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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
GASIFICACION DEL CISCO DE CAFÉ CON MEZCLAS DE OXIGENO-
VAPOR PARA PARCIAL OXIDACION
Autor
CARLOS ANDRES CANTOR ARDILA
200924345
Asesor
GERARDO GORDILLO ARIZA Ph.D, M.Sc
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTA D.C., COLOMBIA
DICIEMBRE DE 2012
Tabla de Contenido
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................. 4
LISTA DE TABLAS ..................................................................................................................... 4
1.INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 5
2. REVISIÓN DE LA LITERATURA ......................................................................................... 9
2.1 Antecedentes de la gasificación .................................................................................. 11
2.2 Reacciones en gasificadores ....................................................................................... 14
2.3 Biomasa Cisco de Café ................................................................................................ 15
3. OBJETIVOS .......................................................................................................................... 17
3.1 Objetivo general. ............................................................................................................ 17
3.2 Objetivos específicos .................................................................................................... 17
4. PLANTA DE GASIFICACIÓN ............................................................................................ 18
5. EXPERIMENTACIÓN .......................................................................................................... 21
5.1 Procedimiento experimental ......................................................................................... 22
5.2 Calibración del generador de vapor ............................................................................ 23
5.3 Calibración del Espectrómetro de Masa. ................................................................... 24
6. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE GASIFICACIÓN ............................................ 24
6.1 Caracterización del Combustible (cisco de Café) ..................................................... 24
6.2 Las condiciones del Experimento................................................................................ 26
6.3 Análisis de incertidumbre.............................................................................................. 27
6.4 Temperatura ................................................................................................................... 28
6.4 Composición de los Gases ........................................................................................... 31
6.5 HHV de las Mezclas de Gas ........................................................................................ 36
7. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 38
8. BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................... 39
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Consumo Global anual de energía por tipo de combustible, adaptada [1]. ___________ 5
Figura 2 Proyección Global Anual de emisiones de Dióxido de Carbono, adaptado [2]. _______ 6
Figura 3 Precios del petróleo junto con el consumo de combustible, adaptado [2]. ___________ 6 Figura 4 Posibles usos de gas de síntesis producida a través de la gasificación de la biomasa
con vapor y aire, adaptado de [12]. _____________________________________________________ 8
Figura 5 Esquema de procesos de gasificación [4]. ______________________________________ 10
Figura 6 Esquema de un gasificador de lecho fijo, adaptado de [15] _______________________ 11
Figura 7 Tipos de gasificadores y su perfil de temperatura, adaptado de [17] _______________ 13
Figura 8 Cisco de café tomado de [20] _________________________________________________ 16 Figura 9 Esquema de la planta de gasificación de 10 kW de la universidad de los andes con
todos sus accesorios. ________________________________________________________________ 18
Figura 10 Vaporizador para la planta de gasificación de 10 kW de la universidad de los andes.
___________________________________________________________________________________ 19 Figura 11 Sistema de extracción de cenizas de la planta de gasificación de 10 kW de la
universidad de los andes. ____________________________________________________________ 19
Figura 12 Espectrómetro de Masas para la medición de la composición de los gases. _______ 20
Figura 13 Sistema de registro de Temperaturas en el lecho (Omega RD8800). _____________ 20 Figura 14 Panel de control de la planta de Gasificación (Registro de temperaturas,
Alimentación de Biomasa, Generador de potencia para vaporizador). _____________________ 21
Figura 15 Energía suministrada en el generador de vapor vs caudal de Agua requerido. _____ 23
Figura 16 Perfiles de Temperatura en el reactor para diversas RE y S:F 0,38 ______________ 29
Figura 17 Perfiles de Temperatura en el reactor para diversas RE y S:F 0,59 ______________ 29
Figura 18 Perfiles de Temperatura en el reactor para diversas RE y S:F 0,72 ______________ 30
Figura 19 Fracción molar de Gases en base Seca para S:F 0,38 y varias RE ______________ 32
Figura 20 Fracción molar de Gases en base Seca para S:F 0,59 y varias RE ______________ 33
Figura 21 Fracción molar de Gases en base Seca para S:F 0,72 y varias RE ______________ 33
Figura 22 Fracción molar de H2 en base Seca para varios S:F a diferentes RE ____________ 34
Figura 23 Fracción molar de CO2 en base Seca para varios S:F a diferentes RE ___________ 35
Figura 24 Fracción molar de CO en base Seca para varios S:F a diferentes RE ____________ 35
LISTA DE TABLAS Tabla 1 Producción de la especie típica de los gasificadores más comunes. Adaptado de [12]
[17]. _______________________________________________________________________________ 14
Tabla 2 Porcentaje en masa de las partes de un fruto cereza _____________________________ 16 Tabla 3 Resultados Análisis Próximo, Ultimo y HHV del Cisco de café realizados por la
universidad del valle. ________________________________________________________________ 25
Tabla 4 Resultados tamizado para determinación de tamaño de partícula de la biomasa. ____ 25 Tabla 5 Condiciones Experimentales para combustible Cisco de Café ( Todas la tablas en
formato office. Adicione en esta gráfica los flujos de vapor (unidades métricas) _____________ 26
Tabla 6 Incertidumbre de los gases % _________________________________________________ 27
Tabla 7 Incertidumbre de las temperaturas % ___________________________________________ 28
Tabla 8 Densidad de Energía (HHV) de los gases producto de la gasificación con Cisco de
Café _______________________________________________________________________________ 36
1.INTRODUCCIÓN
El consumo de energía global (512 cuatrillones (Btu), (Figura.1) y el aumento
de la contaminación del aire causada por los gases NOX, SOX y efecto
invernadero (CO2) producido por combustión de combustibles fósiles,
demandan la exploración de fuentes de energía renovables con el fin de mitigar
la dependencia de combustibles fósiles y la contaminación causada por sus
emisiones.
Figura 1 Consumo Global anual de energía por tipo de combustible, adaptada [1].
Si el consumo de energía del mundo continua creciendo de acuerdo con las
proyecciones que se presentan en la Figura.1, el consumo de energía en 2030
sería unos 721 cuatrillones. Además, las emisiones de dióxido de carbono
aumentarían aproximadamente 45% en los próximos 20 años [2] (Figura. 2)
causando un aumento en la concentración de CO2, carbón y gas natural,
combustibles que presentan el mayor incremento en el consumo de
combustibles durante el período proyectado. Una de las causas principales del
aumento de la temperatura global se atribuye al efecto invernadero, por causa
del aumento de la concentración de CO2 en la troposfera la cual retiene una
cantidad excesiva de la radiación solar reflejada por la tierra. El continuo
crecimiento en el consumo de energía también contribuye al aumento de los
precios del petróleo debido al aumento de la demanda. La Figura. 3 muestra la
historia de precio de petróleo desde 1980 hasta 2005 y la proyección de precio
de aceite de 2005 al 2030 estimado por [3] para referencia y casos de alto
precio.
Figura 2 Proyección Global Anual de emisiones de Dióxido de Carbono, adaptado [2].
Es evidente de la figura. 3 que el precio del petróleo aumentará alrededor del
85% en los próximos 20 años si continúa creciendo la demanda conllevando al
alto precio.
Figura 3 Precios del petróleo junto con el consumo de combustible, adaptado [2].
Las proyecciones del consumo de energía y del precio de la energía están
calculadas bajo la premisa de que no hay recesión mundial y la economía
mundial seguirá creciendo. Sin embargo, si hay una recesión global las
proyecciones deban modificarse. Estas proyecciones de las emisiones,
consumo de energía y los precios del petróleo estimulan la generación de
energía alternativa con el fin de producir combustible renovable con cero
emisiones y disminuir la dependencia de combustibles fósiles y sus
consecuencias relacionadas. Si se apoya la producción de los combustibles no
convencionales se puede reducir el impacto negativo sobre el medio ambiente
y los precios del petróleo podrían mitigarse.
Los combustibles producidos a partir de biomasa, que incluyen cultivos
energéticos y una amplia gama de materiales agrícolas así como residuos
forestales, residuos municipales, industriales y animales, podrían servir como
materia prima de procesos de conversión de energía renovable incluyendo
procesos biológicos, térmicos de gasificación y de combustión directa.
La inclusión de la biomasa como materia prima en procesos de conversión
térmica no aumenta la concentración de CO2 en la atmósfera, ya que la
biomasa es un combustible de carbono neutral.
La Combustión y oxidación parcial de madera y biomasa, se han estudiado
ampliamente en las últimas décadas [4] [5]. Así como la gasificación de
biomasa con vapor, aire-vapor [7] [8], [9] [10], oxígeno puro, oxígeno puro y
vapor [11] y gasificación de carbón y residuos de mezclas son nuevas
tecnologías alrededor del mundo.
Gasificación de la biomasa con vapor, llamado reformado con vapor, es un
proceso para producir H2 con una enriquecida mezcla de CO2; Sin embargo,
este es un proceso endotérmico que requiere la entrada de calor y reduce la
eficacia de la gasificación. En contraste, la gasificación de la biomasa con aire-
vapor produce una mezcla de CO y H2 (mezclas ricas en H2) y otros
hidrocarburos que, en teoría, pueden llevarse a cabo adiabáticamente.
Figura 4 Posibles usos de gas de síntesis producida a través de la gasificación de la biomasa con vapor y aire, adaptado de [12].
El combustible gaseoso producido a partir de la gasificación de la biomasa
podría ser utilizado para la generación de energía in situ y sometido a un
proceso secundario para convertir el CO en H2 por la reacción de cambio de
gas de agua (shift Reaction), CO + H2O = CO + H2 o sometidos a catálisis o
Biocatálisis para la producción de combustibles líquidos y productos químicos
[12](Figura. 4).
El uso de desechos como materia prima renovable en procesos de conversión
térmica es importante porque hace uso de la energía potencial de residuos
para producir energía eléctrica sostenible y para producir biocombustibles para
reducir la demanda de bioenergía que puede aumentar hasta varios cientos
exajouls en el futuro [13]. Otra motivación es que aborda los problemas de
eliminación y manejo de residuos en las explotaciones agrícolas contribuyendo
así a la reducción de la contaminación del aire generada por procesos de
combustión de combustibles fósiles, cuando la energía sostenible de desechos
se utiliza para reemplazar la energía de los combustibles fósiles.
Aunque la gasificación de la madera y el carbón con aire como agente oxidante
es una tecnología ampliamente conocida de la que se puede encontrar amplia
literatura, Biomasas abundantes en nuestro país como el Cisco de café, la
cascará de arroz y el bagazo de caña han comenzado a ser estudiadas y
caracterizadas para su posterior uso como fuentes de energías alternativas
[14].
La presente investigación aborda la gasificación contracorriente adiabática de
lecho fijo para el Cisco de Café (Combustible) utilizando diferentes
combinaciones de Oxigeno-Vapor como oxidante y con extracción continua de
ceniza en el sistema de gasificación para realizar estudios en estado cuasi-
estacionario en un gasificador de pequeña escala (inferior a 10 MW) utilizando
biomasa con mínimo pre tratamiento.
La gasificación con Oxigeno-vapor como medio oxidante aumenta la
producción de H2 debido a que las reacciones de char y CO con vapor son
favorecidas. Sin embargo, es esencial estudiar el efecto de condiciones como
la relación de equivalencia (ER) y la relación vapor combustible (S:F) en la
composición de los gases, el perfil de temperatura y el poder calorífico de las
especies en el sistema ubicado en la universidad de los andes (10 KW) para
que los resultados obtenidos pueden ser útiles en la operación de instalaciones
de gasificación in situ a pequeña escala.
2. REVISIÓN DE LA LITERATURA
En esta sección se presentan antecedentes de gasificación de la biomasa y
estudios anteriores sobre la gasificación de la biomasa.
GASIFICACION
La combustión ha avanzado de tal manera que hoy día es posible la conversión
de biomasas y residuos de esta en calor para la generación de potencia debido
al aumento de la eficiencia de estos procesos y la preponderante disminución
de emisiones contaminantes de los mismos.
Una de las formas más directas de transformar biomasa en energía es
mediante los procesos de combustión la gasificación es un proceso
termoquímico que transforma la biomasa para producir gases combustibles de
densidad energética media y baja.
La gasificación de biomasa se puede dividir en tres tipos diferentes,
gasificación pirolitica, oxidación parcial y reformado, todos favorecen la
formación de los mismos productos pero en concentraciones diferentes.
La gasificación pirolitica es una descomposición térmica de la biomasa en
ausencia de otros reactivos a parte de la biomasa, la oxidación parcial utiliza
menor cantidad de oxigeno que el necesario para que se lleve acabo una
combustión completa, genera por tanto productos parcialmente oxidados. El
reformado es un proceso de gasificación en presencia de otro reactante tal
como las mezclas vapor, aire-vapor y oxigeno- vapor. La gasificación por
reformado aire-vapor y oxigeno- vapor son proceso exotérmicos por lo cual se
conducen adiabáticamente.
Figura 5 Esquema de procesos de gasificación [4].
Se requiere oxidación parcial para generar mezclas de gases combustible
(CH4, CO,CO2, H2), independientemente de la biomasa la reacción que
representa el proceso de gasificación con mezcla de aire- vapor es la siguiente:
(1)
Los dos parámetros de control del proceso que determinan la fracción molar de
los gases producidos son:
la cantidad de aire suministrado conocido como la relación de
equivalencia (ER) que se define como el número de moles de aire
estequiometrico para la combustión completa en relación a las moles
actuales de aire.
la cantidad de vapor suministrado el cual mide la cantidad de vapor que
entra al sistema como oxidante denominado relación vapor combustible
(SF).
Los resultados experimentales que se obtienen del proceso se basan en el
comportamiento de las temperaturas y la composición de los gases los cuales
se presentan en función de la relación de equivalencia (ER) y la relación vapor
combustible S:F).
2.1 Antecedentes de la gasificación
En la gasificación de la biomasa húmeda, el material combustible sufre cuatro
procesos básicos, conocidos como el secado, pirolisis, oxidación parcial y
reformado.
La figura 6 muestra un diagrama esquemático de un generador de flujo de
contador de cama fija.
Figura 6 Esquema de un gasificador de lecho fijo, adaptado de [15]
El Combustible se alimenta desde la parte superior mientras el aire- vapor
viene de la parte inferior del generador de gas. Durante el secado, la humedad
se elimina en unos 300 K, después se calienta la biomasa hasta unos 600 K.
Luego, bajo la pirolisis, se libera materia volátil (VM) y char a unos 600 K [15].
A una temperatura superior (1000 K), el alquitrán contenido en la Materia
volátil se rompe para producir otros compuestos como los hidrocarburos,
dióxido de carbono CO2, monóxido de carbono CO, hidrógeno H y vapor.
Además, el char producido en pirolisis reacciona con oxígeno y vapor, o CO2
para producir compuestos parcialmente oxidados.
El reformado es la reacción de char y vapor para producir CO + H2 y la
posterior reacción de CO con vapor para producir CO2 y H2.
Se han desarrollado muchos tipos de reactores del mundo; Sin embargo, los
más relevantes son lecho fijo, lecho fluidizado y flujo arrastrado [16] [17]. La
principal diferencia de los reactores se refiere a cómo la biomasa y el oxidante
se mueven en el reactor. La forma en que la biomasa y el oxidante se mueven
a lo largo del eje del reactor afecta el perfil temperatura, La figura 6 muestra los
tipos de reactores principales y la temperatura de perfil para la gasificación del
carbón con aire. En un gasificador de corriente ascendente de lecho fijo, la
biomasa se mueve hacia abajo y los gases se mueven hacia arriba (Figura 7),
mientras que en un gasificador de corriente descendente la biomasa y los
gases se mueven hacia abajo; como resultado, la temperatura de gases
dejando el gasificador en corriente ascendente es menor que la temperatura en
un gasificador de corriente descendente.
El perfil de temperatura en el de lecho fluidizado es casi constante y las
temperaturas de los gases a la salida son mayores que en un gasificador de
corriente ascendente.
Figura 7 Tipos de gasificadores y su perfil de temperatura, adaptado de [17]
Para aplicaciones a pequeña escala (alimentación < 10 MW) gasificadores de
lecho fijo son los más adecuados. Los de flujo Ascendente (contracorriente) de
lecho fijo son el método más antiguo e históricamente más común utilizado
para generar electricidad y calor, pero en las últimas dos décadas, reactores de
lecho fijo a gran escala han permitido que pasen al mercado industrial [18].
Gasificadores de lecho fijo de aire ascendente de pequeña escala, tienen alta
eficiencia térmica y requieren tratamiento previo mínimo de la biomasa
suministrada, razón por la cual mantienen un interés comercial, especialmente
para la generación de energía in situ [16].
Tabla 1. Resume el desempeño de los gasificadores más comunes en la
gasificación de la biomasa con aire. En un gasificador de corriente
descendente, los gases que se producen en la zona de pirolisis pasando la
región de alta temperatura donde el alquitrán (TAR) y los hidrocarburos se
rompen para producir más H2 y menos alquitrán [17]; Sin embargo, la alta
temperatura de los gases de salida del generador de gas lleva a que la
eficiencia de conversión de la energía sea baja.
Los de tipo corriente ascendente producen más CO y alquitrán y el gasificador
de lecho fluidizado produce más CH4 y menos hidrógeno.
Tabla 1 Producción de la especie típica de los gasificadores más comunes. Adaptado de [12] [17].
La figura 6 muestra los cuatro procesos básicos de gasificación de biomasa en
un gasificador de lecho fijo [19]. En la zona de secado, la biomasa se calienta
lentamente y libera H2O; Luego, la biomasa seca desciende a la zona de
pirolisis donde piroliza los sólidos para producir gases ligeros, alquitrán y char.
En la zona de reducción parte de la char producida en la zona de pirolisis
reacciona con el CO2 y el H2 producido en la zona de combustión para
producir más CO y CH4.
Por último, en la zona de oxidación, el oxígeno y el contenido de vapor del
oxidante reaccionan con el carbono fijo (char) que descienden de la zona de
reducción para producir dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO),
H2 y calor. El calor producido sube por convección y difusión a las zonas más
altas para suministrar la energía necesaria en la pirolisis y secado.
2.2 Reacciones en gasificadores
La Gasificación de la biomasa es un proceso complejo debido al número de
reacciones que ocurren y el considerable número de componentes de la
biomasa. Sin embargo, la gasificación de la biomasa con aire-vapor puede ser
modelada a nivel mundial con la reacción (1 a 8) [4] [7].
(1) Biomasa sólida + calor = VM + Char
(2) C + O2 → CO2 ,
Gasifier Type H2 CO CO2 CH4 N2 Tars (g/m3) Dust HHV (MJ/m3)
Air-Blown Updraft 11 24 9 3 53 ~50 Low 5.5
Air-Blown Downdraft 17 21 13 1 48 ~1 Medium 5.7
Air-Blown Fluized Bed 9 14 20 7 50 ~10 High 5.4
Gas QualityGaseous Products (Vol.%Dry)
(3) C + ½ O2 → CO,
(4) C + CO2 → 2CO2 ,
(5) CO + ½ O2 → CO2 ,
(6) C + H2O → CO ,
(7) CO + H2O → CO2 + H2 ,
(8) C + 2H2 → CH4 ,
Donde la entalpía de reacción indica reacción exotérmica y
indica reacción endotérmica. Las reacciones heterogéneas (2), (3) y (6) se
producen en la zona de combustión, mientras que la reacción de char con
especies que se producen en la zona de combustión (reacciones 4 y 8) se
produce en la zona de reducción. El CO producido en la zona de combustión y
zona de reducción reacciona con H2O (7) en las zonas bajas. La tasa de
velocidad de las reacciones depende principalmente de la temperatura,
presión, concentración de especies, y tamaño de. Las escalas de tiempo para
reacciones heterogéneas son mucho más grandes en comparación con las de
las reacciones homogéneas [14].
2.3 Biomasa Cisco de Café
Tras ser secado el café se somete a un nuevo proceso denominado trillado del
cual resulta el café verde, insumo para la elaboración de café tostado. Se
caracteriza por su humedad promedio de entre 10 a 12%. Del proceso anterior
de trillado se obtiene el subproducto “cascarilla de café” (Figura 8).
Figura 8 Cisco de café tomado de [20]
Colombia es el segundo mayor productor de café en el mundo, produciendo
entre el 10% y el 12% de la producción mundial. En el 2008 en Colombia se
produjo un total de 12.4 millones de sacos de café verde, de alrededor de 60 kg
por cada uno. [21]
En La tabla 2 se observa el balance másico de cada componente de la fruta de
cereza (café), incluyendo la cascarilla.
Tabla 2 Porcentaje en masa de las partes de un fruto cereza
Parte Porcentaje
Fruto Cereza 100%
Pulpa 43,60%
Mucilago 14,90%
Agua 17,10%
Cascarilla 4,20%
Bebida 5,80%
Borra 10,40%
Otros 4%
Estos Cifras nos permiten ver el potencial de conversión de energía que existe
para esta biomasa en nuestro país (Colombia).
3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo general.
Estudiar el efecto de la relación de equivalencia y Ia relación vapor combustible
en Ia producción de gases combustibles a partir de la por gasificación del cisco
de café usando mezclas de oxigeno-vapor por parcial oxidación.
3.2 Objetivos específicos
Revisión de literatura.
Preparación de la materia prima (cisco de café).
Caracterizar cisco de café usando último y próximo análisis.
Adaptación de Ia planta de gasificación a las condiciones de operación
con cisco de café.
Experimentación preliminar.
Experimentación variando la relación de equivalencia (RE) y Ia relación
de vapor combustible (S:F, Sean Fuel).
Análisis de resultados (perfiles de temperatura, composición de
gases, entre otros).
4. PLANTA DE GASIFICACIÓN
La Figura 9 muestra un esquema de la planta de gasificación de 10 kW con
todos sus accesorios.
Figura 9 Esquema de la planta de gasificación de 10 kW de la universidad de los andes con todos sus accesorios.
El equipo de gasificación consiste en:
1) un generador de vapor para producir el vapor para el proceso de
gasificación. El vapor es generado por un generador de vapor construido en un
recipiente de diámetro interno de 10 cm calentado por una potencia variable
(0.1-1.2 kW) mediante una resistencia enrollada alrededor del mismo. La tasa
de vapor generado puede controlarse cambiando la potencia suministrada a la
resistencia. El generador de vapor fue calibrado para medir la velocidad de
vapor producido en función de la potencia de entrada.
Figura 10 Vaporizador para la planta de gasificación de 10 kW de la universidad de los andes.
2) un sistema de evacuación de ceniza, para llevar acabo experimentos en
estado cuasi-estable, mediante la eliminación periódica de la misma. La
instalación dispone de un sistema de evacuación de ceniza el cual se compone
de una rejilla cónica que puede mantenerse bajo vibración continua por un
vibrador neumático de frecuencia variable. La evacuación de ceniza del lecho
puede controlarse cambiando la frecuencia de vibración del vibrador. La rejilla
también puede girarse manualmente para quitar la ceniza residual del lecho
después de cada experimento.
Figura 11 Sistema de extracción de cenizas de la planta de gasificación de 10 kW de la universidad de los andes.
3) un sistema de para la toma de muestras del gas generado para su posterior
análisis de forma continua. La instalación tiene 2 salidas situadas en la parte
superior del gasificador de allí el gas pasa a un condensador que enfría el gas
con agua helada para condensar agua y alquitrán y varios filtros para capturar
el material particulado. Después de que la muestra pasa por este proceso se
procede a su análisis en tiempo real mediante el espectrómetro de Masas. La
composición de los gases se almacena para su posterior análisis.
Figura 12 Espectrómetro de Masas para la medición de la composición de los gases.
4) un sistema de adquisición de datos para monitorear la evolución de los
perfiles de temperatura dentro del lecho del gasificador. La temperatura de la
cama se mide cada 60 segundos usando termocuplas tipo K colocadas en 8
lugares a lo largo del eje del gasificador. Los datos de temperatura se registran
en una unidad de almacenamiento masivo
Figura 13 Sistema de registro de Temperaturas en el lecho (Omega RD8800).
5) un panel de control con rotámetros para controlar los flujos de vapor y
Oxidante, y un controlador del voltaje para la resistencia ubicada en el
generador de vapor. El combustible es alimentado en la parte superior de la
instalación periódicamente, mientras que la mezcla de aire y vapor se
suministra en la parte inferior. El registro de temperaturas está montado en el
panel de control para monitorear las temperaturas del lecho.
Figura 14 Panel de control de la planta de Gasificación (Registro de temperaturas, Alimentación de Biomasa, Generador de potencia para
vaporizador).
5. EXPERIMENTACIÓN
Se realizarán experimentos en gasificación de lecho fijo de cisco de café para
estudiar el efecto de la relación entre RE y S:F en la composición de gases
resultantes y los perfiles de temperatura en el lecho. Los experimentos de
gasificación se realizaron en los siguientes casos:
Combustible: Cascarilla de café 600 g/hr
Altura del lecho: 16 cm
Flujo de Oxigeno: 4-14 SFCH (aca unidades métricas)
Caudal de vapor entre: 0-309,6 g/hr
Relación de equivalencia (ER) entre 1.59 - 6,36
Relación vapor-combustible (S:F) entre 0.34 - 0.72
5.1 Procedimiento experimental
Un experimento típico comienza precalentando la parrilla del Gasificador con
un soplete de propano y se deja allí hasta que alcance una temperatura
superior a los 1000K por aproximadamente 1 hora, luego se apagó el soplete
se cierra el gasificador completamente y se adiciona biomasa de forma
continua hasta que esta alcance la altura del lecho 16 cm, posteriormente se
ajustan los flujos de oxidante y vapor se a las condiciones experimentales
deseadas. Por los procesos termoquímicos que ocurren dentro del gasificador
la altura del lecho va disminuyendo y se acumula ceniza. Por lo tanto, se añade
biomasa cada 10 minutos y según sea necesario de acuerdo al
comportamiento del perfil de temperatura. La ceniza se extrae periódicamente
con un vibrador en la parte inferior de la parrilla para mantener la temperatura
máxima en el mismo punto.
Cuando se logra mantener las temperaturas en estado cuasi-estacionario,
aproximadamente en 1 hora desde el inicio del proceso, se enciende la unidad
para toma de muestras y se realiza el análisis de gas mediante el
espectrómetro de masas (EM) durante 20 minutos. Las muestras se toman de
la parte superior Gasificador y pasan a través del condensador para filtrar la tar
de los gases y evitar posibles daños en el (EM). Las temperaturas se
monitorean constantemente por las 8 termocuplas ubicadas a lo largo del eje
del equipo.
Se analizan los datos experimentales y los perfiles de temperatura resultante,
temperaturas de pico, composición de los gases, y se calcula el HHV que
luego se presentan como función de la RE y S:F.
El EM debe ser calibrado cada 72 horas para evitar errores en la medición,
después de la calibración, se analizan mezclas con composiciones de gas
conocidas con el fin de verificar la exactitud de la calibración.
5.2 Calibración del generador de vapor
El generador de vapor fue calibrado para asegurar el flujo de vapor
suministrado para el generador de gas. En esta sección se presentan las
curvas de calibración. La figura 15 muestra la tasa de agua evaporada por el
generador de vapor vs. El porcentaje de energía suministrada a la resistencia
que rodea el recipiente del generador de vapor. Durante la experimentación el
nivel de agua se mantiene constante para asegurar que la tasa de vapor
dejando el generador de vapor, corresponde a la tasa de entrada de agua. La
tasa de entrada agua al generador de vapor se controlada mediante un
rotámetro, mientras que la potencia suministrada a la resistencia se controla
mediante un regulador de la energía. La operación de estado estacionario del
vaporizador se debe verificar antes de cada experimento con el fin de asegurar
un flujo de vapor constante a la entrada del gasificador.
Figura 15 Energía suministrada en el generador de vapor vs caudal de Agua requerido.
2,5
3
3,5
4
4,5
5
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Co
rrie
nte
Elé
ctri
a [A
]
Caudal de Agua [cm3/min]
5.3 Calibración del Espectrómetro de Masa.
Es un equipo capaz de detectar concentraciones molares de H2, CO, O2,CH4,
N2, O2 y C2H6 en procesos de generación de syngas. Es un instrumento muy
importante para cotejar los resultados de simulaciones de gasificación de
biomasa contra la experimentación.
Para la calibración se usan probetas de cada uno de los gases mencionados
anteriormente a concentraciones conocidas, y se lleva a cabo un proceso
descrito por el fabricante el cual asegura una menor incertidumbre en la toma
de los datos. En la Figura 11 se muestro el espectrómetro de gases.
6. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE GASIFICACIÓN
6.1 Caracterización del Combustible (cisco de Café)
Antes de presentar los resultados experimentales, se presentan las
propiedades de la biomasa que se utilizo en esta investigación. El cisco fue
adquirido en una de las trilladoras de la ciudad de Bogotá-Colombia.
Caracterización de combustible
Este subproducto del café puede obtenerse en los molinos cafeteros del País
donde hagan Ia separación del mismo. Se caracterizo mediante los Análisis
Último o Elemental con al cual se puede determinar el contenido de Carbón,
Hidrógeno y Nitrógeno de la muestra (Biomasa); y el Análisis Próximo que
permite conocer la humedad residual, el % de ceniza, materia volátil, carbono
fijo, y el poder calorífico superior. Estos Análisis fueron Realizados por los
laboratorios de la Universidad del valle, y los resultados se muestran en la
Tabla 3. [22]
Tabla 3 Resultados Análisis Próximo, Ultimo y HHV del Cisco de café realizados por la universidad del valle.
Humedad en % (m/m) 9,89
Cenizas en % (m/m) 1,31
Materia Volátil en% (m/m) 88,83
Carbón Fijo en % (m/m) 0,62
Azufre como S en % (m/m) 0,29
Poder Calorífico (HHV) en
KJ/Kg 18740,12
Nitrógeno como N en %
(m/m) 0,78
Carbono como C en %
(m/m) 44,52
Hidrogeno como H en %
(m/m) 6,03
Como parte de la Caracterización y preparación de la biomasa se realiza la
prueba de tamizado para determinar el tamaño de partícula de la muestra de
cisco de café obteniendo los siguientes resultados
Tabla 4 Resultados tamizado para determinación de tamaño de partícula de la biomasa.
Rangos tamaño de
Partícula % de masa de la muestra
[6,7 ; ∞) [mm] 0,02
[5,6 ; 6,7) [mm] 0,08
[4 ; 5,6) [mm] 2,33
[2,8 ; 4) [mm] 19,33
[2 ; 2,8) [mm] 20,60
[1,7 ; 2) [mm] 9,94
[1 ; 1,7) [mm] 20,54
[500 ; 1000,) [µm] 14,01
[0;500) [µm] 13,15
6.2 Las condiciones del Experimento
Las condiciones experimentales se resumen en la tabla 5. Los flujos de agua y
vapor fueron variados con el fin de establecer la ER y S:F las condiciones de
funcionamiento deseadas.
Tabla 5 Condiciones Experimentales para combustible Cisco de Café ( Todas la tablas en formato office. Adicione en esta gráfica los flujos de
vapor (unidades métricas)
RE S:F
(radio de Equivalencia) (Relacion de Vapor Combustible)
0,38
14 1,60 0,59
0,72
0,38
11 2,02 0,59
0,72
0,38
9 2,47 0,59
0,72
0,38
7 3,18 0,59
0,72
0,38
6 3,71 0,59
0,72
0,38
5 4,46 0,59
0,72
0,38
4 5,56 0,59
0,72
Flujo de Oxigeno (SFCH)
Condiciones experimentales para Biomasa Cisco de Café
Formula Empírica: CH
1,61O
0,63N
0,02S
0,002
Se midieron las temperaturas con termocuplas tipo K y se almacenaron en el
sistema de registro de temperaturas (figura 13). Las tasas de flujos de aire
fueron controladas mediante rotámetros. El caudal de vapor fue controlado
mediante el control del flujo de agua y la energía de entrada al generador de
vapor (figura 14) y manteniendo el nivel de constante de agua durante la
experimentación. Menciono tanto el generado de vapor como el espectrómetro
de masas fueron calibrados para disminuir la incertidumbre en los resultados.
6.3 Análisis de incertidumbre
Los gases se analizaron en tiempo real mediante el espectrómetro de masas
para estimar la incertidumbre en la composición del gases se realizo un análisis
de desviación estándar a los datos. La incertidumbre para cada gas se calcula
como el cociente entre la desviación estándar y la medida del valor medio.
Además la incertidumbre de las temperaturas se calcula como el cociente entre
la incertidumbre del dispositivo (+-1.5 ° C) y el valor medido. Como se muestra
en la tabla 6 y 7.
Tabla 6 Incertidumbre de los gases %
Incertidumbre de los Gases %
CO CO2 CH4 H2
Max 47,65 31,74 5,73 38,47
Min 21,68 19,86 3,60 26,30
Promedio 34,31 25,51 4,62 32,71
Desviación Estándar
(en base a que datos) 14,47 7,85 1,49 10,29
Incertidumbre 0,42 0,31 0,32 0,31
Tabla 7 Incertidumbre de las temperaturas %
Incertidumbre % Temperaturas a lo Largo del eje
Max Min Promedio
2 cm arriba de la parrilla 0,0018 0,0026 0,0021
4 cm arriba de la parrilla 0,0015 0,0023 0,0018
6 cm arriba de la parrilla 0,0019 0,0028 0,0023
8 cm arriba de la parrilla 0,0021 0,0031 0,0026
10 cm arriba de la parrilla 0,0025 0,0050 0,0031
12 cm arriba de la parrilla 0,0027 0,0078 0,0042
14 cm arriba de la parrilla 0,0034 0,0113 0,0051
16 cm arriba de la parrilla 0,0039 0,0150 0,0060
Como se puede observar en la tabla 7 la incertidumbre de la temperatura es
menor que la de los gases, la mayor incertidumbre se presenta a mayor
distancia de la parrilla (16 cm).
6.4 Temperatura
A continuación se muestra la evolución de las temperaturas axiales a
diferentes RE y S:F durante un experimento típico después que la temperatura
máxima alcanza el estado cuasi-estable (aproximadamente 2 horas).
Posteriormente se inició el análisis del gas, la temperatura se empieza a
registrar en el sistema Omega (figura12) durante 20 minutos, se observan las
curvas en la Figura 16.
Figura 16 Perfiles de Temperatura en el reactor para diversas RE y S:F 0,38
Figura 17 Perfiles de Temperatura en el reactor para diversas RE y S:F 0,59
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
2 4 6 8 10 12 14 16
Tem
pe
ratu
ra (
C )
Distancia del Lecho (cm)
Perfiles de Temperatura Reactor SF 0,38
RE 1,6
RE 2
RE 2,5
RE 3,2
RE 3,7
RE 4,5
RE 5,6
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
2 4 6 8 10 12 14 16
Tem
pe
ratu
ra (
C )
Distancia del Lecho (cm)
Temperatura vs Distancia del lecho SF 0,59
RE 1,6
RE 2
RE 2,5
RE 3,2
RE 3,7
RE 4,5
RE 5,6
Figura 18 Perfiles de Temperatura en el reactor para diversas RE y S:F 0,72
Aunque la temperatura se mide en 8 lugares a lo largo gasificador los puntos se
conectan para presentar la tendencia de la temperatura. No siempre la
conexión de estas medidas muestra el perfil de temperatura, ya que puede
haber un pico entre los dos puntos consecutivos diferente a los mostrados en la
figura.
La zona de oxidación (oxidación heterogénea) se produce cerca de la parte
inferior de la cama donde principalmente char reacciona con el oxígeno, el
oxidante fuente para producir el calor necesario para conducir el proceso de
gasificación, debido a que bajo condiciones de gasificación, oxidación de char
es casi difusión controlada, la tasa de oxidación de char depende de la
disponibilidad de O2 en la corriente libre. Así, si la corriente libre se agota
severamente en O2, se reduce la tasa de oxidación de char con O2 y las
reacciones endotérmicas de char con vapor y CO2 podrían ser significativas
[5]. Por lo tanto, la temperatura en la zona de combustión (temperatura
máxima) depende de la concentración de O2, H2O y CO2 en la zona de
combustión. Por encima de la zona de combustión donde se dan la reducción,
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0
2 4 6 8 10 12 14 16
Tem
pe
ratu
ra (
C )
Distancia del Lecho (cm)
Temperatura vs Distancia del lecho SF 0,72
RE 1,6
RE 2
RE 2,5
RE 3,2
RE 3,7
RE 4,5
RE 5,6
y pirolisis así como las zonas secas, la temperatura disminuye porque la
mayoría de las reacciones que se producen allí son endotérmicas.
Por debajo de la temperatura máxima, el lecho está dominado por la presencia
de ceniza. De igual forma si la tasa de disminución de la masa de oxígeno con
la distancia es muy alta, la zona de oxidación será menor [23].
En las figuras 16,17 y 18 se puede observar como disminuye la temperatura a
medida que se aumenta la relación vapor combustible ya que la reacción
CO+H2O favorece la formación de CO2 y H2.
La tendencia general de los perfiles de temperatura entre S:F 0.38 - 0.72 así
como ER 1,6 - 5,56 muestran que la temperatura máxima en la zona de
combustión (Oxidación) disminuye con mayor RE y las ubicaciones de
temperatura máxima se encuentran en algún lugar entre 4 y 6 cm por encima
de la parrilla.
6.4 Composición de los Gases
Los resultados sobre la composición del gas se presentan para la gasificación
del cisco de café con mezclas de oxigeno-vapor con las condiciones operativas
presentadas anteriormente en la Tabla 5.
Se utilizo un Espectrómetro de Masa de marca (Wuham Cubic Electronics)
para analizar la composición de los gases, el cual simplemente hay que dejar
auto calibrar al encenderse lo cual toma 700 segundos luego se coloca en
modo Sample (muestras) y se toma la medición como se describe a
continuación; Las muestras de gas se tomaron de la parte superior del
gasificador y se pasaron a través de un condensador para condensar el
alquitrán (Tar) con el fin de proteger el espectrómetro de masas. Los gases
analizados son el Monóxido de Carbono CO, Dióxido de carbono CO2,
hidrógeno (H2), Metano CH4 y oxígeno (O2).
El análisis de gas comienza tan pronto la temperatura en la zona de
combustión haya alcanzado el estado cuasi-estable (pico de T en el mismo
lugar durante el experimento) y la composición del gas se controló
continuamente durante 10 minutos con el fin de disminuir la incertidumbre en
los resultados.
El análisis de los gases no indicó la presencia de O2 en los productos
obtenidos en el conjunto de experimentos, por lo que el % O2 no será
discutido
La Variación de la composición de los gases en Fracción molar (base seca) del
H2, CO2, CO y CH4 a partir del cisco de café a diferentes ER y S:F: se
mostrara desde la Figura 19 hasta la Figura 24 y se presentarán como función
de los parámetros ya mencionados.
Figura 19 Fracción molar de Gases en base Seca para S:F 0,38 y varias RE
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Frac
ció
n M
ola
r (%
) B
ase
Se
ca
ER
Fraccion Molar vs. ER Para SF 0,38
CO
CO2
CH4
H
Figura 20 Fracción molar de Gases en base Seca para S:F 0,59 y varias RE
Figura 21 Fracción molar de Gases en base Seca para S:F 0,72 y varias RE
De la figura 19, 20 y 21 se puede observar que manteniendo constante el
parámetro S: F, mientras se aumenta la RE la presencia de O2 suministrado
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Frac
cio
n M
ola
r (%
) B
ase
Se
ca
ER
Fraccion Molar vs ER Para SF 0,59
CO2
CO
CH4
H
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Frac
cio
n M
ola
r (%
) B
ase
Se
ca
ER
Fraccion Molar vs RE para SF 0,72
H2
CO
CO2
CH4
disminuye lo que a su vez disminuye la temperatura pico en la zona de
combustión, de tal forma que la temperatura se baja, y la termodinámica
favorece la reacción C + O2 para producir CO2. El aumento de CO2 disminuye
las temperaturas de combustión pues la relación de CO a CO2 es función de la
temperatura. Cuando el CO2 se libera, el CO disminuye y el CO2 aumenta el
aporte de calor debido a la oxidación, más producción de CO2 implica un
consumo de O2 a través de más CO2 que a través de CO y por lo tanto menos
CO se formara [29].
Además, en constante S:F, el aumento de ER implica disminución del
suministro de oxidante (Oxigeno), entonces, la tasa de H2 y CO producido por
la reacción heterogénea de char con H2O se vuelve importante cuando la
reacción se produce a bajos niveles de O2. Por otro lado, las concentraciones
de CH4 son menores en comparación con las de otros gases y no fueron
afectados por el cambio en la RE [6][22].
Se puede observar que la tendencia de las curvas de H2 y CO sugiere que a
rangos de RE entre 3,2 y 4,5 se favorece la reacción CO+H2O para producir
H2+CO2.
Figura 22 Fracción molar de H2 en base Seca para varios S:F a diferentes RE
20
25
30
35
40
45
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Frac
cio
n M
ola
r (%
)
RE
Fracción Molar H2 para varios SF a diferentes RE
0,8 SF
0,6 SF
0,4 SF
Figura 23 Fracción molar de CO2 en base Seca para varios S:F a diferentes RE
Figura 24 Fracción molar de CO en base Seca para varios S:F a diferentes RE
También el efecto de la RE constantes sobre las concentraciones de H2 a S:F
mas altos significa mas vapor disponible que reacciona con char para producir
CO y H2 en la zona de Oxidación, el CO producido por el vapor posteriormente
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Frac
cio
n M
ola
r (%
) B
ase
Se
ca
RE
Fraccion Molar CO2 Para Varios SF a diferentes RE
0,4 SF
0,6 SF
0,8 SF
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Frac
cio
n M
ola
r (%
) B
ase
Se
ca
ER
Fraccion Molar CO vs RE para varios SF
0,4 SF
0,6 SF
0,8 SF
reacciona en la zona de reducción para producir más H2 y CO2 (shift reaction)
como se muestra en la Figura 22,23,24 [27].
La fracción molar de CO2 presentada en la figura 22 como función de RE y
diferentes S:F como se discutió debido a que mayor RE significa menos
oxigeno la char reacciona con el oxidante en un ambiente rico en H2O y se ve
favorecida la reacción C+H2O para formar CO2+H2 , lo que hace que el vapor
remanente de la combustión reaccione en las regiones bajas con CO para
producir CO2 y H2, es decir la RE afecta la producción de CO2 mas que la
relación S:F.[5]
6.5 HHV de las Mezclas de Gas
La densidad de energía o HHV de los productos a la salida del gasificador se
puede calcular como [23]:
HHVgases= Xi * HHVi
Donde Xi y HHVi son las fracciones molares y HHV (KJ/m3) en base seca de los
gases que salen del reactor. De esta forma se calculan y los resultados y se
muestran en la tabla 8.
Tabla 8 Densidad de Energía (HHV) de los gases producto de la gasificación con Cisco de Café
Para las condiciones de operación los gases mostraron un rango de 14373,5 a
16105,6 a diversas RE y diferentes S:F.
Si midio Char en cada experimento puede Hacer un balance de átomos para
determinar, la formula empírica de la Tar (CcHhNnOo) y calcular la energía de
conversión eficiencia. En el balance le resultan 7 ecuaciones con 7 incógnitas.
El lado izquierdo las incógnitas son: Moles de biomasa, moles de O2 y moles
de H2O. Del lado derecho tiene conocidas moles de (CH4, CO2, CO, H2 y C,
Base seca) y desconocidas moles de Tar (CcOoNnHh) y moles de char. En
total desconoce tres del lado izquierdo y cuatro del lado derecho: total 87
desconocidas. Y tiene 7 ecuaciones:
CO CH4 H HHV Syngas
600319,5 791131,0 45896,4 14373,5
573232,7 836543,4 47171,3 14569,5
555468,7 876856,8 48446,2 14807,7
529137,8 916214,2 49721,1 14950,7
514019,6 956049,6 51148,0 15212,2
498901,4 995885,0 52270,9 15470,6
476224,1 1035720,4 53545,8 15654,9
CO CH4 H HHV Syngas
481011,5 901076,7 53673,3 14357,6
464759,4 937725,3 54310,7 14568,0
446365,6 979950,8 54948,2 14812,6
425578,0 1030541,8 55458,2 15115,8
407436,1 1075157,4 58517,9 15411,1
395341,6 1105830,7 59537,8 15607,1
375183,9 1139690,8 66804,8 15816,8
CO CH4 H HHV Syngas
377955,6 1031338,5 65657,4 14749,5
358427,9 1044085,8 66422,3 14689,4
344821,5 1053646,3 67442,2 14659,1
338522,2 1081531,1 68462,1 14885,2
327309,5 1130927,0 72414,3 15306,5
314459,1 1152438,1 72796,8 15396,9
273135,9 1264375,6 73051,8 16105,6
HHV(KJ/m3) S:F 0,38
HHV(KJ/m3) S:F 0,59
HHV(KJ/m3) S:F 0,72
Relación de moles de oxigeno a moles de valor
ER
S:F
4 ecuaciones de balance de átomos
7. CONCLUSIONES
Los resultados mostraron que bajo mezclas deficientes se producen mezclas
pobres de hidrógeno, mientras que las mezclas con mayor relación de vapor
aumentan la producción de hidrógeno, así como la mejora del poder calorífico
superior de las especies.
Al variar el parámetro S:F en aumento se observa una mejora en el poder
calorífico Superior de los productos haciendo mas presencia en porcentaje el
CH4 metano y el H2 Hidrogeno .También es un factor preponderante en la
reducción de los picos de temperatura debido a que hay mayor cantidad de
vapor y las temperaturas disminuyen y afectan la producción de H2 ,CH4 y
CO.
El perfil de temperatura del lecho a lo largo del eje gasificador mostró un pico
en la región de combustión donde reacciona el carbón con el oxidante
suministrado. El pico de temperatura se encuentra entre 4 y 6 cm por encima
de la rejilla y depende de la concentración de O2, H2O, y CO, en la zona de
combustión. Por encima de la zona de combustión en la reducción, pirolisis, y
zonas secas, la temperatura disminuye porque la mayoría reacciones que
ocurren son endotérmicas.
El incremento de los parámetros RE y S:F disminuyen la temperatura pico.
Operar el equipo a ER mayores a 5,56 puede conducir a temperaturas más
bajas que las requeridas para la combustión de la char y el proceso se
convierten en pirolisis. Las temperaturas pico oscilaron entre 650º C y 979 ºC,
es evidente que mezclas ricas de H2 pueden ser producido por gasificación
adiabático de Cisco de Café usando mezclas de Oxigeno-vapor como agente
oxidante.
En ningún momento se deben descuidar los parámetros de experimentación SF
y ER ya que estos son muy susceptibles a cambio, así como el control de
cenizas, esta vigilancia siempre debe estar soportada en el perfil de
temperaturas, sin embargo es conocido que a ER más bajos las temperaturas
del reactor serán mayores y se generaran menor cantidad de gases como
producto de la gasificación.
El aumento de RE y S:F tienden a producir mezclas ricas en H2 y CO2 pero
mezclas pobres de CO. En general, el efecto de la RE y S: F en la producción
de CH4 es muy poco apreciable.
El efecto de la relación S:F con respecto al HHV de los gases es más
importante que la de la RE, sin embargo el aumento de RE produce gases con
alto poder calorífico neto.
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