AREA DE INVESTIGACIONES TECNOLOGICAS DE CITCA SAC

Autores:

Dr. Luis Carrasco Venegas

MSc. Luz Castaeda Prez rea de Investigaciones Tecnolgicas

CITCA SAC

Av. Pacasmayo 4660 2do Piso Urb. El Olivar Callao Telf.:5385665

citcaperu@citcaperu.com

PROYECTO:

DISEO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE COCINA MEJORADA USANDO EL PRINCIPIO DE GASIFICACION

1.1 INTRODUCCION El presente, tiene por finalidad, disear y construir una cocina mejorada, usando el principio de gasificacin en un gasificador de lecho fijo tipo crooss-draft. El

desarrollo ha sido auspiciado por la Empresa CITCA SAC., en todas sus etapas.

En principio, se puede gasificar cualquier tipo de materia orgnica, conciertos

acondicionamientos previos, tales como los requerimientos de humedad dentro de ciertos intervalos y principalmente la densificacin de la materia orgnica, ya que

esta generalmente esta suelta y es de baja densidad.

Superado estos dos inconvenientes, es posible gasificar la biomasas, para obtener

energa mucho mas limpia y eficiente respecto al proceso de combustin directa, y

al mismo tiempo cumple los requerimientos de seguridad, al no estar expuesta, la persona que opera, permanentemente al fuego directo.

Los avances de este trabajo, se muestran lneas abajo, faltando la evaluacin energtica mas precisa.

II.- FUNDAMENTOS DE LA GASIFICACION

2.1GASIFICACIN DE LA BIOMASA Debido al aumento del precio del petrleo y a los estudios cientficos realizados sobre el calentamiento global producido por los gases de efecto invernadero,

generados en proporcin muy significativa por la utilizacin de combustibles fsiles

(efectos vividos actualmente). Desde la dcada de los ochenta el desarrollo de sistemas de aprovechamiento de la biomasa con fines energticos, por medio de

la gasificacin, ha experimentado un notable incremento, alcanzando su mayor

inters en la actualidad.

En el proceso de gasificacin, la celulosa se transforma en hidrocarburos ms

ligeros, en monxido de carbono e hidrgeno. Esta mezcla de gases llamada gas

de sntesis o syngas, tiene un poder calorfico inferior (PCI) equivalente a la sexta parte del poder calorfico inferior del gas natural, cuando se emplea aire como agente gasificante.

Sudfrica desarroll el proceso de obtencin de gas de sntesis a partir de carbn

y ms recientemente gas natural y bas su industria petroqumica en estos dos recursos, promoviendo as su poltica de independencia de petrleo extranjero.

Debido a la crisis petrolera de 1970, algunas potencias iniciaron sus programas de

fuentes alternativas del petrleo, viendo as el inters por la gasificacin como un importante bloque de desarrollo qumico y energtico. La Figura 11 se presenta la

capacidad de gasificacin mundial total [Rodrguez, D. 2013].

Figura 1. Capacidad de gasificacin mundial

Fuente: Universidad Pontificia Bolivariana. 2013.

La gasificacin de biomasa es un conjunto de reacciones termoqumicas, que se

produce en un ambiente pobre en oxgeno, y que da como resultado la transformacin de un slido en una serie de gases susceptibles de ser utilizados

en una caldera, en una turbina o en un motor, tras ser debidamente

acondicionados. Adems tambin puede aplicarse para sintetizar combustibles lquidos de alta calidad (proceso Fischer-Tropsch).

Adems de sustituir a combustibles ligeros de origen fsil, la gasificacin permite

obtener altos rendimientos elctricos a partir de biomasa, cuestin sta muy difcil

mediante combustin directa para generacin de vapor y posterior expansin de

ste en un turbo alternador. Mediante gasificacin se pueden alcanzar rendimientos elctricos de hasta un 30-32% mediante el uso de moto-generadores accionados por syngas, mientras que con un ciclo Rankine convencional simple las cifras rondan un 22% de rendimiento elctrico[IDAE-BIOMASA, 2007].

2.2 VENTAJAS DE LA GASIFICACION FRENTE A LA COMBUSTION DIRECTA

Segn los resultados de las experiencias realizadas de gasificacin, los autores, [Izaguirre, C y Erazo, D. 2010; Logic-Energy. 2013], detallan las ventajas y desventajas de la gasificacin.

La gasificacin de madera o de un residuo agrcola es un proceso

ecolgico, ya que el CO2 generado es el mismo que absorbe el rbol

durante su vida y el mismo que se generara durante su descomposicin si

fuera abandonada en su medio natural.

Ausencia de humos contaminantes.

Control absoluto de los subproductos generados para su posterior gestin.

Mayor eficiencia del proceso.

El gas producido es fcil de almacenar y puede ser utilizado para alimentar motores de combustin interna.

Posibilidad de obtencin de energa elctrica y trmica conjuntamente. Facilidad de aplicacin a proyectos de cogeneracin.

Sin embargo:

La gasificacin exige una mejor calidad del combustible.

Los sistemas deben estar suficientemente sellados para evitar la fuga de gas que tiene caractersticas txicas por contener CO.

Peligros de explosiones.

La gasificacin de biomasa produce alquitrn.

La gasificacin aunque es un proceso de cierto tiempo, todava para la

produccin de energa elctrica se mantiene sobre la base de instalaciones experimentales producto de los altos costos inversionistas.

Algunos Riesgos ambientales y sanitarios de la gasificacin son:

Riesgos Txicos: CO

Riesgos de incendios:

Elevada temperatura exterior del equipo. Riesgos de chispas al recargar el combustible.

Llamas en la entrada de aire del Gasificador o en la tapa de

recarga. Riesgos de explosin:

Filtraciones de aire.

Retroceso de la llama desde el quemador de gases de escape en

el arranque. Riesgos Ambientales:

Produccin de resinas fenlicas y alquitrn.

Medidas de seguridad

Los sistemas deben estar suficientemente sellados para evitar la fuga de

gas que tiene caractersticas txicas por el contenido de Monxido de

Carbono (CO). Se debe tener especial cuidado de no producir explosiones durante la

operacin de estos equipos.

2.3 AGENTE GASIFICANTE Segn el agente gasificante que se emplee se producen efectos distintos en la

gasificacin, y el syngas producto final vara en su composicin y poder calorfico. Se puede gasificar con aire, oxgeno, hidrogeno y vapor de agua.

Si se gasifica con aire, parte de la biomasa procesada se quema con el oxgeno

presente y el resto de la biomasa sufre la reduccin. No obstante, el 50% del

syngas es nitrgeno y, en trminos de poder calorfico, el gas ronda los 5,5

MJ/Nm3. Este syngas es apropiado para motores de combustin interna

convencionales, ya que como materia prima para la sntesis del metanol es un gas pobre.

La gasificacin con vapor de agua u oxgeno, mejoran el rendimiento global y

aumenta la proporcin de hidrgeno en el syngas. Es el sistema ms adecuado de producir syngas si se desea emplearlo como materia prima para producir metanol

o gasolina sinttica. Si bien el aire es gratuito y el vapor de agua se produce a

partir del calor contenido en el gas de sntesis, el oxgeno tiene un coste

energtico y econmico a tener en cuenta.

La utilizacin de hidrgeno como agente gasificante permite obtener un syngas

que puede sustituir al gas natural, pues puede alcanzar un poder calorfico de 30

MJ/kg. No obstante, el hidrgeno es el mejor de los combustibles, susceptible de usarse en cualquier dispositivo termoqumico o electroqumico, por lo que no es

muy recomendable como gasificante en el mbito industrial, excepto en los casos

de excedentes de baja pureza, no aptos para otra aplicacin como una pila de combustible [IDAE-GASIFICACION, 2007].

Tabla 1. Poder calorfico del Syngas en funcin del agente gasificante.

AGENTE GASIFICANTE

PRODUCTO PODER

CALORFICO

Aire Gas Pobre < 5.5 MJ/Nm3 H2O (v) ; O2 (g) Syngas 10 20 MJ/Nm3 H2 (g) Syngas > 30 MJ/Nm3

Fuente: Elaboracin Propia.

Figura 2. Gasificacin de biomasa en funcin del agente gasificante

Fuente: Universidad Carlos III de Madrid

III.- TERMOQUMICA DEL PROCESO DE GASIFICACIN

3.1 Reacciones del Proceso de Gasificacin El nmero de reacciones que tienen lugar en el proceso de gasificacin de

biomasa es muy elevado. La composicin final del gas depende de diversos

factores, entre ellos: la composicin de la biomasa (de la cual depende su poder calorfico), el contenido de humedad, la temperatura a la que se llevan a cabo las

reacciones, la relacin aire/biomasa, el tamao y la densidad de la biomasa

triturada y el tipo de gasificador utilizado. El gas obtenido contiene monxido de

carbono (CO), dixido de carbono (CO2), hidrgeno (H2), metano (CH4), pequeas

cantidades de otros hidrocarburos ms pesados, agua (H2O), nitrgeno (N2)

(cuando se usa aire como agente gasificante) y diversos compuestos no deseados

como pequeas partculas carbonosas (Char), cenizas y alquitranes [Vargas, C. 2012].

EL CO, el H2 y el CH4 son los componentes que principalmente confieren poder

calorfico al gas. Las ecuaciones que se llevan a cabo en el proceso de gasificacin de la biomasa, clasificadas segn las reacciones con C, O2, H2O, produccin de CH4 y reformado con vapor se muestran en la Tabla 6.

BIOMAS GASIFICADOR

GAS POBRE CO, H2, N2

Syngas CH4, CO, H2

Syngas GAS CON

ALTO CONTENIDO ENERGTICO

MOTORES DE COMBUSTIN

INTERNA

ELECTRICICDAD

SINTESIS DE COMPUETOS

SINTESIS DE COMPUETOS

AIRE

H2O (v) H2O (v) O2 (g)

H2(g)

Tabla 2. Clasificacin de las principales reacciones en e proceso de gasificacin.

Fuente: Instituto de Energa Elctrica. 2012.

(Endotrmica, Exotrmica, En negro: pueden ser endotrmicas o exotrmicas dependiendo de la temperatura y la direccin a la que se lleve a cabo la reaccin)

En el proceso de combustin segn las reacciones R4 y R5, el residuo carbonoso (Char) reacciona con el oxgeno, pero al haber defecto de ste se produce una

combustin incompleta que produce CO y residuo carbonoso sin reaccionar, este

residuo carbonoso posteriormente reacciona con los gases presentes,

principalmente CO2 y H2O (reacciones heterogneas gas-slido) para producir CO

y H2 (Reacciones R1 y R2). Al ser las ms lentas, las reacciones que limitan la

velocidad son las reacciones slido - gas donde no participa el oxgeno (R1 a R3).

La produccin de hidrgeno se ve favorecida por la presencia de agua en la

biomasa y vapor de agua en el agente gasificante. El hidrgeno se produce principalmente por las reacciones R2 y R9, y en menor medida a partir de R12,

R13, R14Rev y R17. No obstante un exceso de humedad disminuye el

rendimiento del proceso global. Son aceptables valores hasta un 30% de humedad en la biomasa, de lo contrario habra que hacer un tratamiento previo para secarla con el consiguiente consumo energtico.

La formacin de metano se lleva a cabo mediante las reacciones R3, R10, R11 y

R14. Siendo la reaccin R3 la de especial importancia en procesos en los que se requiera la produccin de gas como reemplazo del gas natural y se lleva a cabo en procesos a elevadas presiones [Rincn, S. Gmez, A. Klose, W. 2011].

3.2 Etapas del proceso de gasificacin Proceso de gasificacin consta principalmente de cuatro etapas: secado, pirolisis, combustin y reduccin, que se muestran en la Figura 13, con las respectivas reacciones qumicas que tienen lugar en cada una de ellas.

Figura 3. Entradas, salidas y reacciones de las etapas del proceso de gasificacin

Fuente: Instituto de Energa Elctrica. 2012.

Aunque estas etapas son frecuentemente modeladas en serie, no hay un lmite

claro entre ellas, y a menudo se superponen. En un proceso tpico, la biomasa se calienta (seca) y luego se somete a degradacin trmica o pirolisis, los productos

de la pirlisis (gases, slidos y lquidos) reaccionan entre s, as como con el

medio gasificante para formar el gas final. En la mayora de los gasificadores

comerciales, la energa trmica necesaria para el secado, la pirlisis, y las

reacciones endotrmicas de reduccin provienen de las reacciones exotrmicas

llevadas a cabo en la etapa de combustin como se muestra en la Figura 13.

SECADO La biomasa que ingresa al gasificador se calienta y se seca, evaporando parte de

la humedad contenida en ella con el calor producido por las reacciones de

combustin.

Para la produccin de un gas combustible con un valor calorfico aceptable, la mayora de los sistemas de la gasificacin usan biomasa seca con un contenido

de humedad entre 7% y el 20%. La humedad contenida en la biomasa hace

necesario que se le suministre energa para evaporar el agua y la energa

consumida en este proceso no es recuperable. Si bien no se puede hacer mucho acerca de la humedad interna de la biomasa ya

que sta se encuentra dentro de la estructura celular, si se puede disminuir la

humedad externa o de la superficie. Por encima de 100 C el agua que est en la superficie de la biomasa es retirada definitivamente. A medida que aumenta la

temperatura, los compuestos extrables de bajo peso molecular inician el proceso

de volatilizacin que contina hasta que se alcanza una temperatura aproximada de 200 C [Vargas, C. 2012].

Cuando la humedad es muy alta, un pre-secado es necesario para eliminar tanta

humedad de la biomasa como sea posible antes de alimentar el gasificador con

ella.

PIRLISIS Consiste en la primera etapa de la degradacin de la biomasa, es un proceso de descomposicin trmica sin casi presencia de oxgeno que ocurre entre 300 y 500

C. En esta etapa se desprenden los gases combustibles ms voltiles, algunos

de los cuales no se queman por la ausencia de oxgeno y se convierten en alquitranes (Tar). Adems de los gases, se produce un residuo slido de aspecto carbonoso llamado residuo carbonoso, char o carbn vegetal. Entre los gases producidos, los ms importantes son: vapor de agua, CO2, H2, CO e hidrocarburos

(como el benceno).

La pirlisis habitualmente es dividida en pirolisis lenta (donde se crean los

alquitranes por condensacin de molculas) y pirolisis rpida. La etapa de pirolisis

es ms rpida que la de gasificacin. La produccin de gases se ve favorecida por

un tiempo de permanencia y/o temperatura adecuadas. La fraccin de

hidrocarburos est compuesta de CH4 y alquitranes, la cantidad de alquitranes y

aceites es mayor, conforme la temperatura y el tiempo de permanencia son

menores. La pirlisis que precede a la gasificacin consiste en la descomposicin trmica de

las molculas de hidrocarburos ms pesados en molculas de gas ms pequeas

(condensables y no condensables) sin reacciones qumicas importantes con aire,

gas o cualquier otro agente gasificante. Si analizamos el proceso de pirlisis en el diagrama ternario CHO (figura 14), se observa que en la pirlisis lenta el producto

slido se mueve hacia la esquina del carbono y se produce ms carbono. En la

pirlisis rpida el proceso se mueve hacia el eje CH opuesto a la esquina del oxgeno. El oxgeno de la biomasa es reducido hidrocarburos lquidos.

Figura 4. Diagrama ternario del CHO

Fuente: Instituto de Energa Elctrica, 2012.

OXIDACION O COMBUSTIN En esta zona, una parte del residuo carbonoso (char) se mezcla con el agente

gasificante, que en nuestro caso es aire (R5, C + O2CO2) produciendo CO2 y

manteniendo la temperatura entre 600 C y 1400 C. Debido a que la cantidad de

aire introducida es inferior a la estequiometricamente requerida para una combustin completa, (por lo tanto el oxgeno es el reactivo lmite) se produce una

combustin incompleta (R4, C + O2 CO) que genera CO, parte de ste se

mezcla con el O2 para producir otra reaccin de combustin

(R6, CO + O2 CO2). Las reacciones de combustin completa e incompleta mencionadas son de carcter exotrmico y en ellas se produce principalmente CO

y CO2, adicionalmente el oxgeno remanente, que ya es poco, se mezcla con CH4

y H2 producidos en reacciones anteriores de pirlisis y se forma CO2 y H2O (R7 y R8).

Esta etapa produce el calor necesario para llevar las etapas de secado, pirolisis y adems suministrar calor a las reacciones de reduccinque son endotrmicas, para mantener la temperatura. La reaccin R5 (C + O2 CO2) es la que desprende la mayor cantidad de calor, 94 Kcal/kmol de carbono consumido,

seguida de la reaccin R4 (C + O2CO), que adems produce CO, y libera 26,5 Kcal/mol de calor. La velocidad de la reaccin R4 es relativamente lenta.

REDUCCIN- GASIFICACION DEL RESIDUO CARBONOSO Esta etapa se lleva a cabo despus de la pirlisis y las reacciones

correspondientes se llevan a cabo en paralelo con la etapa de combustin, aunque

el calor y los productos de la combustin (como el CO2 y el H2O) son requeridos en esta etapa. La reduccin es la ms compleja de todas las etapas, envuelve

reacciones qumicas entre HC, H2O, CO2, O2 y H2, as como entre los gases

desprendidos. De todas estas reacciones, las de gasificacin del residuo carbonoso producido son las ms importantes, por tanto las reacciones que se presentan son solido-gas, a travs del cual el slido se convierte en gas. Adems

tambin se presenta la reaccin en fase gas llamada reaccin shift (CO + H2O CO2 + H2)

Figura 5. Carbn vegetal o residuo carbonoso (Char) de la madera

Fuente: ECO SA distribuidora carbonfera

Figura 6. Reactividad del residuo carbonoso de la turba y biomasa (madera seca)

Fuente: Instituto de Energa Elctrica, 2012.

Si comparamos el residuo carbonoso de la biomasa (madera seca), con el del

carbn fsil y coque, los poros del residuo carbonoso de la biomasa son mucho

ms grandes (20-30 micras) que los del carbn fsil (~ 5 angstrom) [Vargas, C.

2012].

Por lo tanto, el comportamiento de las reacciones es diferente cuando se utiliza el

residuo carbonoso de la biomasa que cuando se utiliza lignito o turba. La

reactividad de la turba decrece con el tiempo conforme se va convirtiendo, mientras que la reactividad del residuo carbonoso de la biomasa aumenta a lo

largo del proceso de conversin (Figura 16). Esta tendencia inversa se puede

atribuir a la creciente actividad cataltica de los componentes metlicos alcalinos

del residuo carbonoso de la biomasa [Vargas, 2012].

La gasificacin del residuo carbonoso de la biomasas implica varias reacciones

entre ste y el agente gasificante. A continuacin se muestra algunas de las reacciones del residuo carbonoso (Char) con diferentes agentes gasificantes como

el oxgeno, el dixido de carbono, el vapor de agua y el hidrgeno [Vargas, C.

2012].

Char + O2 CO2 + CO Char + CO2 CO Reaccin de Boudouard Char + H2O H2 + CO Reaccin agua-gas Char + H2 CH4 Reaccin de Hidrogasificacin

Las ecuaciones anteriores muestran cmo agentes gasificantes como el O2, CO2,

H2O y el H2 reaccionan con el carbono slido para convertirlo en gases de bajo

peso molecular como el CO, CH4 y CO2. En este trabajo de investigacin se

realizan pruebas utilizando aire como agente gasificante, por lo tanto las reacciones que predominan son las que se llevan a cabo entre el carbono y el

oxgeno, sin embargo debido a que hay reacciones de combustin incompleta

(produccin de CO) y la biomasa est hmeda, se produce hidrgeno en la

reaccin entre carbono y agua.

Algunos autores consideran las etapas de combustin y reduccin conjuntamente en una sola etapa de gasificacin, dado que se realizan en forma paralela. En ella se tienen lugar todo tipo de reacciones posibles entre el Char, alquitrn y la mezcla gaseosa presente [Benjamn y Otros, 2010].

Para entender mejor el proceso de la produccin del gas, a continuacin se presenta el en la Figura 7, el esquema resumido con algunas de las reacciones.

Figura 7. Esquema resumen de la produccin del gas

Fuente: Universidad de Centro Amrica.

Tabla 3 . Composicin tpica del gas de la gasificacin de biomasa con aire

Componente Contenido (% Vol)

Monxido de carbono 20-25 Hidrgeno 15-20 Metano 1-2 Dixido de carbono 10-12 Nitrgeno 48-50

Fuente: Agroensa-Gasificador. 2010.

3.3 TIPOS DE GASIFICADORES Los equipos usados para la gasificacin de biomasa se dividen de manera general

en: gasificadores de lecho fijo (semimvil), de lecho mvil, de lecho fluidizado y de flujo de arrastre.

Figura 8. Clasificacin de los gasificadores

Fuente: Elaboracin Propia.

Un tipo de gasificador no es necesariamente adecuado para toda la gama de

capacidades, hay una rango apropiado para cada tipo, por ejemplo, el de lecho fijo

o mvil (corriente ascendente y descendente) se utiliza para las plantas ms

GASIFICADOR

LECHO FIJO O MVIL LECHO FLUIDIZADO LECHO ARRASTRADO

UPDRAFT DOWNDRAFT

CROSSDRAFT BURBUJEANTE CIRCULANTE

CON GARGANTA O RESTRINGIDO

SIN GARGANTA O DE NUCLEO ABIERTO

GARGANTA SIMPLE

GARGANTA DOBLE O INBERT

pequeas(Downdraft de 10 kWth a 1 MWth y Updraft de 1 MWth a 10 MWth), el de

lecho fluido es ms apropiado para las unidades intermedias (1 MWth - 100

MWth), y los reactores de flujo por arrastre son utilizados para las unidades de gran capacidad (> 50 MWth) [Vargas, C. 2012].

Figura 9. Rango de aplicacin de los gasificadores para produccin de Energa elctrica.

Fuente: Instituto Ingeniera Elctrica.

3.3.1 LECHO FIJO Los gasificadores de lecho fijo (alimentacin por lotes) y semimovil (alimentacin

continua) tienen una zona de reaccin estacionaria tpicamente soportada por una

rejilla, la alimentacin se realiza por la parte superior del reactor formando una

cama de partculas slidas de biomasa a travs de las cuales se introduce el agente gasificante. La fase solida se mueve lentamente hacia la parte baja del

reactor a medida que ocurre la descomposicin de la biomasa (de aqu su nombre

de lecho fijo), a este tipo de gasificadores tambin se conoce como de lecho mvil

porque el combustible se mueve lentamente hacia abajo en el reactor [Vargas, C. 2012].

Estos reactores cuentan con una tecnologa simple, son fciles de disear y

operar; alcanzando altas conversiones de carbono, largos tiempos de residencia,

baja velocidad del gas y bajo transporte de cenizas [Garca, E. 2011]. Su uso es apropiado para la produccin de energa a pequea escala y mediana escala con requerimientos trmicos de hasta pocos MW.

A grandes escalas, los gasificadores de lecho fijo pueden encontrar problemas con

la alimentacin de biomasa. Esto conlleva un flujo irregular de gas, por lo que

conseguir temperaturas uniformes a lo largo del gasificador puede ser difcil debido a la ausencia de mezclado en la zona de reaccin [Moreno, F. 2010].

Dentro de las principales desventajas de estos gasificadores se encuentran la

existencia de altos gradientes de temperatura en el interior del mismo, la falta de

uniformidad del flujo de la fase slida, formacin de puentes y adherencia del material y cadas considerables de presin a travs de la cama de material slido.

Dependiendo de la direccin del flujo en la cual se mueve el agente de reaccin y

su relacin con la direccin del movimiento del slido, estos gasificadores se clasifican en gasificadores de flujo en contracorriente, flujo paralelo y flujo cruzado.

LECHO FIJO: UPDRAFT

En un gasificador updraft, o de corriente ascendente; la biomasa se alimenta por la zona superior del gasificador y el aire entra por la parte inferior. El gas producido fluye hacia arriba en sentido opuesto al de la biomasa (por eso se llama updraft) saliendo por la parte superior del gasificador. Se pueden identificar tres zonas, las cuales ocurren de manera secuencial [Garca, E. 2011].

La primera zona es denominada zona de secado, en donde se produce la

eliminacin de la humedad contenida en la biomasa, debido a la disposicin del equipo el agua liberada sale del sistema sin oportunidad de reaccionar.

La segunda zona es denominada zona de pirlisis, en la cual se inicia la

descomposicin trmica de la biomasa. Las reacciones no son lo bastante rpidas como para descomponer todo el material voltil de la biomasa, es decir, existen

molculas orgnicas producidas por fracturas de otras mayores; adems, el

tiempo de permanencia en la zona no permite que estas sufran un grado de transformacin notable saliendo a la zona de secado e incluso al exterior.

La tercera zona es la zona de gasificacin (oxidacin y reduccin), en esta zona

se producen las reacciones de oxidacin entre la fase solida proveniente de la

pirlisis y el agente gasificante, las cuales son de naturaleza exotrmica; asimismo

se producen las reacciones de reduccin entre los alquitranes y los gases presentes.

El gas resultante sale a baja temperatura (400C). Las concentraciones de alquitrn en el gas resultante son altas (principal desventaja) ya que los vapores formados en las reacciones de pirlisis son arrastrados hacia arriba a travs del reactor con el gas resultante. Los niveles de partculas en el gas resultante a tratar son bajos a causa de las condiciones de no turbulencia. La ceniza es arrastrada junto con los slidos en la direccin opuesta a la del flujo de gas y es retirada de la parte inferior del gasificador. Con este tipo de gasificador se

consigue un buen intercambio de calor, adems de admitir combustible con alta

humedad, puesto que en este caso pasa por una zona de secado [Moreno, F.

2010].

Figura 10. Gasificador de Lecho Fijo Updraf.

Fuente: Universidad Carlos III Madrid.

LECHO FIJO: DOWNDRAFT En un gasificador downdraft, o de corriente descendente; la biomasa se alimenta

por la parte superior del gasificador y el aire entra a una cierta altura por debajo de

la parte superior, directamente a la zona de combustin o por encima de esta. El

gas producido fluye hacia abajo al igual que la biomasa (por eso se llama downdraft) y sale por la parte inferior del lecho de residuo carbonoso.

En el diseo de estos gasificadores, las seccin transversal se reduce mediante

un tronco cono en la garganta a partir de la cual el rea del cono empieza a aumentar de nuevo progresivamente, en esta garganta se encuentra la zona de

oxidacin y el propsito de este arreglo es forzar a todo el gas producido en la pirolisis que pase a travs de esta parte estrecha. [Vargas, C. 2012].

Con esta configuracin se evita el problema de arrastre de alquitrn con la

corriente de gas, esto debido a que en su camino hacia abajo, los productos

cidos y alquitranes de la destilacin procedentes del combustible deben pasar a

travs de un lecho incandescente de residuo carbonoso y se transforman por ello en gases permanentes de hidrogeno, dixido de carbono, monxido de carbono y

metano. De esta manera la presencia de alquitrn en la corriente de gas producido es mnima, la tasa de produccin alquitranes en estos tipo de gasificadores son de 0,015 - 3 mg/Nm3, lo cual lo hace apropiado para el uso en

motores de combustin.

Los niveles de partculas en el syngas son tpicamente bajos debido a la ausencia

de turbulencia en el gasificador, pero el gas puede contener componentes lcali

mientras sale de la zona caliente del reactor. El principal inconveniente de los

gasificadores downdraft es el alto contenido en cenizas arrastradas junto con el gas producido. Este tipo de reactores requieren combustibles con un contenido de humedad bajo [Moreno, F. 2010].

Hay dos tipos principales de gasificador downdraft: sin garganta (o de ncleo

abierto) y con garganta (o restringido), como se muestra en la Figura 21.

Figura 11. Tipos de gasificador de lecho fijo downdraft

Fuente: Instituto Ingeniera Elctrica.

Figura 12. Gasificador de Lecho Fijo Downdraft con garganta.

Fuente. Universidad Carlos III Madrid.

LECHO FIJO: CROSSDRAFT En un gasificador crossdraft, o gasificador de tiro transversal; la biomasa se

alimenta por la parte superior del gasificador y aire entra por el lado lateral del

reactor. El gas producido fluye por el lado diametralmente opuesto al ingreso del

aire. Las distintas etapas de gasificacin ocurren concntricas a la zona de inyeccin del agente oxidante [Moreno, F. 2010].

Estos gasificadores constituyen una adaptacin para el empleo de carbn vegetal, con la caracterstica que se producen elevadas temperaturas en la zona de

oxidacin. Por ejemplo cuando se emplea carbn vegetal se alcanzan

temperaturas mayores a 1500C que pueden traer problemas en los materiales [Melndez, B y otros. 2006].

Las ventajas del sistema estn en poder funcionar en muy pequea escala, debido

a la gran sencillez del conjunto de depuracin del gas, este tipo de gasificador se

puede utilizar con motores pequeos. Un inconveniente de estos gasificadores es su mnima transformacin de los alquitranes [Melndez, B y otros. 2006].

Figura 13. Gasificador de Lecho Fijo Crossdraft.

Fuente. Universidad Carlos III Madrid.

3.3.2 LECHO FLUIDIZADO Los gasificadores de lecho fluidizado fueron originalmente desarrollados para la

gasificacin del carbn y han sido adaptados para la conversin de biomasa. En

estos gasificadores, el agente gasificante (aire, oxgeno, vapor, gas resultante de un reciclado, o una combinacin) se alimenta por la parte inferior del gasificador a

una velocidad suficiente para fluidizar (suspender) la biomasa.

Este tipo de gasificador pretende eliminar las dificultades presentes en los

gasificadores lecho fijo, tales como la formacin de escoria y la excesiva cada de

presin, las cuales son ocasionadas por las propiedades morfolgicas, fsicas y qumicas del combustible.

Al contrario de los gasificadores de lecho fijo, no existen diferentes zonas de reaccin en el gasificador. El secado, la oxidacin, la pirolisis y la reduccin se dan lugar en la misma rea; es decir, cada partcula es sometida de forma

instantnea a estos procesos en cualquier punto del gasificador tras su entrada a

l, lo cual origina que las cenizas sean arrastradas por el gas obtenido. Los lechos fluidizados son gasificadores verstiles y no son sensibles a las caractersticas del

combustible, exceptuando el tamao que debera de ser pequeo [Izaguirre, C y Erazo, D. 2010].

Durante el proceso se realiza calentamiento externo y el material se introduce

cuando la temperatura es elevada. El material ingresa por el fondo del reactor y se

calientan casi instantneamente. La biomasa se piroliza muy rpidamente,

adems el equipo es muy flexible en cuanto al material de la alimentacin. [Melndez, B y otros. 2006].

Una de las ventajas ms importantes de la gasificacin en lecho fluidizado es la

uniformidad conseguida en la distribucin de temperatura en el lecho, puesto que el movimiento de las partculas favorece un mejor contacto gas-slido, propiciando

que el perfil de temperatura y conversin sean uniformes a lo largo del reactor,

permitiendo un control muy preciso de las condiciones de operacin.

Los gasificadores de lecho fluidizado pueden ser dimensionados para instalaciones de mediana y gran escala y son los ms adecuados para situaciones donde hay una relativa demanda constante del gas resultante. Esencialmente, todas las instalaciones gasificadoras de grandes dimensiones

construidas y probadas en la ltima dcada usan diseos de lecho fluidizado. El

gas resultante tiene un nivel medio de alquitranes y altos niveles de partculas como resultado de la turbulencia en el reactor. Las partculas consisten en cenizas originadas por la biomasa y partculas finas que escapan del lecho

[Moreno, F. 2010].

Dentro de esta clasificacin, se pueden encontrar gasificadores de lecho fluidizado

burbujeante y de lecho fluidizado circulante.

LECHO FLUIDIZADO: BURBUJEANTE En los gasificadores de lecho fluidizado burbujeante existe una interfase que

divide la zona libre de reaccin (freeboard) de la zona de reaccin (lecho). Como

consecuencia del mezclado, las distintas etapas de la gasificacin no se distinguen.

LECHO FLUIDIZADO: CIRCULANTE La diferencia que suponen los gasificadores de lecho fluidizado circulante, es la

existencia de una tubera de retorno al reactor; como consecuencia de la recirculacin, se obtienen gases de sntesis con un poder calorfico 3 veces

superior al de los gasificadores convencionales (4-6 MJ/Nm3).

En estos lechos, las condiciones de fluidizacin son rpidas y los slidos son

arrastrados, debiendo ser recogidos y recirculados, logrando una mayor conversin; as mismo, se reduce la tendencia de las partculas a aglomerarse pudiendo adicionarse reactantes gaseosos a diferentes niveles.

Figura 14. a) Gasificador de Lecho fluidizado burbujeante. b) gasificador de lecho fluidizado circulante

Fuente. Universidad Carlos III Madrid.

3.3.3 LECHO ARRASTRADO En este tipo de gasificadores los slidos son arrastrados en el flujo de gas,

fluyendo en paralelo a altas velocidades. Para la obtencin de buenas

conversiones, se requieren temperaturas de reaccin de 1200 C, puesto que el

tiempo de residencia de los slidos es muy corto (del orden de segundos). Al operar con temperaturas tan altas, se suele operar en modo slagging (con cenizas

fundidas) a elevadas presiones [Moreno, F. 2010].

Presenta las siguientes caractersticas:

Obtencin de gas prcticamente limpio de alquitranes y metano.

Volmenes de gas producido superior al obtenido en los distintos tipos de

lechos anteriormente mencionados. Se precisa mayor demanda de agente gasificante que en los lechos

fluidizantes burbujeantes y circulante.

Alta carga de partculas que pueden llegar a ser arrastradas.

Equipos de alto costo econmico. No aptos para empleo de biomasa [Biling. 2009].

COMPARACIN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE GASIFICADORES Cada tipo de gasificador tiene sus requerimientos para operar de manera eficiente,

debido a esto es de esperarse que los resultados por la operacin sean diferentes.

A continuacin se muestra una tabla con un resumen de las caractersticas de operacin.

Tabla 4. Caracterstica operacin de los gasificadores

Caracterstica Downdraft Updraft Lecho fluidizado Tamao del

material (mm) 20-100 5-100 0-20

Contenido de Ceniza (%Peso)

Max 6 Max 25 Max 25

Temperatura de operacin (C)

700 200-400 750-950

Contenido de Alquitrn (g/Nm3)

0.015-0.5 30-150 5

Sensible a Cambio de carga

Si No Si

Valor calorfico del Gas (MJ/Nm3)

4.5-5 5-6 4.5

Fuente. Universidad Centroamericana, 2006.

Tabla 5. Ventajas y desventajas de los gasificadores

Tipo de gasificador

Ventaja Desventaja

Corrientes opuestas (Updraft)

Pequea cada de presin. Sensibilidad a los alquitranes y contenido de humedad de la biomasa.

Alta eficiencia de conversin. Alta produccin de alquitranes. Bajos niveles de partculas en el gas.

Potencial formacin de canales.

Alta eficiencia trmica. Potencial formacin de canales. Corrientes paralelas

(Downdraft)

Bajo contenido de alquitranes en el gas obtenido.

Sensibilidad al contenido de ceniza de la biomasa.

Adaptacin flexible de produccin de gas al tipo de biomasa.

Potencial formacin de puentes.

Baja sensibilidad a los alquitranes. Apropiado para motores.

No aceptan cualquier biomasa (especialmente materiales blandos de baja densidad).

Lecho fluidizado Aceptan gran variedad de biomasa. Puede funcionar con materiales blandos y de baja densidad. Fcil control de Temperatura.

Alta generacin de Alquitrn. Mala respuesta a los cambios de carga. Solo aplicables en rangos de potencia alta.

Fuente. Universidad Nacional de Colombia, 2011.

3.4 APLICACIONES DEL GAS PRODUCIDO POR GASIFICACIN Debido a la existencia de un amplio rango de procesos de conversin de la

biomasa, se pueden obtener diferentes productos finales. Las principales

aplicaciones son:

Generacin de electricidad. Actualmente existe un amplio rango de tecnologas de generacin de electricidad de forma renovable que suponen menores costes de

generacin que mediante la utilizacin de los gases procedentes de un proceso de

gasificacin de biomasa, como son la energa elica, hidrulica y geotrmica. nicamente hay plantas experimentales y se pone en tela de juicio su rentabilidad.

Sin embargo, este gas se puede utilizar en motores y turbinas para producir

electricidad, as como tambin para la utilizacin en motores estacionarios con

aplicaciones como bombas, molinos, tractores, ventiladores, etc. [Benjamn y Otros. 2006].

Tabla 6. Lmites de concentracin de partculas y alquitranes-aplicacin en generacin de energa.

Fuente: Instituto de Energa Elctrica, 2012.

III.- DISEO DEL GASIFICADOR CROSS-DRAFT

Este gasificador se ha diseado y construido, teniendo en cuenta su uso como cocina mejorada, con suministro natural de aire, teniendo como principal

caracterstica, producir gas de sntesis (una mezcla de monxido de carbono,

hidrogeno y otros gases minoritarios) en un quemador primario, y, posteriormente quemar este gas en un quemador secundario para producir energa ms limpia

respecto al proceso de combustin directa; se podra resumir este proceso de

combustin en un gasificador cross-draft como un proceso de combustin en dos etapas.

Figura 15. Vista isomtrica del gasificador cross-draft

Fuente: Elaboracin propia

Figura 16. Vista isomtrica del gasificador cross-draft con algunos detalles geomtricos

Fuente: Elaboracin propia

Figura 17. Vista Proceso de construccin del gasificador

Fuente: Elaboracin propia

Figura 18: Gasificador en operacin

Fuente: Elaboracin propia

IV.- CONCLUSIONES PRELIMINARES

4.1. Inicialmente se ha probado, que es posible utilizar el principio de gasificacin

para la obtencin de energa a travs del uso de gas de sntesis, generada simultneamente en el quemador primario del sistema de gasificacin.

4.2.- El uso de este sistema permitir el uso ms eficiente de la biomasa, y a la

vez, tener un combustible ms limpio desde el punto de vista de las emisiones, al hacer uso de este sistema de combustin.