Los estudios paramétricos de la gasificación se desarrollan para evaluar los parámetros termodinámicos del gasificador fundamentalmente: Consumo de biomasa, poder calorífico y flujo de gas generado, relación de equivalencia, eficiencia entre otros. Los resultados de estos estudios dependen del tipo de gasificador, agente de gasificación, biomasa utilizada y parámetros de operación.
La elección de un tipo de gasificador está determinada por las características de la biomasa (tamaño, contenido de humedad y contenido de cenizas) y condiciones de calidad del gas para su empleo. En el caso de la tusa se han utilizado fundamentalmentegasificadoresde lecho fijo concurrente (
La diferencia entre estos gasificadores está dada por el movimiento relativo de la biomasa y el gas generado. En el gasificador
En el gasificador
Agentes de gasificación.
En la gasificación como agentes oxidantes se puede emplear aire, oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua o una mezcla de estos. El proceso con aire genera un gas de bajo poder calorífico de alrededor de 4 a 6 MJ/Nm3, debido a los altos contenidos de N2. Cuando se utiliza mezclas de aire y vapor de agua u oxígeno se obtiene un gas con un poder calorífico superior al 6MJ/Nm3.
El proceso de gasificación de biomasa.
La gasificación es definida como la conversión térmica de la biomasa en un gas a través de una serie de reacciones químicas que ocurren a altas temperaturas en condiciones sub estequiometrias(en defecto de oxígeno).Este proceso incluye cuatro etapas: secado, pirólisis, reducción (gasificación) y oxidación, distribuidas por zonas en el caso de los gasificadores de lecho fijo como se observa en la figura 1.
La etapa de secado ocurre aproximadamente 100-200°C y en ella el contenido de humedad de la biomasa es típicamente reducido a valores menores al 5%.La pirólisis es la degradación térmica de la biomasa. En ella la biomasa es calentada en ausencia de aire hasta aproximadamente 350 oC, obteniéndose fundamentalmente carbón, gases y alquitrán.
La combustión es la reacción químicaexotérmica entre biomasa carbonizada sólida y oxígeno presente en el aire, lo que resulta en la formación de CO2 (Ec. 1). El Hidrógeno presente en la biomasa también se oxida para generar agua (Ec. 2).
En ausencia de oxígeno, ocurren varias reacciones de gasificación en el rango de temperatura de 800-1000 0C. Estas reacciones son endotérmicas y las de mayor relevancia son representadas por las siguientes ecuaciones.
La composición y las propiedades del gas producto de la gasificación dependen de factores como el tipo de gasificador, parámetros del proceso, agente de gasificación y tipo de biomasa.
Temperatura.
La temperatura es considerada el principal parámetro para evaluar el comportamiento del gasificador. Un aumento de la temperatura conduce a un aumento en la producción de gas, una disminución del contenido de alquitrán en el gas (mayor calidad) y del carbón en el gasificador (mayor conversión del carbono en gas).
Relación de equivalencia.
La relación de equivalencia (ER) es el parámetro de mayor influencia en el proceso de gasificación, con un impacto significativo en la composición y producción de gas. Ella es determinada por la siguiente relación:
donde:
Va. Volumen de aire suministrado al gasificador (Nm3/h).
Vao. Volumen de aire necesario para la combustión completa (Nm3/h)
RA/B actual. Relación aire combustible real, Nm3/ kg de biomasa.
RA/B st.Relación aire combustible estequiométrica, Nm3/kg de biomasa, se calcula a partir de los elementos químicos del combustible (Ec. 8) (
Gasificación de la tusa
Los resultados de las primeras investigaciones sobre los estudios paramétricos de la gasificación de la tusa fueron publicados en los años 1972 y 1979.
En los años posteriores las investigaciones sobre la gasificación de la tusa se orientaron hacia el uso del gas en motores de combustión interna para la generación de electricidad, así como, el desarrollo de modelos de equilibrio para evaluar los efectos del contenido de humedad en la composición del gas generado.
Los resultados de estos trabajos muestran que para producir 1 kWh de energía se consume 1 kg de tusa, que con el aumento de la humedad de la biomasa, la cantidad de CO disminuyó, contrariamente el resto de los componentes CO2, H2, vapor de agua se incrementan. Con el aumento de la temperatura hubo un incremento del monóxido CO y H2. En la
Leyenda: nd- No disponible.
Los resultados muestran una gran variedad de valores, en cuanto a la composición de gas producido, lo cual obedece a las diferencias de las características de la biomasa utilizada (tusa), así como, los diferentes parámetros operacionales de los gasificadores fundamentalmente la temperatura y ER, las cuales no se especifican, hecho que pone de manifiesto la necesidad de seguir realizando estudios paramétricos sobre el tema.
Las muestrasde las tusas objeto de estudio (Humedad 10%) fueron tomadas en las provincias de Los Ríos y Guayas de Ecuador y sus característicasfueron determinadas en los Laboratorios del Centro de Excelencia y Generación Distribuida (NEST) de la Universidad Federal de Itajubá, Brasil, en la
Las pruebas experimentales de la gasificación de la tusa se realizaron en el Laboratorio de Termodinámica de la Facultad de Mecánica de la Escuela Superior Politécnica del Chimborazo (ESPOCH), Ecuador. El esquema de la instalación se presenta en la
El gasificador es del tipo
Técnica experimental
Inicialmente se efectúa el encendido del gasificador (cargado de biomasa) a través del cenicero, luego se procede suministrar aire en exceso al gasificador para combustionar parte de la biomasa hasta alcanzar la temperatura de operación estable, manteniendo un régimen de alimentación entre (20-40) kg de tusacada una hora de trabajo. Las condiciones para las cuales se desarrollaron los experimentos se reportan en la
Leyenda: Wb. Humedad de la biomasa. Va. Flujo volumétrico de aire suministrado al gasificador. ma. Flujo másico de aire. Ta. Temperatura del aire a la entrada del gasificador. Tga. Temperatura de gasificación.Tgs. Temperatura de salida del gas. Tref. Temperatura de referencia.
Después de estabilizada la temperatura del gasificador, durante un período de tiempo se tomaron muestras de gases después del filtro, muestras que son almacenadas y sometidas a un análisis cromatográfico (Norma ASTM D 1945-03 del 2010) en el laboratorio de análisis instrumental del Departamento de Ingeniería Química de la Escuela Politécnica Nacional en la ciudad de Quito.Los resultados de estos análisis se muestran en la
Para realizar el balance de masa y energía en el gasificador se desarrolló un modelo estequiométrico a partir de la ecuación general de la gasificación (Ec. 9).
donde:
Los subíndices α, β, ϒ, ϕ, representan los moles de C, H, O, N en la biomasa gasificada en base seca y (y1, y2, y3, y4, y5) la composición en volumen de los gases, obtenidas a partir del análisis cromatográfico.
Balance del Oxígeno
Balance del Nitrógeno
Donde:
ρaire: Densidad del aire, kg/m3
Mwaire: Peso molecular del aire, kg/kmol.
Se considera un porcentaje másico de 15% de CF en las cenizas en correspondencia con los valores obtenidos a partir de los análisis de cenizas realizadospor los autores.
El modelo programado en Excel no considera la formación de alquitrán y cualquier elemento de este tipo lo considera como metano, lo cual se justifica por el bajo contenido de alquitrán en los gases en los gasificadores
La
Leyenda: ṁg. Flujo másico de gas producido en base seca, (kg/s).ṁash. Flujo másico de residuos (Cenizas, carbón no convertido y material volátil), (kg/s). ṁwb. Flujo másico de la humedad en la biomasa, (kg/s). LHVb. Poder calorífico bajo de la biomasa, (MJ/kg). LHVi. Valor calórico bajo de cada componente del gas producido (MJ/Nm3). Cpg. Calor específico del gas, (kJ/kg). Cpg.i. Calor específico de cada componente del gas (kJ/kg). Wg. Peso molecualr del gas, (kg/kmol)