El hombre y la mquinaUniversidad Autnoma de Occidentemaquina@uao.edu.co ISSN (Versin impresa): 0121-0777COLOMBIA

2005 Javier Varn Camargo

DISEO, CONSTRUCCIN Y PUESTA A PUNTO DE UN PROTOTIPO DE QUEMADOR PARA LA COMBUSTIN CONTINUA Y EFICIENTE DE LA

CASCARILLA DE ARROZ El hombre y la mquina, julio-diciembre, nmero 025

Universidad Autnoma de Occidente Cali, Colombia

pp. 128-135

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina y el Caribe, Espaa y Portugal

Universidad Autnoma del Estado de Mxico

http://redalyc.uaemex.mx

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Resumen

El presente artculo des-cribe el desarrollo del pro-yecto titulado: Diseo, cons-truccin y puesta a punto deun prototipo de quemadorpara la combustin continuay eficiente de la cascarilla dearroz, el cual se constituye enel primer paso en un estudioque pretende obtener un pro-ceso de combustin conti-nuo, de temperatura sosteni-da, trmicamente eficiente yde bajo impacto ambiental.Este proyecto se desarrolla enel programa Jvenes Investi-gadores de Colciencias y estdirigido a mejorar las condi-ciones tecnolgicas de lacombustin de cascarilla dearroz en el sector industrialarrocero, el ms importantepolo de desarrollo del depar-tamento del Tolima.

Palabras clave: Com-bustin, combustible, casca-rilla de arroz, prototipo, que-mador, eficiencia energtica,impacto ambiental, sostenibi-

Diseo, construcciny puesta a punto de unprototipo de quemador para lacombustin continua y eficientede la cascarilla de arroz

Javier Varn Camargo*

* Grupo de Estudio en Eficiencia Energtica y Medio Ambiente GEMA Programa de Ingeniera Mecnica, Universidad de Ibagu. jfvaron@nevado.cui.edu.coFecha de recepcin: 06/15/05, Fecha de aprobacin: 08/31/05

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lidad de temperatura, conti-nuidad de operacin.

AbstractThis article describes de-

velopment of project titledDesign, construction and setup of a prototype of combus-tor for continuous and effi-cient combustion of huskrice, which establishes in firststage of a process which see-ks obtain a continuous, sus-tained temperature, thermallyefficient and low emissioncombustion process. Thisproject is developed withinColciencias Young Resear-cher Program and is directedto improve technologicalconditions of husk rice com-bustion of industrial rice sec-tor, the most important gene-rator of development of De-partment of Tolima.

Key words: Combustion,fuel, husk rice, prototype,combustor, energy efficiency,environmental impact, sustai-nability of temperature, con-tinuity in operation.

de forma limpia y eficiente unafuente de energa relativamente ba-rata que se ha desperdiciado poraos.

Para esto es necesario obtenerun proceso de combustin de la cas-carilla de arroz continuo, de tempe-ratura sostenida, trmicamente efi-ciente, econmicamente viable y debajo impacto ambiental. Para alcan-zar este objetivo es necesario selec-cionar un proceso de combustin y,posteriormente, construir un proto-tipo de quemador que utilice dichoproceso. Sobre este dispositivo sedesarrollarn pruebas experimenta-les con el propsito de conocer laincidencia de las variables asocia-das a la combustin en la eficienciae impacto ambiental de dicho pro-ceso.

2. El combustible:cascarilla de arrozLa cascarilla de arroz es de con-

sistencia quebradiza, abrasiva, y sucolor vara del pardo rojizo al prpu-ra oscuro. Por su forma cncava yconsistencia frgil y liviana es fcil-mente voltil (baja densidad), por locual al apilarse ocupa grandes espa-cios. Su composicin qumica1 y lade sus cenizas2 se muestran en la Ta-bla 1. Su peso especfico es 125 kg/m3, es decir, 1 tonelada ocupa un es-pacio de 8 m3 a granel. Su poder ca-lorfico es de 6000 Btu/lb (inferior aldel fuel-oil). Debido a su estructuracerrada, su combustin se dificulta, ypor su alto contenido de slice (20%)es muy poco biodegradable.

La temperatura mxima que seobtiene al ser quemada vara deacuerdo con su condicin: 970C(seca), 650C (con algn grado dehumedad) y hasta los 1000C (mez-clada con combustible).3 La casca-rilla de arroz al quemarse, genera17.8% de ceniza rica en Slice(94.5%).

La cascarilla es un subproductodel proceso de trilla del arroz paddy,

1. IntroduccinLa creciente preocupacin por

el impacto al ambiente que generala industria en sus procesos produc-tivos ha hecho que se haga ms es-tricta la legislacin ambiental, so-bre todo respecto a las emisionesproducto de la combustin y la dis-posicin final de residuos slidoscomo la cascarilla de arroz. Tenien-do esto en mente, el Programa deIngeniera Mecnica de la Univer-sidad de Ibagu se propuso desarro-llar un quemador que utilice la cas-carilla de arroz como combustiblepara generar calor y electricidad.Esto le permitir a la industria toli-mense la posibilidad de aprovechar

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donde se separa el arroz blanco dela cascarilla que se desecha. La cas-carilla de arroz es considerada undesecho, e implica diversos proble-mas con su manejo y disposicinfinal, debido al alto volumen queocupa y su baja biodegradabilidad.Este producto se ha utilizado prin-cipalmente como cama o asiento delas aves en la industria avcola, parahomogeneizar la estructura de la tie-rra en viveros, como asiento o camade equinos y como mezcla para darvolumen al alimento bovino. Sinembargo, su uso se ha diversifica-do en los ltimos aos, gracias a sualto poder calorfico, su temperatu-ra de combustin y a la gran canti-dad de este material que se obtieneen las zonas arroceras. Todo esto lohace una buena opcin como com-bustible, y, por lo tanto, le da la po-sibilidad de extender su modalidadde uso, compitiendo con ventajaseconmicas con otros insumos ca-lorficos tradicionales como el car-bn, los derivados del petrleo, lamadera, el gas natural y la energaelctrica.4

3. Proceso de combustin:evaluacin y seleccinLa combustin es una reaccin

de disociacin de un material com-bustible en presencia de oxgeno, esdecir, se genera un rompimiento delos enlaces atmicos del carbono yel hidrgeno del combustible, queson los elementos tpicos que com-ponen la mayora de los combusti-bles. Una vez libres, estos reaccio-nan con los tomos de oxgeno delaire formando dixido de carbono yagua. Por esta razn, a la combus-tin se le denomina reaccin de oxi-dacin, la cual se efecta por mediode reacciones en cadena, rpidas ymuy complejas. La predominanciay el tipo de reacciones dependen enalguna medida de la clase de com-bustible de que se trate, pero, comola composicin qumica de los com-bustibles fundamentalmente es igual,el proceso de combustin es contro-lado ms por factores diferentescomo la concentracin de la mezcla,la temperatura inicial y la forma enque se mezcle el gas5 (la cursiva esdel autor).

Debido a este ltimo factor, lacombustin de cualquier combusti-ble slido es un proceso complejo enel que es indispensable operar conun exceso de aire para asegurar lacombustin completa, evitar que latemperatura sea demasiado elevada(T >1100C) y de esta forma ablan-dar y fundir las cenizas y escoriasresultantes de dicho proceso, lo cualpuede generar la formacin de xi-dos de nitrgeno. Para que la com-bustin sea completa es necesarioconseguir un buen contacto entre losreactantes, es decir, entre el aire y losslidos, y que el tiempo de perma-nencia del material sea, en las con-diciones de temperatura y presinparcial de oxgeno fijadas, superioral de conversin completa.

Existe una gran variedad de hor-nos para lograr la combustin decombustibles slidos en condiciones

Tabla 1. Composicin qumicade la cascarilla de arroz y de las ce-nizas de la cascarilla de arroz.

Cascarilla Ceniza dede arroz cascarilla de arroz

Componente % Componente %Carbono 39.1 Ceniza de 94.5

Slice (SiO)2Hidrgeno 5.2 Oxido de 0.25

Calcio (CaO)Nitrgeno 0.6 xido de 0.23

Magnesio(MgO)

Oxgeno 37.2 xido de 1.10Potasio (K2O)

Azufre 0.1 xido de 0.78Sodio (Na2O)

Cenizas 17.8 Sulfato (SO3) 0.56

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adecuadas: de parrillas fijas, de pa-rrillas mviles, con diferentes tiposde parrillas y movimientos, rotato-rios, lechos fluidizados burbujeanteso recirculantes y los tangenciales.6No obstante, la experiencia con lacombustin de slidos ha demostra-do que los hornos de lecho fluidiza-do ofrecen las condiciones de ope-racin apropiadas para una buenacombustin. La agitacin del lecho,la inercia trmica y la elevada super-ficie de contacto entre las partculaspermiten alcanzar una aproximacinrazonable a la isotermicidad del le-cho. La mezcla que se logra en loslechos fluidizados mejora la reacti-vidad de los residuos ya que alcan-zan rpidamente los valores de latemperatura de operacin.7 Estascualidades permiten que los lechosfluidizados sean poco sensibles a lasvariaciones en el poder calorfico,logren una recuperacin energticaelevada, obtengan escorias con unapequea fraccin de inquemados(

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5. Diseo del prototipo:quemador de cascarillade arrozAl construir el prototipo de que-

mador, como se expreso al final delinciso anterior, se pretende obtenerun dispositivo sobre el cual se pue-da realizar una evaluacin experi-mental de los parmetros tecnol-gicos del mismo, a partir de la me-dicin de las variables relacionadascon dichos parmetros. Uno de losprincipales requisitos del dispositi-vo es que permita la manipulacinde las variables para disponer de losdatos suficientes para estudiar suimpacto en la operacin del quema-dor. Para la realizacin de estaspruebas se construir un sistema delecho fluidizado a escala, diseadoen forma modular para reducir loscostos y tiempo de fabricacin pues

construir dos prototipos implica unmayor consumo de materiales. Estesistema estar compuesto por unmdulo base que es comn a las dospruebas y un mdulo para cada unade ellas (fluidizacin y combustin)que se acoplar al mdulo base.

5.1. Mdulo base

Este mdulo est compuestopor un soporte sobre el cual se aco-plan las dems piezas y que, a la vez,sirve de acople para los otros dosmdulos, una cmara homogeniza-dora a la cual llega el flujo de aire ysobre la cual se coloca un distribui-dor de aire que hace las veces deparrilla con una distribucin de agu-jeros de 2 mm de matriz rectangu-lar, un ducto hecho de manguerametlica flexible y que conduce elaire a la cmara homogenizadora yun ventilador centrfugo impulsadopor un motor trifsico de 2 HP elcual es controlado por un variadorde frecuencia elctrica.

5.2. Mdulo para pruebasde fluidizacin

Para realizar las pruebas de flui-dizacin se adicionar un mdulode fluidizacin al mdulo base, locual construir un sistema de lechofluidizado. El mdulo de fluidiza-cin es una cmara de fluidizacinque consta de un tubo de acrlico yuna brida metlica en el extremoinferior para acoplarla al mdulobase por medio de unos tornillos. Elprimero es construido de acrlicotransparente, con el fin de simularel tamao y configuracin geom-trica de lo que ser la cmara decombustin y de visualizar el com-portamiento del lecho fluidizadoque forma el combustible dentro delflujo de aire.

Tabla 2. Parmetros e indicadores de desempeo del quemador.Parmetro Indicador Clculo Variable de salida

Eficiencia trmica = Q/H0 Clculo de Temperaturacalor generado

Sostenimiento T = f (t) Temperatura Temperaturade Temperatura vs. Tiempo TiempoContinuidad del %Inq= mcascarilla Anlisis ComposicinProceso de Combustin mcenizas gravimtrico de cenizas

de cenizas

Bajo Impacto CO, NO, CO2, SO2 Anlisis de gases Composicin deAmbiental de combustin gases de combustinConsumo de Potencia Wsa=1/vdP Primera Ley de Presin

Termodinmica

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bricacin y los materiales de cons-truccin y, de la otra, la calificacinde la mano de obra empleada en lafabricacin y mantenimiento del dis-positivo. Este parmetro no se midede forma directa en el prototipo sinoque es un criterio que se tendr encuenta durante el proceso de diseoy construccin del mismo. Todosestos indicadores, sus formas declculo y dems caractersticas de in-ters se muestran en la Tabla 2.

5.3. Mdulo para pruebastrmicas

Este dispositivo tiene como pla-taforma el mdulo base sobre la cualse ajusta por medio de tornillos una

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cmara de combustin que est cu-bierta por una tapa en forma de em-budo para aumentar la velocidad desalida de los gases y facilitar as suexpulsin de la cmara. Esta piezaest unida con un codo que dirige losgases a un cicln que es utilizadopara el control de la emisin de ma-terial particulado. La cmara de com-bustin est constituida por un tubometlico recubierto en su interior poruna capa de concreto refractario ais-lante, fraguado de tal forma que creaun recinto circular interior que cons-tituye el hogar donde se lleva a caboel proceso de combustin del lechofluidizado. Se seleccion dicho ma-terial debido a su baja densidad, bajaconductividad trmica, alta refracta-riedad, alta temperatura mxima deservicio (1.260C) y su posibilidadde ajuste sin mampostera. Recu-briendo la cmara de combustin ensu exterior, se encuentra una capa defibra de vidrio de 1" de espesor, lacual tiene la funcin de reducir lacantidad de calor transferido al me-dio. La cascarilla de arroz es alimen-tada a la cmara de combustin pormedio de un tubo que transporta elcombustible al interior del quema-dor que est unido en su extremosuperior a una tolva que sirve de al-macn al combustible. Para realizarla medicin de la temperatura al in-terior de la cmara de combustin delprototipo se instalaron cuatro ter-mocuplas a diferentes alturas de lamisma, con el propsito de monito-rear la temperatura a lo largo de lacmara de combustin. Dichas ter-mocuplas se conectaron con un dis-positivo diseado con el propsito dehacerle un tratamiento de adecuacina la seal proveniente de estas comolo es la compensacin y amplifica-cin de la misma, para posteriormen-te enviar la informacin obtenida aun computador donde se almacena.

6. Pruebas de calibracin deldistribuidor de flujo de aireComo primera medida, se utili-

z el distribuidor de flujo de aire

como medidor de velocidad del flu-jo de aire obteniendo as un equipoms sencillo y un tipo de seal uni-ficada (columna de agua) necesariapara un control apropiado de lascaractersticas aerodinmicas dellecho de cascarilla de arroz. Lasmediciones de la velocidad se rea-lizaron a la salida de la cmara defluidizacin y las de la cada de pre-sin entre la cmara de homogeni-zacin por debajo del distribuidory la cmara de fluidizacin por en-cima del distribuidor.

Como se puede observar en laFigura 1, la velocidad del flujo de airetiene un comportamiento lineal enfuncin de la velocidad del aire, locual est previsto en las leyes de losventiladores: el flujo de aire es pro-porcional a la velocidad del ventila-dor.8 Por otra parte, el comporta-miento de la cada de presin del flu-jo de aire a travs del distribuidor sa-tisface otra de las leyes de los venti-ladores: La presin (esttica, din-mica o total) es proporcional al cubode la velocidad del ventilador.8

98765

0

1

2

3

4

5

4321

0

148

298

449

597

746

897

1049

1198

1348

1496

1648

1796

m/s

Velocidad de ventilador

Pa

Velocidad

Figura 1. Cada de presin y velocidad de flujo de aire en funcin de velocidad de motor delventilador.

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Es decir, que el distribuidor deaire hace muy poca variacin en elcomportamiento del flujo del airerespecto a lo considerado por la teo-ra y se limita a crear unas condi-ciones de flujo turbulento en lascuales se pueda desarrollar un pro-ceso de transferencia de masa ne-cesario para mejorar las condicio-nes en la cmara de combustin.

7. Pruebas de caracterizacinde la fluidizacin del lechode cascarilla de arrozEn la segunda serie de pruebas

realizadas sobre el prototipo de flui-dizacin, se oper el ventilador a sumxima velocidad (1796 RPM) y lavariable de esta prueba fue la canti-dad (masa) de arroz que conforma-ba el lecho; se abandon la idea ini-cial de utilizar como variable la al-tura del lecho debido a que se des-cubri que sta estaba determinadapor el flujo de aire y la cantidad decascarilla incorporada a la cmara.En la Tabla 3 se hace una relacindel tipo de lecho obtenido con cada

nivel de masa de cascarilla de arrozen intervalos de 5 g en un rango de5 a 50 g y de ah en adelante a inter-valos de 10 g en un rango de 50 a110 g. La condicin requerida en elcomportamiento del lecho es la delecho expandido, debido a que es laque presenta mejores condicionesde contacto entre el aire y el com-bustible que es el objetivo funda-mental de un sistema de lecho flui-dizado.

El intervalo correspondiente allecho expandido como se puede veres el de 15 - 20 g con lo cual se de-termina la carga de combustible quepuede soportar el flujo de aire, si sesupera esta cantidad el lecho co-menzar a comportarse como unlecho fijo y si se disminuye se con-seguir un efecto de fluidizacinincipiente en la cual existir un ex-ceso de aire y se desperdiciarenerga en impulsar aire que nocumple ninguna funcin.

Por otro lado, se estudiaron lascondiciones del flujo del aire en elinterior del lecho (Ver Figura 2); lapresin esttica y la velocidad tie-nen un comportamiento constante ymuy parecido durante el lecho inci-piente, el lecho expandido e inclu-so hasta bien avanzado el lecho concanalizaciones, lo cual muestra quela cascarilla en estas condiciones delecho no es un gran obstculo parael flujo de aire.

Sin embargo, en la etapa finaldel lecho con canalizaciones dondese presenta un mayor ndice de em-paquetamiento del lecho y, porende, se reduce el dimetro de loscanales, el nivel de presin estticatiene una elevacin abrupta y la ve-locidad se cae de la misma forma.Cuando se alcanza el colapso dellecho y se obtiene un comporta-miento de lecho fijo, se repite elmismo comportamiento, por lo queen estos dos casos la cascarilla ac-ta como un tapn que dificulta elmovimiento del aire y lo estanca

Tabla 3. Tipo de lecho obser-vado en funcin de la cantidad decascarilla de arroz en el lecho.

Cantidad de Tipo de lechocascarilla de arroz

G -5 Fluidizacin incipiente1015 Expandido20253035 Expandido con

canalizaciones40455060 Partculas70 Cantidad80 Altura90 Colapsado100110

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como lo demuestra el alto nivel depresin esttica.

8. ConclusionesLa cantidad de cascarilla que se

puede fluidizar en el lecho del que-mador est determinada por el cau-dal de aire alimentado por el venti-lador, es decir, que en este tipo dequemadores es muy importante unabuena seleccin del ventilador, so-bre todo en lo referente a su capaci-dad de caudal. Al realizar la combus-tin de la cascarilla en lecho fluidi-zado se debe emplear un caudal deaire mayor al utilizado en la com-bustin en lecho fijo, por lo que esteproceso se realiza con unos nivelesde oxgeno superiores a la cantidadestequiomtrica, lo cual caracterizauna combustin de mezcla pobre.Este hecho garantiza que entre losproductos slo aparezcan CO2, H2O,N2 y una gran cantidad de O2 que noreaccion con el combustible. Locual estaba previsto debido a que unaparte del aire insuflado al lecho esempleado para crear la fluidizaciny no interviene en el proceso de com-bustin. Esto convierte a la combus-tin en lecho fluidizado en un pro-ceso de bajo impacto ambiental.

9. Bibliografa1. Bienvenido, O. Juliano. Rice, Che-

mistry and Technology. St Paul Min-nesota: the American Association ofCereal Chemistry Inc. 1985. p. 56.

2. Tovar Daniel, Nancy y FundacinUniversitaria de Amrica. Obtencindel cemento a partir de la ceniza dela cascarilla de arroz. En arroz Vol.30. N. 310. 1981. pp 14.

3. Fernndez, Mara Victoria. Utiliza-cin de la cascarilla de arroz comocombustible. Universidad de los An-des. Santa Fe de Bogot 1992. pp.32.

4. Ministerio de Minas y Energa. Usoracional de la energa en molinos dearroz en Colombia. Editorial Presen-cia. Bogot, 1990. p. 183-192.

5. Turns, Stephen. An introduction tocombustion. New York, McGraw-Hill Inc. 1996. p. 6-61

6. Mrquez Martnez, Manuel. Com-bustin y quemadores. MarcomboEdiciones. Barcelona, 1989. pp.251.

7. Zenz, Frederick y Othmer, Donald.Fluidization and fluid-particle syste-ms. Reinhold Publishing Co. NewYork, 1960. p. 1 -15.

8. Cernier, Enrique. Ventilacin indus-trial. Segunda Edicin. Editorial Pa-raninfo. Madrid, 1994. p. 56 -62.

Figura 2. Presin esttica y velocidad de flujo de aire en el lecho en funcin de cantidad decascarilla.

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