Es un proceso termoquímico para convertir materia les carbonáceos, como carbón y biomasa, en combus tible o gas sintético (syngas), a partir de la oxidación parcial a elevadas temperaturas ^{(5, 6)}. Es importante a nivel mundial por sus beneficios y variedad de usos ⁷.

La producción de gas a partir del carbón se lleva a cabo por reacciones químicas en cuatro etapas, de acuerdo con las ecuaciones (1) a (12) ⁸:

Secado del combustible sólido. Se lleva a cabo a tempera turas promedio de 105 °C:

Combustible sólido + calor ( combustible seco + agua (1)

Pirólisis. Ocurre dentro de un rango de temperaturas entre 300 y 400 °C; se libera la materia volátil y se obtie ne un producto sólido con propiedades de semicoque o char. Dependiendo de las propiedades del combustible y del gasificador, los volátiles liberados pueden contener H₂, CO, CO₂, H₂O, CH₄, C₂H₆, H₂S, NH₃, olefinas, aromá ticos, alquitrán y algunas cantidades de hollín. Las partí culas de char contienen compuestos orgánicos (carbono) e inorgánicos (cenizas).

Combustible seco + calor -> volátiles + char (semicoque) (2)

Oxidación. La inyección de oxígeno en defecto al gasificador produce reacciones de oxidación parcial; por lo tanto, la energía térmica requerida para las reacciones de gasificación es suministrada por la oxidación de los productos obtenidos durante el proceso de pirólisis.

Las reacciones químicas que se llevan a cabo durante la combustión de los productos pirolizados son:

(3)

(4)

(5)

(6)

Gasificación. Cuando la temperatura de las partículas remanentes (char y hollín) sobrepasan el rango de tem peratura de los 600 a 700 °C, se pueden gasificar con va por de agua y CO₂. A presiones altas, también se pueden gasificar con H₂. Las reacciones heterogéneas de gasifica ción son mucho más lentas que las reacciones de pirólisis y oxidación, de esta manera controlan la velocidad; por lo tanto, el diseño y construcción de los gasificadores de pende en primer lugar de estas reacciones. Además, se debe tener en cuenta que también pueden tener lugar al gunas reacciones homogéneas de gasificación. Las prin cipales reacciones del proceso de gasificación son:

(7)

(8)

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(11)

A partir de la reacción de intercambio gas-agua, se pue de intercambiar la relación H₂/CO. La reacción de metanización permite obtener CH₄ como producto principal del proceso. En estas dos reacciones exotérmicas, la baja temperatura es favorable; sin embargo, a estas condicio nes tienen lugar de forma muy lenta por lo cual es im portante catalizar. De otra parte, a altas temperaturas las reacciones pueden ser reversibles. En la tabla 1 se relacio nan los tipos de gas, la composición y el poder calorífico de los gases obtenidos por gasificación de carbón ⁹.

Tabla 1
Propiedades del gas de síntesis ⁹.

Los cálculos para el análisis térmico del proceso de coc ción de cerámicos en horno túnel, se hacen con base en las propiedades del gas de bajo poder calorífico, el cual es ob jeto de estudio para proyectar la reconversión tecnológica.

La investigación se realizó en tres fases: la primera co rresponde al estudio y caracterización de los carbones de la provincia Centro de Boyacá, partiendo de la de limitación del área y selección de minas, para toma de muestras y análisis de laboratorio, bajo procedimientos de normas ASTM para carbones y coques ¹⁰.

Las propiedades analizadas fueron: humedad resi dual (HR), pérdidas por secado al aire (ADL), humedad total (HT), cenizas (Cz), materia volátil (M.V.), índice de hinchamiento (F.S.I), carbono fijo (C.F.), azufre (S) y poder calorífico (PC), que corresponden a las propieda des de mayor efecto en el proceso de gasificación ^11,12. Los análisis se realizaron como se recibe la muestra (CSR), y se hace el cálculo de los resultados en base seca (BS) y en base seca libre de cenizas (BSLCz); el cálculo en diferentes bases se aplicó para hacer el análisis estequiométrico de las reacciones de gasificación; el rango de los carbones analizados se determinó con base en la tabla de clasificación internacional, y se comparó con carbones comúnmente gasificables.

En la segunda fase, se hizo el estudio analítico de la gasificación del carbón, a partir de las reacciones quí micas del proceso para la obtención de gas de bajo podercalorífico, y se calcularon las relaciones de masa y energía, carbón/gas.

En la fase final se estableció la energía requerida en el proceso de cocción de cerámicos en horno túnel, a partir del balance de masa del sistema, para evaluar el consumo de carbón y la eficiencia energética, durante la combustión directa y como gas.

Delimitación de áreas y selección de minas. En Boyacá se definen tres áreas carboníferas ¹³, Checua-Lenguazaque, al sur occidente del departamento; oriental, denominada Sogamoso Jericó y Centro, que comprende los municipios de Tunja, Paipa y Duitama, con sus respectivas jurisdicciones ¹⁴.

Selección de minas. Se tomaron cinco muestras de mi nas en producción en la provincia Centro de Boyacá, ubi cada en el área carbonífera centro del departamento; esta zona incluye las cuencas carboníferas de Cogua Samacá y Tunja Paipa Duitama, las cuales conforman la for mación Guaduas en la parte media inferior ¹⁵.

Análisis de laboratorio. Los resultados de las pruebas de laboratorio para la caracterización de los carbones analizados se presentan en la tabla 2.

Tabla 2
Resultados de la caracterización de carbones de la provincia Centro de Boyacá.

De acuerdo con el estudio de caracterización de los carbones, para exploración de gas metano asociado al carbón en el área Checua Lenguazaque, sector Guachetá (Cundinamarca) Samacá (Boyacá); rea lizado por el Servicio Geológico Colombiano ¹⁶, se encuentra que los resultados de la tabla 2, están dentro de los rangos propios de las características de los carbones con propiedades gasificables.

Determinación de las propiedades gasificables de los carbones analizados. En los procesos de con versión del carbón sólido a gas ¹⁷, los principales productos son: monóxido de carbono e hidrógeno; el rendimiento depende del rango del carbón, el contenido de agua, las propiedades aglomerantes y las propiedades de las cenizas ¹⁸. Los carbones de bajo rango presentan altos contenidos de humedad, y materia volátil, pero bajo porcentaje de carbono fijo y poder calorífico; tienden a ser más reactivos por el bajo nivel de ordenamiento de su estructura y alto contenido de heteroátomos (particularmen te oxígeno). En el proceso, cenizas de carbón con bajo punto de fusión, gasificados en reactores que operan a altas temperaturas, presentan comporta miento de escorias fluidas; mientras que en gasificadores que operan a bajas temperaturas, se com portan como cenizas secas ⁸. La tabla 3, registra los valores mínimos y máximos, de las propiedades con mayor efecto en el proceso de gasificación de los carbones de bajo rango. De acuerdo con la tabla de clasificación internacional de la norma ASTM D 388 ¹⁰, las propiedades de los carbones de bajo rango incluyen carbones subituminosos y lignitos.

Tabla 3
Propiedades de los carbones gasificables bajo rango.

Los contenidos de humedad, cenizas, material vo látil, carbono fijo y azufre son comparables a los valores de estas mismas propiedades, en carbones terciarios utilizados en gasificación ¹⁹, en carbones gasificados para generación de potencia ²⁰ y, en cogasificación de carbones colombianos con biomasa ²¹.

Clasificación de los carbones analizados. Este pro cedimiento se realiza evaluando los resultados de las propiedades de las muestras analizadas, con respec to a los valores límite inferior (LI) y superior (LS), de las propiedades de los carbones de bajo rango, y de los carbones subituminosos y lignitos, en la tabla de clasificación internacional de la norma ASTM D 388 ¹⁰. A partir de los histogramas (figura 2), se hace un análisis comparativo ²² de las propiedades de mayor efecto en el proceso de gasificación, entre los carbones analizados y los carbones de bajo rango.

Figure 2
Histograms of properties of analyzed coals, as compared tolc/w (LI) and high (LS) limits of low rank coals.

Se observa que la humedad en todas las muestras está por debajo dellímite inferior delosccDbones de bajo ran go; sin embargo, aunque estapropied ad intrínseca favo rece reacciones endotérmicas de gasificación (reacciones 7 y 10) para producir gases de alto valor calorífico, se puede complementar de forma extrínseca en el proceso, usando vapor de agua como agente gasificador o adicio nando agua al carbón hasta inyectarlo en forma de lodos (23). Los contenidos de cenizas, materia volátil, carbono fijo y azufre se mantienen dentro de los intervalos esta blecidos para estas propiedades, de acuerdo con los pa rámetros de norma para carbones de bajo rango, y con los valores de estas mismas propiedades en carbones usados en procesos de gasificación ^{(19, 20, 21)}.

El estudio analítico de la gasificación se hace a nivel estequiométrico, para calcular la producción de gas de bajo poder calorífico (tabla 1), a partir de carbón, por combus tión incompleta a condiciones normales, y con 25% de aire en déficit. La reacción química del proceso es:

(12)

Los resultados se muestran en la tabla 4.

Tabla 4
Resultados del análisis estequiométrico para gasificación de los carbones probados.

El análisis estequiométrico indica que todos los car bones analizados se pueden gasificar. En promedio la relación de masa es del 27,51%; es decir que a partir de 275 gramos de carbón se obtiene un kilogramo de gas; la energía del gas equivale al 18,11% respecto a la del car bón, cuando la composición promedio del gas es 19,63% CO, 6,54% CO₂ y 73% N₂, obtenido por combustión in completa con deficiencia de aire. A nivel industrial, este proceso se optimiza mezclando o substituyendo el aire por vapor de agua para minimizar los contenidos de dió xido de carbono (CO₂) y nitrógeno (N₂), en las emisiones; en consecuencia, aumenta la capacidad energética debi do al incremento en la producción de monóxido de car bono (CO), e hidrógeno (H₂), de acuerdo con la reacción 7, para obtener un gas de poder calorífico medio (tabla 1).

Análisis térmico. Se realizó a partir del modelo 3D de un horno túnel para cocción de bloques, definiendo las zonas térmicas y el flujo del proceso (figura 3). Durante la operación, la carga entra a la zona de precalentamiento y se desplaza en movimiento continuo a una velocidad de 2.86 m/h, hasta salir por la zona de reposo ²⁴.

Figure 3
Temperature monitoring zones and points in a 3D Model of the tunnel kiln.

El calor para el proceso de cocción es suministrado por combustión directa de carbón. Los requerimientos de ener gía en función de la temperatura y la simulación en Matlab de las zonas térmicas del horno se ilustran en la figura 4.

Figure 4
Temperature distribution and thermic zones simulation in the tunnel kiln.

La simulación se realiza con pdetool de Matlab resol viendo la ecuación de transferencia de calor (ecuación 13), con el método parabólico por elementos finitos; el cual permite resolver sistemas definidos sobre domi nios limitados y continuos en un plano. Se definieron condiciones de frontera tipo Dirichlet donde se cono cen los valores de la solución que necesita la frontera del dominio y tipo Neumann, donde se especifican los valores de la derivada de una solución tomada sobre la frontera. El modelo geométrico para la simulación se proyectó a partir de un esquema de zonas térmicas y de operación del horno (figura 4), sobre una retícula a escala asimétrica, midiendo la longitud del horno (53 m) sobre el eje X (cada unidad representa dos metros), y la altura (3,5 m), sobre el eje Y (cada unidad representa un metro).

(13)

Donde: rho es la densidad; C, es la capacidad calórica; div ( k * grad (7)), es la divergencia del producto entre el coeficiente de conducción y el gradiente de la tem peratura de los gases de combustión; Q, es la fuente de calor; h, es el coeficiente de transferencia de calor por convección; Text, es la temperatura externa y T, es la temperatura de frontera.

La figura 5 presenta la solución gráfica del sistema por el método parabólico, en una capa diferencial en 3D, que muestra la divergencia de las propiedades tér micas de los gases de combustión, en función del gra diente térmico.

Figure 5
3D graphic of the divergence of thermal properties of the combustion gases, in function of the thermal gradient of the system.

La validación de los resultados de la simulación del perfil térmico del horno túnel, se hace con base en el análisis del perfil térmico obtenido a partir de los resul tados experimentales. En la figura 6 se grafican los va lores de las temperaturas simuladas y experimentales para analizar la correlación de datos.

Figure 6
Graphic data correlation of simulated and experimental temperatures in function of the kiln length.

Los datos de las temperaturas experimental y simula da alcanzan los mayores niveles de ajuste mediante las ecuaciones polinómicas de segundo orden:

(14)

(15)

Las líneas de tendencia obtenidas a partir de las ecua ciones 14 y 15, confirman la distribución de calor de acuerdo con el esquema de zonas térmicas y la simu lación gráfica de la figura 4. La correlación de datos de la temperatura experimental es de 0,998, mientras que para los datos de temperatura simulada es de 0,974, en los dos casos la dispersión es menor a 0,026. La di ferencia de 0,024 entre las correlaciones se debe a que el horno cuenta solamente con 5 puntos de registro de las temperaturas experimentales, mientras que para la temperatura simulada se registraron 12 datos.

En la figura 7, obtiene la correlación entre las tempe raturas experimental y simulada, a partir de la línea de tendencia, definida por la ecuación:

(16)

Figure 7
Graphic data correlation of simulated and experimental temperatures.

El valor de la correlación indica que la desviación en tre los datos de las temperaturas experimental y simu lada es del 0,13%; de donde se deduce, que la eficiencia de la simulación alcanza el 87%. Este resultado es coherente con otras simulaciones realizadas para establecer el perfil térmico y el flujo de calor en un horno túnel ²⁵.

Cálculo de Energía. La energía térmica necesaria para el proceso de cocción Q_prcs, (ec. 16 y 18), es suministra da por el combustible Q_cmb; equivale a la sumatoria de las cantidades de calor Q_i, (ec. 2) ^{(26, 27)}, que consume cada uno de los componentes másicos del sistema, de acuerdo con las ecuaciones:

(17)

(18)

Donde m, es la masa, Cp el calor específico del mate rial a presión constante, y ΔT representa el cambio de temperatura experimentado por el material, para su transformación o calentamiento.

Los parámetros para el balance de masa y energía son: un ciclo de cocción con carga completa en el horno (19 vagonetas); temperatura mínima, 15°C (ambiente); temperatura máxima, 900°C y presión atmosférica. El consumo de calor en el proceso está dado por: el calen tamiento de la carga estática (Q_st), el calentamiento y cocción de la carga dinámica Q_dy, (ec. 17) y las pérdidas de calor (Q_prd). El calor requerido para el proceso se obtiene mediante la ecuación:

(19)

El calor consumido por la carga dinámica (Q_qdy ), es el necesario para cocer los cerámicos (Q_ccr ), calentar la vagoneta (Qwg), y las cenizas del carbón (Q_cz ), de conde se obtiene la ecuación:

(20)

Las pérdidas de calor están definidas por la convec ción (Q_pcnv ) sobre las paredes externas del horno y el calor remanente en la carga dinámica a la salida del hor no: cerámicos (Q_pcr ), vagoneta (Q_wg), y cenizas (Q_pcz ).

Estas pérdidas se determinaron a partir de la ecuación:

(21)

El cálculo de la energía consumida para la cocción de los cerámicos, más las pérdidas generadas por el enfria miento de la carga dinámica a la salida del horno y la convección sobre las paredes, se define como calor de reposición y se registra en la tabla 5.

Tabla 5
Calor requerido por el sistema.

El balance de energía se hace a partir de la ecuación 18; sin embargo, en un proceso continuo el calor de la carga estática (todos los componentes fijos del horno), una vez alcanzado se mantiene constante; así el calor requerido para mantener el horno en operación conti nua equivale al calor de reposición.

La tabla 6 registra las cantidades de masa de carbón mineral y de gas de síntesis de bajo poder calorífico (135 BTU/SCF), requeridas para suministrar el calor de reposición al proceso.

Tabla 6
Balance de masa y energía para carbón gas de síntesis, requeridos por la energía de reposición.

Con base en el análisis estequiométrico se requiere 1,2 toneladas de carbón mineral para mantener el horno en operación; considerando pérdidas del 35% por in quemados, el gasto asciende a 1,62 toneladas. Con gas de síntesis se requieren 7439.7 metros cúbicos, produ cidos a partir de 1,28 toneladas de carbón mineral. La diferencia muestra un ahorro del 21% en consumo de carbón.