíz; representa el 12% del área cosechada y el 30% de los cultivos transitorios. Su

producción corresponde al 6% del valor de la producción agropecuaria y al 10% de la

actividad agrícola Colombiana. El valor generado por este producto es equivalente al 53%

del valor constituido por el cultivo del café [2]. Sin embargo, de acuerdo con información

suministrada por Induarroz (2003), la producción de arroz ocasiona varios problemas

ambientales, derivados de los métodos de preparación de los suelos, manejo del agua y

control de malezas, plagas y enfermedades. En la fase industrial, el impacto ambiental se

relaciona con la emisión de partículas al aire, la disposición final de la cascarilla como

residuo sólido, y el ruido que pueden producir los equipos de beneficiamiento. En

Colombia se producen aproximadamente 500 mil toneladas anuales de cascarilla de arroz,

que representan casi cinco millones de metros cúbicos. Debido a que solo una cantidad

incipiente de este total se utiliza como combustible en quemas incontroladas, galpones,

viveros y cultivos, su disposición final como residuo sólido constituye el principal

problema ambiental que enfrenta actualmente la industria arrocera del país, cuestionándose

adicionalmente, el desperdicio de una importante fuente de energía de carácter renovable.

Ante esta situación, el aprovechamiento de la cascarilla de arroz a partir del proceso

específico de gasificación, surge como una interesante alternativa para contribuir

simultáneamente con su disposición y con la generación de energía térmica de manera más

limpia. En dicho proceso, el residuo agrícola sufre una transformación termoquímica que

produce gas energético con potencial suficiente para convertirse en fuente de calor, energía

mecánica y/o energía eléctrica. Un paso en esta dirección fue realizado por el Grupo de

Investigaciones Ambientales (GIA) de la Universidad Pontificia Bolivariana, con apoyo de

COLCIENCIAS y la empresa PREMAC S.A, quien construyó e instaló un gasificador para

cascarilla de arroz en reactor de lecho fluidizado a escala piloto. A fin de evaluar la

posibilidad de implementar esta tecnología en la industria arrocera del país, el equipo

requirió ser ensayado y evaluado experimentalmente desde el punto de vista energético. Es

en este aspecto específico que se enmarcan los objetivos descritos a continuación para el

presente proyecto de grado.

3

1.1 OBJETIVOS .

1.1.1 Objetivo General.

Evaluar, a partir de la calidad del gas combustible generado, el rendimiento operacional de

un gasificador de cascarilla de arroz en reactor de lecho fluidizado a escala piloto, con

miras a la valorización de un residuo sólido y al posterior uso del gas energético.

1.1.2 Objetivos Específicos.

• Establecer el procedimiento experimental para la puesta a punto y operación del

sistema de gasificación.

• Diseñar un programa experimental para la realización eficiente de las pruebas en

campo con base en un modelo estadístico.

• Obtener las condiciones operacionales del sistema de gasificación.

• Caracterizar y cuantificar el gas energético producido a fin de evaluar el

rendimiento del gasificador de cascarilla de arroz.

4

2. ASPECTOS BÁSICOS Y ESTADO DEL ARTE

En el presente capítulo se describen algunos aspectos relacionados con la biomasa, sus

características y potencial como combustible renovable. Posteriormente, se aborda el tema

de la importancia de la cascarilla de arroz como fuente energética, el proceso de

gasificación y su estado del arte tanto en el mundo como en Colombia.

2.1 LA BIOMASA

La biomasa es una sustancia orgánica de carácter renovable de origen animal o vegetal, que

debe su poder energético al sol. El proceso que lleva a su formación se visualiza en la

Figura 2.1. Mediante la fotosíntesis, el reino vegetal absorbe y almacena una parte de la

energía solar que llega a la tierra; las células vegetales utilizan la radiación solar para

formar sustancias orgánicas a partir de sustancias simples y del CO2 presente en el aire. El

reino animal incorpora, transforma y modifica dicha energía. En este proceso de

transformación de la materia orgánica, se generan subproductos que no tienen valor para la

cadena nutritiva o no sirven para la fabricación de productos de mercado, pero que pueden

utilizarse como combustible en diferentes procesos de transformación energética [3].

5

Fuente: SEBASTIAN N, Fernando y ROYO H, Javier. Energías renovables: La biomasa. España: Fundación CIRCE, 2002.

Figura 2.1. Origen de la biomasa.

2.1.1 Tipos de Biomasa.

Los diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden ser utilizados para suplir una

demanda energética se agrupan en:

Biomasa natural: Producida espontáneamente en la naturaleza sin ningún tipo de

intervención humana, p.e, residuos generados en las podas de bosques.

Biomasa residual seca: Subproductos generados a partir de las diferentes actividades

agrícolas, forestales y en los procesos de las industrias agroalimenticias. Algunos ejemplos

de este tipo de biomasa son la cáscara de almendra, la cascarilla de arroz, el cisco de café,

el bagazo de caña, el aserrín, etc.

Biomasa residual húmeda: Representados por los vertimientos denominados

biodegradables: aguas residuales y residuos ganaderos.

6

Cultivos energéticos: Biomasa obtenida a partir de siembras, que tienen como única

finalidad la producción de combustible. Algunos ejemplos son el cardo (cynara

cardunculus), el girasol cuando se destina a la producción de biocombustibles, el miscanto,

etc.

Biocombustibles: Aunque su origen se encuentra en la transformación tanto de la biomasa

residual húmeda (reciclado de aceites) como de la biomasa residual seca, rica en azúcares

(trigo, maíz, etc.) o en los cultivos energéticos (colza, girasol, pataca, etc.), por sus

especiales características y usos finales, este tipo de biomasa se encuadra en una

clasificación distinta a las anteriores.

2.1.2 Características Energéticas de la Biomasa.

En el caso industrial, los residuos biomásicos representan serios problemas de disposición,

y su eliminación de manera no racional se traduce en el desperdicio de una fuente valiosa

de energía. El contenido energético de la biomasa, como de otros combustibles, se mide en

función de su poder calorífico. Sin embargo, para la biomasa residual húmeda, su contenido

energético se determina en función del valor que posee el biogás obtenido de su digestión

anaerobia. Para este caso, la cantidad de biogás generado y su contenido energético,

dependen de las características del sustrato tratado y de la tecnología empleada [3].

Las Tablas 2.1 y 2.2 muestran los respectivos contenidos energéticos de algunas biomasas

residuales secas y húmedas.

7

Tabla 2.1. Contenido energético de algunas biomasas residuales húmedas.

Biomasa

Cantidad de Gas de

Residuo Seco @ 30ºC.

(l/kg)

Contenido en

Metano (%)

Poder Calorífico

Inferior del Biogas

(kcal/Nm3)

Estiércol con paja 286 75 6.100

Excrementos de vaca 237 80 6.500

Excrementos de cerdo 257 81 6.600

Agua residual urbana 100 (por m3 de agua

tratado)

65 5.300


Tabla 2.2. Contenido energético de algunas biomasas residuales secas.

Biomasa Poder Calorífico

Inferior (MJ/kg)

Cascarilla de Arroz. 13,0

Bagazo de Caña. 14,4

Cisco de Café. 19,1

Aserrín. 14,3

Fuente: SANCHEZ G, Caio. Gasificação de Biomassa. Brasil: UNICAMP. Faculdade de Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Térmica e de Fluidos, 1997.

2.1.3 Mecanismos de Transformación de la Biomasa.

De acuerdo a la clase de biomasa, diferentes mecanismos para su transformación energética

aparecen como alternativas interesantes. Sin embargo, antes de poder utilizar esta energía

renovable de manera eficiente, es necesario considerar los siguientes aspectos:

Disposición del recurso: Cabe a las empresas y/o comunidades que disponen de biomasa

residual en sus propias instalaciones (p.e las trilladoras de arroz), plantear la posibilidad de

8

un aprovechamiento energético. En el caso de no disponer de biomasa residual propia ésta

puede ser adquirida en el mercado, sin embargo, en este caso es necesario considerar con

mucha más atención la viabilidad económica para su transformación energética.

Utilidad energética: Usualmente, la energía térmica presenta bastante demanda en el sector

agroindustrial. Una de las aplicaciones más directas de la biomasa se encuentra

precisamente en la generación de calor para el secado, obtención de vapor y/o aire caliente.

En el caso de producción de energía eléctrica o mecánica, son necesarios consumos de

biomasa mucho más elevados y mayores costos para la implementación de la tecnología.

2.1.4 Aplicaciones a partir de la Transformación de la Biomasa.

Cuando se desea transformar la energía contenida en la biomasa, en energía térmica,

mecánica, e incluso, energía eléctrica, existen diferentes mecanismos tecnológicos que se

acomodan mejor a cada situación. La elección entre uno y otro mecanismo depende de la

cuantía disponible, tipo de demanda energética requerida, dinero para la inversión, entre

otros. En la Figura 2.2 se ilustra la relación entre producto obtenido, sistema de

aprovechamiento y tipo de biomasa utilizada.

9


Figura 2.2. Sistemas de aprovechamiento energético en función del tipo de biomasa.

En general, los mecanismos de transformación energética a partir de la biomasa más

aplicados son:

Generación de energía térmica: Se logra mediante la combustión directa de la biomasa o

también del biogás procedente de la digestión anaerobia o del gas energético producto de la

gasificación.

Generación de energía mecánica y eléctrica: El mecanismo más adecuado a emplear para

este caso varía en función del tipo y cantidad de biomasa disponible, así como de la

tecnología. Tomando el caso de la digestión anaerobia y la gasificación, los gases

10

combustibles producidos por estos procesos pueden ser empleados en motores de

combustión interna, sustituyendo total o parcialmente a los combustibles fósiles. La

utilización de este gas energético es especialmente interesante en industrias agrarias que

dispongan de biomasa para su producción y que puedan auto-consumirlos. Después de la

transformación en energía mecánica, la energía eléctrica se lleva a cabo mediante el acople

de generadores.

Ciclo de vapor: Mediante la generación de vapor, producto de la combustión directa de

biomasa, del gas producto de la gasificación o de la digestión anaerobia, es posible obtener

energía mecánica y/o eléctrica por medio de la expansión de este fluido en una turbina

especial para vapor.

Turbina de gas: En función de la presión y la temperatura de un fluido gaseoso, se puede

desarrollar la transformación de energía por medio de la expansión de estos en una turbina.

Si los gases de escape de la turbina se aprovechan en un ciclo de vapor se obtendrá un ciclo

combinado.

Cogeneración.

Es el resultado del aprovechamiento de los calores residuales, donde existe producción

conjunta de energía térmica y eléctrica. Su principal ventaja es el rendimiento global

obtenido en comparación con la producción de estas energías por separado. La

cogeneración a partir de biomasa permite disminuir el costo del consumo de energía

eléctrica y combustibles fósiles.

2.1.5 Ventajas del Uso de la Biomasa.

La conversión de la biomasa en las diferentes formas de energía ofrece numerosas ventajas

medioambientales y socioeconómicas, las cuales se describen a continuación [3].

Ventajas ambientales.

11

• Debido a que todo el CO2 emitido en la utilización energética de la biomasa había sido

previamente fijado en el crecimiento de la materia vegetal que la había generado, no

existe contribución neta del compuesto hacia la atmósfera y, por tanto, la conversión

energética no contribuye al aumento del efecto invernadero.

• El contenido de azufre presente en la biomasa es generalmente inferior al 0,1%. Es por

esto que las emisiones de dióxido de azufre (causante de la lluvia ácida) se consideran

mínimas.

• En el caso de la digestión anaerobia para tratar la biomasa residual húmeda, además de

anular la carga contaminante, reduce fuentes de olores molestos y elimina, casi en su

totalidad, los gérmenes y los microorganismos patógenos del vertido. Los fangos

resultantes del proceso de digestión anaerobia pueden ser utilizados como fertilizantes

en la agricultura.

Ventajas socioeconómicas.

• Diversificación energética de utilización de combustibles, lo que contribuye a la no

dependencia exclusiva por fuentes fósiles.

• Posibilidades de implantación de cultivos energéticos en tierras abandonadas, evitando

con esto, la erosión y degradación del suelo.

• Creación de puestos de trabajo en el medio rural.

2.1.6 Desventajas del Uso de la Biomasa.

De igual forma que existen ventajas en el aprovechamiento energético de la biomasa,

también sobresalen algunos inconvenientes con relación a los combustibles fósiles. Las

desventajas más importantes son [3]:

• Menores rendimientos en diferentes máquinas térmicas.

• Debido a su menor densidad, los volúmenes de almacenamiento para la biomasa

requieren ser mucho mayores.

12

• Mayor complejidad en los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de

cenizas, reflejándose en costos de operación y mantenimiento más elevados.

• Debido al gran contenido de humedad presente en los diferentes tipos de biomasa, en

varias de las aplicaciones se requieren procesos previos de secado.

2.2 LA CASCARILLA DE ARROZ COMO COMBUSTIBLE Y SU

PRODUCCIÓN EN COLOMBIA.

La cascarilla de arroz es un tejido vegetal constituido por celulosa y sílice, elementos que

ayudan a su buen rendimiento como combustible. La celulosa determina la estructura de la

pared celular de la cascarilla y corresponde a la biomolécula más abundante de la biomasa.

El combustible primario de este subproducto agrícola es precisamente la celulosa,

contenida en un 40% de su peso aproximadamente [1]. El uso de la cascarilla de arroz

como combustible representa un aporte significativo a la preservación de los recursos

naturales y un avance en el desarrollo de tecnologías limpias y económicas.

En el mundo, la producción de cascarilla de arroz está alrededor de 80 millones de

toneladas por año, representando un potencial energético de 1,2 x 109 GJ. India, Indonesia

y Tailandia, poseen 92.000, 60.000 y 40.000 molinos respectivamente, que tienen la

capacidad de procesar entre 10 y 20 toneladas por hora. En promedio, la cascarilla de arroz

tiene un poder calorífico inferior entre 13 y 16 MJ/Nm3, por lo que, en comparación con los

combustibles fósiles tradicionales, la capacidad energética de la cascarilla representa un

tercio de la capacidad de los crudos y la mitad respecto a un buen carbón bituminoso [4].

Para Colombia, los índices de producción no son tan elevados como en los países asiáticos

anteriormente mencionados. Sin embargo, y de acuerdo con datos suministrados por

AGROCADENAS1, en el año de 2003 la producción total de arroz estuvo alrededor de 2,5

millones de toneladas, cantidad que representan 500.000 toneladas de cascarilla y/o 5

millones de metros cúbicos. 1 http://www.agrocadenas.gov.co

13

En la Tabla 2.3 se presenta la producción molinera de arroz del departamento del Tolima,

región colombiana con la mayor producción del cereal. Además del departamento del

Tolima, las principales áreas arroceras de Colombia se concentran en los departamentos de

Meta, Casanare, Norte de Santander, Huila, Sucre y Córdoba.

Tabla 2.3. Producción aproximada de arroz y cascarilla para el año 2004 en el departamento

del Tolima.

Clase de

Trilladora

Producción

Aproximada de Arroz

(t/año)

Producción Aproximada

de Cascarilla

(t/año)

Grupo I 50.000 – 60.000 10.000 – 12.000

Grupo II 20.000 – 50.000 4.000 – 10.000

Grupo III

3.000 – 4.000

y

8.000 – 1.0000

600 – 800

y

1.600 – 2.000

Grupo IV 3.000 600

Fuente: Observatorio AGROCADENAS. Bogotá, Colombia 2004.

La clasificación mencionada en la Tabla 2.3 se refiere también a la capacidad tecnológica

de las trilladoras para beneficiar el arroz. A continuación se describen brevemente las

características principales de cada uno de estos grupos:

• Grupo I: Empresas que se caracterizan por su constante innovación en tecnología de

producción y su continuo esfuerzo por mejorar y ampliar su red de distribución de arroz

empaquetado. Cabe mencionar, que algunas empresas sobrepasan la cifra de 100.000

toneladas anuales de arroz paddy.

• Grupo II : Empresas cuya tecnología es adquirida de acuerdo a las versiones fabricadas

en el país de las máquinas importadas por los líderes.

14

• Grupo III: Molinos que trabajan con tecnología no actualizada, aunque de manera

continua.

• Grupo IV: Molinos que trabajan con tecnología no actualizada y de manera esporádica.

2.3 EL PROCESO DE GASIFICACIÓN

La gasificación es definida como la conversión de cualquier combustible sólido en un gas

energético, a través de su oxidación parcial a temperaturas elevadas (700 a 800 ºC)

[5]. El gas combustible, compuesto principalmente por CO, CH4 y H2, es producido a partir

de un proceso termoquímico endotérmico que requiere la presencia de una agente oxidante

(aire, oxígeno, vapor de agua, etc.) para generar el calor necesario en la zona de reacción a

fin de mantener el proceso de conversión. Antes de transformarse en gas, el combustible

sólido experimenta cuatro etapas o fases:

• Secado (liberación de la humedad).

• Pirólisis (desprendimiento de volátiles)

• Oxidación (combustión)

• Reducción (gasificación).

De acuerdo al tipo de gasificador, alimentación de combustible y agente gasificante, estas

cuatro fases se presentan en determinadas zonas o regiones del sistema, en donde

finalmente se desarrollan las siguientes reacciones químicas principales [5]:

Reacciones Heterogéneas (gas – sólidos)

Oxidación de carbono:

COOC =+ 221

mol

kJ6,110− ( )1.2Ec

15

22 COOC =+ mol

kJ8,393− ( )2.2Ec

Reacción de Bouduard:

COCOC 22 =+ mol

kJ6,172 ( )3.2Ec

Reacción de vapor de agua (reacción de “shift”):

22 HCOOHC +=+ mol

kJ0,131 ( )4.2Ec

Formación de Metano:

422 CHHC =+ mol

kJ93,74− ( )5.2Ec

Reacciones Homogéneas (fase gaseosa)

222 HCOOHCO +=+ mol

kJ2,41− ( )6.2Ec

224 3HCOOHCH +=+ mol

kJ9,201 ( )7.2Ec

Las reacciones expresas por las ecuaciones 2.3, 2.4 y 2.7 son endotérmicas, y son las

responsables por la formación de monóxido de carbono (CO). El calor necesario para el

desarrollo de estas reacciones es suministrado a partir de las reacciones de oxidación del

carbono, establecidas por las ecuaciones 2.1 y 2.2.

2.3.1 Tipos de Gasificadores.

La clasificación de los diferentes tipos de gasificadores comerciales está impuesta por las

condiciones operacionales específicas del proceso [5]. Estos parámetros y condiciones se

describen a continuación.

16

• Poder calorífico del gas producido.

Gas de bajo poder calorífico: Hasta 5 MJ/Nm3.

Gas de medio poder calorífico: De 5 MJ/Nm3 a 10 MJ/Nm3.

Gas de alto poder calorífico: De 10 MJ/Nm3 a 40 MJ/Nm3.

• Agente gasificante.

Aire

Vapor de Agua

Oxigeno

Hidrógeno.

• Dirección del movimiento relativo del combustible sólido y el agente gasificante.

Contraflujo.

Flujo directo.

Flujo cruzado.

Lecho fluidizado.

Lecho fijo.

• Presión de trabajo.

Presión atmosférica.

Alta presión. (Presurizados, más de 2.000 kPa)

• Tipo y forma de biomasa.

Residuos agrícolas

Residuos industriales.

Residuos sólidos urbanos.

Biomasa natural.

Biomasa peletizada.

Biomasa pulverizada.

17

En el caso de utilizarse oxigeno, vapor de agua o hidrógeno como agente gasificante,

niveles de medio o alto poder calorífico del gas producido pueden ser alcanzados.

De acuerdo con el tipo de gasificador utilizado y las condiciones específicas de operación,

el gas producido en el proceso tiene muchas aplicaciones prácticas, entre las que se pueden

mencionar:

• Motores de combustión interna.

• Turbinas de gas.

• Cámaras de combustión, para generar calor.

• Materia prima para síntesis de productos químicos.

La Figura 2.3 ilustra un esquema de las posibles aplicaciones del gas generado durante la

gasificación de un combustible sólido.

Figura 2.3. Aplicaciones del gas producto de la gasificación.

GAS PRODUCTO DE LA GASIFICACIÓN.

Cámaras de Combustión

Calor

Secado

Combustión en Calderas

Vapor

Turbina de Vapor

Motor de Combustión Interna

Turbina de Gas

Energía Eléctrica

Energía Eléctrica

Energía Eléctrica

Potencia Mecánica

Potencia Mecánica

18

Conforme con el objeto de este proyecto de grado, a continuación se describen solamente

los aspectos más relevantes con relación a los gasificadores de lecho fluidizado.

2.3.2 Gasificadores de Lecho Fluidizado.

La fluidización es una operación en la que un sólido se pone en contacto con un líquido o

un gas, de tal forma que el conjunto adquiere características similares a las de los fluidos

[1]. Un reactor de lecho fluidizado consiste de una cámara de reacción que contiene

partículas inertes soportadas por una placa distribuidora y mantenidas en suspensión por un

fluido que las atraviesa en sentido ascendente. En el caso especial de la gasificación de

combustibles sólidos, se utilizan exclusivamente compuestos gaseosos como medio

fluidizante. Para materiales biomásicos, un gasificador operando en condición de lecho

fluidizado presenta ventajas considerables, entre la que se destaca, la alta tasa de

conversión de carbono en gas energético debido a la presencia de elevadas eficiencias de

los mecanismos de transferencia de calor y masa. La Figura 2.4 muestra un esquema

general de un gasificador en lecho fluidizado.

Figura 2.4. Esquema de un gasificador de lecho fluidizado.

19

El proceso de la fluidización comienza a desarrollarse a partir de un lecho estático de

partículas que ofrece resistencia al paso vertical de un agente fluidizante. Si la velocidad de

alimentación de este agente incrementa, aumenta la fuerza de arrastre ejercida sobre las

partículas y comienza una expansión del lecho. Si se sigue aumentando la velocidad del

fluido, la expansión continúa hasta un valor en que las fuerzas de arrastre son suficientes

para soportar el peso de las partículas del lecho. En ese momento, la mezcla bifásica se

comporta como un fluido que se caracteriza por presentar excelentes condiciones de

transferencia de masa y energía, así como, de homogenización de temperatura en la cámara

de reacción [5].

En la Figura 2.5 se observa el comportamiento típico de la presión estática en un reactor de

lecho fluidizado. Para el caso del lecho burbujeante, en el que la cantidad de material en el

lecho no varía, se aprecia que después de determinada velocidad superficial del fluido, la

caída de presión permanece constante. Este comportamiento tiene su explicación en el

hecho de que las partículas se expanden en igual proporción al alivio de carga generado por

la presencia de mayores espacios entre las partículas.


Figura 2.5. Caída de presión en el lecho en función de la velocidad de fluidización.

20

En el proceso de conversión termoquímica de la biomasa a gas combustible, el lecho de

material inerte es inicialmente precalentado con ayuda de una fuente externa de energía

(normalmente a través de gases calientes producto de la combustión de combustibles

alternativos, p.e, gas natural). Estos gases calientes atraviesan la placa distribuidora y

elevan la temperatura del lecho hasta el valor de auto-ignición del combustible sólido,

(aproximadamente 450ºC para el caso de la cascarilla de arroz). A partir de ese momento,

se establecen condiciones apropiadas para la combustión de la biomasa alimentada,

buscando que el lecho de inertes alcance una temperatura cercana a 750°C. A partir de ese

instante, se imponen las condiciones operacionales de gasificación que darán origen al gas

combustible.

El poder calorífico del gas producido en reactores de lecho fluidizado depende en gran

medida del tipo de agente gasificante y de las condiciones operacionales del equipo. En

caso de que se gasifique con hidrógeno o vapor de agua, es posible obtener incrementos en

las concentraciones de CH4 e H2, llevando consigo a un aumento del poder calorífico del

gas producido. Igualmente, la gasificación en reactores fluidizados presurizados aumenta la

capacidad energética del gas. Sin embargo, aunque este tipo de equipos es bastante común

para la generación de potencia en ciclos combinados, tienen como principal desventaja el

alto costo para su implementación [5].

Un equipo de gasificación en lecho fluidizado burbujeante generalmente consiste de las

siguientes partes:

• Reactor: que incluye la cámara de reacción donde se aloja el lecho fluidizado, una placa

distribuidora para soporte del lecho y homogenización del agente fluidizante y una

cámara de amortiguación de velocidad para los mismos (plenum).

• Chasis de soporte.

• Mecanismo dosificador y alimentador de inertes y combustible sólido (biomasa).

• Mecanismo alimentador del agente fluidizante – gasificante.

• Mecanismo registrador de variables de proceso.

21

• Mecanismo de precalentamiento del lecho.

• Mecanismo separador y colector de material particulado.

• Dispositivo de colecta e instrumentación para el análisis del gas combustible producido.

• Un mecanismo para eliminación de los gases combustibles generados en el caso de

ninguna aplicación específica para los mismos, a fin de evitar impacto a la atmósfera.

Las principales ventajas y desventajas de un sistema de gasificación en lecho fluidizado

burbujeante para biomasa se resumen en la Tabla 2.4.

Tabla 2.4. Ventajas y desventajas de la gasificación de biomasa en lecho fluidizado.

VENTAJAS DESVENTAJAS

• Alta flexibilidad con relación a la tasa de

alimentación del combustible.

• Alta potencia volumétrica.

• Fácil control de temperatura del lecho.

• Bajas emisiones de NOx y SOx.

• Operación con amplia variedad en la

composición del combustible (alto contenido

de cenizas y humedad).

• La temperatura del lecho se limita a

la sinterización de las cenizas

• Si no es controlado eficientemente,

puede existir alta carga de partículas

en el gas de salida con pérdida de

carbono en el hollín.

• Posibles problemas con el alquitrán

formado a relativas bajas

temperaturas.

Las mayores dificultades referentes al proceso de gasificación de biomasa se presentan en

el sistema de limpieza del gas producido para su aplicación exclusiva en motores de

combustión interna o turbinas. Pueden surgir también algunos problemas en la disposición

final de las cenizas si no existe un programa conjunto para disposición final de reuso de las

mismas, y con el alquitrán si se opera a temperaturas de lecho por debajo de 750°C. Para

evitar el impacto a la atmósfera por partículas de cenizas volantes, generalmente se usan

ciclones como mecanismos de limpieza del gas producido, no obstante, también es común

la utilización de separadores electrostáticos. Para el caso de los alquitranes, estos son

22

recogidos por lavadores de gases o filtros cerámicos (candelas); sin embargo aún se

desarrollan investigaciones en este tema para lograr mecanismos más eficaces.

Las cenizas, debido principalmente a su alto contenido de sílice, pueden ser utilizadas

como materia prima en la industria de materiales cerámicos. Adicionalmente, por estar libre

de metales tóxicos, también son valorizadas como fertilizante en diferentes cultivos [6].

Los alquitranes, por ser hidrocarburos pesados, pueden ser separados del gas y

aprovechados para la generación directa de calor. Finalmente, debido a que la tecnología de

lecho fluidizado opera por debajo de las temperaturas de formación de NOx térmico (1.100

ºC aproximadamente), la presencia de este compuesto no es objeto de preocupación.

2.3.3 Variables del Proceso de Gasificación en Lecho Fluidizado.

A continuación se describen brevemente las variables de mayor importancia durante el

proceso de gasificación en lecho fluidizado.

Factor de Aire: Este parámetro corresponde al valor de la relación aire - combustible real

utilizada durante el proceso dividida por la relación aire - combustible teórica para el

combustible gasificado. Por lo tanto, el factor de aire define en cierta medida la proporción

de combustible quemado (combustión completa) con relación a la cantidad gasificada

(oxidación parcial y/o reducción) [4].

El límite inferior del factor de aire está establecido por la cantidad mínima de aire requerida

para quemar el combustible y generar el calor suficiente para sostener las diferentes

reacciones endotérmicas de la gasificación. Valores muy pequeños de esta variable hará

que la temperatura de reacción baje demasiado y se imposibilite la liberación de energía

suficiente para el avance de las reacciones de reducción. De otro lado, valores muy altos del

factor de aire propiciarán aumentos en la temperatura por causa de mayor presencia de

oxígeno, favoreciendo principalmente a la fase de combustión.

23

Para gasificación en lecho fluidizado, la cantidad de partículas elutriadas (aquellas enviadas

para fuera del reactor), la expansión y temperatura del lecho, tienen relación directamente

proporcional con el aumento del factor de aire. En la literatura, los valores reportados para

éste parámetro en el caso de biomasa vegetal varían en el rango de 0,2 a 0,55 [4].

La relación teórica para el factor de aire aparece expresa en función del análisis elemental

del combustible gasificado, de la siguiente manera [5]:

( ) OHSCRtricaestequioméC

A ⋅−⋅++⋅=

033,0265,0.375,00889,0

kgNm3

( )8.2Ec

Adicionalmente al factor de aire, la temperatura del lecho, el campo volumétrico,

composición y poder calorífico del gas energético, así como, la eficiencia en frío del

equipo, entre otros, son igualmente consideradas variables importantes para la operación de

gasificadores [4]:

Temperatura: La temperatura de la zona de reacción está condicionada principalmente por

el factor de aire utilizado y la composición elemental del combustible a gasificar. Su límite

inferior es establecido por la condición de conversión total de carbono. En cualquier caso,

durante el proceso se debe garantizar que la temperatura en el lecho, para determinado

valor en el factor de aire, sea suficientemente elevada para que el carbono presente en el

combustible se transforme por completo y no se acumule en las cenizas, produciendo

ineficiencias.

De acuerdo al principio de Le Chatelier (cuando sobre un sistema químico en equilibrio se

ejerce una acción exterior que modifica las condiciones del sistema, el equilibrio se

desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar la perturbación introducida), altas

temperaturas favorecen los reactivos en reacciones exotérmicas y favorece los productos en

reacciones endotérmicas. De esta forma, la reacción endotérmica de la ecuación (2.7) se

consolida con incrementos en la temperatura, aumentando la concentración de H2 y

disminuyendo la concentración de CH4.

24

De otro lado, el límite superior de la temperatura de reacción está condicionado por la

temperatura de fusión de las cenizas, la cual, para el caso específico de la cascarilla de

arroz, se encuentra alrededor de 900ºC [4]. Por encima de esta temperatura, los óxidos de

silicio y potasio presentes en las cenizas se funden, formando una barrera que evita las

reacciones con el carbono fijo presente en la estructura de la cascarilla de arroz y permiten

la indeseable aglomeración de partículas que lleva al colapso del lecho.

El control de la temperatura de proceso también es importante para mantener la

concentración de alquitrán del gas combustible dentro de límites tolerables [7]. El alquitrán

es una mezcla de hidrocarburos pesados condensados de alto peso molecular, y aunque su

contenido disminuye cuando la temperatura del reactor aumenta (como ilustrado por la

Figura 2.6), las cantidades presentes a temperaturas normales de gasificación aún son

consideradas altas para la mayoría de las aplicaciones del gas combustible.

Una solución parcial a este problema se fundamenta en la utilización de lechos más

profundos y en la adición de catalizadores. Sin embargo, la presencia de alquitrán puede ser

interesante debido a que aumenta el poder calorífico del gas producido y proporciona una

llama más luminosa que suministra mayor transferencia de calor por radiación [5].

En general, la tolerancia de la presencia del alquitrán en el gas producido depende de la

utilización de éste último en los diferentes mecanismos de transformación energética. Por

ejemplo, cuando la producción de gas tiene fines exclusivos para generación de calor por

combustión directa, la limpieza puede no ser necesaria. En cambio, para la transformación

en potencia mecánica en motores de combustión interna, se hace necesaria la remoción de

alquitrán hasta un nivel de por lo menos 10 mg/Nm3, a fin de evitar problemas serios de

mantenimiento y de vida útil del motor [4].

25

Fuente: KAUPP. Albrecht. Gasification of Rice Hulls. Deutsches Zentrum für Entwicklungstechnologien – GATE. 1984.

Figura 2.6. Contenido de alquitrán en el gas producto en función de la temperatura de

reacción.

Campo volumétrico de gas producido: Este parámetro mide la cantidad de caudal de gas

generado por masa de combustible alimentado al sistema. El campo volumétrico de gas

producido por un gasificador tiene una relación directamente proporcional a variaciones del

factor de aire. Valores normalmente obtenidos en operación con biomasa vegetal muestran

campos volumétricos de gas que oscilan entre 1,85 y 2,5 Nm3/kg [4].

Composición y poder calorífico del gas producido: En general, el gas producto de la

gasificación de biomasa con aire como agente gasificante, comprende los siguientes

componentes: CO2, CO, CH4, H2O, H2, N2 y pocas cantidades de hidrocarburos gaseosos

más pesados (alquitranes), así como algo de O2. Las concentraciones de CO, CH4 y H2

determinan el poder calorífico del gas producido, debido a que estos tres constituyen los

componentes energéticos de la mezcla. Con el incremento de la temperatura para un

26

determinado factor de aire, las concentraciones de H2 y CO tienden a aumentar, mientras

que las de CO2, N2 y CH4 a disminuir [4].

Utilizándose solamente aire como agente gasificante, valores reportados en la literatura

muestran que generalmente el poder calorífico inferior del gas producto varía entre 4 y 6

MJ/Nm3. Valores mayores para el poder calorífico del gas producido pueden obtenerse si

la gasificación de desarrolla con vapor de agua, oxígeno o hidrógeno como agente

gasificante. Si aumenta el factor de aire, la temperatura del lecho también tiende a

incrementarse debido a la acción predominante de las reacciones de oxidación; esto

conlleva a una disminución del poder calorífico inferior del gas producido.

Eficiencia del gasificador: La eficiencia térmica de un gasificador puede calcularse en

caliente y en frío. La eficiencia en caliente corresponde al cociente de la suma de las

energías sensible y química del gas producido respecto a la energía química contenida en el

combustible gasificado; por otro lado, la eficiencia en frío se refiere solamente al cociente

entre la energía química del gas y la energía química del combustible. Para efectos de

comparación de rendimiento de gasificadores, la mayoría de los autores de la literatura

prefiere considerar la eficiencia en frío, debido a que ésta evita la obtención de valores

engañosos influenciados por el valor del calor sensible del gas, que en realidad no es el

objeto más importante del proceso.

Para gasificadores de lecho fluidizado operados con biomasa, valores de eficiencias en frío

hasta de 60% han sido reportados con eficiencias de conversión de carbono del 90%. La

eficiencia del gasificador está relacionada de forma directa con el poder calorífico del gas

producido y su campo volumétrico, por lo que la temperatura del lecho y el factor de aire

son parámetros de influencia sobre la eficiencia del equipo [4].

27

2.4 ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN DE CASC ARILLA

DE ARROZ

De acuerdo con información disponible en la literatura, una cantidad considerable de

investigaciones sobre sistemas de gasificación en lecho fijo y fluidizado usando residuos

agrícolas, incluida la cascarilla de arroz, ha sido reportada. La elevada disponibilidad de

este subproducto del arroz, principalmente en países de Asia, llevó al desarrollo actual de

los gasificadores de tipo comercial, especialmente para uso en sistemas de generación de

energía eléctrica instalados directamente en plantas de beneficio agrícola.

Los primeros estudios sobre el tema buscaban mejorar el proceso de la gasificación que ya

venía siendo ampliamente usado para la obtención de gas combustible como sustituto del

petróleo durante la segunda guerra mundial. Los famosos gasogenios a partir de carbón y

madera, suministraban energía necesaria para mover las maquinas térmicas de aquella

época [6]. La crisis del petróleo en 1973, representó un impulso considerable para el

desarrollo de la utilización de la biomasa como fuente de energía importante en el mundo, a

través de procesos térmicos como la combustión, gasificación y pirolisis [5]. Aunque los

primeros trabajos publicados con relación a gasificadores para biomasa vegetal en lecho

fluidizado se remontan a los años setenta, solamente a mediados de la década de los

ochenta se intensificaron las investigaciones al respecto [8].

La Tabla 2.5, presentan algunas de los parámetros operacionales de varias investigaciones

reportadas en la literatura sobre gasificación de cascarilla de arroz. Igualmente la Tabla 2.6,

muestra ciertas características y resultados de otras investigaciones relacionadas con el

tema.

28

Tabla 2.5. Parámetros operacionales de algunas investigaciones sobre gasificación de

cascarilla de arroz en lecho fluidizado.

Material inerte

del lecho y

tamaño de

partícula (µµµµm)

Altura

de lecho

estático

(mm)

Relación

altura de

lecho –

diámetro

reactor

Factor

de

aire

Velocidad

de

fluidización

(cm/s)

Temperatura

del

lecho

(°C)

Flujo de

gas

combustible

(kg/h)

Alumina 600 2 0,27 –

0,34

--- 750 – 950

50

--- --- --- 0,15 –

0,38

--- 523 – 907

---

Arena (234) --- --- 0,18 –

0,21

60 – 75 700 – 815

9 – 22

Alumina (486) 60 1,5 0,30 –

0,48

--- 721 – 871

75 – 105

Arena (826) --- --- 0,21 –

0,29

--- 500 – 757

14 – 18

Arena (225) --- --- 0,26 60 – 100

500 – 800 15 – 20

Alumina 480 - 370 1,85 – 2,4 0,1 –

0,8

75 600 - 800

---

Fuente: NATARAJAN, E.; NORDIN, A.; RAO, A. Overview of Combustion and Gasification of Rice Husk in Fluidized Bed Reactors. Biomass & Bioenergy, v. 14. 1998. pp. 533-546.

29

Tabla 2.6. Características y resultados de algunas investigaciones sobre gasificación de

cascarilla de arroz en lecho fluidizado.

Composición del

gas energético

Diámetro del

reactor

(mm)

Temperatura

del lecho

(°C)

Factor

de

aire

Poder

Calorífico

(MJ/Nm3) CO H2 CH4

Eficiencia de

gasificación

(%)

406 721-871 0,48-

0,86 6,3(1) 12,2 4,7 6,3 66 - 67

--- 600-850 0,24-

0,45 5,7(1) 10,4 4,7 6,0 35

200 760 0,49 4,0(2) 15,0 6,0 3,7 54

200 740 0,50 3,3(2) 13,4 4,2 2,7 58

(1) Poder calorífico superior. (2) Poder calorífico inferior.

Fuente: RAMÍREZ B. Jhon Jairo. Gasificación de Cascarilla de Arroz en Reactor de Lecho Fluidizado a Escala Piloto: Propuesta para proyecto de innovación tecnológica Sena-Colciencias. Medellín: UPB. Grupo de investigaciones Ambientales, 2002.

En uno de los trabajos de investigación más recientes fueron obtenidas potencias de eje

alrededor de 45,1 kW, acoplando un motor de combustión interna de 26% de eficiencia a

un gasificador de lecho fluidizado a escala piloto [6]. Los resultados y las características

operaciones más relevantes se muestran en la Tabla 2.7.

30

Tabla 2.7. Resultados y características operacionales de gasificación de cascarilla de arroz

en lecho fluidizado.

Diámetro del

reactor

(mm)

Altura del

reactor

(m)

Temperatura

del

lecho

(ºC)

Factor

de

aire

Poder

Calorífico

Inferior

(MJ/Nm3)

Eficiencia de

gasificación

(%)

400 4,6 720 - 880 0,28 – 0,40 4,2 40

Fuente: FERNANDES C, Marcelo. Investigação Experimental de Gaseificação de Biomassa em Leito Fluidizado. Brasil: UNICAMP, 2004. Tesis (Doctor en Ingeniería Mecánica). Con relación a los logros en el campo comercial de la gasificación de cascarilla de arroz,

en la Figura 2.7 se ilustra uno de los primeros gasificadores puestos en operación [9]. Este

equipo funcionaba en lecho fijo y poseía una parrilla rotativa para la evacuación de cenizas,

sello de agua en el fondo y una camisa de agua para el control de la temperatura en la zona

de reacción, con el fin de evitar la sinterización de las cenizas. El sistema fue fabricado en

China e instalado en un molino de arroz en Malí durante los años ochenta, requiriendo un

consumo específico de combustible que variaba entre 3,75 y 4,0 kg/kWh.

Actualmente, las investigaciones del desarrollo industrial de la gasificación de biomasa se

encuentran principalmente en Estados Unidos, India, China y Brasil. La compañía

norteamericana Primenergy2, se ha destacado en la realización de proyectos de

transformación energética mediante la tecnología de gasificación, con aplicaciones directas

en la generación de energía eléctrica, producción de vapor, calor, etc.

2 http://www. primenergy.com

31

10

8

1

14

13

10

2

11

6

5

12

3

4

9

11

716

15

1- Entrada para la cascarilla de arroz y el aire2- Camisa de agua para refrigeración3- Accionamiento de la parrilla rotatoria4- Descarga del gas5- Parrilla rotatoria6- Soporte de la parrilla7- Trompa de cenizas8- Tubería de descarga de las cenizas9- Entrada del agua de refrigeración10- Salida del agua de refrigeración11- Gas12- Cenizas13- Límite superior de combustión14- Límite superior de la cascarilla de arroz15- Agua para la remoción de las cenizas16- Bocales de atomización del agua

Fuente: BARBOSA CORTEZ, Luis Augusto y SILVA LORA, Electo. Tecnologias de conversao da biomassa. Manaus: EDUA/EFEI, 1997.

Figura 2.7. Gasificador comercial para cascarilla de arroz.

En la Figura 2.8 se observa uno de los sistemas de gasificación para cascarilla de arroz

desarrollados por esta empresa, localizado en Greenville (Mississippi). Este equipo puede

procesar 330 toneladas por día del residuo agrícola y corresponde a un sistema de dos

gasificadores modelo KC-18, acoplados en paralelo, que bajo condiciones normales de

operación, generan 5.200 kW de energía eléctrica y 15.000 kg/h de vapor de agua,

destinados al secado de granos.

32

Figura 2.8. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Greenville, Mississippi.

En la Figura 2.9 se muestra otro sistema gasificador en paralelo desarrollado por

Primenergy. Este equipo es capaz de gasificar alrededor de 500 toneladas por día de

cascarilla de arroz, con el cual se generan 12 MW de energía eléctrica por medio de una

turbina de vapor.

Figura 2.9. Gasificador de cascarilla de arroz. Primenergy. Stuttgart, Arkansas.

33

En Colombia, las investigaciones sobre gasificación en lecho fluidizado para biomasa y

cascarilla de arroz se han enfocado sobre equipos a escala de laboratorio, como los

desarrollados en la Universidad Pontificia Bolivariana, Rojas (2002)3 y en la Universidad

de los Andes, Barriga (1997)4.

Recientemente, el Grupo de Investigaciones Ambientales de la Universidad Pontificia

Bolivariana, motivado por la necesidad de contribuir con una propuesta de solución

racional al problema de disposición final de residuos agroindustriales en Colombia, diseñó,

construyó e instaló un sistema gasificador para cascarilla de arroz en lecho fluidizado con

cámara de reacción de 300 mm de diámetro interno y 3 m de altura. La evaluación del

rendimiento operacional de este sistema constituyó el objeto principal del presente proyecto

de grado. Los detalles referentes a dicho trabajo se presentan en los próximos capítulos.

3 ROJAS, R, Juan Carlos. Gasificación de biomasa en lecho fluidizado como alternativa de tecnología limpia. Medellín. UPB, 2002. Tesis (Maestría en Sistemas Energéticos). 4 BARRIGA A, Mario Bernardo. Construcción de un gasificador en lecho fluidizado de cascarilla de arroz. Santafé de Bogotá: UNIANDES, 1997. Tesis (Ingeniero Mecánico).

34

3. MATERIALES Y MÉTODOS

En este capítulo se describen las propiedades y características físico-químicas más

importantes de los materiales que conforman el lecho de partículas del sistema de

gasificación. Adicionalmente, se detallan los componentes e instrumentos que componen el

equipo experimental, así como, los métodos y procedimientos realizados para la evaluación

del gasificador.

3.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICO – QUÍMICA DE LA CASCARILLA D E

ARROZ.

La cascarilla de arroz utilizada en los experimentos de gasificación fue adquirida en la

empresa Agromolinos de Colombia S.A, localizada en la ciudad de Medellín. Esta

cascarilla tuvo origen en la ciudad de Ibagué – Tolima y no necesitó ningún proceso previo

de adecuación para su utilización en el equipo gasificador.

Las propiedades físico – químicas del combustible gasificado fueron obtenidas a partir de

diversos análisis realizados en laboratorio, específicamente, a través de ensayos de

distribución granulométrica, densidad, composición química y poder calorífico. La

densidad aparente y la distribución granulométrica de la cascarilla de arroz fueron

obtenidas en el Laboratorio de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad

Pontificia Bolivariana – Sede Medellín. Los otros análisis fueron realizados en el

Laboratorio de Carbones adscrito a la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de

Colombia, sede Medellín.

35

3.1.1 Densidad a Granel y Aparente.

La densidad a granel (ρb) se define como la relación entre la masa y el volumen ocupado

por un conjunto de partículas levemente empaquetadas. Además del vacío existente entre

cada una de las partículas que conforman el lecho, esta densidad incluye también los poros

internos y superficiales del sólido. Como se describe posteriormente, la densidad a granel

es de importancia para el cálculo de la densidad aparente y para el correcto

dimensionamiento de los silos de almacenamiento.

Por otra parte, la densidad aparente (ρp) se refiere a la relación entre la masa y el volumen

de una partícula, incluyendo los poros internos y superficiales existentes. Esta propiedad es

llamada también como densidad hidrodinámica y es la utilizada en los cálculos de

fluidización. El valor de la densidad aparente, puede determinarse con relativa precisión a

partir del conocimiento de la esfericidad y porosidad de la partícula [10]. Para el caso de la

cascarilla de arroz, el cálculo de la esfericidad fue realizado según la ecuación 3.1,

aproximando su configuración física a la de un cilindro seccionado por la mitad a través de

su eje longitudinal.

φ = Área superficial de una esfera en el mismo volumen de la partícula ( )1.3Ec Área superficial de la partícula.

Con base en valores medidos de longitud y diámetro de la cascarilla, fueron encontrados los

valores de área superficial para una esfera con el mismo volumen de la partícula, así como,

el área superficial de la partícula. El resultado obtenido mostró un valor medio de

esfericidad de 0,49 de esfericidad para la cascarilla de arroz. En el Anexo A, se presenta el

análisis correspondiente para las 10 mediciones realizadas de diámetro y longitud de la

cascarilla.

36

Adicionalmente, considerándose un empacamiento normal de las partículas en el lecho y

con el valor de esfericidad anteriormente determinado, así como, a través de la Figura 3.1,

fue obtenido un valor de 0,64 para la porosidad de la cascarilla de arroz.

Fuente: KUNII, Daizo y LEVENSPIEL Octave. Fludization engineering. 2ª ed. Newton: Butterworth – Heinemann, 1991. 491 p.

Figura 3.1. Porosidad de un lecho de partículas en función de su empacamiento y su

esfericidad.

Finalmente, la densidad aparente del material combustible fue determinada por medio de la

ecuación 3.2 [11].

m

bp ε

ρρ−

=1

( )2.3Ec

donde:

mε : Porosidad del lecho de partículas.

En la Tabla 3.1 se presentan los valores de las densidades a granel y aparente calculadas.

37

Tabla 3.1. Densidad Aparente y a Granel de la Cascarilla de Arroz.

Densidad Valor (kg/m3)

A granel 140

Aparente 389

3.1.2 Análisis Granulométrico.

Este análisis tiene como objetivo determinar el tamaño medio y la distribución

granulométrica de la partícula de combustible utilizada en el equipo gasificador. El

diámetro medio de un conjunto de partículas es determinado por la ecuación 3.3 [12].

1−

= ∑

i

ip d

xd ( )3.3Ec

donde:

dp: Diámetro medio de las partículas.

di: Diámetro medio de las partículas retenidas en el tamiz i. Este valor corresponde al

promedio aritmético entre del tamaño de la apertura del tamiz i y el tamaño de la

apertura del tamiz inmediatamente inferior.

xi: Fracción másica de las partículas retenidas en el tamiz i.

Para la determinación del diámetro medio de la cascarilla de arroz fue adoptado el

procedimiento de tamizado en un clasificador tipo RO – TAP “Testing Sieve Shaker

Tyler”. Por lo tanto, se consideró un conjunto de máximo siete tamices o mallas

(incluyendo el recipiente colector de finos), teniéndose en cuenta que, a partir de la malla

de mayor apertura, los siguientes tamices deben tener la mitad de la apertura del tamiz

localizado inmediatamente encima. Las mallas o tamices utilizados en los ensayos están

caracterizadas según la norma ASTM – E11.

38

Con el propósito de obtener confiabilidad en la determinación del tamaño de partícula,

fueron realizados ocho ensayos de tamizado, de los cuales, dos de ellos correspondieron a

repeticiones. De igual forma, y a fin de mantener la representatividad del material en las

pruebas, las muestras correspondientes a los seis ensayos fueron seleccionadas de acuerdo

al procedimiento de cuarteo. Este procedimiento consiste en separar una cantidad

relativamente alta de material en cuatro partes aproximadamente iguales, para

posteriormente, eliminar dos de ellas en localización diagonal, hasta obtener un monto que

pudiera ser introducido en el primer tamiz de la máquina clasificadora. En todos los

ensayos, el tiempo de tamizado de las partículas fue de 10 minutos.

La Tabla 3.2 muestra los resultados de los ocho ensayos realizados y la información

estadística correspondiente, a partir de la cual, fue determinado el valor del diámetro medio

de la cascarilla de arroz. En el Anexo B se presenta en detalle el análisis granulométrico

realizado para cada uno de los ocho ensayos de tamizado. Los resultados obtenidos

evidenciaron una apreciable heterogeneidad de tamaño para la cascarilla de arroz de

acuerdo con el lote seleccionado.

Tabla 3.2. Diámetros medios de cascarilla de arroz.

Ensayo Diámetro Medio (mm)

1 0,898

2 0,609

3 1,030

4 0,662

5 0,989

6 0,948

Repetición 1 del ensayo 6 0,834

Repetición 2 del ensayo 6 0,948

Desviación Estándar (1) 0,177

Promedio Aritmético(1) 0,856

(1) Para los seis ensayos.

39

3.1.3 Análisis Inmediato.

El análisis inmediato de un combustible ofrece las fracciones en peso de humedad residual,

cenizas, material volátil y carbono fijo. Los valores de estas fracciones correspondientes a

la cascarilla de arroz utilizada se presentan en la Tabla 3.3.

Tabla 3.3. Análisis Inmediato de la Cascarilla de Arroz.

Ítem Valor (%)

Humedad residual 9,3

Carbono fijo 15,4

Volátiles 57,7

Cenizas 17,6

Los resultados muestran una cantidad relativamente alta de cenizas para la cascarilla de

arroz, que pueden causar problemas de sinterización y posterior colapso del lecho si la

temperatura de operación del gasificador sobrepasa los 900ºC [6]. Normalmente, la

sinterización lleva a la aglomeración (formación de partículas mayores por adhesión en el

lecho) cuando parte de las cenizas de la cascarilla se funden y chocan contra otras. De

igual forma, los óxidos alcalinos o las sales de sodio y potasio presentes en las cenizas

pueden reaccionar con la sílice contenida en las mismas, formando mezclas eutecticas que

presentan una temperatura de fusión relativamente baja (764 ºC) [13].

3.1.4 Análisis Elemental.

Este análisis se refiere a las fracciones en masa de los elementos carbono, hidrogeno,

oxigeno y nitrógeno presentes en la cascarilla de arroz. Los resultados obtenidos para la

cascarilla de arroz se ilustran en la Tabla 3.4.

40

Tabla 3.4. Análisis Elemental de la Cascarilla de Arroz.

Ítem Valor (% masa)

Carbono 36,6

Hidrogeno 5,83

Nitrógeno 3,31

Oxigeno 36,65

Azufre 0,01

Cenizas 17,6

Debido al bajo contenido de azufre en la cascarilla, característico de la biomasa de tipo

vegetal, el valor de este elemento será despreciado en la reacción química general de

gasificación para los cálculos del balance de masa y energía realizados en este capítulo.

Cabe mencionar que para el análisis de la reacción química de gasificación de cascarilla de

arroz, es necesario convertir los porcentajes de composición de cada elemento a moles por

cada 100g de cascarilla. Lo anterior se logra dividiendo cada elemento por su respectivo

peso atómico. Los resultados de la conversión másica a molar se muestran en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5. Composición química de la cascarilla de arroz por cada 100 g.

Elemento Valor

(% masa)

Peso

atómico

mol/100g

Carbono 36,6 12 3,05

Hidrogeno 5,83 1 5,83

Nitrógeno 3,31 14 0,24

Oxigeno 36,65 16 2,29

3.1.5 Análisis de Poder Calorífico.

El poder calorífico de la cascarilla de arroz fue determinado por bomba calorimétrica. Este

parámetro indica la capacidad energética que tiene la cascarilla de arroz como combustible.

41

El valor del poder calorífico superior reportado en laboratorio (en base seca) fue convertido

al valor del poder calorífico inferior, útil para el caso de gasificación, donde el agua

contenida en el gas energético está en forma de vapor. Esta conversión fue realizada

mediante la ecuación 3.4 [5]. En la Tabla 3.6 se muestran los valores de poder calorífico

inferior y superior, obtenidos para la cascarilla de arroz.

)9(2440 ufPCSPCI cascarillacascarilla −−= ( )4.3Ec

donde:

cascarillaPCI : Poder calorífico inferior de la cascarilla.

cascarillaPCS : Poder calorífico superior de la cascarilla.

f : Porcentaje en peso de hidrogeno contenido en la cascarilla.

u : Humedad de la cascarilla.

Tabla 3.6. Poder Calorífico de la Cascarilla de Arroz.

Poder Calorífico Valor (kJ/kg)

Superior 14.612

Inferior 13.559

3.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICO – QUÍMICA DEL MATERIAL INERT E DEL

LECHO

La finalidad del material inerte en un reactor de lecho fluidizado es incrementar el tiempo

de residencia de los sólidos reactivos y amortiguar las fluctuaciones fluidodinámicas debido

a los cambios físicos espontáneos que sufren las partículas de combustible [14]. Los

problemas de fluidización que presenta la cascarilla de arroz, debido principalmente a su

configuración física y tamaño de partícula relativamente grande, se ven contrarestados con

42

mezclas de material de forma esférica no reactivo, así como, de alta resistencia a la erosión.

Para este estudio se seleccionó arena común de río como material inerte del lecho. Sus

características físico - químicas se muestran en la Tabla 3.7.

Tabla 3.7. Propiedades físico químicas del material inerte.

Característica Valor Unidad

A granel 1.400 kg/m3 Densidad

Aparente 2.650 kg/m3

Punto de fusión 1.400 ºC

Dureza 7 Mohs

Cuarzo 96 – 98 %

Arcilla 4 – 2 %

Análisis químico Oxido de Hierro 0 – 5 %

Fuente: MEDINA M. Alberto. Arenas Industriales, Medellín 2005.

3.2.1 Análisis Granulométrico.

Al igual que para la cascarilla de arroz, la determinación del tamaño de partícula de la arena

fue realizado por tamizado en la máquina clasificadora tipo RO - TAP. Las mallas y las

consideraciones del proceso de tamizado para este material fueron las mismas del numeral

3.1.2. No obstante, debido principalmente a la mayor homogeneidad de este material,

fueron realizados únicamente cuatro ensayos para la determinación del diámetro medio del

material inerte del lecho. En la Tabla 3.8 se muestran los resultados obtenidos y en el

Anexo C, se presenta el análisis granulométrico detallado para cada unos de los cuatro

ensayos efectuados.

43

Tabla 3.8. Diámetros medios del análisis granulométrico para la arena.

Ensayo Diámetro Medio (mm)

1 0,379

2 0,382

3 0,386

4 0,392

Desviación Estándar 0,005

Promedio Aritmético 0,385

3.3 DESCRIPCION DEL EQUIPO GASIFICADOR

El equipo desarrollado por el Grupo de Investigaciones Ambientales (GIA) de la

Universidad Pontificia Bolivariana (UPB), consiste de un gasificador con cámara de

reacción en lecho fluidizado para operación en régimen burbujeante y atmosférico, que

utiliza aire como agente reactivo a fin de producir gas combustible de bajo poder calorífico

a partir de cascarilla de arroz.

A continuación, se describen las principales características operativas y los diferentes

subsistemas que componen el sistema gasificador: reactor, precalentador, alimentador de

combustible, separador de cenizas, eliminador de gases combustibles, muestreador de gas

producto, registrador de datos de proceso, alimentador de aire de fluidización- gasificación

y chasis.

3.3.1 Subsistema Reactor.

Este subsistema corresponde principalmente a la zona del gasificador donde se desarrollan

las reacciones químicas que convierten a la cascarilla de arroz en gas combustible (módulos

de reacción). Se incluyen la placa distribuidora del aire para la fluidización y la

gasificación, así como, la cámara amortiguadora de velocidad (plenum).

44

Módulos de Reacción: La zona de reacción está constituida por tres módulos (inferior,

intermedio y superior), con diámetro interno de 300 mm para el inferior y 400 mm para el

intermedio y el superior; La ampliación de diámetro en los intermedio y superior fue

realizada a fin de disminuir la velocidad de las partículas y su arrastre excesivo en la zona

del free-board (región donde también ocurren reacciones). De esta forma, se ofrece un

mayor tiempo de residencia a las partículas y mejores condiciones para una mayor

conversión energética de la cascarilla.

Debido a la elevada intensidad de contacto pared-partícula característica de un lecho

fluidizado, los módulos de reacción fueron construidos para resistir la abrasión en un

ambiente con temperaturas elevadas, así como, con longitud suficiente para permitir el

arrastre mínimo de partículas para fuera del gasificador. Cada módulo de reacción está

compuesto de concreto refractario, lana mineral y revestimiento exterior en acero al

carbono 1020, con altura de 1m para cada uno.

En la base del módulo inferior se posicionó la placa distribuidora del aire de gasificación y

fluidización proveniente de la cámara amortiguadora de velocidad (plenum). Este módulo

de reacción, posee cinco entradas para la medición de temperatura y cinco para la medición

de presión. Estas últimas, permiten identificar la calidad de la fluidización en el reactor, que

a su vez dictaminan el buen desempeño del gasificador.

Cabe mencionar que en los módulos intermedio y superior existen tomas de temperaturas

que igualmente ayudan en la inspección del proceso. Para el módulo superior fue

adicionado una válvula de alivio, que se acciona automáticamente caso haya una sobre

presión en la cámara de reacción del sistema gasificador.

Placa Distribuidora: La placa distribuidora de aire es una de las piezas de mayor

importancia para el buen desempeño del gasificador, ya que de ella depende en gran parte

la calidad de la fluidización de las partículas del lecho. Su función primaria es la de

introducir uniformemente el aire de fluidización en la cámara de reacción.

45

Este dispositivo consta de 24 boquillas verticales (tuyeres) con perforaciones laterales, a

través de las cuales pasa el aire que es distribuido uniformemente hacia el interior del

reactor. Este tipo de placa distribuidora presenta la ventaja de impedir retorno de material

del lecho hacia el plenum y conveniencia en su uso a alta temperatura.

Plenum: El plenum es la cámara amortiguadora de velocidad de aire y de los gases

calientes empleados en el precalentamiento del lecho; su función principal es la de

direccionar el flujo de gases hacia el reactor a baja velocidad, evitando la formación de

canales preferenciales. De igual forma, esta cámara actúa como conector entre la placa

distribuidora y el subsistema de precalentamiento o la línea de aire para la fluidización –

gasificación.

3.3.2 Subsistema Precalentador del Lecho Fluidizado.

El objetivo de este subsistema es el de calentar el material inerte del lecho (arena) residente

en los módulos de reacción a la temperatura necesaria para promover la auto-ignición de la

cascarilla de arroz en etapa previa a la gasificación.

El precalentamiento se realiza mediante la combustión de gas natural en un quemador

industrial acoplado al plenum. Los gases calientes generados por el quemador pasan a

través de la arena del lecho, calentándola hasta una temperatura aproximada de 450°C,

temperatura en la que se asegura la auto-ignición de la cascarilla. Una vez terminada la

etapa de precalentamiento, el quemador deja de operar y se procede con la adecuación de

las condiciones de alimentación de cascarilla y aire, de tal modo que se logre inicialmente

una combustión y se alcance el calentamiento final del lecho.

Se debe tener en cuenta que la potencia térmica del quemador debe suplir la necesidad para

lograr el calentamiento de inertes en poco tiempo. Igualmente este dispositivo no debe

promover flujos de aire o caídas de presión inadecuadas a través de la placa distribuidora y

debe estar localizado lo mas cerca posible al plenum, de modo tal que se disminuyan las

perdidas de calor a través de tuberías o conexiones.

46

La Figura 3.2 muestra el quemador industrial utilizado para el precalentamiento del lecho

fluidizado. El equipo puede trabajar con gas natural o GLP, e incorpora una válvula

solenoide que a su vez contiene la válvula para el piloto de ignición. Las válvulas de gas

están normalmente cerradas y operan a 24 voltios bajo condiciones de alta presión. El

cañón del quemador esta conformado por un cilindro interno en acero inoxidable de 4” de

diámetro y un recubrimiento en concreto refractario. La ignición para el piloto de gas se da

por medio de un electrodo sensor, el cual utiliza un tiempo de purga de 30 segundos.

Figura 3.2. Subsistema de precalentamiento.

3.3.3 Subsistema Alimentador de Combustible.

Este subsistema tiene la finalidad de suministrar la cascarilla de arroz a la cámara de

reacción del gasificador a una tasa de descarga continua. Está compuesto por un silo de

almacenamiento, un tornillo dosificador, un tornillo alimentador, un motoreductor, un

sistema de refrigeración para la rosca alimentadora y un variador de frecuencia con el que

se controla la velocidad del motoreductor y posteriormente la rata de alimentación de

cascarilla. Las Figuras 3.3 y 3.4, muestran los principales detalles de este subsistema.

Cañón del quemador.

Rotámetro de gas natural

47

Los combustibles biomásicos usualmente son difíciles de alimentar como consecuencia de

su baja densidad y su naturaleza abrasiva. De igual forma, varios autores reportan descargas

no uniformes de combustible a bajas ratas de alimentación, debido principalmente, a

compresiones cíclicas que hacen que el combustible se comprima antes de ser alimentado

[4]. No obstante, para las tasas de alimentación utilizadas en la evaluación del gasificador

(alrededor de 45 kg/h), tales fenómenos no fueron encontrados.

La rosca dosificadora (localizada en la base del silo de almacenamiento) entrega cascarilla

a la rosca alimentadora (localizada en el punto de alimentación de combustible) a la

cantidad establecida para operación. Las dos roscas son accionadas por un sistema de

piñones acopladas al motoreductor con velocidad de giro controlada por el variador de

frecuencia. La rosca alimentadora, de dimensiones similares a la dosificadora, es obligada a

operar a mayor velocidad de rotación que la dosificadora, con el fin de evitar la

acumulación de cascarilla y poder garantizar la alimentación permanente.

Figura 3.3. Detalle del subsistema de alimentación.

El sistema de refrigeración, además de ayudar en la conservación del buen estado de la

rosca alimentadora por exposición a alta temperatura, previene la pirólisis y la

carbonización de la cascarilla antes de su entrada al reactor.

Tornillo dosificador.

Tornillo alimentador

.

48

Figura 3.4. Subsistema de alimentación.

3.3.4 Subsistema Separador y Colector de Material Particulado.

Con el propósito de realizar la limpieza de gas energético generado en el proceso de

gasificación, se utiliza un ciclón de alta eficiencia para la separación de material particulado

proveniente del reactor. Este dispositivo esta localizado a la salida del módulo superior de

reacción y su objetivo es la captura de cenizas y posibles inquemados elutriados del reactor.

La colección de sólidos se realiza en un tambor hermético, el cual está ubicado en la parte

inferior del ciclón. Las Figuras 3.5 y 3.6, muestran los principales detalles de este

subsistema.

Tolva de almacenamiento

Cámara de reacción

49

Figura 3.5. Separador de material particulado.

Figura 3.6. Colector de partículas.

Ciclón de alta eficiencia

Descarga de material

particulado

Cámara de reacción

Colector de partículas

Tomas de presión para la inspección de la

fluidización

50

3.3.5 Subsistema Eliminador de Gas Combustible.

Aunque los gases producto de la gasificación de cascarilla de arroz son combustibles,

igualmente son potencialmente peligrosos y contaminantes. Un quemador atmosférico con

alimentación de gas natural posicionado en la boca de la chimenea tiene la función de

transformar el gas combustible (H2, CH4, CO e hidrocarburos pesados en forma de

alquitranes, CxHy), en los productos típicos de una combustión (CO2, H2O y N2). De esta

forma se evita un impacto ambiental negativo en las vecindades del equipo gasificador y se

demuestra la magnitud energética del gas obtenido, tal y como lo muestra la Figura 3.7.

Figura 3.7. Combustión del gas producto de la

gasificación de cascarilla de arroz.

Chimenea

Sistema de ignición

51

Debido principalmente a la fuerza de los vientos a la altura superior de la chimenea, es

necesaria la adición de gas natural al mecanismo de eliminación del gas de proceso. Con

esto, se aumenta el poder calórico del gas energético de la gasificación, permitiendo la

estabilidad requerida para la llama, y por lo tanto, la quema constante del gas producto.

Este mecanismo fue diseñado de tal forma que no se necesitaran tomas de aire externas

para el desarrollo de la combustión. El aire es mezclado por efecto venturi con el gas

proveniente del gasificador y el gas natural. Adicionalmente, a través de un transformador

de alto voltaje se produce la chispa para la ignición de la mezcla de gases, con

accionamiento manual en los momentos requeridos.

3.3.6 Subsistema Muestreador de Gas Combustible.

Este subsistema se encarga de la adecuación y colección del gas combustible para su

posterior evaluación en el cromatógrafo. Para la colecta se utilizaron bolsas Tedlar® de 1

litro de capacidad, acopladas a una sonda de muestreo y a una bomba de vacío, la cual no

permite un contacto directo con el gas. Esta técnica ya ha sido utilizada en trabajos previos,

(Sánchez, 19945 y Ramírez, 19996), y siendo empleada con los debidos cuidados, tiene la

ventaja de ser bastante económica con relación a un sistema de muestreo en línea a través

de cromatografía con acompañamiento en tiempo real [6]. En la Figura 3.8, se presenta un

esquema del subsistema muestreador empleado.

El tren de muestreo consistió de una sonda de tubería de cobre, acoplada a un recipiente

lleno de arena donde se elimina una parte de los alquitranes más pesados. La salida del gas

pasa a través de dos trampas de vapor inmersas en una caja fría para separar el exceso de

agua y otros compuestos condensables contenidos en el gas. Posteriormente, el gas es

obligado a pasar por un filtro de fibra de vidrio para la eliminación de las partículas de

alquitranes que no fueron filtradas en la trampa de arena. A la salida del filtro, el gas

5 SÁNCHEZ, C. Estudo da Volatilização e da Gaseificação de Biomassa em Leito Fluidizado. Brasil: UNICAMP, 1994. Tesis (Doctor en Ingeniería Mecánica). 6 RAMÍREZ B. Jhon Jairo. Disminuçao de H2S na gaseificação de carvão mineral mediante adiío de dolomita em reator de leito fluidizado. Brasil: UNICAMP, 1999. Tesis (Master en Ingeniería Mecánica).

52

ingresa a la bolsa Tedlar® por acción mecánica de succión provocada por vacío externo

dentro de una cámara hermética.

Figura 3.8. Esquema del tren de muestreo para colecta del gas combustible.

3.3.7 Subsistema Registrador de Temperaturas de Proceso.

La temperatura es uno de los parámetros de proceso que requieren ser monitoreados

durante las fases de precalentamiento, calentamiento y gasificación propiamente dicha. La

adquisición de valores de temperatura en lugares estratégicos del equipo gasificador

permiten agilizar el control y el análisis de las condiciones operacionales en tiempo real

durante los experimentos. La Figura 3.9, muestra un diagrama con los principales

componentes de este subsistema.

Figura 3.9. Componentes del sistema de adquisición de datos.

SENSORES DAQ PC SOFTWARE

ACONDICIONADOR Y CONCENTRADOR DE

SEÑALES

53

Los sensores representan las termocuplas que miden las respectivas temperaturas en los

diferentes puntos del proceso. Para el caso específico de operación a alta temperatura se

seleccionaron termocuplas tipos K, las cuales fueron posicionadas en 12 puntos del sistema

gasificador.

El acondicionador y concentrador de señales, recibe las señales eléctricas enviadas por las

termocuplas, acondicionándolas y convirtiéndolas a código binario para luego enviarlas a la

tarjeta de adquisición de datos (DAQ).

La tarjeta de adquisición de datos sirve como interfase entre los sensores y el software; este

dispositivo recibe las señales binarias del acondicionador para entregarlas al software, que

finalmente realiza las respectivas operaciones de almacenamiento y visualización de la

temperatura.

Para la indicación en pantalla y el procesamiento de los datos de temperatura obtenidos en

tiempo real, se utilizó el software NI - DAQ, integrado con el “data logger” NI 4350 (High-

Precision Temperature and Voltage Logger for USB - NATIONAL INSTRUMENTS). Este

software permite el acceso a las características del hardware para una alta precisión del

DAQ y el desarrollo de soluciones para el registro de datos.

3.3.8 Subsistema Alimentador del Aire de Fluidización y Gasificación.

La gasificación en lecho fluidizado es efectuada con las partículas de combustible sólido e

inertes mantenidas en suspensión debido a la fuerza ascendente del agente gasificante que

se inyecta al sistema. Aire atmosférico es utilizado para esta finalidad, y es suministrado al

gasificador mediante un soplador rotativo de alta presión, marca FPZ SCL 30 DH de 2 HP

de potencia. Adicionalmente, el mecanismo de control y medición de caudal de aire (placa

de orificio) de alimentación hacen parte de este subsistema.

Las Figuras 3.10 y 3.11, muestran la máquina impulsora de aire y la placa de orificio para

la medición del fluido alimentado al gasificador, respectivamente.

54

Figura 3.10. Soplador rotativo.

Figura 3.11. Placa de orificio.

El control del caudal de aire entregado al gasificador es realizado a través del

accionamiento manual de un conjunto de válvulas (tipos compuerta y globo) posicionadas

estratégicamente en el trayecto de dos líneas de suministro de aire, identificadas como línea

de aire primario y línea de aire secundario. La línea de aire primario se encarga de

suministrar el aire requerido por el quemador de gas natural durante la etapa de

precalentamiento, mientras que la línea de aire secundario fue empleada para mantener el

Rotámetro de aire

Filtro de aire

Soplador de alta presión

Placa de orificio

Toma de presión

corriente arriba

Toma de presión

corriente abajo

55

proceso de gasificación. Ambas líneas fueron provistas con instrumentos de medición de

caudal; en la línea de aire primario se posicionó un rotámetro para el control de la

combustión del subsistema de precalentamiento, y en la línea de aire secundario, un sistema

estándar de placa de orificio.

3.3.9 Subsistema Chasis.

Este subsistema comprende la estructura soporte del equipo de gasificación. En la Figura

3.12 se aprecia el equipo gasificador con sus principales subsistemas, entre ellos el

subsistema chasis.

Figura 3.12. Sistema gasificador.

56

3.4 CALIBRACION Y ADECUACION DE LOS COMPONENTES DEL EQU IPO

GASIFICADOR

A continuación se presenta la experiencia obtenida con los ensayos preliminares de

gasificación. El propósito de dichos experimentos fue determinar las características de

funcionamiento de los subsistemas de alimentación de cascarilla y de aire de fluidización,

así como, del subsistema precalentador, a fin de calibrar y corregir problemas operacionales

que garantizaran la realización de los ensayos definitivos de gasificación.

3.4.1 Subsistema Alimentador de Cascarilla.

Después de corregirse problemas de alineamiento de las roscas dosificadora y alimentadora,

y de haberse eliminado las fugas internas de agua del sistema de refrigeración, fueron

realizadas pruebas con carga de material en la tolva de almacenamiento de la cascarilla. No

se observaron problemas de canales preferenciales o formación de arcos dentro del silo, ni

calentamientos excesivos del motor o de su sistema de control de giro. Aire comprimido

debió ser adicionado en la zona de descarga de la rosca dosificadora a la alimentadora, para

solucionar el problema de contra flujo de gases condensables a la zona de alimentación de

cascarilla. Debido a que fue verificado que el contra flujo de gases a través del tornillo

alimentador dependía fuertemente de la cantidad de material inerte en el lecho, se optó por

limitar la masa de arena a un máximo de 30 kg. Con esta cantidad, el problema de contra

flujo de condensables y alquitranes a la zona de alimentación fue completamente

controlado.

Calibración del subsistema de alimentación: La realización de la calibración del

mecanismo alimentador fue realizada con silo lleno de cascarilla, determinándose la masa

evacuada por unidad de tiempo para diez velocidades de giro del tornillo dosificador. En la

Figura 3.13 se presenta la curva de calibración del subsistema en función de la lectura

indicada por el variador de frecuencia que controla la velocidad de giro del motor.

57

m_cascarilla = 0,0644.(VFD)

R2 = 0,9973

05

101520253035404550556065707580859095

100

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

LECTURA DEL VARIADOR DE FRECUENCIA - VFD

DE

SC

AR

GA

DE

CA

SC

AR

ILLA

(kg

/h)

Figura 3.13. Curva de calibración del tornillo dosificador.

3.4.2 Subsistema Alimentador de Aire de Fluidización.

Con los 30 kg de material inerte necesarios para evitar el contra flujo de gases condensables

a la zona de alimentación, fueron realizadas pruebas para verificar el correcto

funcionamiento del soplador y poder garantizar la fluidización en las condiciones

experimentales impuestas. Los ensayos experimentales realizados evidenciaron que la

cantidad de material inerte necesaria para fluidizar bajo condiciones en frío se adecuan sin

problema a los 30 kg de arena dentro del lecho (0,32 m de altura de lecho fijo).

3.4.3 Subsistema Precalentador.

Las actividades necesarias para la puesta a punto del quemador industrial correspondieron

al procedimiento sugerido por personal técnico de la empresa Premac S.A, fabricante del

equipo utilizado. Debido principalmente a que el aire de combustión provino del soplador

del sistema gasificador, las pruebas de adecuación se focalizaron en garantizar la presión y

58

la energía necesaria de los gases producto de la combustión, de modo tal, que los 30 kg de

material inerte fueran completamente fluidizados y calentados a una temperatura promedio

de 450ºC en un tiempo relativamente corto.

3.5 BALANCE DE MASA Y ENERGÍA PRELIMINAR PARA LA

DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS OPERACIONALES

A continuación se presenta el balance de masa y energía para el sistema de gasificación,

con base en información encontrada en la literatura y datos del combustible levantados para

este estudio. Aunque los resultados obtenidos a partir de dicho balance son solo

aproximaciones, estos sirven como valores preliminares para las variables de proceso, las

cuales serán ajustadas posteriormente a través de los ensayos experimentales.

3.5.1 Balance de Masa.

Para la realización del balance de masa del sistema gasificador, fueron necesarios datos

referentes a la composición química del gas combustible a ser producido. En la Tabla 3.9,

se presentan los valores de concentración promedio esperados para monóxido de carbono

(CO), metano (CH4) e hidrogeno (H2) en un gasificador de lecho fluidizado a escala piloto

que utiliza cascarilla de arroz como combustible.

Tabla 3.9. Composición estimada de compuestos energéticos en el gas producto.

Gas

Combustible

Composición en

Base Molar (%)

CO 12,0

CH4 4,0

H2 3,0


59

Adicionalmente, fue requerido el valor de la velocidad de completa fluidización

concerniente a las características del equipo construido, teniendo en cuenta las propiedades

físico - químicas de los materiales fluidizados y las condiciones de temperatura y presión

bajo las cuales se llevará a cabo el proceso de gasificación. Restrepo (2003)7 encontró una

velocidad teórica promedio de completa fluidización de 0,7 m/s para un lecho conformado

por cascarilla de arroz y arena a 750ºC y 1 atm (mismas condiciones adoptadas para el

presente estudio); los resultados detallados son presentados en la Tabla 3.10. Natarajan et al

(1998)8 reportó valores similares para mezclas de estos dos materiales (Tabla 2.5).

Tabla 3.10. Velocidad de Completa Fluidización para Arena y Cascarilla de Arroz.

Velocidad de

Completa Fluidización

Características

Físico – Químicas

Diámetro

del Reactor

Valor

Arena

Diámetro medio: 500 µm

Densidad aparente: 2.703 kg/m3

Porosidad: 0,46

Esfericidad: 0,765

0,92 m/s

Cascarilla de Arroz

Diámetro medio: 1.480 µm

Densidad aparente: 193,6 kg/m3

0,48 m/s

Mezcla Arena – Cascarilla de Arroz

300 mm

0,7 m/s

Fuente: RESTREPO P. Constantino. Diseño de un gasificador de lecho fluidizado a escala industrial para cascarilla de arroz. Medellín: UPB, 2003. Tesis (Ingeniero Mecánico).

Además de los gases combustibles mencionados en la Tabla 3.10, el gas producto de la

gasificación de cascarilla de arroz contendrá los componentes típicos de una combustión:

dióxido de carbono (CO2), vapor de agua (H2O(g)), nitrógeno (N2), pocas cantidades de

oxigeno (O2) y alquitranes (CxHy). Para simplificación de los cálculos, la presencia de

7 RESTREPO P. Constantino. Diseño de un gasificador de lecho fluidizado a escala industrial para cascarilla de arroz. Medellín: UPB, 2003. Tesis (Ingeniero Mecánico). 8 NATARAJAN, E.; NORDIN, A.; RAO, A. Overview of Combustion and Gasification of Rice Husk in Fluidized Bed Reactors. Biomass & Bioenergy, v. 14. 1998. pp. 533-546.

60

alquitranes no fue considerada en la reacción química de gasificación referente a la

composición molar del combustible utilizado:

( ) ( ) ObHOaHNOxNOHCx 222221 76,3)24,029,283,505,3 +++++++

( ) CxNxCOxOHxCHHCOx 6252423427 3412 ++++++→

)5.3(Ec

donde:

ix : Coeficientes molares.

x6C: Carbono residual en las cenizas.

a: Moles de agua en la cascarilla.

b: Moles de agua en el Aire.

Moles de agua en la cascarilla de arroz: El contenido de humedad en el material

combustible con relación a su composición inicial en base seca fue definido como:

s

agua

s

shsb w

w

w

wwh =

−=).( ( )6.3Ec

donde:

wh: Masa de combustible húmedo.

ws: Masa de combustible seco.

wagua: Masa de agua.

La composición molar de la cascarilla presentada en la Tabla 3.5 se calculó sobre la base de

100g en base seca, por lo que la masa seca de cascarilla en la reacción de gasificación es

establecida por la relación:

61

1100 xws ⋅= ( )7.3Ec

Reemplazando la ecuación 3.7 en la 3.6, sustituyendo el valor de humedad en base seca

reportada en la Tabla 3.3 y despejando para wagua, se obtuvo la masa de agua contenida en

la cascarilla:

13,9 xwagua ⋅= ( )8.3Ec

En moles:

15167,0 xanagua ⋅== ( )9.3Ec

Moles de agua en el aire: De acuerdo con la teoría básica de psicrometría, las relaciones de

humedad absoluta (w) y humedad relativa (φ) para una mezcla de vapor de agua y aire son

expresadas a través de las siguientes relaciones:

a

v

m

mw = ( )10.3Ec

g

v

P

P=φ ( )11.3Ec

g

g

PP

Pw

⋅−⋅⋅=

φφ622,0 ( )12.3Ec

donde:

mv: Masa de vapor de agua.

ma: Masa de aire seco.

Pv: Presión parcial de vapor de agua.

62

Pg: Presión de saturación a la temperatura de operación.

P: Presión atmosférica.

La Tabla 3.11, muestra los valores promedio de temperatura, presión atmosférica y

humedad relativa para la ciudad de Medellín, necesarios para el cálculo de la humedad

absoluta.

Tabla 3.11. Propiedades psicrométricas del aire para la ciudad de Medellín.

Ítem Valor Unidad

Temperatura 27 ºC

Presión de saturación a 27ºC 3.567 kPa

Presión atmosférica 84.900 kPa

Humedad relativa 60% ---

Reemplazando los valores de la Tabla 3.11, en la ecuación 3.12, fue encontrado el valor de

humedad absoluta para las condiciones promedio de Medellín.

oaire

agua

g

gw

sec

016,0−

= ( )13.3Ec

Debido a que el aire está formado por 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno en volumen,

para cada mol de oxígeno involucrado en el proceso de oxidación, intervienen 3.76 moles

de nitrógeno. La cantidad en masa de dichos elementos fue determinada multiplicando cada

elemento por su respectivo peso molecular. La Tabla 3.12, muestra los pesos moleculares

del oxigeno y nitrógeno y su cantidad equivalente en gramos.

63

Tabla 3.12. Cantidades de oxígeno y nitrógeno presentes en el aire.

Gas Moles Peso Molecular

(g/mol)

Masa

(g)

O2 1 32 32

N2 3,76 28 105,28

Aire 4,76 28,84 137,28

De lo anterior, y a partir de la reacción de gasificación planteada en la ecuación 3.5, fue

posible establecer una relación para la masa de aire seco (ma), en función de los

coeficientes de reacción:

228,137 xma ⋅= ( )14.3Ec

De acuerdo a la definición de humedad absoluta (ecuación 3.10), a su valor promedio

encontrado para Medellín (ecuación 3.13) y a la expresión para la masa de aire seco

(ecuación 3.14), se obtuvo la relación final para el cálculo de la masa de agua en el aire, en

función de los coeficientes de reacción para la gasificación.

2196,2 xmv ⋅= ( )15.3Ec

En moles:

2122,0 xbnv ⋅== ( )16.3Ec

Carbono en las cenizas: El carbono en las cenizas de la cascarilla de arroz se refiere a la

cantidad de este elemento que no alcanzó a ser transformado a gas durante el proceso. En

sistemas fluidizados, bajos porcentajes de conversión de carbono pueden ser causados por

insuficiente volumen de material inerte y/o por la presencia de una elutriación considerable

de la cascarilla por fricción dentro del lecho, lo que posibilita cortos tiempos de residencia.

De igual forma, altas velocidades de fluidización para las partículas menores del lecho y/o

una corta altura de la cámara de reacción, pueden llevar a que el carbono presente en la

64

cascarilla de arroz no logre ser transformado completamente en gas energético. En general,

el carbono residual presente en las cenizas de cualquier combustible, depende de la

eficiencia de oxidación en el equipo. Para el presente proyecto y para efecto de cálculos

térmicos aproximados, fue adoptado un valor de 20% para el carbono residual [15],

asumiéndose liberación total del material volátil del combustible.

De acuerdo con el análisis inmediato para la cascarilla de arroz presentado en la Tabla 3.3,

y a lo explicado anteriormente, fueron obtenidas las moles de carbono residual en la

cascarilla, multiplicando el porcentaje de carbono residual en las cenizas con el porcentaje

de cenizas en la cascarilla:

cenizas

residualcarbonoresidual m

mCarbono _2,0%20 =⇒= ( )17.3Ec

).(

176,0%6,17sbcascarilla

cenizas

m

mCenizas =⇒= ( )18.3Ec

).(0352,0 sbcascarillaresidualcarbono mm ⋅=− ( )19.3Ec

Considerando que ).( SBcascarillam corresponde al mismo peso seco ws utilizado en el cálculo

del agua contenida en la cascarilla, la substitución de la ecuación 3.7 en la ecuación 3.18

permitió obtener:

152,3 χ⋅=−residualcarbonom ( )20.3Ec

En moles:

1293,0 χ⋅=−residualcarbonon ( )21.3Ec

65

Flujo molar de aire seco: De acuerdo con la velocidad de completa fluidización

seleccionada (0,7 m/s), el diámetro interior del reactor (300 mm) y a la ecuación de

continuidad para el aire seco alimentado, se tiene que:

).(.).( ocaireTocsbaire AUfm ρ⋅⋅=•

( )22.3Ec

donde:

).( sbairem•

: Flujo másico de aire seco (kg/s)

).( ocaireρ : Densidad del aire a condiciones de operación (kg/m3).

AT: Área transversal del reactor (m2)

Ufc.o: Velocidad de fluidización a condiciones de operación (m/s).

Como fue mencionado anteriormente, las condiciones consideradas para el proceso de

gasificación en reactor de lecho fluidizado en régimen burbujeante y atmosférico fueron

750ºC y 1 atm. Por lo tanto, según la ecuación para gas ideal:

ocaire

ococ TR

P

.

.. ⋅

=ρ ( )23.3Ec

donde:

Pc.o: Presión a condiciones de operación (1 atm = 101,325 kPa).

Tc.o: Temperatura a condiciones de operación (750 ºC = 1.023,15 K).

Raire: Constante de gas para el aire (0,287 kJ/kg.K)

De las ecuaciones 3.22 y 3.23 se obtiene que:

skgm sbaire 01707,0).( =

• ( )24.3Ec

66

Teniendo en cuenta el peso molecular del aire reportado en la Tabla 3.12, fue determinado

el flujo molar de aire seco para la gasificación:

aire

sbairesbaire

Mw

mn

).().(

••

= ( )25.3Ec

skmoln sbaire 000592,0).( =

• ( )26.3Ec

Coeficientes de la reacción global de gasificación: A partir de los parámetros calculados

anteriormente, fue desarrollado un balance molar para cada elemento presente en la

reacción global de gasificación:

( ) ( ) OHxOHxNOxNOHCx 22212221 122,05167,076,3)24,029,283,505,3 +++++++

( ) CxNxCOxOHxCHHCOx 6252423427 3412 ++++++→

)27.3(Ec

Para el Carbono:

674771 31205,3 xxxxxx +++= )28.3(Ec

Para el Nitrógeno:

( ) 7521 2276,324,0 xxxx =⋅+ )29.3(Ec

Para el Oxigeno:

747372121 212122,05167,0229,2 xxxxxxxxx ++=+++ )30.3(Ec

67

Para el Hidrogeno:

( ) ( ) ( ) ( ) 7377211 243242122,025167,083,5 xxxxxxx +⋅+⋅=⋅+⋅+ )31.3(Ec

De la composición molar estimada del gas producto:

81543 =++ xxx )32.3(Ec

Adicionalmente, de la ecuación 3.21 (carbono residual en las cenizas) se obtuvo:

16 293,0 xx ⋅= )33.3(Ec

Las ecuaciones 3.28 a 3.33 forman un sistema de 6 ecuaciones con 7 incógnitas que puede

ser resuelto si se conoce adicionalmente el coeficiente de reacción del aire de gasificación.

Este valor corresponde a la relación entre el flujo molar de aire seco que garantiza la

velocidad de completa fluidización seleccionada para el presente proyecto y las moles netas

de aire que intervienen en el proceso de oxidación:

mol

nx

sbaire

76,4).(

2

•

= ( )34.3Ec

Reemplazando la ecuación 3.26 en la ecuación 3.34:

12 1243,0

76,4

592,0−== s

mols

molx ( )35.3Ec

Al resolverse el sistema de ecuaciones se obtuvieron los valores para los coeficientes xi por

unidad de segundo:

68

17

16

15

14

13

12

11

0095,0

0246,0

95,49

26,9

788,21

1243,0

0841,0

−

−

−

−

−

−

−

=

=

=

=

=

=

=

sx

sx

sx

sx

sx

sx

sx

( )36.3Ec

Con esto, la reacción de gasificación finalmente obtenida fue:

( ) ( ) OHOHNONOHC 2222 01517,04348,076,31243,0)24,029,283,505,30841,0 +++++++⋅( ) CNCOOHCHHCO 0246,095,4926,9788,2134120095,0 22242 ++++++→

)37.3(Ec

Descarga de cascarilla: A partir del valor hallado para x1 y de la ecuación 3.7, fue

calculado el flujo másico de cascarilla de arroz seca. El Flujo másico de cascarilla húmeda

fue obtenido sumando el agua contenida en el material (ecuación 3.9) al flujo de

combustible seco:

hkgm sbcascarilla 29,30).( =

• )38.3(Ec

hkgm hbcascarilla 11,33).( =

• )39.3(Ec

Descarga de aire: El flujo másico de aire seco fue presentado en la ecuación 3.24. El flujo

másico de aire húmedo fue establecido sumando a dicho valor, la cantidad de agua presente

en el aire. Por lo tanto, teniendo en cuenta la hora como unidad de tiempo:

hkgm sbaire 47,61).( =

• )40.3(Ec

69

hkgm hbaire 45,62).( =

• )41.3(Ec

Descarga de residuos sólidos: De acuerdo a lo establecido en la ecuación 3.20 y al valor

hallado para x1, el flujo de cenizas en el proceso de gasificación de cascarilla de arroz fue:

hkgmcenizas 33,5=

• )42.3(Ec

Según lo explicado anteriormente, el flujo de carbono residual en las cenizas de la

cascarilla de arroz gasificada, en función de la cascarilla de arroz seca, fue obtenida a través

de la ecuación 3.19:

hkgm residualcarbono 06,1=−

• )43.3(Ec

Descarga de gas producto: La descarga de gas producto fue determinado por diferencia,

con base en la Figura 3.14:

gasm•


cenizasm•

).( hbairem•

Figura 3.14. Flujos de masa en el gasificador.

70

Balance:

gascenizashbairehbcascarilla mmmm••••

+=+ ).().( )44.3(Ec

donde:


: Flujo de cascarilla en base húmeda.

).( hbairem•

: Flujo aire en base húmeda.

cenizasm•

: Flujo de cenizas.

gasm•

: Flujo gas producto.

Despejando gasm•

de la ecuación 3.44, y reemplazando las ecuaciones 3.39, 3.41 y 3.42 en

la misma, se obtuvo:

hkgmgas 24,90=

• )45.3(Ec

La descarga molar de gas producto fue calculada a partir del peso molecular ponderado de

dicho gas. La Tabla 3.13 muestra las fracciones molares de los componenentes del gas

producto y los respectivos pesos moleculares.

( )∑ ⋅= iigas MwyMw____

)46.3(Ec

71

Tabla 3.13. Fracciones molares y pesos moleculares de los componentes del gas producto.

Gas Fracciones

molares

Pesos moleculares

(kg/kmol)

CO 12 28

CH4 3 16

H2 4 2

CO2 9,26 44

H2O 21,79 18

N2 49,95 28

Reemplazando los pesos moleculares correspondientes a cada gas componente en la

ecuación 3.46, se obtuvo el peso molecular ponderado del gas producto de la gasificación

de cascarilla de arroz.

kmolkgMwgas 9,25

____

= )47.3(Ec

De acuerdo a las ecuaciones 3.45 y 3.47, fue calculada la descarga molar de gas producto:

skmolngas 48,3=

• )48.3(Ec

En la Tabla 3.14 se presenta el resumen de los resultados obtenidos para los flujos másicos

del proceso de gasificación de cascarilla de arroz.

72

Tabla 3.14. Flujos másicos teóricos para la gasificación de cascarilla de arroz.

Flujo Símbolo Valor (kg/h)

Cascarilla de Arroz en base húmeda ).( hbcascarillam

•

33,11

Aire en base húmeda ).( hbairem

•

62,45

Cenizas cenizasm

•

5,33

Gas energético gasm

•

90,24

3.5.2 Balance de Energía.

Para la realización del balance de energía del sistema gasificador, fueron considerados los

flujos energéticos ilustrados en la Figura 3.15:

gasE

pérdidasE

cascarillaE

aireE

Figura 3.15. Flujos energéticos en el gasificador.

De acuerdo a lo planteado en la Figura anterior, un balance de energía determina:

gaspérdidasairecascarilla EEEE +=+ ( )49.3Ec

73

donde:

Ecascarilla: Energía correspondiente a la cascarilla de arroz.

Eaire: Energía debida al aire de fluidización

Egas: Energía del gas producto de la gasificación.

Epérdidas: Energía correspondiente a las pérdidas por calor.

Energía correspondiente a la cascarilla de arroz: La energía desprendida por el

combustible corresponde a la expresión:

cascarillasbcascarillacascarilla PCImE ×=•

).( ( )50.3Ec

Reemplazando el flujo másico de cascarilla en base seca (ecuación 3.38) y su respectivo

poder calorífico inferior (Tabla 3.5) en la ecuación 3.50, se obtiene:

kWEcascarilla 10,114= ( )51.3Ec

Energía debida al aire de fluidización: Considerando que el aire alimentado al sistema

gasificador entra a la misma temperatura de referencia (25 ºC), se tiene que:

0=aireE ( )52.3Ec

Energía del gas producto de la gasificación: La energía del gas producto de la gasificación

es igual a la suma de la energía química (útil) y la energía sensible del gas:

( ) ( )gassensiblegasquímicagas EEE += ( )53.3Ec

La energía química o útil del gas producto corresponde a la energía contenida en los gases

combustibles (CO, CH4 y H2) de la mezcla:

74

( ) gasgasgasquímica PCInE ×=

• ( )54.3Ec

El poder calorífico de cada componente fue calculado como la diferencia entre la entalpía

de los reactivos y la entalpía de los productos cuando se produce la combustión completa a

una determinada temperatura y presión:

eP

feR i

fi hhnhhnPCI ∑∑

∆+−

∆+=−− ºº

( )55.3Ec

donde:

fhº

: Entalpía de formación de cada producto – reactivo.

−∆ h : Cambio de entalpía entre las temperaturas de referencia y de interés para cada

producto – reactivo.

ni: Moles de los productivos.

ne: Moles de los reactivos.

Para una temperatura de gas producto de 25 ºC, se obtiene que:

eP

feR i

fi hnhnPCI ∑∑

−

=ºº

( )56.3Ec

En la Tabla 3.15, se presentan las entalpías de formación para los componentes del gas

producto.

75

Tabla 3.15. Entalpías de formación de los productos del gas energético.

Gas Entalpías de Formación

(kJ/kmol)

Monóxido de carbono (CO) -110.527

Dióxido de carbono (CO2) -393.525

Agua (H2O) -241.826

Metano (CH4) -74.873

Oxigeno (O2) 0

Nitrógeno (N2) 0

Hidrogeno (H2) 0

Fuente: VAN WYLEN Gordon J. Fundamentos de Termodinámica. Limusa Wiley. Mexico. p 892. 2002.

Para el Monóxido de carbono (CO):

222

1COOCO →+

−

+

=2

2

2

2

ººº

CO

fCOO

fOCO

fCOCO hnhnhnPCI

( ) ( ) ( )[ ]522.393102

1527.1101 −⋅−

⋅+−⋅=COPCI

kmol

kJPCICO 995.282= ( )57.3Ec

Para el Metano (CH4):

)(2224 22 gOHCOOCH +→+

76

+

−

+

=OH

fOHCO

fCOO

fOHC

fHCCH hnhnhnhnPCI2

2

2

2

2

2

4

44

ºººº

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]826.2412522.393102873.7414

−⋅+−⋅−⋅+−⋅=CHPCI

kmol

kJPCICH 301.802

4= ( )58.3Ec

Para el Hidrogeno (H2):

)(222 2

1gOHOH →+

−

+

=OH

fOHO

fOH

fHCO hnhnhnPCI2

2

2

2

2

2

ººº

( ) ( ) ( )[ ]826.241102

101 −⋅−

⋅+⋅=COPCI

kmol

kJPCIH 826.241

2= ( )59.3Ec

De lo anterior, y con la fracción molar de cada componente del gas producto:

( )∑ ×= iigas PCIyPCI ( )60.3Ec

( ) ( ) ( )kmol

kJHCHCOPCIgas 24 %826.241%301.802%995.282 ++= ( )61.3Ec

77

Reemplazando las concentraciones de CO, CH4 y H2 de la Tabla 3.9, en la ecuación 3.61,

se obtuvo:

kmol

kJPCIgas 701.67= ( )62.3Ec

Por lo tanto, sustituyendo el flujo molar de gas de la ecuación 3.48, y el poder calorífico

inferior de la ecuación 3.62, en la ecuación 3.54, se obtiene:

( ) kWEgasquímica 51,65= ( )63.3Ec

Usualmente, el poder calorífico inferior del gas energético es indicado en unidades de

MJ/Nm3. Para realizar esta conversión, el poder calorífico de cada gas combustible

(ecuaciones 3.57 a 3.59) fue dividido por su respectivo peso molecular (Tabla 3.14) y

posteriormente multiplicado por la densidad bajo condiciones normales de temperatura y

presión. La Tabla 3.16, muestra dichos valores.

Tabla 3.16. Densidades a condiciones normales del gas combustible.

Gas Combustible Densidad (kg/Nm3)

CO 1,2493

CH4 0,7139

H2 0,0892

( ) ( ) ( )324 %80,35%79,10%63,12

Nm

MJHCHCOPCIgas ++= ( )64.3Ec

Por otra parte, la energía sensible del gas generado incorpora la entalpía de cada

componente del gas producido a la temperatura de salida del gas:

( ) ( )∑ ⋅×=•

iigasgassensible hynE ( )65.3Ec

78

donde:

hi: Entalpía de cada gas combustible a la temperatura de operación del gasificador (750ºC)

en kJ/kmol.

yi: Fracciones molares de los gases componentes del gas producto.

Asumiendo que cada compuesto de la mezcla se comporta como gas ideal:

dT

dhCp = ( )66.3Ec

donde:

Cp: Calor específico a presión constante.

dh: Cambio de entalpía.

dT: Cambio de temperatura.

Despejando dh de la ecuación 3.66 e integrando desde una temperatura de referencia igual

25ºC (298,15K) hasta 750ºC (1.023,15K), se obtuvo la relación termodinámica para cada

una de las entalpías de los gases componentes del gas producto (CO, CH4, H2, CO2, H2O(g)

y N2):

dTCphK

K

ii ∫=15.1023

15.298

( )67.3Ec

La Tabla 3.17, muestra las capacidades caloríficas en función de la temperatura para el

cálculo de la entalpía de cada componente del gas producto de la gasificación.

79

Tabla 3.17. Calor específico de cada componente del gas en función de la temperatura.

Gas Calor específico. (Cp)

(kJ/kmol.K)

CO 27,63 + 0,005T

CH4 22,36 + 0,048T

H2 27,72 + 0.0034T

CO2 43,29 + 0,0115T - 818.519,4 T-2

H2O(g) 34,41 + 0,00063T + 0,0000056T2

N2 27,21 + 0,0041T

Fuente: PERRY H. Robert. Biblioteca del Ingeniero Químico. Volumen 1. 2º ed. México: Mc Graw Hill. 1986.

Desarrollando la integral de la ecuación 3.67, teniendo en cuenta las relaciones para el calor

específico de cada uno de los componentes del gas producto (Tabla 3.17), se obtuvieron las

entalpías de cada uno de los gases que conforman la mezcla. La Tabla 3.18 muestra dichos

valores.

Tabla 3.18. Entalpías de los componentes del gas energético.

Gas Entalpía

(kJ/kmol)

CO 22.439,72

CH4 39.265,56

H2 21.718,51

CO2 34.933,18

H2O(g) 27.204,61

N2 21.735,19

Reemplazando los valores de fracción molar (Tabla 3.13), entalpía (Tabla 3.18) y la

ecuación 3.48 y en la ecuación 3.65, la energía sensible del gas producto obtenida fue:

80

( ) kWE gassensible 95,23= ( )68.3Ec

Finalmente, sustituyendo la energía química del gas (ecuación 3.63) y su energía sensible

(ecuación 3.68) en la ecuación 3.56:

kWEgas 47,89= ( )69.3Ec

Pérdidas de energía: La energía perdida en el proceso corresponde a la diferencia del

balance energético teórico (ecuación 3.49). Esta energía está compuesta por el calor de

pérdidas por paredes más la energía contenida en los residuos sólidos.

residuosparedpérdidas EEE += ( )70.3Ec

De acuerdo con las ecuaciones 3.51, 3.52 y 3.69 y despejando la energía pérdida de la

ecuación 3.49, se obtuvo:

kWEpérdidas 63,24= ( )71.3Ec

La energía que sale con los residuos sólidos está compuesta por la pérdida de energía en el

carbono inquemado (carbono residual), y la pérdida de energía sensible en las cenizas:

cenizasresidualcarbonoresiduos EEE += _ ( )72.3Ec

La energía perdida por carbono residual es la energía química del carbono inquemado, más

la energía sensible del mismo:

( )carbonocarbonoresidualcarbonoresidualcarbono hPCImE +⋅=•

__ ( )73.3Ec

donde:

81

residualcarbonom _

•: Flujo másico de carbono residual en las cenizas.

carbonoPCI : Poder calorífico inferior del carbono.

carbonoh : Entalpía del carbono a 750 ºC.

Para determinar el poder calorífico inferior del carbono fue planteada la reacción de

oxidación:

22 COOC →+ ( )74.3Ec

La Tabla 3.19, muestra las entalpías de formación para la obtención del poder calorífico

inferior del carbono residual.

Tabla 3.19. Entalpías de formación para la combustión del carbono.

Compuesto -

Elemento

Entalpía de Formación

(kJ/kmol)

CO2 -393.525

O2 0

C 0

Fuente: VAN WYLEN Gordon J. Fundamentos de Termodinámica. Limusa Wiley. Mexico. p 892. 2002.

Reemplazando los valores de la Tabla 3.19, en la ecuación 3.56:

kmolkJPCIcarbono 75,793.32= ( )75.3Ec

La energía sensible para el carbono residual fue obtenida de manera análogamente a la

energía sensible del gas producto de la gasificación. La Tabla 3.20, muestra la relación para

el calor específico del carbono en función de la temperatura.

82

Tabla 3.20. Calor específico del carbono en función de la temperatura.

Elemento Calor específico. (Cp)

(kJ/kmol.K)

C 27,63 + 0,0050T

Fuente: PERRY H. Robert. Biblioteca del Ingeniero Químico. Volumen 1. 2º ed. México: Mc Graw Hill. 1986.

Desarrollando la integral de la ecuación 3.67, teniendo en cuenta la relación para el calor

específico del carbono de la Tabla 3.20, se obtuvo la entalpía del carbono residual:

kgkJhcarbono 37,016.1= ( )76.3Ec

Reemplazando las ecuaciones 3.43, 3.75 y 3.76 en la ecuación 3.73 se obtiene:

kWE residualcarbono 01,10_ = ( )77.3Ec

De otro lado, la energía perdida en las cenizas fue calculada a partir de la siguiente

ecuación [5]:

( ) cenizascenizascenizas mTE•

⋅⋅+= 67,1820 ( )78.3Ec

donde:

Tcenizas: Temperatura de las cenizas (ºC).

cenizasm•

: Flujo de cenizas (kg/s).

De la ecuación 3.42 y asumiendo una temperatura de las cenizas igual a la temperatura de

operación (750 ºC), se obtiene que:

kWEcenizas 07,3= ( )79.3Ec

83

Finalmente, sustituyendo las ecuaciones 3.77 y 3.79 en la ecuación 3.70:

kWEresiduos 08,13= ( )80.3Ec

Despejando la energía perdida por pared en la ecuación 3.70 y reemplazando las ecuaciones

3.71 y 3.80, resulta:

kWEpared 54,11= ( )81.3Ec

3.5.3 Eficiencia del Gasificador.

A partir de los valores presentados en la Tabla 3.21 fueron calculados los valores de

eficiencia energética en frío y en caliente del gasificador.

Tabla. 3.21. Flujos energéticos del proceso de gasificación.

Flujo Energético Valor (kW) Porcentaje (%)

Ecascarilla 114,1 100,00

Eaire 0 0.00

Equímica 65,51 57.41

Esensible 23,95 20,99

Egas

Etotal 89,47 78,41

Ecenizas 13,08 11,46

Eparedes 11,54 10,11

Epérdidas

Etotal 24,62 21,58

Eficiencia en frío:

100×=cascarilla

químicafrío E

Eη ( )82.3Ec

%41,57=fríoη ( )83.3Ec

84

Eficiencia en caliente:

100×+

=cascarilla

sensiblequímicacaliente E

EEη ( )84.3Ec

%41,78=calienteη ( )85.3Ec

3.5.4 Factor de Aire.

El factor de aire (F.A) del proceso de gasificación es uno de los parámetros adimensionales

más importantes para el ajuste de las condiciones de operación. De acuerdo a la definición

presentada en el numeral 2.3.3:

ricaestequimétCA

realCA

R

RAF

=. ( )86.3Ec

donde:

realCAR

: Relación aire – combustible real.

tricaestequioméCAR

: Relación aire – combustible estequiométrica.

Bajo condiciones normales de temperatura y presión (0 ºC y 1 atm), y de acuerdo con los

porcentajes en masa de carbono, hidrogeno, oxigeno y azufre en la cascarilla (Tabla 3.4), se

obtuvo el valor para la relación aire – combustible estequiométrica. De la ecuación 2.8:

cascarilla

aire

ricaestequimétCA kg

NmR3

589.3=

( )87.3Ec

85

De otra parte, la relación aire - combustible real es determinada como:

).(

).(

sbcascarilla

ncaire

realCA

m

VR •

•

=

( )88.3Ec

donde:

).( ncaireV•

: Flujo volumétrico de aire a condiciones normales de temperatura y presión.

).( sbcascarillam•

: Flujo másico de cascarilla en base seca.

A partir de la velocidad de fluidización seleccionada (0,7 m/s) a las condiciones de

operación estimadas para el proceso de gasificación (750ºC y 1 atm) y del área transversal

del reactor (diámetro interior 300 mm), fue conocido el flujo volumétrico de aire en

condiciones normales de temperatura y presión:

××=

•

oc

ncTocncaire

T

TAUfV

.

..).( ( )89.3Ec

donde:

Ufc.o: Velocidad de fluidización a condiciones de operación.

AT: Área transversal del reactor.

Tc.n: Temperatura del aire a condiciones normales.

Tc.o: Temperatura del aire a condiciones de operación.

Con todo lo anterior:

sNmV ncaire

3).( 0132,0=

• ( )90.3Ec

86

Reemplazando el valor para el flujo másico de cascarilla en base seca de la ecuación 3.38 y

el valor del flujo volumétrico de aire a condiciones normales de temperatura y presión de la

ecuación 3.90, en la ecuación 3.88, se consigue:

cascarilla

aire

realCA kg

NmR3

57,1=

( )91.3Ec

Finalmente, sustituyendo las ecuaciones 3.87 y 3.91 en la ecuación 3.86, se obtuvo:

437,0. =AF ( )92.3Ec

3.6 DISEÑO EXPERIMENTAL

El programa experimental de gasificación de cascarilla de arroz elaborado en este estudio

pretendió descubrir la influencia o efectos de las variables de entradas en el proceso

(factores controlables) sobre las variables de salida (respuestas).

Literalmente, un experimento es una prueba o ensayo. Un diseño de experimentos consiste

en una serie de pruebas en las cuales se inducen cambios deliberados en las variables de

entrada de un proceso o sistema, de manera que sea posible observar e identificar las causas

de los cambios en la respuesta de salida [16].

Para que un experimento se realice en la forma más eficiente y segura, es útil emplear las

herramientas estadísticas en su planeación, de tal modo que se produzcan conclusiones

válidas y objetivas. Además, dichas herramientas permiten analizar problemas que

involucran datos sujetos a errores experimentales, consiguiéndose así, una mayor

confiabilidad en los resultados. Es por esto que el procedimiento experimental utilizado

para la evaluación del rendimiento operacional del equipo gasificador estuvo sujeto a un

diseño estadístico de experimentos.

87

3.6.1 Definiciones Básicas en el Diseño Estadístico Experimental.

El diseño estadístico de experimentos es la aplicación del método científico para generar

conocimiento acerca de un sistema o proceso [17]. A continuación, se mencionan los

aspectos más relevantes en la realización de un diseño experimental.

Réplica: Hace referencia a la repetición del experimento básico. Este concepto permite

obtener una estimación del error experimental que a su vez determina si las diferencias

observadas en los datos son estadísticamente significativas, e igualmente, permite calcular

una estimación mas precisa del efecto de un factor en el experimento si se usa la media de

la muestra como una estimación de dicho efecto [16].

Aleatorización: Consiste en realizar las corridas experimentales en orden aleatorio. Es

decir, sin ningún ordenamiento especifico que pueda influenciar las variables de salida del

proceso o sistema. Este principio aumenta la posibilidad de que el supuesto de

independencia de los errores se cumpla [17]. De igual forma, los métodos estadísticos

requieren que las observaciones (o los errores) sean variables aleatorias independientes y la

aleatorización usualmente confirma esta suposición.

Análisis por bloques: Es la técnica que se usa para incrementar la precisión en las

comparaciones entre los factores de interés. Un bloque es una porción del material

experimental que posee características más homogéneas que el resto del material, de tal

modo, que son tomadas en cuenta, de forma adecuada, todas las variables de entrada que

pueden afectar las variables de salida [17]. Al realizarse un análisis por bloques se hacen las

comparaciones entre las condiciones de interés del experimento dentro de cada bloque,

aumentando la confiabilidad de los resultados [16].

Factores y niveles: Los factores son las variables de entrada que serán objeto de estudio en

el proceso y los niveles son los valores que se asignan a cada factor estudiado. Es

importante en este paso, considerar la forma en que serán controlados los factores, de tal

forma que se mantengan en los valores deseados.

88

Respuestas: Las respuestas son las variables de salida del proceso o sistema. Es importante

saber que la respuesta que va hacer medida provea información realmente útil acerca del

proceso de estudio.

En cualquier experimento, los resultados y conclusiones que pueden obtenerse dependen,

en gran parte, de la correcta selección de las variables de entrada y de salida, y de la forma

en que los datos fueron recopilados. Todas las pruebas deben hacerse exactamente igual, de

forma que al comparar los resultados, todos tengan las mismas condiciones y no existan

agentes externos que puedan alterar las conclusiones. Igualmente debe garantizarse que las

variables de entrada tengan las mismas características, y que de igual forma, no exista

ningún ordenamiento determinado que pueda afectar los resultados del experimento.

3.6.2 Selección de Variables de Entrada y Salida.

A partir de las variables del proceso de gasificación en lecho fluidizado (numeral 2.3.3), de

información encontrada en la literatura científica internacional, del estudio de cuales de las

variables pueden ser manipuladas y del análisis de dependencia entre ellas, fueron

seleccionadas las variables de entrada controladas en el proceso. Lo anterior, sumado a

limitaciones en las mediciones de las variables involucradas y a los objetivos inicialmente

trazados en la investigación específica, son decisivos en la selección de dichas variables.

La selección de las variables de entrada, permiten no solo establecer el programa

experimental de gasificación de cascarilla de arroz, sino también, conocer las limitaciones

del sistema. Lo anterior se justifica en el hecho de que muchas veces las variables a

controlar en el proceso están sujetas a condiciones en las cuales su medición no es

permitida, o siendo posible, no se cuenta con los recursos para llevarse a cabo de manera

confiable.

89

Natarajan et al (1998)9 y Mansaray et al (1999)10, afirman la importancia del factor de aire,

la temperatura del lecho y la velocidad de fluidización como variables de influencia en el

proceso de gasificación de biomasa en reactor de lecho fluidizado; Sánchez (1997)11,

demuestra que la temperatura del lecho se relaciona con el factor de aire [6], y Fernandes

(2004)12 da especial importancia a la influencia de éste en el proceso de conversión

termoquímica.

En el caso del presente trabajo, el cruce de la información sugerida en la literatura con los

objetivos inicialmente trazados fue determinante para la selección de las variables de

entrada y salida. La selección definitiva tuvo en cuenta adicionalmente las posibilidades

técnicas del sistema para poder controlar los factores y determinar las respuestas de manera

más confiable posible. La Tabla 3.22 muestra, con base en tales consideraciones, las

variables de entrada y salida finalmente seleccionadas para los ensayos experimentales de

gasificación.

Tabla 3.22. Factores y respuestas consideraciones en los ensayos de gasificación de

cascarilla de arroz.

Tipo Variable de Proceso Medida o procedimiento

experimental determinante.

Factor de aire Relación de tasas de alimentación

de cascarilla de arroz y de aire.

Factor

Velocidad de fluidización

normalizada.

Tasa de aire alimentada.

Concentración de monóxido de

carbono.

Cromatografía de gases.

9 Ibid 8 10 MANSARAY, K.; GHALY, A.; AL-TAWEEL, A.; HAMDULLHPU R, F,; UGURSAL. V. Aire Gasification of Rice Husk in a Dual Distributor Type Fluidized Bed Gasifier. Biomass & Bioenergy, v. 17. 1999. pp. 315-332. 11 SANCHEZ G, Caio. Gasificação de Biomassa. Faculdade de Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Térmica e de Fluidos. UNICAMP. Brasil 1997. 12 FERNANDES C, Marcelo. Investigaçao Experimental de Gaseificação de Biomassa em Leito Fluidizado. Tesis Doctoral, 2004. UNICAMP. Brasil.

90

Tipo Variable de Proceso Medida o procedimiento

experimental determinante.

Concentración de metano. Cromatografía de gases.

Concentración de hidrogeno. Cromatografía de gases.

Poder calorífico del gas

producto.

Relación termodinámica a partir de

resultados de cromatografía.

Campo volumétrico del gas

producto.

Balance de masa.

Potencia térmica del gas

producido.

Relación termodinámica.

Respuesta

Eficiencia térmica a frío. Balance de energía.

Adicionalmente, para determinar el rendimiento operacional del equipo gasificador, fueron

monitoreados experimentalmente los siguientes parámetros:

• Presión del aire de gasificación.

• Temperatura del aire de gasificación.

• Temperatura del lecho.

La presión y la temperatura del aire de gasificación registradas, son de gran influencia para

el control de las variables de entrada, pues de éstas depende la corrección de la descarga

volumétrica para dicho fluido.

3.6.3 Selección del Modelo de Ejecución Experimental.

La correcta selección del modelo de ejecución experimental permite obtener la

representatividad estadística de los resultados del proceso a partir de una cantidad

razonablemente baja de ensayos. La Tabla 3.23, muestra una clasificación de los diseños

experimentales de acuerdo con su objetivo.

91

Tabla 3.23. Clasificación de los diseños experimentales.

Objeto de estudio Diseños

Diseño completamente al azar.

Diseño de bloques completos al azar.

Diseños para comparar dos o

más experimentos

Diseño en cuadros latino y grecolatino

Diseños factoriales 2k

Diseños factoriales 3k

Diseños para estudiar el efecto

de varios factores sobre una o

más variables de respuesta Diseños factoriales fraccionados 2k-p

Diseños factoriales 2k y 2k-p

Diseño de Plakett - Burman

Diseño para modelo

de primer orden

Diseño simplex

Diseño de composición central

Diseño de Box - Behnken

Diseños para la optimización

de procesos Diseño para modelo

de segundo orden

Diseño factoriales 3k y 3k-p

Arreglos ortogonales (diseños factoriales) Diseños robustos

Diseño con arreglos interno y externo

Diseño de latice - simplex

Diseño simples con centroide

Diseño con restricciones

Diseños de mezclas

Diseño axial

Fuente: GUTIÉRREZ P. Humberto. DE LA VARA S. Román. Análisis y Diseño de Experimentos. Mc Graw Hill. Mexico, 2004, 571 p. 3.6.4 Modelo de Ejecución Experimental.

La intención de hacer variar todas las posibles combinaciones de los dos niveles de los dos

factores seleccionados (factor de aire y velocidad de fluidización), sugiere en primera

instancia que el diseño factorial 22 sea el modelo de ejecución experimental. Sin embargo,

debido al comportamiento no lineal entre las variables del proceso (evidenciado en estudios

de la literatura), el modelo de diseño de composición central (CCD) se presenta como el

92

más eficiente en la obtención de resultados confiables bajo un número razonable de

experimentos. Para el caso de dos factores, este modelo tiene como matriz, un diseño

factorial completo con dos niveles (22), un punto central y cuatro puntos “estrella”

localizadas en posiciones intermedias. A diferencia de los modelos factoriales completos, el

modelo CCD permite la obtención de superficies de respuesta de segundo orden, que a su

vez, posibilita la identificación de condiciones operacionales óptimas de acuerdo con el

rango de operación de las variables y la sensibilidad del proceso. De igual forma, el CCD

resulta ser bastante económico en cuanto al uso de recursos experimentales y proporciona

la capacidad de estimar una ecuación de respuesta del proceso evaluado [18]. La Figura

3.16, muestra el esquema de dicho modelo.

Figura 3.16. Modelo de diseño de composición central.

3.6.5 Consideraciones de Diseño.

Es sugerido que un diseño experimental CCD cumpla con dos propiedades: rotabilidad y

ortogonalidad. No obstante, y debido principalmente al costo que muchas veces involucra

ejecutar un experimento, no es posible cumplir con estas características en su totalidad. El

parámetro clave que involucra ambas propiedades, es la distancia comprendida desde el

punto central hasta un punto estrella. Dicho parámetro esta designado por la letra griega α.

93

Rotabilidad: Esta propiedad hace referencia a la minimización del error en el pronóstico de

la variable dependiente. Es decir, permite extraer la mayor cantidad de información

contenida en la respuesta, con la menor incertidumbre posible. Esta característica se

consigue si los puntos del diseño experimental se localizan encima de círculos

concéntricos, de forma que la incertidumbre del experimento no cambiará si “se rota” los

puntos del diseño. De igual forma, con esta propiedad, se garantiza la misma predicción

para todas las estimaciones de las variables dependientes medidas [18].

Ortogonalidad: Una característica deseable de cualquier diseño experimental, es que las

respuestas sean independientes de la interacción conjunta de los factores [19]. La

ortogonalidad se refiere a la contribución independiente da cada combinación de factores,

sobre los efectos producidos en la variable dependiente.

Matemáticamente esto se logra, haciendo que las columnas de la matriz del diseño

experimental sean ortogonales, es decir, que la suma de los productos de los elementos de

las columnas sea igual a cero. La Tabla 3.24, muestra un ejemplo de columnas ortogonales,

para un diseño experimental de dos factores con dos niveles.

Tabla 3.24. Ortogonalidad en un arreglo de dos factores con dos niveles.

Corrida Factor

A

Factor

B

Producto de los

Factores: A.B

1 1 1 1

2 1 -1 -1

3 -1 1 -1

4 -1 -1 1

Suma 0

En general, cuanto más ortogonales sean las columnas, mejor es el diseño experimental, y

más independiente es la información extraída en relación a los efectos respectivos de

interés [19].

94

Para el caso específico de un diseño CCD, la rotabilidad y la ortogonalidad están

mutuamente ligadas, si cumplen con las siguientes relaciones [19]:

Rotabilidad:

41

cn=α ( )93.3Ec

donde:

nc: Número de puntos vértice en el diseño.

Ortogonalidad:

( )4

12

21

21

4.

−++= c

cosc

nnnnnα ( )94.3Ec

donde:

ns: Número de puntos de estrella en el diseño

no: Número de puntos centrales en el diseño.

Un diseño CCD es aproximadamente ortogonal y rotable al mismo tiempo, si el valor de α

de la ecuación 3.93 es igual al de la ecuación 3.94. Para ello se deben agregar puntos

centrales, de modo que se cumpla con esta última ecuación. Una expresión para calcular el

número de puntos centrales adicionales requeridos es:

knn c .24.4 21

0 −+≈ ( )95.3Ec

donde:

k: Número de factores en el diseño experimental.

95

Como regla general, mientras mas corridas se realicen en el punto central, mejor es el

diseño experimental. No obstante, el costo económico que involucra cada experimento,

muchas veces no justifica un número relativamente alto de corridas en el punto central, por

lo que un valor apropiado para este varía entre 3 y 5 [20]. Para el presente trabajo y de

acuerdo a lo anterior, fue seleccionado un número de tres puntos centrales adicionales. La

Tabla 3.25, resume las características del diseño CCD, de acuerdo al número de puntos

centrales escogidos, y a los dos factores seleccionados para el proceso

Tabla 3.25. Características del diseño CCD.

Ítem Valor

Factores. 2

Puntos centrales. 3

Puntos de estrella. 4

Puntos vértice. 4

Número de experimentos. 11

α de rotabilidad. 1,4142

α de ortogonalidad. 1,1474

Debido al número de puntos centrales adicionales seleccionado, no se pudo garantizar un

valor de alpha que satisficiera completamente las ecuaciones 3.93 y 3.94. Sin embargo, lo

anterior no quiere decir que las propiedades de rotabilidad y ortogonalidad no influyen de

manera predominante en el diseño experimental. La Tabla 3.26, muestra la influencia de

dichas propiedades, bajo las condiciones de trabajo seleccionadas.

Tabla 3.26. Porcentaje de influencia de rotabilidad y ortogonalidad.

Propiedad Valor

Influencia de rotabilidad. 100%

Influencia de ortogonalidad. 81,14%

96

3.6.6 Pruebas Preliminares de Gasificación.

Esta etapa consistió en la realización de ensayos previos de gasificación para conocer el

comportamiento general del equipo y poder identificar posibles inconvenientes durante la

operación. Estas pruebas fueron dirigidas inicialmente a gasificar cascarilla de arroz a las

condiciones sugeridas por los resultados arrojados del balance de masa y energía, y,

principalmente, por información disponible de la literatura. Los resultados obtenidos en

esta fase permitieron el ajuste final del programa experimental. La Tabla 3.27, muestra las

variables de entrada teóricas en el proceso de gasificación de cascarilla de arroz en lecho

fluidizado.

Tabla 3.27. Variables de entrada teóricas.

Variables Condiciones Valor

Normales (1) 0,187 m/s Velocidad de fluidización.

Operación (2) 0,7 m/s

Factor de aire. --- 0,437

(1) Calculada con base en caudal de aire a 0ºC y 1 atm. (2) Calculada con base en caudal de aire a 750 ºC y 1 atm.

Los pasos generales y secuenciales para la realización de estos ensayos se resumen a

continuación:

• Vertimiento de 30 kg de arena dentro del silo.

• Encendido del soplador de aire fluidizante

• Alimentación de arena al reactor.

• Lectura del perfil de presiones del reactor y verificación de condiciones de lecho

fluidizado.

• Parada del soplador.

• Llenado del silo con cascarilla de arroz.

• Encendido del soplador.

• Conexión de aire comprimido al minisilo y ajuste de presión y caudal.

97

• Inicio de refrigeración interna del tornillo de alimentación.

• Inicio del sistema de adquisición de temperaturas de proceso.

• Encendido del quemador de precalentamiento hasta que la temperatura del lecho

llegue a 450°C.

• Alimentación de cascarilla de arroz a tasas calculadas para combustión completa

hasta alcanzar temperatura del lecho de 800°C

• Ajuste de la descarga de cascarilla de arroz y caudal de aire a la condición de

gasificación requerida para el ensayo.

• Identificación del estado estacionario a través de verificación de invariabilidad del

perfil de temperaturas del reactor en el tiempo.

• Encendido del piloto de la tea y verificación de presencia de llama de gas producto.

• Suspensión de la alimentación de cascarilla de arroz y verificación de enfriamiento

del lecho fluidizado.

• Interrupción de funcionamiento de todos los subsistemas del equipo gasificador.

En total fueron realizados 3 ensayos a las condiciones establecidas en la Tabla 3.28. En

estos ensayos fueron identificados diversos problemas de operación que obligaron a

interrumpir el proceso varias veces. No obstante dichos inconvenientes fueron corregidos a

fin de completar los ensayos preliminares. La Tabla 3.28, muestra los resultados de los

ensayos preliminares realizados.

Tabla 3.28. Condiciones experimentales de los ensayos preliminares de gasificación

Velocidad de fluidización (m/s)

Exp. Factor de

aire Condiciones

Normales

Condiciones

de operación

Característica de presencia

de llama del gas producto

1 0,45 0,25 0,93 Nula

2 0,35 0,25 0,93 Muy débil

3 0,25 0,20 0,75 Apreciable

98

Las Tablas 3.27 y 3.28 muestran diferencias para las variables de entradas teóricas y

experimentales. Cabe aclarar que dichas discrepancias son normales y esperadas, debido

principalmente a la cantidad de variables que intervienen en procesos de conversión

termoquímica y que para el presente proyecto no fueron tenidas en cuenta. A continuación

se mencionan las posibles causas que justifican dichas diferencias.

Velocidad de Fluidización: Aunque la velocidad de fluidización utilizada en el modelo de

cálculo empleado en el balance de masa y energía está acorde con las condiciones teóricas

de temperatura y presión para el proceso de gasificación (750 ºC y 1 atm), las diferencias

encontradas en los ensayos preliminares evidencian la aleatoriedad del fenómeno de

fluidización. Lo anterior puede ser consecuencia de la apreciable heterogeneidad del

tamaño de partícula obtenida del análisis granulométrico (numeral 3.1.2) para la cascarilla

de arroz, afectando en gran medida, las condiciones fluido - dinámicas del lecho y por ende

la velocidad de fluidización. De igual forma, es importante mencionar que la fluidización

de partículas relativamente grandes es normalmente sensible a diferentes fenómenos como

el chanelling, slugging, spouting, etc, que afectan directamente el proceso de conversión

termoquímica. De acuerdo a lo evidenciado con los ensayos preliminares y con la intención

de evitar exceso de material elutriado de las partículas presentes en el reactor, que pueden

afectar principalmente la eficiencia de conversión termoquímica de los componenentes

energéticos de la cascarilla, fue seleccionada una velocidad de fluidización a condiciones

normales de 0,17 m/s, como punto central para el diseño definitivo experimental. Este valor

está acorde con los valores típicos reportados por varios investigadores (Tablas 2.5 y 2.6).

Factor de Aire: El factor de aire teórico arrojado por el balance de masa y energía es un

valor aproximado el cual esta sujeto a varias consideraciones hechas para efectos de

cálculos. Las diferencias se justifican en que las variables involucradas en el modelo de

cálculo simplificado no son todas las que influyen en su comportamiento. El modelo

utilizado para la gasificación de biomasa, no tuvo en cuenta modelos cinéticos de reacción

termoquímica que de hecho deben influir en el fenómeno de conversión termoquímica. Los

ensayos preliminares sugirieron variación de factor de aire alrededor de 0,28 conforme a

valores típicos reportados por varios investigadores (Tablas 2.5 y 2.6).

99

3.6.7 Programa Experimental de Gasificación.

De acuerdo a los valores sugeridos para las variables de entrada del proceso evidenciado en

las pruebas preliminares de gasificación y al modelo de ejecución experimental

seleccionado, fue establecida finalmente una combinación de once experimentos con tres

lecturas de punto central. La Tabla 3.29, muestra la combinación completa de los niveles de

los factores acondicionados al modelo CCD.

Tabla 3.29. Combinaciones experimentales para los ensayos de gasificación.

Combinaciones experimentales

Experimento Factor de

aire Nivel

Velocidad de fluidización

normalizada (m/s) Nivel

1 0,240 -1 0,150 -1

2 0,320 +1 0,150 -1

3 0,240 -1 0,190 +1

4 0,320 +1 0,190 +1

5 0,280 0 0,142 -α

6 0,280 0 0,198 +α

7 0,223 -α 0,170 0

8 0,337 +α 0,170 0

9(1) 0,280 0 0,170 0

10(1) 0,280 0 0,170 0

11(1) 0,280 0 0,170 0

(1) Combinaciones correspondientes al punto central del modelo CCD.

Los ensayos definitivos de gasificación fueron ejecutados siguiendo los pasos secuenciales

establecidos en el numeral 3.6.6, con algunas modificaciones que fueron necesarias de

introducir a fin de permitir la toma de muestras de gas combustible y la agilización del

mismo procedimiento experimental.

100

3.7 DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES EXPERIMENTALES DE

PROCESO

A partir de ecuaciones básicas de química, termodinámica y mecánica de fluidos, fueron

obtenidos los valores reales experimentales concernientes a las descargas de cascarilla de

arroz, aire y velocidad de fluidización. Además de lo anterior, fueron también encontrados

los valores de concentración del gas producido, poder calorífico inferior, campo

volumétrico y potencia térmica, así como los resultados de eficiencia a frío del equipo

piloto.

3.7.1 Descargas Experimentales de Cascarilla de Arroz y Aire; Velocidad de

Fluidización.

Las descargas de cascarilla de arroz y de aire, así como, la velocidad de fluidización

utilizada en los ensayos, fueron determinadas a partir del modelo de cálculo presentado a

continuación.

De la ecuación de continuidad para el flujo de aire:

( )).(.)( 3600 ncaireTncrealaire AUfm ρ⋅⋅⋅=•

( )96.3Ec

donde:

)(realairem•

: Descarga másica real de aire utilizado en el ensayo (kg/h).

Ufc.n: Velocidad de fluidización a condiciones normales (m/s).

).( ncaireρ : Densidad del aire a condiciones normales (kg/Nm3).

AT: Área transversal del reactor (m2).

101

La densidad del aire a condiciones normales de temperatura y presión fue calculada de

acuerdo con la ecuación para gas ideal:

ncaire

ncncaire TR

P

.

.).( ⋅

=ρ ( )97.3Ec

donde:

Pc.n: Presión a condiciones normales (101,325 kPa).

Tc.n: Temperatura a condiciones normales (273,15 K).

Raire: Constante del gas (para aire = 0,287 kJ/kg.K)

Con lo anterior:

3).( 2925,1Nm

kgncaire =ρ ( )98.3Ec

Los flujos volumétricos a condiciones normales de temperatura y presión fueron calculados

dividiendo la descarga másica de aire por su densidad a las mismas condiciones.

).(

)().(

ncaire

realairencrealaire

mV

ρ

•

−

•= ( )99.3Ec

Por otra parte, del numeral 3.5.4 fue obtenida la expresión matemática para la descarga de

cascarilla de arroz:

( )AFR

Vm

ricaestequimétCA

ncrealairerealcascarilla

.

).()(

⋅

= −

••

( )100.3Ec

Donde el valor de la relación aire – combustible estequiométrica, corresponde al valor de

cascarilla

airekg

Nm3

589,3 (ecuación 3.87).

102

La velocidad de fluidización a las condiciones de operación del equipo fue calculada con

base en la temperatura del lecho reportada por el sistema de adquisición de datos y a los

valores de presión estática medidos en la base del lecho. Según lo anterior y de la ecuación

de continuidad, se tiene:

+⋅

⋅⋅=

6,13..

....

estmbnc

ncocncoc P

PT

PTUfUf ( )101.3Ec

donde:

Ufc.o: Velocidad de fluidización a condiciones de operación (m/s).

Ufc.n: Velocidad de fluidización a condiciones normales (m/s).

Tc.o: Temperatura del lecho a las condiciones de operación (K).

Tc.n: Temperatura del aire a condiciones normales (273,15 K).

P c.n: Presión del aire a condiciones normales (760 mmHg).

P est: Presión estática del aire de gasificación (mmH2O).

Pb.m: Presión barométrica promedio de Medellín (635 mmHg).

3.7.2 Concentraciones Experimentales de los Compuestos de Gasificación.

Como mencionado en el numeral 3.3.6, las concentraciones de los gases producto de la

gasificación de cascarilla de arroz fueron obtenidas a través de análisis cromatográfico

realizado en laboratorio. Este análisis fue realizado con no más de dos horas de atraso

después de la colecta de la muestra. Para cada ensayo de gasificación programado, fueron

colectadas tres muestras de gases, con el fin de considerar solamente el promedio aritmético

resultante.

Los resultados de concentración obtenidos en laboratorio fueron reportados en base seca,

por lo que el valor del vapor de agua contenido en los gases producidos tuvo que ser

determinado teóricamente. Información de estudios experimentales encontrados en la

103

literatura muestran que la cantidad de vapor de agua producida en la gasificación es

ligeramente inferior al valor obtenido durante una combustión en condiciones

estequiométricas. Las diferencias obtenidas entre estos dos casos son atribuidas al

hidrógeno que pasa a formar parte del hidrógeno libre, metano e alquitranes (moléculas

CxHy). Por lo tanto, la cantidad de moles de vapor de agua presente en el gas producido

fue determinada a partir de la siguiente expresión:

18).()(

)(2sbrealcascarilla

gas

hmOHn

⋅=

••

( )102.3Ec

donde:


: Descarga másica real de cascarilla utilizado en el ensayo (kg/h).

nH2O(gas): Moles de agua en el gas producido por unidad de tiempo (kmol/h).

h(b.s): Humedad de la cascarilla en base seca (%).

Por definición:

)(

)(2)(2

gas

gasgas

n

OHnOyH •

•

= ( )103.3Ec

donde:

yH2O(gas): Fracción volumétrica del agua en el gas producido (%).

)(gasn•

: Descarga molar de gas producido (kmol/h).

El valor de )(gasn•

fue obtenido a través de un balance de nitrógeno, con base en la hipótesis

de que la cantidad absoluta de nitrógeno que ingresa al sistema permanece inalterada

durante todo el proceso de gasificación. Esta hipótesis se sustenta en que, para la

gasificación de biomasa, la temperatura de reacción está limitada por la temperatura de

104

sinterización del combustible, que para el caso específico de la cascarilla de arroz,

corresponde al valor de 900 ºC [6]. Los perfiles de temperatura de los ensayos realizados

(Anexo D), evidenciaron un límite superior de 870ºC para la temperatura del lecho,

justificándose con esto, la no formación de óxidos de nitrógeno (NOx) por mecanismo

térmico, acontecida de forma considerable a temperaturas superiores de 1.100 ºC. Además,

por tratarse de un proceso que involucra deficiencia de aire, a diferencia de la combustión,

existe mucho menos nitrógeno disponible para la formación del contaminante.

Con base en lo discutido anteriormente, se tiene que:

( ) )(2

)(

)(2 %79 gasaire

realaire

aire NnMw

mNn

••

•=⋅= ( )104.3Ec

donde:

)(2 aireNn•

: Moles de nitrógeno en el aire por unidad de tiempo (kmol/h).

)(2 gasNn•

: Moles de nitrógeno en el gas por unidad de tiempo (kmol/h).

Mwaire: Peso molecular del aire (28,84 kg/kmol)

De la definición de fracción molar para el nitrógeno del gas producido:

)(

)(2

)(2

gas

gas

gas

n

NnyN •

•

= ( )105.3Ec

Reemplazando la ecuación 3.104 en la 3.105 y despejado para )(gasn•

:

105

)(2

)(2)(

gas

airegas

yN

Nnn

••

= ( )106.3Ec

Además:

( ))(2)(2)(2)(2)(4)()(2 100 gasgasgasgasgasgasgas OyHyOyCOyHyCHyCOyN +++++−=

( )107.3Ec

Los valores de composición de vapor de agua y nitrógeno, además del flujo molar de gas

producido fueron determinados resolviendo simultáneamente las ecuaciones 3.103, 3.106 y

3.107.

Por otra parte, la descarga másica de gas generado durante el proceso de gasificación fue

obtenida multiplicando los flujos molares específicos de cada compuesto gaseoso por sus

respectivos pesos moleculares.

OHnNnOnCOnHnCHnCOnmgas 222224 1828164421628••••••••

⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=

( )108.3Ec

donde:

)()( gasgas nyCOnCO ⋅=

)()(44 gasgas nyCHnCH ⋅=

)()(22 gasgas nyHnH ⋅=

)()(22 gasgas nyCOnCO ⋅= ( )109.3Ec

)()(22 gasgas nyOnO ⋅=

)()(22 gasgas nyNnN ⋅=

)()(22 gasgas nOyHOnH ⋅=

106

3.7.3 Poder Calorífico Inferior del Gas Producto.

El poder calorífico inferior del gas producto (PCIgas) fue calculado a partir de la ecuación

3.64 presentada en el numeral 3.5.2. Esta ecuación corresponde a la combinación

ponderada del poder calorífico de cada componente combustible contenido en el gas:

( ) ( ) ( )324 %80,35%79,10%63,12

Nm

MJHCHCOPCIgas ++= ( )64.3Ec

donde:

%CO : Concentración volumétrica de CO en el gas combustible.

%CH4 : Concentración volumétrica de CH4 en el gas combustible.

%H2 : Concentración volumétrica de H2 en el gas combustible.

3.7.4 Campo Volumétrico Experimental del Gas Producto.

El campo volumétrico de gas producto es un parámetro de rendimiento del gasificador que

se refiere a la cantidad de caudal generado a condiciones normales por masa de combustible

alimentado al sistema. Para determinar esta variable, es necesario encontrar la descarga

volumétrica del gas producto a condiciones normales de temperatura y presión:

( )iinc

ncrealgasncgas

yMwP

TRumV

⋅⋅⋅

⋅=∑

•

−

•

.

.)(. ( )110.3Ec

donde:

ncgasV .−

•: Caudal experimental a condiciones normales del gas producido (Nm3/h).

)(realgasm•

: Descarga experimental de gas producido (kg/h).

Ru: Constante universal de los gases (8,31451 kJ/kg.K).

Tc.n: Temperatura a condiciones normales (273,15 K).

107

Pc.n: Presión a condiciones normales (101,325 kPa).

Mwi: Peso molecular de cada componente del gas producido.

yi: Composición volumétrica de cada componente del gas producido.

Una vez determinado el caudal del gas producto, el campo volumétrico es obtenido

dividiendo este valor por la descarga másica de cascarilla alimentada al equipo gasificador.

)(

.

realcascarilla

ncgas

gas

m

VCampo •

−

•

= ( )111.3Ec

3.7.5 Potencia Térmica Experimental del Gas Producto.

La potencia térmica se refiere al potencial combustible del gas producto. Este valor fue

calculado multiplicándose el poder calorífico del gas producido por el caudal generado a

condiciones normales de temperatura y presión:

6,3

.ncgasgastérmica

VPCIP

−

•⋅

= ( )112.3Ec

donde:

Ptérmica: Potencia térmica experimental del gas producto (kW).

PCIgas: Poder calorífico inferior experimental del gas producido (MJ/Nm3).

ncgasV .−

•: Descarga volumétrica experimental a condiciones normales del gas producido

(Nm3/h).

108

3.7.6 Eficiencia a Frío Experimental del Equipo Gasificador.

La eficiencia térmica a frío del sistema gasificador fue determinada dividiendo la potencia

térmica del gas producido por la energía disponible contenida en la cascarilla de arroz, es

decir, el producto de la descarga másica de cascarilla y su respectivo poder calorífico

inferior reportado en la sección 3.1.5.

( ) 100600.3

%)(

×⋅

⋅= •

cascarillarealcascarilla

térmicatérmica

PCIm

Pη ( )113.3Ec

donde:

ηtérmica(%): Eficiencia a frío experimental del equipo gasificador.

Ptérmica: Potencia térmica experimental del gas producto (kW).


: Descarga real de cascarilla de arroz (kg/h).

PCIcascarilla: Poder calorífico inferior de la cascarilla de arroz (13.559 kJ/kg).

3.8 PROCEDIMIENTO DE LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES DE

GASIFICACIÓN

A continuación se presenta en detalle el procedimiento experimental de los ensayos para

lograr la gasificación de cascarilla de arroz y la toma de muestra del gas combustible.

3.8.1 Procedimiento de Preparación de Ensayo.

Agua de refrigeración: Conectar la manguera de suministro de agua fría y ajustar el caudal

a 1 gal/min. Colocar la salida de la manguera de agua caliente al sumidero. Verificar el

caudal de agua cada 30 minutos y ajustar caso sea necesario.

109

Cascarilla: Verificar que la cantidad de cascarilla sea suficiente antes de comenzar el

ensayo. Para referencia, normalmente son necesarios 2 bultos de 70 kg como mínimo.

Alistar los recipientes necesarios para recargar ágilmente el silo.

Aire comprimido: Conectar la manguera del aire comprimido a la línea principal y ajustar

el caudal girando la válvula de bola a la posición de 45° de apertura. Verificar manualmente

la salida de aire en el extremo de la manguera y conectarla al acople rápido del minisilo.

Cerrar la válvula de bola del minisilo y ajustar la presión del aire comprimido a 5 psi con

ayuda del regulador de presión. Abrir la válvula de bola del minisilo a la posición de 45° de

apertura.

Gas para el quemador: Verificar que la válvula de bola que está después del rotámetro de

gas esté cerrada, así como, la válvula que libera gas para la tea. Abrir suavemente la válvula

principal de gas. Abrir la válvula de bola que libera gas para el quemador y chequear

posibles fugas.

Chequeo de posicionamiento de válvulas (primaria, secundaria y by-pass): Cerrar la

válvula de aire secundario. Abrir totalmente la válvula de aire primario y abrir ¼ de vuelta

la válvula del by-pass desde su posición totalmente cerrada.

Ajuste de manómetros de columna del lecho y placa de orificio: Abrir totalmente las

válvulas corriente arriba y corriente abajo de la placa de orifico para despresurizar las líneas

conectadas a los manómetros. Verificar el nivel de líquido de cada uno de los manómetros

de columna (presión del lecho y placa de orificio). Ajustar el nivel en caso necesario.

Verificar que todas las mangueras estén correctamente conectadas a los respectivos

extremos. Ajustar el nivel horizontal y el cero del manómetro inclinado. Cerrar nuevamente

las válvulas corriente arriba y corriente abajo de la placa de orificio.

Computador y luz externa: Conectar la extensión del computador a la red eléctrica.

Prender el estabilizador de voltaje y luego el computador. Conectar y dejar listo un

bombillo para luz externa de ambiente para usar caso sea necesario.

110

Sistema de adquisición de datos y programas auxiliares de gasificación: Abrir el

programa de adquisición de datos (VirtualBench), el programa de gasificación en fortran

(Orif_UPB.for). Tener a la mano el programa que muestra las condiciones de operación

para cada experimento.

Caja de control del variador de frecuencia, quemador y soplador: Verificar que la perilla

externa principal de la caja de control esté en posición OFF. Abrir el panel de control y

posicionar los suiches internos en la posición ON.

Tolva: Verificar que el silo esté lleno y nivelado (sin canales preferenciales de cascarilla).

Apretar los 4 tornillos de la tapa flangeada. Dejar lista la escalera para el rellenado del silo

durante la operación.

Tea: Abrir la válvula del gas natural de la línea que alimenta la tea y verificar que funcione

el piloto de la misma.

Sistema muestreador de gas y análisis de muestras: Verificar que la válvula de bola del

tren del muestreo esté cerrada. Armar y alistar el sistema muestreador de acuerdo con el

numeral 3.3.6. Posicionarlo. Dejar el conjunto de bolsas colectoras a la mano para

substitución durante el ensayo al igual que el hielo necesario para la caja fría.

3.8.2 Procedimiento de Operación del Gasificador.

Preliminares: Ejecutar cada uno de los ítems del procedimiento establecido en el numeral

3.8.1.

Encendido de soplador, lectura en manómetros en U y activación del DAQ: Encender el

soplador desde el panel de control. Anotar la hora de inicio del ensayo y las presiones de la

cámara de reacción. Anotar la lectura del rotámetro de aire primario. Activar el DAQ,

(Loggin-ON) con nombre del día del ensayo.

111

Encendido del quemador: Encender el quemador y ajustar la potencia del mismo hasta que

el valor de temperatura de los gases de combustión están alrededor de 900 °C. Estar atento

a posibles fugas de gas natural o gases de combustión en el sistema precalentador, cañón y

conexión con plenum.

Precalentamiento del lecho y combustión de cascarilla: Esperar que la temperatura

promedio del lecho alcance 450°C. Encender el alimentador y ajustar el variador de

frecuencia (VFD) a 650 rpm. Apagar el quemador, abrir totalmente la válvula de aire

secundario y cerrar las válvulas del by-pass y aire primario. Verificar en el DAQ, que las

temperaturas de la cámara de reacción, comiencen a subir rápidamente.

Condiciones de gasificación: Mientras transcurre el tiempo necesario para que la

temperatura promedio del lecho pase de 800°C, verificar nuevamente el cero y el nivel del

manómetro inclinado de la placa de orificio, abrir lenta y simultáneamente las dos válvulas

(corriente arriba y corriente abajo) con el fin de poder obtener la lectura de presión

correspondiente. Con la tabla del programa experimental en mano y con ayuda del

programa en Fortran, ajustar las condiciones de caudal de aire secundario (moviendo

solamente la válvula del by-pass) y descarga de cascarilla según condición operacional

seleccionada. Tener en cuenta que debe conocerse la lectura de temperatura del aire en la

placa de orificio. Esperar que la temperatura del lecho se estabilice en un valor

aproximadamente constate. Tomar las lecturas de las presiones de la cámara de reacción.

Estar siempre alerta del funcionamiento del sistema alimentador, del agua de refrigeración

y de la tea. En ningún caso operacional se debe permitir que la temperatura del lecho pase

de 900°C.

Toma de muestra: Una vez se logre la estabilización de la temperatura del lecho, verificar

que el sistema de muestreo esté conectado correctamente y colocar el hielo en la caja fría

del sistema. Abrir la válvula de bola para permitir el paso de gas a muestrear y comenzar a

realizar purgas de la línea, llenando y vaciando la bolsa de gas de muestreo cinco veces. El

vaciado de la bolsa de muestreo debe hacerse teniendo cuidado de direccionar la salida de

gas de la bolsa hacia un lugar donde éste pueda evacuarse libremente (zona abierta), ni

112

donde haya riesgos de chispa, pues recordar que el gas es combustible. Repetir este

procedimiento hasta obtener 3 bolsas de gas para análisis por cada condición operacional

establecida.

Rellenado de la tolva: Durante el procedimiento de gasificación y toma de muestra,

personal auxiliar debe dejar separado en cajas o recipientes cascarilla de arroz para su

almacenamiento en la tolva. Se debe realizar la operación de rellenado aproximadamente

cada 40 minutos, parando la alimentación de cascarilla, alimentación de aire de fluidización

– gasificación, asi como el comprimido que entra en la unión de la dosificación con la

alimentación. En máximo 10 minutos, realizar el reabastecimiento de la tolva (hasta el

máximo nivel posible) y volver a sellar la tapa flangeada. Prender nuevamente el soplador,

abrir la válvula de bola del aire comprimido a 45° de apertura y colocar en funcionamiento

el sistema de alimentación de cascarilla a las mismas condiciones que se tenían antes de su

parada.

Apagado del sistema de gasificación: Luego de haber tomado las muestras de gas,

suspender la alimentación de cascarilla. Si la temperatura tiende a subir, disminuir el caudal

de aire abriendo la válvula del by-pass, evitándose eventualmente que la temperatura del

lecho pase a más de 900°C. Después de evacuar completamente la cascarilla remanescente

en la sección de alimentación Continuar con el soplador encendido el tiempo necesario para

que la temperatura promedio del lecho caiga a menos de 300°C. Suspender el registro de

temperaturas del DAQ y verificar el almacenamiento correcto de los datos. Cerrar las

válvulas de gas natural (del quemador, tea y la principal). Cerrar la válvula principal del

agua de refrigeración y la principal del aire comprimido. Apagar computador, desconectar

extensiones eléctricas y demás.

3.8.3 Procedimiento de Limpieza y Acondicionamiento.

Descarga de arena acumulada en el tubo utilizado para control de nivel del lecho: Alistar

un recipiente metálico vacío y aflojar con cuidado el flange o tapa del tubo para control de

113

nivel del lecho, permitiendo la descarga lenta de material (arena, cascarilla, cenizas, etc) al

recipiente. Operar con guantes y gafas protectoras para evitar posibles accidentes.

Colector de cenizas del ciclón: Golpear con cuidado la tubería de descarga de cenizas para

permitir que los residuos acumulados en ella caigan al recipiente. Desconectar el recipiente

y trasladarlo al lugar donde se descartarán los residuos para su evacuación. Limpiar el

ducto garantizando la no existencia de posibles obstrucciones.

Filtro de aire del soplador: Retirar el filtro del soplador teniendo evitando que caiga algún

objeto extraño dentro de la maquina impulsora de aire. Con ayuda de aire comprimido

dirigir el flujo, a la parte central del filtro, de adentro hacia fuera del filtro, de modo que el

sucio externo al filtro sea desprendido. Luego de esta operación, dirigir el aire hacia la parte

externa del portafiltro para su limpieza final.

Tomas de presión del reactor: Con el extremo de la manguera de aire comprimido que

conecta la dosificación con la alimentación, destaquear cada una de las cinco tomas de

presión de la cámara de reacción por la boca superior de los respectivos tubos de cobre.

Conectar nuevamente las mangueras de los manómetros a las tomas respectivas.

Nivel de arena dentro del reactor: Con la válvula de aire secundario totalmente abierta, del

aire primario y by-pass completamente cerradas, encender el soplador y verificar una caída

de presión de aproximadamente 290 mmH2O en la primera lectura de presión de la cámara

de reacción. Caso la caída de presión sea inferior a esta lectura, parar el funcionamiento del

soplador y adicionar arena al lecho en pocas cantidades (1 kg) a través de la mirilla del

subsistema de alimentación. Con la mirilla nuevamente puesta en su lugar y un nuevo

encendido del soplador, accionar suavemente el tornillo de alimentación con el fin de

introducir poco a poco la cantidad de arena colocada (la alimentación continua deberá

evitarse debido a que las altas revoluciones fijas de este tornillo podrían generar fuertes

esfuerzos mecánicos). Repetir esta operación las veces que sea necesario hasta obtener el

valor de presión requerido. Antes de adicionar arena se debe verificar que el sistema esté

fluidizando con base en fluctuaciones de las presiones de la cámara de reacción, pues en

114

algunas ocasiones el lecho puede no fluidizar al inicio y marcar lecturas equivocadas

debido a la presencia de posibles aglomeraciones de arena o cenizas, provocadas por

alquitranes o humedad excesiva remanecente dentro del lecho correspondiente al ensayo de

gasificación anterior.

Sistema muestreador de gas: Retirar la arena del impinger de cobre y limpiarlo por dentro.

Colocar arena nueva con la granulometría adecuada (sin finos) al nivel requerido (aprox. 1

cm por encima del extremo del tubo interno del impinger). Ensamblar de nuevo el impinger

verificando su correcto sellado o hermetismo. Cargar la batería de la bomba de succión del

muestreador caso sea necesario. Ensamblar el sistema de muestreo según esquema de

montaje.

Tolva: Llenar la tolva de cascarilla garantizando la mejor distribución horizontal de

cascarilla posible sin compactarla. Pesar la cantidad colocada dentro del silo para tener una

idea de la autonomía del mismo antes de la próxima recarga a ser realizada durante el

ensayo de gasificación.

Sistema de alivio, válvula de muestreo y fuga de gases: Encender el soplador y verificar el

estado del sistema de alivio del módulo superior de la cámara de reacción; sustituir caso

esté rota. Abrir la válvula de bola de la línea de muestreo a fin de verificar que ésta no esté

obstruida, dejando salir un poco de aire para permitir la limpieza de finos acumulados.

Verificar la no presencia de fugas externas en la tapa de la tolva, tornillo alimentador,

plenum, ciclón, tubo de cenizas y módulos del reactor.

115

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En este capítulo son presentados los resultados obtenidos de los once ensayos de

gasificación definidos en el Capítulo 3, de acuerdo con las combinaciones de factor de aire

y velocidad de fluidización consideradas en el diseño experimental. Estos resultados fueron

analizados en función de las variables de proceso relacionadas con el rendimiento del

equipo gasificador. Superficies de respuesta arrojadas por el modelo estadístico fueron

discutidas para la identificación de los puntos óptimos de operación.

4.1 DESCARGAS DE CASCARILLA DE ARROZ Y AIRE; VELOCIDAD DE

FLUIDIZACIÓN

La Tabla 4.1 muestra las descargas másicas y caudales reales del aire alimentado al equipo

gasificador (de acuerdo con el modelo de cálculo establecido en el numeral 3.7),

correspondientes a la velocidad de fluidización a condiciones normales impuesta para cada

uno de los once ensayos realizados. El diámetro interno del reactor (300 mm) determinó un

área transversal de 0,707 m2.

Tabla 4.1. Descarga másica y caudal de aire en los ensayos de gasificación realizados.

Exp.

Ufcn

(m/s)

maire(real)

(kg/h)

Vaire(real-c.n)

(Nm3/h)

1 0,150 49,34 38,17

2 0,150 49,34 38,17

3 0,190 62,49 48,35

4 0,190 62,49 48,35

116

Exp.

Ufcn

(m/s)

maire(real)

(kg/h)

Vaire(real-c.n)

(Nm3/h)

5 0,142 46,61 36,06

6 0,198 65,22 50,46

7 0,170 55,91 43,26

8 0,170 55,91 43,26

9 0,170 55,91 43,26

10 0,170 55,91 43,26

11 0,170 55,91 43,26

La Tabla 4.2 muestra las descargas másicas de cascarilla de arroz, de acuerdo con los

valores de flujo volumétrico de aire a condiciones normales (Tabla 4.1) y a los valores

específicos de factor de aire correspondientes a los ensayos de gasificación realizados.

Tabla 4.2. Descarga de cascarilla de arroz de los ensayos de gasificación realizados.

Exp.

F.A

mcascarilla(real)

(kg/h)

1 0,240 44,31

2 0,320 33,23

3 0,240 56,13

4 0,320 42,10

5 0,280 35,88

6 0,280 50,21

7 0,223 53,94

8 0,337 35,81

9 0,280 43,05

10 0,280 43,05

11 0,280 43,05

117

En la Tabla 4.3 se presentan los valores de temperatura del lecho fluidizado y presión

estática del aire de gasificación para los once ensayos correspondientes; así mismo, se

muestra el resultado de la velocidad de fluidización a condiciones de operación.

Tabla 4.3. Valores de temperatura y presión para el cálculo de la velocidad de fluidización

a condiciones de operación.

Exp.

Tc.o

(ºC)

P est

(mm H2O)

Ufc.o

(m/s)

1 790 640 0,65

2 812 540 0,67

3 828 820 0,84

4 866 850 0,86

5 781 380 0,63

6 874 820 0,91

7 784 780 0,72

8 864 770 0,78

9 846 760 0,77

10 823 760 0,75

11 821 750 0,75

4.2 COMPOSICIÓN, FLUJO MOLAR Y DESCARGA MÁSICA DEL GAS DE

GASIFICACIÓN

Las Tablas 4.4 y 4.5 muestran la composición volumétrica, los flujos molares y la descarga

másica del gas combustible producido durante los ensayos experimentales.

118

Tabla 4.4. Composición y flujo molar del gas producido en los experimentos.

COMPOSICIÓN DEL GAS PRODUCTO (%v)

Exp.

F.A

Ufcn

(m/s) CO CH4 H2 N2 CO2 O2 H2O

ngas

(kmol/h)

1 0,240 0,150 13,88 4,09 5,15 55,16 12,05 0,45 9,23 2,488

2 0,320 0,150 11,10 3,45 4,56 57,64 14,18 1,83 7,24 2,381

3 0,240 0,190 14,07 3,93 5,58 55,92 10,69 0,45 9,36 3,108

4 0,320 0,190 10,12 3,24 3,58 59,61 14,14 1,82 7,48 2,916

5 0,280 0,142 9,18 3,35 6,86 57,47 14,46 0,45 8,24 2,256

6 0,280 0,198 9,91 3,06 3,79 60,22 13,93 0,45 8,64 3,013

7 0,223 0,170 10,02 2,91 3,62 57,69 14,94 0,44 10,37 2,696

8 0,337 0,170 8,33 2,81 3,24 63,06 14,59 0,46 7,53 2,466

9 0,280 0,170 10,52 3,37 4,66 58,22 14,44 0,45 8,35 2,672

10 0,280 0,170 12,06 3,77 4,29 56,80 14,48 0,45 8,15 2,738

11 0,280 0,170 12,84 3,93 4,82 55,48 14,51 0,45 7,96 2,803

Tabla 4.5. Flujos molares específicos y descarga másica de gas producido.

MOLES ESPECIFICAS PRODUCIDAS (kmol/h)

Exp.

F.A

Ufcn

(m/s) CO CH4 H2 N2 CO2 O2 H2O

mgas

(kg/h)

1 0,240 0,150 0,345 0,102 0,128 1,372 0,300 0,011 0,230 67,66

2 0,320 0,150 0,264 0,082 0,109 1,372 0,338 0,044 0,172 66,71

3 0,240 0,190 0,437 0,122 0,173 1,738 0,332 0,014 0,291 83,52

4 0,320 0,190 0,295 0,094 0,104 1,738 0,412 0,053 0,218 82,43

5 0,280 0,142 0,207 0,076 0,155 1,297 0,326 0,010 0,186 61,64

6 0,280 0,198 0,299 0,092 0,114 1,814 0,420 0,014 0,260 84,45

7 0,223 0,170 0,270 0,078 0,098 1,555 0,403 0,012 0,280 75,70

8 0,337 0,170 0,205 0,069 0,080 1,555 0,360 0,011 0,186 70,10

9 0,280 0,170 0,281 0,090 0,124 1,555 0,386 0,012 0,223 74,48

10 0,280 0,170 0,330 0,103 0,118 1,555 0,396 0,012 0,223 76,54

11 0,280 0,170 0,360 0,110 0,135 1,555 0,407 0,013 0,223 77,98

119

Los resultados de composición del gas producido (Tabla 4.4), muestran que los rangos de

factor de aire y velocidad de fluidización estudiados experimentalmente fueron apropiados

para el desarrollo del proceso de gasificación en el equipo piloto.

Para el caso específico de los componentes energéticos, los resultados evidencian que los

valores de las concentraciones alcanzadas para CH4 y H2 se mostraron acordes con datos

reportados en la literatura, Barriga 200213 y Fernandes 200414. Sin embargo, las

concentraciones de CO estuvieron relativamente menores en comparación con estudios

previos. Una explicación a este hecho sería la baja profundidad del lecho fluidizado

impuesta en los experimentos (0,32 m) con relación a los valores normalmente utilizados en

otros estudios ( > 0,4 m). La consecuencia de utilizar cortas cantidades de material inerte se

ve reflejada en menores tiempos de residencia para las partículas del combustible, que para

el caso específico del CO, no favorecen su tasa de transformación vía reacción de

Bouduard:

COCOC 22 =+ mol

kJ6,172 ( )3.2Ec

De otro lado, los resultados de concentración de gas energético muestran que para un factor

de aire menor que 0,22, la cantidad de aire inyectada al gasificador sujeta a este valor no

permite generar el calor necesario para mantener las subsecuentes reacciones endotérmicas

de la gasificación. La transformación termoquímica de la cascarilla es afectada por la

deficiencia de oxígeno en las siguientes reacciones heterogéneas de oxidación de carbono:

COOC =+ 221

mol

kJ6,110− ( )1.2Ec

22 COOC =+ mol

kJ8,393− ( )2.2Ec

13 BARRIGA, M. B. Experimentos de gaseificaçao de casca de arroz em leito fluidizado. Brasil: UNICAMP, 2002. Tesis (Master en Ingeniería Mecánica). 14 Ibid 12.

120

Asimismo, fue observado que un valor de factor de aire mayor a 0,33 lleva a una situación

extrema que favorece principalmente a la combustión debido a la mayor presencia de

oxígeno, disminuyendo la concentración de gases energéticos en el gas producido. En este

caso, la eficiencia de la gasificación también es desfavorecida por una mayor dilución de

los gases combustibles, atribuida a cantidades más elevadas de nitrógeno introducidas junto

con el aire de fluidización.

Para el caso de la velocidad de fluidización, las bajas concentraciones de gas energético en

relación al valor mas pequeño de esta variable (≈ 0,14 m/s) pueden deberse a las menores

tasas de transferencia de masa y energía generadas por esta condición. No obstante, cabe

mencionar que aunque las concentraciones de CO y CH4 estuvieron relativamente bajas, la

de H2 reportó el valor mas elevado de todos los ensayos realizados. Una posible explicación

a este comportamiento se justifica en el hecho de que la humedad de la cascarilla utilizada

no fue controlada durante los experimentos; a mayor humedad contenida en el combustible,

más hidrógeno estaría disponible para formar parte del gas producto.

Por otro lado, con relación al valor más alto de velocidad de fluidización (0,198 m/s), las

bajas concentraciones de gas combustible tienen explicación en el incremento del

fenómeno de elutriación de las partículas (transporte de partículas para afuera del recipiente

de reacción). Esto dictamina un menor tiempo de residencia y, por consiguiente, una pobre

conversión de la cascarilla.

Adicionalmente, el análisis de los resultados obtenidos muestra que las corridas en el punto

central del diseño experimental (0,28 de factor de aire y 0,17 de velocidad de fluidización)

presentan una considerable dispersión respecto a los valores de concentración de los

componentes energéticos del gas producido. Aunque los ensayos experimentales fueron

cuidadosamente realizados, no se descartan posibles errores introducidos en la medición de

variables, principalmente en aquellas que envuelven la colecta del gas debido a posibles

diluciones con aire ambiente durante la toma de las muestras o análisis en laboratorio.

121

4.3 PODER CALORÍFICO INFERIOR DEL GAS PRODUCTO

La Tabla 4.6, muestra los valores calculados del poder calorífico inferior del gas producto,

a partir de las concentraciones de CO, CH4 y H2 medidas en los once ensayos de

gasificación ejecutados.

Tabla 4.6. Poder calorífico inferior del gas producto para los ensayos de gasificación

realizados.

Exp.

F.A

Ufcn

(m/s)

PCIgas

(MJ/Nm3)

1 0,240 0,150 3,77

2 0,320 0,150 3,13

3 0,240 0,190 3,78

4 0,320 0,190 2,82

5 0,280 0,142 3,09

6 0,280 0,198 2,75

7 0,223 0,170 2,70

8 0,337 0,170 2,40

9 0,280 0,170 3,03

10 0,280 0,170 3,33

11 0,280 0,170 3,55

Como esperado, los resultados de capacidad energética del gas producido demuestran una

dependencia directa con los valores de concentración de CO, CH4 y H2. Los valores

reportados, relativamente inferiores a los presentados en otros estudios previos, fueron

influenciados principalmente por las menores concentraciones de CO obtenidas en los

experimentos. Debido a que las temperaturas de los experimentos estuvieron en los rangos

normales de operación, las posibles causas de las deficiencias en la producción de CO, y

por lo tanto, del poder calorífico del gas, corresponden a las referidas en el numeral 4.2.

122

4.4 CAMPO VOLUMÉTRICO DEL GAS PRODUCTO

Los resultados obtenidos para esta variable se presentan en la Tabla 4.7.

Tabla 4.7. Descarga volumétrica normalizada y campo volumétrico de los ensayos de

gasificación realizados.

Exp.

F.A

Ufcn

(m/s)

Vgas-c.n

(Nm3/h)

Campogas

(Nm3/kgcascarilla)

1 0,240 0,150 55,77 1,26

2 0,320 0,150 53,37 1,61

3 0,240 0,190 69,67 1,24

4 0,320 0,190 65,36 1,55

5 0,280 0,142 50,57 1,41

6 0,280 0,198 67,52 1,34

7 0,223 0,170 60,42 1,12

8 0,337 0,170 55,28 1,54

9 0,280 0,170 59,88 1,39

10 0,280 0,170 61,38 1,43

11 0,280 0,170 62,83 1,46

Como fue esperado, los valores más altos de factor de aire (0,32 y 0,337) determinaron los

mayores valores para el campo volumétrico de gas producido. Caso contrario ocurrió con el

factor de aire de 0,223 donde el campo volumétrico fue el menor reportado. Estos

resultados concuerdan con datos presentados por Natarajan et al. (1998)15.

15 Ibid 8.

123

4.5 POTENCIA TÉRMICA DEL GAS PRODUCTO

La Tabla 4.8, muestra los resultados obtenidos de potencia térmica experimental del gas

producido para los once ensayos realizados.

Tabla 4.8. Potencia térmica del gas producto de los ensayos de gasificación realizados.

Exp.

F.A

Ufcn

(m/s)

Ptérmica

(kW)

1 0,240 0,150 58,38

2 0,320 0,150 46,34

3 0,240 0,190 73,20

4 0,320 0,190 51,23

5 0,280 0,142 43,47

6 0,280 0,198 51,65

7 0,223 0,170 45,24

8 0,337 0,170 36,90

9 0,280 0,170 50,48

10 0,280 0,170 56,84

11 0,280 0,170 61,90

Los resultados de potencia térmica experimental demostraron una dependencia directa con

los valores de concentración de gas energético, y por lo tanto, del poder calorífico del gas.

Las condiciones operacionales del experimento Nº 3 (0,24 de factor de aire y 0,190 de

velocidad de fluidización) evidenciaron el mayor valor de potencia térmica para el gas

producto. En general, los resultados estuvieron de acuerdo con información reportada en la

literatura.

124

4.6 EFICIENCIA A FRIO DEL EQUIPO GASIFICADOR

La Tabla 4.9 presenta los resultados obtenidos de eficiencia a frío experimental del sistema

gasificador para los once ensayos realizados.

Tabla 4.9. Eficiencia a frío experimental del sistema gasificador para los ensayos de

gasificación realizados.

Exp.

F.A

Ufcn

(m/s)

ηtérmica

(%)

1 0,240 0,150 34,98

2 0,320 0,150 37,02

3 0,240 0,190 34,63

4 0,320 0,190 32,31

5 0,280 0,142 32,17

6 0,280 0,198 27,31

7 0,223 0,170 22,27

8 0,337 0,170 27,36

9 0,280 0,170 31,14

10 0,280 0,170 35,06

11 0,280 0,170 38,18

Los resultados obtenidos evidenciaron un valor máximo de 38,18% para la eficiencia

térmica a frío, correspondiente a la combinación de factor de aire y velocidad de

fluidización de la tercera corrida del punto central del diseño experimental. Cabe mencionar

que aunque los valores alcanzados fueron similares a los obtenidos por Fernandes (2004)16,

estos fueron registrados con factores de aire entre 0,28 y 0,40.

16 Ibid 12

125

4.7 RESULTADOS DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

A continuación se presentan los resultados estadísticos del diseño de composición central

(CCD) seleccionado. En la Tabla 4.10 se presentan los valores promedio de cada una de las

variables de respuesta estimados por el modelo estadístico y el intervalo de las mismas para

un nivel de confianza del 95%

Tabla 4.10. Valores promedio e intervalos de confianza para las variables de respuesta

analizadas.

Intervalo de confianza Variable de respuesta

Promedio en el rango

de operación -95% +95%

Concentración de CO (%v) 11,81 8,64 14,97

Concentración de CH4 (%v) 3,69 2,97 4,41

Concentración de H2 (%v) 4,59 3,50 5,68

Poder calorífico inferior del

gas (MJ/Nm3) 3,31 2,60 4,01

Campo volumétrico del gas

(Nm3/kg cascarilla) 1,44 1,37 1,50

Potencia térmica del gas

(kW) 56,69 42,17 71,22

Eficiencia térmica a frío del

gasificador (%) 36,55 28,18 44,93

El análisis detallado para cada una de las variables de respuesta presentadas en la Tabla

4.10 se presenta en los próximos numerales.

4.7.1 Composición Estimada de Compuestos Combustibles del Gas Producido.

A partir de los valores de CO, CH4 y H2, presentados en la Tabla 4.4, fueron obtenidas las

superficies de respuesta para cada gas energético, junto con las correlaciones estadísticas

126

predictivas correspondientes. En las Figuras 4.1 a 4.3 se presentan los resultados del diseño

experimental obtenido.

CONCENTRACIÓN DE MONÓXIDO DE CARBONO EN EL GAS PRODUCTO

13 12 11 10 9 8 7

CO= -55,1717+237,6041.(FA)-364,1927.(FA)2+442,0009.(Uf)-994,2708.(Uf)2-365,6250.(FA).(Uf)

Figura 4.1. Superficie de respuesta y correlación estadística predictiva para la

concentración de CO en el gas producto.

En primera instancia, y acorde a lo afirmado en el numeral 4.2, las superficies de respuesta

de los componentes energéticos del gas producido verifican que los rangos de las variables

de entrada seleccionadas fueron apropiados para el desarrollo del proceso de gasificación

en el equipo piloto.

De acuerdo con el modelo estadístico resultante, la concentración de CO tiende a alcanzar

un valor máximo (13%v) cuando el factor de aire se aproxima a 0,24 y la velocidad de

fluidización normalizada se acerca a 0,18 m/s; mientras que para el CH4, la concentración

máxima (3,8%v) acontece cuando el factor de aire tiende a 0,27 y la velocidad de

fluidización normalizada a 0,16 m/s.

127

En el caso del H2, aunque los valores de concentración medidos están dentro del rango

reportado en la literatura, la presencia de un valor mínimo con relación a la velocidad de

fluidización no fue la esperada. Estudios previos de diversos autores indican que la

concentración de hidrógeno, al igual que la del monóxido de carbono y metano, debe

alcanzar un valor máximo y luego caer en función del factor de aire y la velocidad de

fluidización, debido fundamentalmente, a la dilución causada por la mayor concentración

de nitrógeno en el gas producto a medida que estas variables independientes incrementan a

partir de cierto valor. Como fue mencionado en el numeral 4.2, una posible razón que

fundamenta este comportamiento estaría en el hecho de que la humedad de la cascarilla de

arroz no tuvo control en los ensayos realizados; a mayor agua en el combustible, más

hidrógeno estaría disponible para hacer parte del gas producto. De acuerdo con los

resultados del modelo de superficie de respuesta, el valor más alto de concentración de

hidrógeno (7,8%v) tiende a presentarse cuando el factor de aire se acerca a 0,28 y la

velocidad de fluidización normalizada se aproxima a 0,13 m/s.

CONCENTRACIÓN DE METANO EN EL GAS PRODUCTO

3,8 3,5 3,2 2,9 2,6 2,3 2,0

CH4 = -13,4311+87,4925.(FA)-159,7439.(FA) 2+69,8013.(Uf)-206,6840.(Uf) 2-15,6250.(FA).(Uf)


de CH4 en el gas producto.

128

CONCENTRACIÓN DE HIDRÓGENO EN EL GAS PRODUCTO

7,8 6,8 5,8 4,8 3,8 2,8 1,8

H2 = -0,1470+238,7065.(FA)-309,6571.(FA) 2-290,7724.(Uf)+1129,0799.(Uf) 2-441,6667.(FA).(Uf)


de H2 en el gas producto.

Con el propósito de conocer la magnitud del efecto causado por variaciones en el nivel de

las variables independientes sobre la concentración de cada compuesto combustible

contenido en el gas producto, fueron construidos los gráficos de pareto ilustrados en las

Figuras 4.4 a 4.6.

Figura 4.4. Valoración de efectos para la concentración de CO en el gas producto.

129

Figura 4.5. Valoración de efectos para la concentración de CH4 en el gas producto.

Figura 4.6. Valoración de efectos para la concentración de H2 en el gas producto.

Aunque ninguno de los efectos fue representativo al nivel de 95% de confianza, el factor de

aire tuvo un mayor peso relativo en comparación con la velocidad de fluidización

normalizada para el caso del CO y el CH4. En el modelo estadístico estos resultados indican

que variaciones lineales y cuadráticas en el nivel del factor de aire son más determinantes

que cualquier otra combinación de niveles de las otras variables independientes

participantes, respectivamente. Para el caso del hidrógeno, variaciones lineales en el nivel

de la velocidad de fluidización normalizada representan las de mayor influencia en el

130

resultado de su concentración en el gas producto, aproximándose mejor que los otros dos

compuestos al nivel significativo del 95% de confianza (trazo punteado en rojo).

En las Figuras 4.7 a 4.9 se ilustran los valores observados (mediciones experimentales)

frente a los valores estimados por el modelo de superficie de respuesta correspondiente a

cada compuesto combustible.

Figura 4.7. Valores observados vs. Valores estimados por el modelo de superficie de

respuesta para CO.


respuesta para CH4.

131


respuesta para H2.

Los resultados obtenidos muestran que el modelo de superficie de respuesta para la

concentración de hidrógeno fue el de menor desvío con relación a los datos experimentales

registrados. A pesar de que la correlación estadística de los modelos para CO y CH4 es

comparativamente menor, el error absoluto asociado a las predicciones puede considerarse

aceptable (< 20%), para el caso de estudios experimentales que involucran procesos de

conversión energética a escala piloto.

La Tabla 4.11 muestra el análisis comparativo entre el modelo predictivo y los resultados

experimentales, considerando el porcentaje de error absoluto de las predicciones realizadas

por el modelo estadístico para las concentraciones de CO, CH4 y H2.

132

Tabla 4.11. Error absoluto de las predicciones para las concentraciones de CO, CH4 y H2

utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta.

Exp. CO CH4 H2

N° F.A Ufcn

(m/s)

V.M (1)

(%v)

V.E(2)

(%v)

E.A(3)

(%)

V.M.

(%v)

V.E.

(%v)

E.A.

(%)

V.M.

(%v)

V.E.

(%v)

E.A.

(%)

1 0,240 0,150 13,88 11,64 16,1 4,09 3,62 11,4 5,15 5,19 0,9

2 0,320 0,150 11,10 9,95 10,4 3,45 3,28 5,0 4,56 5,12 12,3

3 0,240 0,190 14,07 12,29 12,6 3,93 3,45 12,1 5,58 4,68 16,1

4 0,320 0,190 10,12 9,43 6,9 3,24 3,06 5,6 3,58 3,19 10,9

5 0,280 0,142 9,18 10,97 19,5 3,35 3,66 9,5 6,86 6,36 7,3

6 0,280 0,198 9,91 11,06 11,5 3,06 3,39 10,8 3,79 4,63 22,2

7 0,223 0,170 10,02 12,25 22,3 2,91 3,44 18,3 3,62 4,15 14,7

8 0,337 0,170 8,33 9,03 8,4 2,81 2,92 4,1 3,24 3,05 5,9

9 0,280 0,170 10,52 11,81 12,2 3,37 3,69 9,6 4,66 4,59 1,4

10 0,280 0,170 12,06 11,81 2,1 3,77 3,69 2,2 4,29 4,59 6,9

11 0,280 0,170 12,84 11,81 8,0 3,93 3,69 6,1 4,82 4,59 4,8 (1) Valor medido experimentalmente. (2) Valor estimado por el modelo de superficie de respuesta. (3) Error absoluto de la predicción del modelo.

4.7.2 Poder Calorífico Estimado del Gas Producido.

En la Figura 4.10 se ilustra la superficie de respuesta y el modelo estadístico

correspondiente al poder calorífico del gas producto en función de las variables

independientes de proceso. El comportamiento de la superficie obtenida fue el esperado,

evidenciándose un valor máximo del poder calorífico del gas en la región estudiada. Sin

embargo, el valor promedio de 3,3 MJ/Nm3 alcanzado fue aproximadamente 20% menor

que los reportados por otros autores. La explicación a este resultado se atribuye a la relativa

menor proporción de CO contenido en el gas generado, como fue mencionado en el

numeral 4.2. De acuerdo con el modelo de superficie determinado, un valor máximo de 3,4

133

MJ/Nm3 se obtiene cuando el gasificador opera con factor de aire cercano a 0,26 y

velocidad de fluidización normalizada en torno de 0,15 m/s.

PODER CALORIFICO DEL GAS PRODUCTO

PCg = -11,7758+87,0408.(FA)-136,5196.(FA) 2+49,2775.(Uf)-77,3304.(Uf) 2-99,3625.(FA).(Uf)

3,4 3,2 2,9 2,6 2,3 2,0 1,7 1,4

Figura 4.10. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para el poder

calorífico del gas producto.

Con relación a la valoración de efectos de las variables independientes sobre el poder

calorífico del gas producto, la Figura 4.11 muestra que las variaciones lineales del factor de

aire tienden a ser las más determinantes en la respuesta. Sin embargo, al igual que para las

concentraciones del gas producto, este efecto no fue representativo al nivel de 95% de

confianza.

134

PODER CALORIFICO DEL GAS PRODUCTO

-,154738

-,334671

-,57592

-1,0927

-1,50088

p=,05

EFECTO ESTIMADO

Uf(C)

FA(L) x Uf(L)

Uf(L)

FA(C)

FA(L)

Figura 4.11. Valoración de efectos para el poder calorífico del gas producto.

La Tabla 4.12 y la Figura 4.12, muestran un análisis comparativo de los valores de PCIgas

experimentales frente a los valores de PCIgas estimados. La comparación permite afirmar

que en ningún caso el error absoluto de la predicción del modelo estadístico supera el 20%,

valor considerado satisfactorio teniendo en cuenta que el proceso en estudio involucra

transformación termoquímica en equipo piloto.


respuesta para poder calorífico del gas producto.

135

Tabla 4.12. Error absoluto de las predicciones para el poder calorífico del gas producto


Exp. PODER CALORÍFICO INFERIOR DEL GAS PRODUCIDO

N° F.A Ufcn

(m/s)

Valor medido

(MJ/Nm3)

Valor estimado

(MJ/Nm3)

Error absoluto

(%)

1 0,240 0,150 3,77 3,33 11,8

2 0,320 0,150 3,13 2,98 4,7

3 0,240 0,190 3,78 3,29 13,0

4 0,320 0,190 2,82 2,63 6,9

5 0,280 0,142 3,09 3,38 9,2

6 0,280 0,198 2,75 3,11 12,8

7 0,223 0,170 2,70 3,22 19,6

8 0,337 0,170 2,40 2,51 4,5

9 0,280 0,170 3,03 3,31 8,9

10 0,280 0,170 3,33 3,31 0,9

11 0,280 0,170 3,55 3,31 6,8

4.7.3 Campo Volumétrico Estimado del Gas Producido.

Los resultados obtenidos por el modelo de ejecución experimental, permiten afirmar que el

campo volumétrico de gas producido por el sistema de gasificación tiende a aumentar

fuertemente en relación directa con incrementos del factor de aire, tal y como fue señalado

en el numeral 4.2. Igualmente, los resultados mostraron valores del mismo orden de

magnitud a los reportados en la literatura, mientras que el comportamiento frente a las

variables independientes estuvo totalmente acorde con los mismos. Para el rango de

operación analizado, un valor máximo de 1,60 Nm3/kg cascarilla, puede ser obtenido

cuando el factor de aire se acerca a 0,34 y la velocidad de fluidización normalizada tiende a

0,14 m/s.

136

En la Figura 4.13 se presenta la superficie de respuesta y el modelo estadístico

correspondiente al campo volumétrico de gas producto en función de las variables de

proceso controladas.

CAMPO DE GAS PRODUCTO

1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0

Cg = -2,2405+16,9473.(FA)-19,9679.(FA)2+9,9831.(Uf)-23,1766.(Uf)2-11,1474.(FA).(Uf)

Figura 4.13. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para el campo

volumétrico de gas producto.

En el gráfico de pareto, representado por la Figura 4.14, se observa que las variaciones

lineales del factor de aire tienen un efecto representativo sobre el valor del campo

volumétrico de gas al nivel de confianza del 95%.

Igualmente, al comparar los valores observados con los valores estimados por el modelo

estadístico resultante, se observaron errores absolutos de desvío que no superaron el 3%, tal

como se evidencia en la Tabla 4.13 y se visualiza en la Figura 4.15.

137

Figura 4.14. Valoración de efectos para el campo volumétrico de gas producto.

Tabla 4.13. Error absoluto de las predicciones para el campo volumétrico de gas producto


Exp. CAMPO VOLUMÉTRICO DE GAS PRODUCTO

N° FA Ufcn

(m/s)

Valor medido

(Nm3/kg cascarilla)

Valor estimado

(Nm3/kg cascarilla)

Error

absoluto (%)

1 0,240 0,150 1,27 1,25 1,6

2 0,320 0,150 1,61 1,58 2,1

3 0,240 0,190 1,25 1,23 2,1

4 0,320 0,190 1,56 1,52 2,5

5 0,280 0,142 1,42 1,45 1,9

6 0,280 0,198 1,35 1,39 2,5

7 0,223 0,170 1,13 1,15 1,8

8 0,337 0,170 1,55 1,59 2,6

9 0,280 0,170 1,40 1,44 2,5

10 0,280 0,170 1,44 1,44 0,0

11 0,280 0,170 1,47 1,44 2,3

138

Figura 4.15. Valoración de efectos para el campo volumétrico de gas producto

4.7.4 Potencia Térmica Estimada del Gas Producido.

Como se observa, en el rango de operación del equipo gasificador, es posible identificar un

valor máximo de potencia cercano a 66 kW cuando el factor de aire se aproxima al valor

de 0,24 y la velocidad de fluidización tiende a 0,20 m/s. El comportamiento de la variable

de respuesta está acorde con información obtenida por estudios previos, aunque para rangos

de factor de aire un poco mayores.

En el grafico de pareto respectivo se evidenció el efecto predominante de las variaciones

lineales del factor de aire sobre la variable de respuesta, aunque no haya sido obtenida

representatividad al nivel de 95% de confianza, tal como se ilustra en la Figura 4.17.

139

POTENCIA DEL GAS PRODUCTO

66 62 56 50 44 38 32 26

Pg= -385,9591+1930,5263.(FA)-2759,2741.(FA)2+2076,4545.(Uf)-2950,4526.(Uf)2-3136,4626.(FA).(Uf)

Figura 4.16. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la potencia

térmica del gas producto.

Figura 4.17. Valoración de efectos para la potencia térmica del gas producto.

El error absoluto del modelo predictivo no superó el 23%, tal como muestra la Tabla 4.14 y

se visualiza en la Figura 4.18.

140

Tabla 4.14. Error absoluto de las predicciones para la potencia térmica del gas producto


Exp. POTENCIA TÉRMICA DEL GAS PRODUCTO

N° FA Ufcn

(m/s)

Valor medido

(kW)

Valor estimado

(kW)

Error absoluto

(%)

1 0,240 0,150 58,89 50,60 14,1

2 0,320 0,150 46,45 43,79 5,7

3 0,240 0,190 73,82 63,43 14,1

4 0,320 0,190 51,35 46,58 9,3

5 0,280 0,142 43,78 48,82 11,5

6 0,280 0,198 51,83 59,85 15,5

7 0,223 0,170 45,72 56,23 23,0

8 0,337 0,170 36,95 39,50 6,9

9 0,280 0,170 50,74 56,69 11,7

10 0,280 0,170 57,13 56,69 0,8

11 0,280 0,170 62,21 56,69 8,9

Figura 4.18. Valoración de efectos para potencia térmica del gas producto.

141

4.7.5 Eficiencia a Frío Estimada del Equipo Gasificador.

En la Figura 4.19, se ilustra la superficie de respuesta y el modelo estadístico

correspondiente en función de las variables independientes analizadas.

EFICIENCIA A FRIO DEL GASIFICADOR

38 35 32 29 26 23 20 17

Ef = -234,1528+1409,2746.(FA)-2047,6187.(FA)2+907,9641.(Uf)-1728,8643.(Uf)2-1423,2382.(FA).(Uf)

Figura 4.19. Superficie de respuesta y modelo estadístico predictivo para la eficiencia

térmica a frío del gasificador.

Los resultados obtenidos mostraron que la eficiencia térmica a frío presenta un valor

máximo cercano a 38% en el rango de operación estudiado, correspondiendo

específicamente a factor de aire de 0,30 y velocidad de fluidización normalizada alrededor

de 0,15 m/s.

El gráfico de pareto correspondiente a la variable de respuesta analizada se presenta en la

Figura 4.20.

142

Figura 4.20. Valoración de efectos para la eficiencia térmica a frío del gasificador.

Del gráfico anterior se observa que la eficiencia térmica a frío depende principalmente de

las variaciones al cuadrado del factor de aire, sin embargo, sin ser representativo al nivel de

95% de confianza.

El error absoluto máximo obtenido por el modelo de superficie de respuesta fue de 23%,

valor considerado aceptable. Los valores correspondientes de este análisis se presentan en

la Tabla 4.15 y se visualizan en la Figura 4.21.

Figura 4.21 Valoración de efectos para la eficiencia térmica a frío del gasificador.

143

Tabla 4.15. Error absoluto de las predicciones para la eficiencia térmica a frío del

gasificador utilizando el modelo estadístico de superficie de respuesta.

Exp. EFICIENCIA TÉRMICA A FRÍO DEL GASIFICADOR

N° FA Ufcn

(m/s)

Valor medido

(%)

Valor estimado

(%)

Error absoluto

(%)

1 0,240 0,150 36,89 32,19 12,7

2 0,320 0,150 38,79 36,12 6,9

3 0,240 0,190 36,51 31,33 14,2

4 0,320 0,190 33,86 30,71 9,3

5 0,280 0,142 33,80 37,39 10,6

6 0,280 0,198 28,69 32,96 14,8

7 0,223 0,170 23,48 28,83 22,8

8 0,337 0,170 28,68 31,17 8,7

9 0,280 0,170 32,71 36,55 11,7

10 0,280 0,170 36,84 36,55 0,8

11 0,280 0,170 40,11 36,55 8,9

En general, aunque las influencias de las variables de entrada no tuvieron un nivel de

confianza del 95%, las correlaciones presentadas para la predicción de las respuestas son

satisfactorias, teniendo en cuenta la complejidad del proceso y la cantidad de agentes

externos que pueden influir en este. Factores como la calidad del material inerte utilizado

(pureza de la arena en términos de sílice), humedad y calidad de la cascarilla (suelo y tipo

de fertilizante utilizado en la cosecha), efecto de la refrigeración del tornillo alimentador

(puede funcionar como condensador) y posibles errores en la medición y colección de la

muestra, pueden tener una considerable influencia en el proceso de transformación

termoquímica.

144

CONCLUSIONES

Del desarrollo del presente trabajo de grado fueron obtenidas las siguientes conclusiones:

• El sistema de gasificación a escala piloto es capaz de generar un gas combustible con

concentración media de 11,09%v de CO; 3,45%v de CH4 y 4,56%v de H2, poder

calorífico medio de 3,12 MJ/Nm3 y potencia térmica de 52,33 kW. El rendimiento

energético a frío del equipo gasificador estuvo alrededor de un valor medio de 32,04%.

• El equipo gasificador requiere ser operado con valores del factor de aire variando desde

0,24 a 0,32, y velocidad de fluidización normalizada variando desde 0,15 a 0,18 m/s,

con el fin de obtener mejores rendimientos. La altura del lecho fijo de inertes requiere

ser aumentado hasta valores cercanos a 0,5 m, con el fin de aumentar el tiempo medio

de residencia del sólido, la conversión del carbono contenido en la cascarilla de arroz,

y, por consiguiente, la concentración de monóxido de carbono en el gas producto.

Posibles incrementos en la altura del free-board del gasificador podrían también ser

necesarios para disminuir el arrastre de partículas de combustible que escapan hacia el

ciclón sin haber reaccionado suficientemente.

• Mediante la ejecución de las mejoras del proceso que requieren ser realizadas,

especialmente con relación al aumento de la concentración de CO, el sistema estará en

capacidad para entregar cerca de 17 kW de potencia de eje a un motor de combustión

interna que opere con 25% de eficiencia. Obviamente, investigaciones paralelas

direccionadas a la adecuación del gas para su uso en máquinas térmicas necesitan aún

ser realizadas para lograr dicho propósito.

145

• La técnica de diseño de experimentos aplicada en investigaciones experimentales a

escala piloto de relativa complejidad mostró ser de gran utilidad para la evaluación de

procesos en los cuales, la reducción de costos, tiempo de ejecución y objetividad en la

obtención de resultados se tornan fundamentales. Cabe señalar que aunque las

correlaciones estadísticas para predicción de las variables de respuesta no alcanzaron el

nivel de 95% de confianza, las estimaciones realizadas a través de las mismas son

consideradas aceptables. Para el tamaño y la complejidad del proceso analizado, errores

menores a 20% en la predicción de variables de rendimiento son satisfactorios.

Investigaciones futuras en el equipo gasificador se focalizarán a mejorar este aspecto,

principalmente, mediante una mayor rigurosidad en la medición de variables

experimentales y aumento de corridas en el punto central del diseño estadístico CCD, a

fin de incrementar el porcentaje de ortogonalidad.

• El sistema gasificador instalado representa un equipo con gran potencial para la

valorización racional de aproximadamente 380 toneladas/año de cascarilla de arroz en

aras de un beneficio energético importante. Las condiciones de operación y rendimiento

obtenidas muestran la viabilidad inmediata de generar, a partir de un recurso energético

renovable y de un proceso de tecnología más limpia, un gas combustible con suficiente

calidad para su posterior quema directa en cámaras de combustión y aprovechamiento

del calor en procesos de secado.

• Debido principalmente al gran contenido de sílice, las cenizas de cascarilla de arroz

resultantes del proceso de gasificación pueden ser de gran utilidad en la elaboración de

materiales cerámicos o de la industria ladrillera, tal como han demostrado estudios

recientes realizados por algunos investigadores nacionales.

• Los resultados obtenidos se convierten en un punto de partida bastante prometedor para

la construcción y puesta en operación de gasificadores de mayor escala, donde se espera

que el sector agroindustrial tenga especial interés.

146

• La gasificación de materiales biomásicos, además de contribuir como solución a la

disposición de residuos, puede aportar importantes beneficios energéticos a las zonas no

interconectadas del país y del mundo, donde la cascarilla de arroz presente una mayor

producción. En este sentido, es posible que la gasificación del residuo, como de otras

biomasas, sirva de herramienta para mejorar la calidad de vida de las poblaciones, en

relación de una independencia energética de forma sostenible.

147

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

AGROCADENAS de Colombia. Caracterización del Arroz. En línea:

<www.agrocadenas.gov.co/arroz/ documentos/caracterizacion_arroz.pdf> [Enero, 2005].

[2]

ARMESTO et al. Combustion behavior of rice husk in a bubbling fluidized bed. Biomass

and Bioenergy, v. 23. 2002. pp. 171 – 179. [13]

BARBOSA CORTEZ, Luis Augusto y SILVA LORA, Electo. Tecnologias de Conversao

da Biomassa. Manaus: EDUA/EFEI, 1997. p 313. [9]

BARRIGA, M. B. Experimentos de gaseificaçao de casca de arroz em leito fluidizado.

Brasil: UNICAMP, 2002. Tesis (Master en Ingeniería Mecánica). [15]

Central Composite and Non-Factorial Response Surface Designs. En línea <

http://www.uni-ulm.de/~cschmid/v1999w/kapit06d/k6d.htm> [Julio 2005]. [19]

FERNANDES C, Marcelo. Investigação Experimental de Gaseificação de Biomassa em

Leito Fluidizado. Brasil: UNICAMP, 2004. Tesis (Doctor en Ingeniería Mecánica). [6]

GELDART, D. Gas Fluidization Technology. Great Britain: Jhon Wiley and Sons, 1985.

400 p. [11]

GUTIÉRREZ P. Humberto. DE LA VARA S. Román. Análisis y Diseño de Experimentos.

México: Mc Graw Hill, 2004, 571 p. [17]

148

HOWARD, J. R. Fluidized bed technology: principles and applications. New York: Adam

Hilger, 1989. 214 p. [12]

KAUPP Albrecht. Gasification of Rice Hulls. Deutsches Zentrum für

Entwicklungstechnologien – GATE. 1984. [7].

KUEHL, R. Diseño de experimentos: Principios estadísticos de diseño y análisis de

investigación. México: Thomson, 2001, 666p. [18]

KUNII, Daizo y LEVENSPIEL Octave. Fluidization Engineering. 2ª ed. Newton:

Butterworth – Heinemann, 1991. 491 p. [10]

MAYERS, R., MONTOGOMERY, D. Response Surface Methodology: Process and

Product Optimization Using Designed Experiments. New York: John Wiley & Sons, 2002,

798 p. [20]

MONTGOMERY, D. Design and Analysis of Experiments. 4th edition. New York: John

Wiley & Sons, 1997. 704 p. [16]

NATARAJAN, E.; NORDIN, A.; RAO, A. Overview of Combustion and Gasification of

Rice Husk in Fluidized Bed Reactors. Biomass & Bioenergy, v. 14. 1998. pp. 533-546. [4]

RAMÍREZ B. Jhon Jairo. Disminuçao de H2S na gaseificação de carvão mineral mediante

adiío de dolomita em reator de leito fluidizado. Brasil: UNICAMP, 1999. Tesis (Master en

Ingeniería Mecánica). [14]

RAMÍREZ B. Jhon Jairo. Gasificación de Cascarilla de Arroz en Reactor de Lecho

Fluidizado a Escala Piloto: Propuesta para proyecto de innovación tecnológica Sena-

Colciencias. Medellín: UPB. Grupo de investigaciones Ambientales, 2002. [8]

149

RAMIREZ B. Jhon Jairo. RESTREPO V. César Augusto. Diseño y Construcción de un

Quemador de Cascarilla de Arroz en Lecho Fluidizado. Tesis de Pregrado 1994. UPB.

Colombia. [1]

SANCHEZ G, Caio. Gasificação de Biomassa. Brasil: UNICAMP. Faculdade de

Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Térmica e de Fluidos, 1997. [5]

SEBASTIAN N, Fernando y ROYO H, Javier. Energías renovables: La biomasa. España:

Fundación CIRCE, 2002. [3]

150

ANEXO A.

Valores físicos de cascarilla de arroz, para la determinación de la densidad aparente.

Experimentos Característica 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Altura de la Cascarilla (H) 8,80 8,00 7,70 9,00 8,80 8,90 8,70 7,50 7,40 9,00 Diámetro (Aproximado) de

la Cascarilla (D) 1,40 2,20 1,70 1,80 1,40 1,60 1,50 2,10 2,00 1,50 Volumen cilindro partido a la mitad en función ( D, H ) 6,77 15,21 8,74 11,45 6,77 8,95 7,69 12,99 11,62 7,95

R = H/D 6,29 3,64 4,53 5,00 6,29 5,56 5,80 3,57 3,70 6,00 Volumen esfera 6,77 15,21 8,74 11,45 6,77 8,95 7,69 12,99 11,62 7,95

Diámetro de la Esfera en función (Vcilindro/2) 2,35 3,07 2,56 2,80 2,35 2,58 2,45 2,92 2,81 2,48

Área superficial de la esfera 17,31 29,68 20,52 24,57 17,31 20,84 18,84 26,72 24,82 19,27 Área superficial del cilindro

partido a la mitad 33,60 65,37 40,54 52,17 33,60 42,35 37,20 56,55 51,32 38,48 Esfericidad 0,52 0,45 0,51 0,47 0,52 0,49 0,51 0,47 0,48 0,50

151

ANEXO B.

Análisis Granulométrico de Cascarilla de Arroz.

Experimento # 1.

Nº Tamiz (ASTM E-11)

Abertura del tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

(xi) xi/dip

Fracción de masa

acumulada

Diámetro medio (mm)

Colector 0 2 0,0745 0,019231 0,2581311 0,0192308 100 0,149 1 0,1795 0,009615 0,0535676 0,0288462 70 0,21 5 0,315 0,048077 0,1526252 0,0769231 40 0,42 9 0,63 0,086538 0,1373626 0,1634615 20 0,84 50 1,26 0,480769 0,3815629 0,6442308 12 1,68 31 2,52 0,298077 0,1182845 0,9423077 6 3,36 6 5,04 0,057692 0,0114469 1 0,898

Fracción Másica Acumulativa Cascarilla de Arroz

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7

Diámetro de Apertura del Tamiz (mm)

Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a

Distribución Granulométrica Cascarilla de Arroz

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5

Diámetro Promedio (mm)

Fra

cció

n de

Ma

sa

152

Experimento # 2.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 5 0,0745 0,052632 0,7064641 0,0526316 100 0,149 2 0,1795 0,021053 0,1172849 0,0736842 70 0,21 4 0,315 0,042105 0,1336675 0,1157895 40 0,42 11 0,63 0,115789 0,1837928 0,2315789 20 0,84 47 1,26 0,494737 0,3926483 0,7263158 12 1,68 26 2,52 0,273684 0,1086048 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0,609


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5


Fra

cció

n de

Ma

sa

153

Experimento # 3.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 1 0,0745 0,010204 0,1369675 0,0102041 100 0,149 1 0,1795 0,010204 0,0568473 0,0204082 70 0,21 3 0,315 0,030612 0,0971817 0,0510204 40 0,42 8 0,63 0,081633 0,1295756 0,1326531 20 0,84 51 1,26 0,520408 0,4130224 0,6530612 12 1,68 34 2,52 0,346939 0,1376741 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 1.030


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5

Diámetro del Tamiz (mm)

Fra

cció

n de

Ma

sa

154

Experimento # 4.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 3 0,0745 0,034884 0,4682379 0,0348837 100 0,149 2 0,1795 0,023256 0,1295589 0,0581395 70 0,21 6 0,315 0,069767 0,2214839 0,127907 40 0,42 11 0,63 0,127907 0,2030269 0,255814 20 0,84 42 1,26 0,488372 0,3875969 0,744186 12 1,68 22 2,52 0,255814 0,1015135 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.662


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5


Fra

cció

n de

Ma

sa

155

Experimento # 5.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 1 0,0745 0,012195 0,1636929 0,0121951 100 0,149 1 0,1795 0,012195 0,0679394 0,0243902 70 0,21 2 0,315 0,02439 0,0774293 0,0487805 40 0,42 7 0,63 0,085366 0,1355014 0,1341463 20 0,84 46 1,26 0,560976 0,4452187 0,695122 12 1,68 25 2,52 0,304878 0,1209834 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.989


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5


Fra

cció

n de

Ma

sa

156

Experimento # 6.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 1 0,0745 0,012195 0,1636929 0,0121951 100 0,149 1 0,1795 0,012195 0,0679394 0,0243902 70 0,21 3 0,315 0,036585 0,116144 0,0609756 40 0,42 8 0,63 0,097561 0,1548587 0,1585366 20 0,84 45 1,26 0,54878 0,4355401 0,7073171 12 1,68 24 2,52 0,292683 0,116144 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.948


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5


Fra

cció

n de

Ma

sa

157

Experimento # 7.

Repetición Experimento # 6.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 2 0,0745 0,02439 0,3273858 0,0243902 100 0,149 1 0,1795 0,012195 0,0679394 0,0365854 70 0,21 3 0,315 0,036585 0,116144 0,0731707 40 0,42 7 0,63 0,085366 0,1355014 0,1585366 20 0,84 45 1,26 0,54878 0,4355401 0,7073171 12 1,68 24 2,52 0,292683 0,116144 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.834


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5


Fra

cció

n de

Ma

sa

158

Experimento # 8.

Repetición Experimento # 6.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 1 0,0745 0,012195 0,1636929 0,0121951 100 0,149 1 0,1795 0,012195 0,0679394 0,0243902 70 0,21 3 0,315 0,036585 0,116144 0,0609756 40 0,42 8 0,63 0,097561 0,1548587 0,1585366 20 0,84 45 1,26 0,54878 0,4355401 0,7073171 12 1,68 24 2,52 0,292683 0,116144 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.948


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 1 2 3 4 5


Fra

cció

n de

Ma

sa

159

ANEXO C.

Análisis Granulométrico de Arena.

Experimento # 1.

Nº Tamiz (ASTM E-11)

Abertura del tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

(xi) xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 13 0,0745 0,0185714 0,2492809 0,01857 100 0,149 27 0,1795 0,0385714 0,2148826 0,05714 70 0,21 298 0,315 0,4257143 1,3514739 0,48286 40 0,42 361 0,63 0,5157143 0,8185941 0,99857 20 0,84 1 1,26 0,0014286 0,0011338 1 12 1,68 0 2,52 0 0 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.379

Fracción Másica Acumulativa Arena

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n d

e M

asa

Acu

mu

lativ

a

Distribución Granulométrica Arena

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5


Fra

cció

n de

Ma

sa

160

Experimento # 2.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 21 0,0745 0,0211694 0,2841524 0,02117 100 0,149 34 0,1795 0,0342742 0,1909426 0,05544 70 0,21 401 0,315 0,4042339 1,2832821 0,45968 40 0,42 535 0,63 0,5393145 0,8560548 0,99899 20 0,84 1 1,26 0,0010081 0,0008001 1 12 1,68 0 2,52 0 0 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.382


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5


Fra

cció

n de

Ma

sa

161

Experimento # 3.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 15 0,0745 0,0185874 0,2494948 0,01859 100 0,149 29 0,1795 0,0359356 0,2001981 0,05452 70 0,21 326 0,315 0,4039653 1,2824295 0,45849 40 0,42 436 0,63 0,5402726 0,8575756 0,99876 20 0,84 1 1,26 0,0012392 0,0009835 1 12 1,68 0 2,52 0 0 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.386


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5


Fra

cció

n de

Ma

sa

162

Experimento # 4.

Nº Tamiz (ASTM E-

11)

Abertura del Tamiz

(mm)

Masa retenida

(g)

Diámetro Promedio

(dip)

Fracción Másica

xi xi/dip

Fracción de masa

acumulada


Colector 0 18 0,0745 0,019088 0,256215 0,01909 100 0,149 31 0,1795 0,0328738 0,183141 0,05196 70 0,21 361 0,315 0,3828208 1,2153041 0,43478 40 0,42 532 0,63 0,5641569 0,8954872 0,99894 20 0,84 1 1,26 0,0010604 0,0008416 1 12 1,68 0 2,52 0 0 1 6 3,36 0 5,04 0 0 1 0.392


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 1 2 3 4 5 6 7


Fra

cció

n de

Ma

sa

Acu

mul

ativ

a


0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5


Fra

cció

n de

Ma

sa

163

ANEXO D.

Perfiles de Temperatura de los Ensayos de Gasificación.

PRIMER ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5

Temperatura Promedio del

lecho

Temperatura del aire

fluidización - gasificación

05:10 133 131 113 92 82 110 05:15 199 198 185 146 125 171 05:20 231 230 218 173 149 200 05:25 271 270 261 207 177 237 05:30 297 296 290 234 197 263 05:35 323 321 316 258 218 287 05:40 347 347 341 275 230 308 05:45 366 367 361 294 244 326 05:50 380 383 378 312 259 342 05:55 391 395 392 325 270 355 06:00 404 408 406 337 280 367 06:05 407 413 411 353 292 375 06:10 407 414 413 352 296 376 06:15 407 417 415 360 300 380 06:20 407 418 417 362 302 381 06:25 407 419 419 368 313 385 06:30 407 420 421 370 314 386 06:35 407 424 424 374 315 389 06:40 410 426 426 376 319 391 06:45 414 433 433 380 323 397 06:50 418 437 438 389 331 403 06:55 420 441 442 392 336 406 07:00 427 450 450 403 346 415 07:05 420 475 494 505 475 474 07:10 540 572 598 616 599 585 07:15 630 660 662 687 680 664 07:20 660 693 721 700 700 695 07:25 696 724 735 750 743 730 07:30 720 750 760 778 779 757 07:35 770 780 781 798 800 786 07:40 752 755 783 792 794 775 07:45 790 800 810 820 825 809 07:50 780 784 800 800 775 788 07:55 750 743 737 721 711 732 08:00 710 706 706 700 691 703 40 Recarga del Silo 08:05 680 678 681 671 662 674 39 08:10 725 732 726 715 735 727 38

164

PRIMER ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:15 738 741 737 735 722 735 37 08:20 750 752 748 741 725 743 37 08:25 768 772 758 753 732 757 37 08:30 786 780 775 762 750 771 36 08:35 795 798 760 761 751 773 35 08:40 806 808 797 789 776 795 35 08:45 800 805 804 797 780 797 35 08:50 810 800 800 805 784 800 35 Muestreo

08:55 812 790 795 798 780 795 35 09:00 760 765 740 733 710 742 35 09:05 700 732 710 680 665 697 35 09:10 610 610 613 620 609 612 35 09:15 520 530 537 538 520 529 35 09:20 480 500 505 525 533 509 35

09:40 338 346 344 400 403 366 36

165

Perfil de TemperaturasPrimer Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

05:10

05:2

005

:30

05:40

05:50

06:0

006

:10

06:20

06:30

06:4

006

:50

07:00

07:10

07:2

007

:30

07:40

07:50

08:0

008

:10

08:20

08:30

08:4

008

:50

09:00

09:10

09:2

0

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5

T aire fluidización

T Promedio

166

SEGUNDO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



05:00 88 77 85 74 90 83 05:05 115 119 112 112 119 115 05:10 180 182 175 143 123 161 05:15 226 215 237 200 150 206 05:20 270 262 266 219 177 239 05:25 280 300 275 232 202 258 05:30 320 320 315 265 220 288 05:35 350 338 345 256 249 308 05:40 380 386 370 317 265 344 05:45 400 410 410 380 300 380 05:50 405 408 405 395 315 386 05:55 407 421 430 402 326 397 06:00 412 431 436 412 351 408 06:05 425 445 441 419 378 422 06:10 460 480 473 440 411 453 06:15 487 500 503 489 445 485 06:20 505 552 542 516 478 519 06:25 588 592 570 563 531 569 06:30 655 659 631 615 581 628 06:35 712 705 695 663 612 677 06:40 719 744 738 725 645 714 06:45 763 758 753 749 711 747 06:50 789 781 781 776 752 776 06:55 801 796 802 791 779 794 07:00 812 809 810 815 793 808 07:05 823 816 824 826 810 820 07:10 755 747 735 715 702 731 07:15 704 703 709 698 687 700 07:20 683 675 674 668 649 670 Recarga del Silo 07:25 715 729 729 721 710 721 07:30 745 750 745 728 719 737 40 07:35 770 772 761 758 738 760 40 07:40 789 781 773 767 752 772 40 07:45 798 798 765 771 762 779 40 07:50 806 808 797 789 776 795 40 07:55 813 810 800 805 785 803 40 08:00 812 815 804 798 793 804 40 08:05 806 812 813 806 803 808 40 Muestreo 08:10 753 745 763 736 725 744 40 08:15 702 729 708 678 675 698 40 08:20 613 615 617 615 605 613 40 08:25 529 538 545 531 513 531 40

167

SEGUNDO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:30 478 506 502 525 475 497 40

08:35 331 337 333 398 326 345 40

168

Perfil de TemperaturasSegundo Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

05:0

005

:10

05:2

005

:30

05:4

005

:50

06:00

06:1

006

:20

06:3

006

:40

06:5

007

:00

07:1

007

:20

07:3

007

:40

07:5

008

:00

08:1

008

:20

08:3

0

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

169

TERCER ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



04:50 95 93 107 113 108 103 04:55 176 176 164 156 144 163 05:00 242 241 230 206 186 221 05:05 286 284 273 239 213 259 05:10 328 326 315 275 242 297 05:15 354 352 344 300 262 322 05:20 374 372 363 319 279 341 05:25 393 392 385 338 292 360 05:30 408 408 401 350 307 375 05:35 424 425 420 364 317 390 05:40 440 441 432 379 328 404 05:45 450 454 447 394 340 417 05:50 459 462 454 404 348 425 05:55 412 390 416 427 408 411 06:00 494 530 566 560 546 539 06:05 600 595 604 619 600 604 06:10 620 666 654 631 620 638 06:15 680 690 674 670 645 672 06:20 700 710 705 700 670 697 06:25 754 790 780 740 705 754 06:30 780 805 795 766 724 774 06:35 800 815 805 795 750 793 06:40 750 771 755 667 645 718 43 06:45 725 730 705 685 615 692 42 06:50 685 670 665 650 580 650 42 Recarga del Silo 06:55 720 730 745 750 650 719 42 07:00 725 734 765 766 670 732 42 07:05 740 789 785 790 705 762 41 07:10 760 760 780 780 725 761 41 07:15 780 770 780 780 755 773 41 07:20 805 810 795 805 780 799 .40 07:25 830 820 810 840 785 817 40 07:30 800 820 830 835 785 814 .39 07:35 780 820 820 830 792 808 .39 Muestreo

07:40 800 800 800 800 800 800 .39 07:45 790 795 800 800 730 783 .40 07:50 700 730 740 740 720 726 41 07:55 620 600 650 660 665 639 40 08:00 459 496 547 481 516 500 .40 08:05 340 410 460 350 400 392 40 08:10 300 350 395 345 360 350 40 08:15 260 320 370 340 357 329 40 08:20 200 255 320 335 353 293 40

170

TERCER ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:25 200 240 280 330 350 280 40 08:30 160 140 175 240 271 197 .41 08:35 120 120 120 200 240 160 42 08:40 110 115 114 200 220 152 08:45 100 100 90 200 200 138 08:50 100 70 100 200 195 133

08:55 100 70 95 200 190 131

171

Perfil de TemperaturasTercer Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

04:50

05:00

05:10

05:20

05:30

05:40

05:50

06:00

06:1

006

:2006

:30

06:40

06:50

07:00

07:10

07:20

07:30

07:40

07:50

08:00

08:10

08:20

08:30

08:40

08:50

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

172

CUARTO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



05:00 150 155 146 155 156 152 05:05 195 194 195 190 180 191 05:10 239 237 238 224 207 229 05:15 270 269 268 253 228 258 05:20 300 300 300 282 250 286 05:25 332 330 330 310 272 315 05:30 356 354 353 335 290 338 05:35 378 377 375 355 308 359 05:40 393 392 390 370 320 373 05:45 406 406 404 380 326 384 05:50 420 420 420 398 340 400 05:55 428 430 427 407 354 409 06:00 432 434 432 413 358 414 06:05 435 439 437 419 365 419 06:10 440 450 454 440 430 443 06:15 520 530 550 550 560 542 06:20 600 630 640 660 628 632 06:25 650 680 690 700 700 684 06:30 680 720 730 740 740 722 06:35 740 760 770 770 770 762 06:40 760 780 800 810 800 790 06:45 800 810 830 840 830 822 06:50 775 760 755 710 705 741 06:55 735 730 726 665 650 701 46 07:00 700 695 690 685 660 686 45 Recarga del Silo

07:05 745 740 725 715 705 726 44 07:10 760 775 755 730 710 746 44 07:15 780 790 785 760 740 771 44 07:20 815 820 815 795 780 805 44 07:25 845 850 840 825 815 835 44 07:30 865 870 855 840 830 852 44 07:35 860 860 870 860 835 857 43 07:40 850 865 870 855 830 854 43 07:45 850 860 860 855 840 853 43 Muestreo 07:50 830 830 830 830 825 829 43 07:55 670 680 680 670 670 674 43 08:00 540 560 560 570 570 560 43 08:05 500 510 520 520 530 516 44 08:10 440 480 460 470 460 462 44 08:15 400 446 426 427 440 428 44 08:20 400 410 410 420 450 418 45 08:25 360 370 375 390 424 384 45

173

CUARTO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:30 341 348 350 369 398 361 45 08:35 315 320 325 340 380 336 45

08:40 290 302 305 330 360 317 45

174

Perfil de TemperaturasCuarto Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

05:0

005

:10

05:2

005

:30

05:4

005

:5006

:00

06:1

006

:20

06:3

006

:40

06:5

007

:00

07:1

007

:20

07:3

007

:4007

:50

08:0

008

:10

08:2

008

:30

08:4

0

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

175

QUINTO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho

Temperatura del aire fluidización -

gasificación 04:50 142 141 142 152 141 144 04:55 167 166 162 163 152 162 05:00 217 215 211 196 180 204 05:05 262 261 258 234 211 245 05:10 302 300 296 266 235 280 05:15 336 335 333 301 263 314 05:20 358 357 355 322 280 334 05:25 384 382 379 345 297 357 05:30 400 399 395 360 309 373 05:35 423 423 420 384 328 396 05:40 432 433 430 396 342 407 05:45 439 439 438 403 350 414 05:50 440 443 444 405 354 417 05:55 453 455 454 418 364 429 06:00 456 456 456 447 426 448 06:05 480 500 500 530 520 506 06:10 535 550 590 560 570 561 06:15 610 630 610 650 630 626 06:20 640 660 657 655 645 651 06:25 650 670 660 700 660 668 06:30 700 700 717 700 685 700 06:35 720 735 745 750 700 730 06:40 740 750 760 770 710 746 06:45 765 760 770 777 732 761 06:50 770 780 770 777 740 767 06:55 775 805 800 800 764 789 07:00 795 810 800 816 773 799 07:05 807 826 821 824 770 810 07:10 760 780 778 760 690 754 07:15 680 700 670 630 620 660 07:20 605 615 580 570 570 588 Recarga del Silo

07:25 700 710 715 715 655 699 41 07:30 750 770 770 745 704 748 42 07:35 780 790 800 785 738 779 41 07:40 810 820 810 805 757 800 39 07:45 805 815 830 800 776 805 39 07:50 815 820 835 807 787 813 38 07:55 795 810 825 820 770 804 38 Muestreo 08:00 805 800 840 820 800 813 37 08:05 745 750 780 770 780 765 37 08:10 725 710 750 710 750 729 38 08:15 680 670 650 620 750 674 38 08:20 640 630 640 565 720 639 38

176

QUINTO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho

Temperatura del aire fluidización -

gasificación 08:25 600 584 570 505 680 588 38 08:30 560 562 556 475 575 546 39 08:35 500 500 504 440 548 498 40 08:40 435 440 440 376 507 440 44 08:45 354 367 369 352 457 380 44

08:50 352 353 360 336 451 370 44

177

Perfil de TemperaturasQuinto Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

04:5

005

:00

05:1

005

:20

05:3

005

:40

05:5

006

:00

06:1

006

:20

06:3

006

:40

06:5

007

:00

07:1

007

:20

07:3

007

:40

07:5

008

:00

08:1

008

:20

08:3

0

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

178

SEXTO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



10:10 86 88 90 107 116 97 10:15 99 102 104 115 121 108 10:20 185 184 175 172 162 176 10:25 213 215 216 205 189 208 10:30 245 246 246 233 210 236 10:35 280 280 282 270 240 270 10:40 302 303 303 289 255 290 10:45 324 323 322 309 271 310 10:50 339 339 338 325 285 325 10:55 352 352 352 340 299 339 11:00 363 363 363 351 308 350 11:05 371 374 374 361 320 360 11:10 379 382 382 370 327 368 11:15 385 389 390 378 335 375 11:20 392 399 399 387 342 384 11:25 397 404 404 393 349 389 11:30 403 412 413 401 355 397 11:35 408 420 420 410 363 404 11:40 411 423 425 413 367 408 11:45 415 427 429 418 372 412 11:50 419 432 437 423 378 418 11:55 421 436 439 428 381 421 12:00 424 439 443 432 387 425 12:05 440 400 410 430 440 424 12:10 520 530 540 545 550 537 12:15 610 620 640 650 640 632 12:20 650 650 660 650 650 652 12:25 640 680 690 680 680 674 12:30 680 700 710 720 724 707 12:35 710 730 730 750 740 732 12:40 730 770 760 760 751 754 12:45 740 786 782 775 763 769 12:50 763 795 796 787 772 783 12:55 800 810 770 790 775 789 13:00 810 821 803 811 770 803 13:05 760 793 668 723 653 719 13:10 735 723 685 665 593 680 52 13:15 660 670 670 695 548 649 52 Recarga de Silo 13:20 779 780 809 790 630 758 52 13:25 790 800 820 780 695 777 52 13:30 790 795 825 780 730 784 52 13:35 813 832 825 820 770 812 52

179

SEXTO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



13:40 830 840 835 845 785 827 52 13:45 835 860 850 850 780 835 51 13:50 840 855 870 855 820 848 51 13:55 855 840 860 870 830 851 51 Muestreo 14:00 850 870 850 860 815 849 51 14:05 855 860 855 850 840 852 51 14:10 755 760 760 753 737 753 51 14:15 595 603 604 607 608 603 51 14:20 540 538 540 557 561 547 52 14:25 470 481 484 511 519 493 52 14:30 420 430 434 470 480 447 52

14:35 384 393 396 428 459 412 52

180

Perfil de T

emperaturas

Sexto E

nsayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

100

0

10:10

10:20

10:30

10:40

10:50

11:00

11:10

11:20

11:30

11:40

11:50

12:00

12:10

12:20

12:30

12:40

12:50

13:00

13:10

13:20

13:30

13:40

13:50

14:00

14:10

14:20

14:30

Hora

Temperaturas en el lecho (ºC)

T1

T2

T3

T4

T5

T a

ire fluid

ización

T P

romed

io

181

SÉPTIMO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



05:10 137 135 135 157 160 145 05:15 182 180 182 181 177 180 05:20 230 227 230 220 206 223 05:25 265 262 262 249 227 253 05:30 297 294 294 278 248 282 05:35 322 318 318 301 266 305 05:40 344 343 343 326 284 328 05:45 365 362 362 343 301 347 05:50 384 383 382 361 315 365 05:55 403 403 401 381 330 384 06:00 414 413 413 393 341 395 06:05 423 424 423 404 349 405 06:10 425 427 426 410 358 409 06:15 425 429 429 415 366 413 06:20 428 432 432 418 371 416 06:25 430 435 435 422 374 419 06:30 400 416 419 414 358 401 06:35 490 470 490 490 490 486 06:40 555 595 600 630 620 600 06:45 615 650 650 660 660 647 06:50 670 700 720 720 720 706 06:55 720 750 740 770 750 746 07:00 750 780 780 790 795 779 07:05 780 800 800 800 800 796 07:10 720 730 710 703 710 715 07:15 740 750 730 710 715 729 43 Recarga del Silo 07:20 760 765 770 770 775 768 43 07:25 820 820 820 805 780 809 43 07:30 780 790 795 780 770 783 43 07:35 800 770 800 800 790 792 43 07:40 785 780 770 770 760 773 43 07:45 790 775 790 780 770 781 43 07:50 780 805 815 825 820 809 43 07:55 800 790 780 800 780 790 43 Muestreo 08:00 790 790 805 800 760 789 43 08:05 800 790 790 780 795 791 43 08:10 770 760 760 765 750 761 43 08:15 690 694 692 690 678 689 43 08:20 568 576 574 575 578 574 43 08:25 495 502 502 508 520 505 43 08:30 436 442 443 454 475 450 43 08:35 397 405 407 425 454 418 43

182

SÉPTIMO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:40 350 358 360 385 417 374 43 08:45 330 337 339 368 398 354 43 08:50 307 313 317 349 380 333 43 08:55 280 286 290 328 359 309 43 09:00 260 265 269 308 340 288 43 09:05 242 247 251 293 326 272 43

09:10 232 236 240 284 316 262 43

183

Perfil de TemperaturasSéptimo Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

05:1

005

:20

05:3

005

:40

05:5

006

:00

06:1

006

:20

06:3

006

:40

06:5

007

:00

07:1

007

:20

07:3

007

:40

07:5

008

:00

08:1

008

:20

08:3

008

:40

08:5

009

:00

09:1

0

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

184

OCTAVO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



05:10 119 118 121 124 119 120 05:15 199 198 198 186 169 190 05:20 226 224 225 211 187 215 05:25 275 272 273 258 223 260 05:30 308 305 303 289 247 290 05:35 326 324 322 310 265 309 05:40 340 337 336 324 277 323 05:45 356 354 353 341 292 339 05:50 370 369 367 357 310 355 05:55 380 380 382 368 319 366 06:00 386 387 387 377 327 373 06:05 396 398 398 388 337 383 06:10 403 406 408 395 347 392 06:15 408 412 414 404 353 398 06:20 410 416 420 407 359 402 06:25 413 420 421 411 362 405 06:30 380 390 390 380 338 376 06:35 370 382 390 400 400 388 06:40 440 460 480 470 460 462 06:45 520 550 570 565 570 555 06:50 600 621 630 650 630 626 06:55 650 680 690 670 690 676 07:00 700 750 750 750 730 736 07:05 740 770 780 770 750 762 07:10 760 800 780 800 800 788 07:15 800 800 820 800 810 806 07:20 800 820 820 840 850 826 07:25 730 750 720 710 680 718 45 07:30 695 705 630 630 570 646 45 07:35 640 630 610 560 560 600 45 Recarga del Silo

07:40 740 780 810 820 760 782 45 07:45 800 810 810 805 820 809 45 07:50 820 850 805 860 810 829 45 07:55 830 830 815 840 830 829 45 08:00 845 845 830 840 800 832 45 08:05 830 860 860 855 860 853 45 08:10 840 870 850 835 850 849 45 08:15 833 860 830 850 860 847 45 Muestreo

08:20 820 850 870 865 855 852 45 08:25 845 870 850 850 853 854 45 08:30 760 780 790 755 720 761 44 08:35 668 650 630 605 585 628 44

185

OCTAVO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:40 670 605 580 555 525 587 44

08:45 632 565 540 503 468 542 44

186

Perfil de TemperaturasOctavo Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

05:10

05:20

05:3

005

:40

05:5

006

:00

06:1

006

:20

06:3

006

:40

06:50

07:00

07:10

07:2

007

:30

07:4

007

:50

08:0

008

:10

08:2

008

:30

08:40

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

187

NOVENO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



05:10 135 127 130 152 160 141 05:15 181 182 182 182 178 181 05:20 220 226 231 226 207 222 05:25 250 262 263 253 231 252 05:30 290 293 295 283 256 283 05:35 320 319 320 306 267 306 05:40 345 340 345 329 285 329 05:45 370 360 365 350 306 350 05:50 385 385 385 365 320 368 05:55 403 405 400 380 335 385 06:00 415 415 415 395 340 396 06:05 425 425 425 405 352 406 06:10 430 430 425 410 360 411 06:15 435 430 430 415 367 415 06:20 430 432 435 420 372 418 06:25 435 438 435 425 378 422 06:30 453 417 420 438 396 425 06:35 486 463 485 485 472 478 06:40 552 596 605 635 622 602 06:45 611 652 645 665 658 646 06:50 678 705 725 728 721 711 06:55 723 748 740 768 749 746 07:00 753 773 775 793 787 776 07:05 775 803 802 806 796 796 07:10 725 738 715 705 708 718 07:15 680 677 652 633 605 649 Recarga del Silo

07:20 745 755 733 710 716 732 43 07:25 763 763 768 767 777 768 43 07:30 830 836 850 855 800 835 43 07:35 835 852 845 840 820 839 43 07:40 850 870 870 850 810 850 43 07:45 860 860 860 840 813 843 43 07:50 830 850 860 860 830 850 43 07:55 820 850 840 850 825 841 43 08:00 850 840 860 870 850 855 43 Muestreo

08:05 845 850 855 860 825 848 43 08:10 840 840 855 845 860 850 43 08:15 835 831 860 850 860 850 43 08:20 715 700 760 820 785 766 43 08:25 650 670 660 650 620 650 43 08:30 600 600 600 600 580 595 43 08:35 520 520 520 520 520 520 43

188

NOVENO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:40 470 470 480 490 480 480 43 08:45 460 460 460 460 480 465 43

08:50 422 422 420 420 450 428 43

189

Perfil de TemperaturasNoveno Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

05:1

005

:20

05:3

005

:40

05:5

006

:00

06:1

006

:20

06:3

006

:40

06:5

007

:00

07:1

007

:20

07:3

007

:40

07:5

008

:00

08:1

008

:20

08:3

008

:40

08:5

0

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

190

DÉCIMO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



05:05 80 90 90 108 108 95 05:10 155 154 154 146 139 150 05:15 199 197 196 181 166 188 05:20 250 248 248 227 201 235 05:25 292 290 289 269 234 275 05:30 307 305 305 285 246 290 05:35 330 328 326 308 264 311 05:40 347 345 341 323 278 327 05:45 358 359 354 337 290 340 05:50 368 368 366 351 302 351 05:55 377 378 377 360 310 360 06:00 387 389 388 369 317 370 06:05 396 399 398 377 324 379 06:10 401 405 406 387 337 387 06:15 407 412 413 397 343 394 06:20 410 417 418 401 349 399 06:25 412 420 421 407 354 403 06:30 415 424 425 411 358 407 06:35 380 400 412 414 394 400 06:40 465 500 514 521 526 505 06:45 600 640 640 650 640 634 06:50 640 660 680 680 680 668 06:55 670 720 711 740 740 716 07:00 720 740 735 750 730 735 49 07:05 740 760 765 775 780 764 49 07:10 780 790 800 800 790 792 48 07:15 810 828 840 849 847 835 47 07:20 790 810 700 680 650 726 50 07:25 725 730 620 610 570 651 53 Recarga del Silo 07:30 700 710 760 771 773 743 46 07:35 740 760 765 780 770 763 46 07:40 780 790 830 835 790 805 46 07:45 795 815 825 850 840 825 46 07:50 800 810 820 815 810 811 45 07:55 805 800 820 820 815 812 44 08:00 815 830 840 840 835 832 43 08:05 800 840 820 800 800 812 43 08:10 805 840 845 850 840 836 43 Muestreo

08:15 800 820 840 840 820 824 43 08:20 810 800 830 800 790 806 42 08:25 790 810 830 840 827 819 42 08:30 710 730 730 730 690 718 42

191

DÉCIMO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho



08:35 620 670 660 645 620 643 42

08:40 540 580 560 580 599 572 42

192

Perfil de TemperaturasDécimo Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

05:0

505

:15

05:2

505

:35

05:4

505

:55

06:0

506

:15

06:2

506

:35

06:4

506

:55

07:0

507

:15

07:2

507

:35

07:4

507

:55

08:0

508

:15

08:2

508

:35

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

193

UNDÉCIMO ENSAYO DE GASIFICACION TEMPERATURAS EN EL LECHO

(ºC)

Hora T1 T2 T3 T4 T5


lecho

Temperatura del aire fluidización

- gasificación 05:10 140 132 136 161 157 145 05:15 180 178 183 179 177 179 05:20 235 231 231 221 200 224 05:25 260 263 263 251 230 253 05:30 300 306 301 281 245 287 05:35 325 321 321 305 266 308 05:40 345 344 344 327 285 329 05:45 363 366 365 345 300 348 05:50 381 384 383 360 316 365 05:55 411 407 408 385 334 389 06:00 418 416 416 394 344 398 06:05 425 428 427 404 351 407 06:10 428 431 433 411 359 412 06:15 432 437 430 416 367 416 06:20 435 434 435 421 373 420 06:25 440 444 441 422 378 425 06:30 444 450 444 417 395 430 06:35 491 471 487 485 492 485 06:40 551 596 604 632 623 601 06:45 616 653 653 657 653 646 06:50 678 704 718 723 721 709 06:55 723 753 742 777 745 748 07:00 756 777 783 792 774 776 07:05 782 803 806 806 786 797 07:10 720 730 740 760 720 734 46 07:15 678 662 650 633 611 647 46 07:20 735 770 780 780 770 767 47 Recarga del Silo

07:25 760 770 810 810 800 790 47 07:30 800 800 820 820 810 810 47 07:35 810 825 825 830 820 822 47 07:40 820 810 820 810 800 812 47 07:45 800 830 820 830 800 816 47 07:50 820 830 830 830 820 826 47 Muestreo

07:55 820 845 840 840 820 833 47 08:00 830 840 830 830 800 826 46 08:05 820 840 830 820 815 825 46 08:10 700 730 720 720 690 712 47 08:15 640 642 638 637 630 637 47 08:20 564 566 564 564 570 566 48

08:25 512 515 515 515 531 518 48

194

Perfil de TemperaturasUndécimo Ensayo de Gasificación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

05:1

005

:20

05:3

005

:40

05:5

006

:00

06:1

006

:20

06:3

006

:40

06:5

007

:00

07:1

007

:20

07:3

007

:40

07:5

008

:00

08:1

008

:20

Hora

Tem

pera

tura

s en

el l

echo

(ºC

)

T1

T2

T3

T4

T5


T Promedio

tesis diseño de un gasificador de lecho fluidizado

Education