Gasificación - Lesmes Corredor

SISTEMAS DE COGENERACIÓN DE BAJA POTENCIA ACCIONADOS CON
GASIFICADORES DE BIOMASA
Lesmes Corredor M, David H. Pino
Grupo Uso Racional de la Energía y Medio Ambiente
Universidad del Norte (Barranquilla-Colombia)
1.0 DECRIPCION GENERAL DE LA GASIFICACIÓN POR BIOMASA
1.1 Introducción
La gasificación de biomasa para el funcionamiento de motores de combustión interna
data de más de un siglo de existencia. El interés por esta tecnología ha presentado una
serie de altibajos que en general están muy ligados al costo y disponibilidad de los
combustibles fósiles. Su interés alcanzó un máximo durante la segunda guerra mundial,
cuando se emplearon gasificadores en el funcionamiento de vehículos con combustibles
sólidos en lugar de gasolina. Posterior a este período la gasificación llegó a ser una
tecnología casi olvidada. Fue hasta mediados de la década de los setenta, debido a la
crisis de combustibles de los años 1973 y 1979, cuando se despertó nuevamente el
interés por la tecnología. Desde esta época son numerosos los esfuerzos realizados a
nivel global en el desarrollo de proyectos con el fin de afianzar y aprovechar esta
tecnología.
Una de las principales ventajas de la gasificación de biomasa como fuente alterna de
energía es la posibilidad de usar combustibles disponibles localmente como carbón,
madera y residuos agrícolas, en lugar de los combustibles derivados del petróleo. Por
otra parte, la gasificación tiene un impacto favorable sobre el medio ambiente gracias al
bajo nivel de emisiones al aire, y también por la posibilidad de disponer eficientemente
de desechos agrícolas que comúnmente son incinerados al aire libre o arrojados a ríos,
contribuyendo al aumento del efecto invernadero, la muerte de peces y en general al
deterioro del ecosistema.
La gasificación puede ser usada para generar energía mecánica, térmica o eléctrica,
además de vapor, hidrogeno y químicos o combustibles. El producto principal de la
gasificación es un gas sintético que puede ser usado en aplicaciones térmicas o como
combustible en motores de combustión interna o turbinas.
1.2 Generalidades
1.2.1. Proceso de gasificación
La gasificación, también denominada combustión incompleta, es el proceso de
transformación termoquímica de cualquier materia sólida de origen orgánico en una
mezcla de gases compuesta principalmente por hidrógeno y monóxido de carbono. El
proceso tiene lugar en un reactor sellado con suministro restringido de aire y presión
aproximada a la atmosférica. El gas obtenido recibe el nombre de gas manufacturado o
sintético (también se le llama gas pobre por su bajo poder calorífico)
El proceso puede ser dividido en tres fases [14]. La primera de ellas es un proceso de
pirólisis, en el cual por acción del calor y en ausencia de oxigeno la biomasa es
convertida en carbón y una mezcla de componentes volátiles como metanol, vapor,
ácidos acéticos, y alquitrán. En la segunda fase tiene lugar una reacción exotérmica
donde parte del carbono presente es oxidado a dióxido de carbono. En la fase final,
parte del dióxido de carbono, los compuestos volátiles y el vapor son reducidos a
monóxido de carbono, hidrogeno y metano. Cuando se emplea carbón de leña el
proceso se limita a dos fases, y la cantidad de alquitrán producida se reduce.
SECADO (150ºC)
Biomasa Húmeda → Biomasa + H2O
biomasa →
CH4
Alquitrán
OXIDACION (700-2000ºC)
C + O2 → CO2
4H + O2 → 2H2O
CnHm + aO2 → bCO2 + cH2O
REDUCCION (800-1100ºC)
C + CO2 → 2CO
C + H2O → CO + H2
CnHm + aH2O → bCO + c H2
CnHm + aCO2 → bCO + c H2
Figura 1. Etapas del Proceso de Gasificación
CO2
H2O
CO
H2
MANUFACTURADO
CALOR
gases volátiles + carbón
GAS
PIROLISIS (150-700ºC)
H2O
Composición del gas: el gas manufacturado es una mezcla de gases combustibles
(aproximadamente 40%) y gases no combustibles. La composición exacta del gas
depende del tipo de combustible utilizado (biomasa) y las condiciones de operación. La
figura 2 muestra la composición típica del gas.
MONOXIDO
CARBONICO
15-30%
METANO
2-4%
HIDROGENO
10-20%
GAS POBRE
BIOXIDO
CARBONICO
5-15%
AGUA
6-8%
NITROGENO
45-60%
Figura 2. Composición del gas manufacturado
El monóxido de carbono en el gas manufacturado varia entre 15 y 30% en volumen; a
pesar de poseer un alto número octano (106) su velocidad de ignición es baja. Este gas
es tóxico, por lo cual se deben tener precauciones al trabajar con gas manufacturado. El
metano y el hidrógeno son los gases que más aportan al poder calorífico del gas pobre.
El hidrógeno tiene un número octano entre 60 y 66, incrementa la capacidad de ignición
del gas manufacturado y su cantidad varia entre 10 y 20%. En tanto que la cantidad de
metano en el gas es escasa (máximo 4%). El dióxido de carbono (5-15%), que indica
reducción incompleta, y el nitrógeno (45-60%), producto del aire, son componentes no
combustibles en el gas manufacturado. Además, es común encontrar vapor de agua en el
gas manufacturado como producto del contenido de humedad del aire introducido en el
proceso o del contenido de humedad en la biomasa.
El poder calorífico del gas manufacturado varia entre 4.5 y 6 MJ/m3 dependiendo de su
composición (gas natural de la guajira 37 MJ/m3).
Tabla 1. Requerimientos del combustible para su uso en motores
VALOR CALORIFICO DEL GAS ( KJ / Nm3)
CONTENIDO DE POLVOS (mg / Nm3)
TAMAÑO DE PARTICULA SOLIDA (µm)
CONTENIDO DE ALQUITRAN (mg/Nm3)
ACIDO HIDROCLORIDRICO (ppm)
ACIDO ACETICO (ppm)
MIN 4200
MAX 50
MAX 10
MAX 500
MAX 50
MAX 500
10.2.2. Tipos de gasificadores
Los gasificadores se clasifican según su configuración en de corriente ascendente o tiro
directo, de corriente descendente o tiro indirecto, de tiro transversal y de lecho
fluidizado.
ƒ
Gasificadores de tiro directo: es el tipo de gasificador más antiguo y sencillo. La
toma de aire se localiza en el fondo y los gases salen por arriba. Cerca del fondo tienen
lugar las reacciones de combustión, seguidas por las reacciones de reducción, algo más
arriba. En la parte superior del gasificador tiene lugar el calentamiento y pirólisis de la
carga, como resultado de la transferencia de calor por convección forzada y radiación en
las zonas inferiores.
ƒ
Gasificadores de tiro indirecto: en este tipo de gasificadores el aire se introduce en
la zona de oxidación o por encima de ésta, y el gas manufacturado sale por el fondo, de
modo que el combustible y el gas se mueven en la misma dirección. Los productos
ácidos y alquitranes deben pasar a través de un lecho incandescente de carbón vegetal,
transformándose en gases permanentes de hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de
carbono y metano.
Figura 3. Tipos de gasificadores: a) de tiro directo, b) de tiro indirecto, c) de lecho
fluidizado
ƒ
Gasificadores de lecho fuidizado: este sistema pretende eliminar las dificultades
presentes
en los gasificadores de tiro directo e invertido, tales como la falta de tiro en el depósito,
la formación de escoria y la excesiva caída de presión. En este sistema se sopla aire a
través de un lecho de partículas sólidas a velocidad suficiente para mantenerlas en
estado de suspensión. Se comienza por calentar externamente el lecho y el material de
alimentación se introduce tan pronto como se alcanza una temperatura suficientemente
elevada. Las partículas del combustible se introducen por el fondo del reactor, se
mezclan muy rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente
alcanzando la temperatura del lecho. Como resultado de este tratamiento, el combustible
se piroliza muy rápidamente, dando como resultado una mezcla de componentes, con
una cantidad relativamente elevada de materiales gaseosos. En la fase de gas, se
produce una nueva gasificación y reacciones de transformación de los alquitranes. Con
el fin de reducir al mínimo el escape de alquitrán por soplado, estos sistemas se suelen
equipar con un ciclón interno.
TAMAÑO MATERIAL (mm)
CONTENIDO DE CENIZA (% peso)
TEMPERATURA DE OPERACIÓN (ºC)
CONTENIDO DE ALQUITRAN (g/Nm3)
SENSIBLE A CAMBIOS DE CARGA
CAPACIDAD (MWth)
VALOR CALORIFICO DEL GAS (MJ/Nm3)
TIRO
INVERTIDO
20 - 100
max 6
700
0,015 - 0,5
SI
max 2,5
4,5 - 5
TIRO
DIRECTO
5 - 100
max 25
200 - 400
30 - 150
NO
max 2,5
5-6
LECHO
FLUIDIZADO
0 - 20
max 25
750 - 950
5
SI
1 - 50
4,5
Tabla 2. Características de los tipos de gasificadores
10.2.3. Aplicaciones
Estas pueden ser clasificadas en tres categorías: producción de gas combustible,
producción de energía mecánica o eléctrica en instalaciones fijas, y aplicaciones
móviles. La mayoría de los gasificadores que funcionan actualmente son usados para la
producción de calor debido a sus menores exigencias en cuanto al valor calorífico del
gas, menor contenido de alquitrán, y además, por ser considerado una fuente limpia apta
para procesos de secado y aplicaciones en las que se usen calderas y/o hornos.
Los gasificadores acoplados a motores fijos o turbinas a gas ofrecen la posibilidad de
producir energía mecánica o eléctrica en un amplio rango que comprende desde unos
pocos kW hasta algunos MW. Cuando se usan motores de combustión interna el rango
de potencia generada comprende desde aplicaciones en microescala (1-7 kW) hasta
aplicaciones en mediana escala (30-500 kW).
Otra alternativa en el uso de la gasificación son las aplicaciones móviles, en estas se
emplean gasificadores, generalmente de madera o carbón vegetal, para accionar
automóviles, camiones, trenes, y embarcaciones. En esta área existen dificultades
adicionales en comparación con las instalaciones fijas, como sobre peso del equipo,
regulación de la carga y pérdida de potencia en el motor, entre otras.
10.3. PANORAMA DE LA GASIFICACIÓN EN COLOMBIA
La gasificación de biomasa es una tecnología muy poco conocida en Colombia; sin
embargo, hay gran disponibilidad de materia prima apta para ser gasificada; la lista
incluye cascarilla y residuos de arroz, desechos de los cultivos de maíz, cáscaras de
coco y desechos de otros cereales. En el caso del arroz, por ejemplo, se produjeron
alrededor de 2.000.000 de toneladas en desechos agrícolas en el año 2001.
Considerando que la gasificación es una tecnología eficiente (75%) en cuanto a la
conversión de material sólido en combustible gaseoso- produce entre 10 y 14 MJ a
partir de cada kilogramo de biomasa- estos desechos del arroz representan un gran
potencial energético, aproximadamente 20x1012 kJ; cifra comparable con los 98.5x1012
kJ generados a partir de la leña y los 81x1012 kJ a partir del bagazo en el año 2001,
sobre todo teniendo en cuenta que solo se han considerado los desechos del arroz.
Además, la gasificación es una tecnología que podría reemplazar los tradicionales
métodos de combustión de la leña, generando energía de forma limpia y eficiente.
Por otra parte existe una necesidad permanente necesidad de autogeneración en la zonas
rurales no interconectadas, cuya extensión supera 750.000 km2 (65% del territorio
nacional) y su población 1.500.000 habitantes. Actualmente, las fuentes de
abastecimiento energético en esta zonas, básicamente, son la energía eléctrica, kerosene,
leña, GLP, carbón, gasolina, entre otros. El suministro de energía eléctrica esta sujeto,
principalmente, a plantas electrogeneradoras alimentadas con combustible diesel. La
capacidad nominal total de estos equipos alcanza los 120 MW, sin embargo, los
problemas técnicos y financieros han causado un servicio deficiente e incentivado la
búsqueda de nuevas alternativas de generación.
TEMA 11. CARACTERIZACION DEL GAS MANUFACTURADO
Los gases manufacturados tienen una composición general a base de metano, bióxido de
carbono, monóxido de carbono, hidrógeno y nitrógeno. Para los cálculos presentados
posteriormente son de interés las propiedades ilustradas en la tabla 3.
Tabla 3. Propiedades de los compuestos gaseosos
densidad*
FORMULA
Peso
LHV
LHV
kg/m3
MOLECULAR Molecular
(MJ/kg)
(MJ/Nm3)
CH4
Metano
16,03
50,04
35,86
0,7167
Monoxido Carbono
CO
28
10,11
12,64
1,2501
H2
Hidrogeno
2,016
120,01
10,78
0,0898
N2
Nitrogeno
28,02
0
0
1,2507
CO2
Bioxido carbono
44
0
0
1,9768
O2
Oxigeno
32
0
0
1,4289
*densidad a 1 atm y 273 K, Fuente: “Manual del Ingeniero Químico”, 6ta ed., R. H. Perry and
D. Green, eds., Mc Graw-Hill, México D.F., 1992.
COMPUESTO
El metano puro es utilizado como referencia entre los combustibles gaseosos para
establecer una comparación entre sus propiedades.
La reacción de combustión estequiométrica para el metano esta dada por la siguiente
expresión:
CH4 + 2 (O2 + 3.76 N2) → CO2 + 2 H2O + 7.52 N2
A partir de esta ecuación se puede determinar la relación aire combustible para el
metano:
AF =
2kmol (2 ×16kg / kmol + 7.52 × 14kg / kmol ) 274.56kg
kg.air
=
= 17.16
1kmol (16kg / kmol )
16kg
kg.comb
La temperatura de llama adiabática se puede determinar mediante un análisis de primera
ley de la termodinámica. Considerando nulo el trabajo, la transferencia de calor, y las
energías cinéticas y potencial en el sistema la primera ley se reduce a:
∑ N (∆h
i
Pr od
0
f 298
+ hT − h298 ) i =
∑ N (∆h
i
Re act
0
f 298
+ hT − h298 ) i
(1)
El primer miembro de la expresión hace referencia a los productos de la combustión,
mientras el segundo se refiere a los reactivos (combustible y aire).
∆h 0f 298 : Entalpía de formación del compuesto a 298 K.
hT : Entalpía a una determinada temperatura. Para los reactivos es 298 K, y para los
productos es la temperatura de llama adiabática.
h298 : Entalpía a 298 K (temperatura de referencia, Tref).
N i , n : Numero de moles.
Como parámetro de comparación también se incluirá el biogás. Este es un gas de bajo
rango obtenido a partir de la digestión anaeróbica de materia orgánica por bacterias; esta
compuesto principalmente por mezclas de metano (50-70%) y bióxido de carbono,
también puede contener muy pequeñas cantidades de ácido sulfúrico, nitrógeno y
oxigeno. El contenido exacto de metano y bióxido de carbono en el gas depende del tipo
de materia orgánica y de las condiciones del proceso. Para esta comparación se
considerará una composición de 60% metano y 40% bióxido de carbono.
La reacción de combustión estequiométrica para el biogás esta dada por la siguiente
expresión:
3 CH4 + 2 CO2 + 6 (O2 + 3.76 N2) → 5 CO2 + 6 H2O + 22.56 N2
La relación aire combustible es la siguiente:
AF =
6kmol (32kg / kmol + 3.76 × 28.02kg / kmol )
kg.air
= 6.055
3kmol (16kg / kmol ) + 2kmol (44kg / kmol )
kg.comb
Para el caso del gas manufacturado se tendrá en cuenta la siguiente composición: 3%
metano, 27% monóxido de carbono, 14% hidrógeno, 51% nitrógeno, 5% bióxido de
carbono.
La reacción de combustión estequiométrica para el gas manufacturado es la
siguiente:
CH4 + 9 CO + 4.67 H2 + 17 N2 + 1.67 CO2 + 8.835 (O2 + 3.76 N2)
→ 11.67 CO2 + 6.67 H2O + 50.22 N2
Ahora se puede determinar la relación aire combustible:
AF =
8.835kmol (32kg / kmol + 3.76 × 28.02kg / kmol )
1mol (16kg / mol ) + 9mol (28kg / mol ) + 4.67(2kg ) + 17(28kg ) + 1.67(44kg )
AF = 1.47
kg.air
kg.comb
Con base en las ecuaciones de las reacciones y los datos de la tabla 3 se han calculado
algunas propiedades relacionadas con la combustión de estos gases y se han consignado
en la tabla 4.
Tabla 4. Comparación entre combustibles gaseosos
CH4
CO
H2
N2
CO2
LHV
(MJ / kmol)
LHV
3
(MJ / Nm )
LHV Mezcla
3
Esteq.(MJ / Nm )
Temp. de llama
adiab (º C)
Relación Aire –
Comb (kg / kg)
Relación Aire /
3
3
Comb (m / m )
METANO
BIOGAS
GAS
MANUFACT.
100
0
0
0
0
802.14
60
0
0
0
40
481.28
3
27
14
51
5
134.36
35.86
21.52
5.99
3.404
3.203
2.652
1986.6
1834.35
1774.63
17.16
6.05
1.47
9.44
5.72
1.26
Analizando los resultados obtenidos, en cuanto a las propiedades de los combustibles
estudiados, se pueden inferir las siguientes conclusiones sobre su uso en motores de
combustión interna:
ƒ
El alto contenido de gases inertes provoca una disminución de potencia en el motor,
ya que estos no reaccionan ni aportan energía en la combustión, por el contrario,
consumen parte de esta para calentarse.
ƒ
El bajo poder calorífico del gas pobre se reflejara en la gran cantidad de gas que se
requiere en el motor para compensar en cierta medida la perdida de potencia. El manejo
de altos volúmenes podría llegar a convertirse en una limitante física en el motor. Por lo
general se deben agrandar los ductos de admisión en el motor.
ƒ
La baja relación aire combustible del gas manufacturado ocasiona una significante
disminución en la eficiencia volumétrica del motor, causa principal de perdida de
potencia en los motores operando con combustibles gaseosos. Otra consecuencia de la
baja relación aire combustible es que se debe garantizar la homogeneidad de la mezcla
aire-gas en el interior del cilindro. Es decir el diseño del mezclador debe ser lo más
eficiente posible.
ƒ
El efecto de la alta concentración de inertes en el gas manufacturado se refleja en la
baja temperatura de llama adiabática, el cual es un indicador de la calidad energética del
combustible.
TEMA 12. USO DE GAS MANUFACTURADO EN MOTORES DE CICLO
OTTO
La potencia de un motor de combustión interna funcionando con gas manufacturado
depende de los siguientes factores:
ƒ
El valor calorífico de la mezcla estequiométrica de gas manufacturado y aire: 2.5
MJ/m3 (para un gas con valor calorífico de 5.7 MJ/m3), comparado con 3.5 MJ/m3
para gasolina-aire y 3.3 MJ/m3 para diesel-aire.
ƒ
La cantidad de mezcla combustible que entra en el motor durante cada ciclo de
combustión.
ƒ
La eficiencia con que el motor transforma la energía térmica de la mezcla
combustible en energía mecánica
ƒ
El número de golpes de combustión (número de revoluciones por minuto: rpm).
Al adaptar un motor comercial de gasolina a gas manufacturado se obtiene una pérdida
de potencia de 30 a 50%, dependiendo de las propiedades del gas y las modificaciones
realizadas en el motor.
Las modificaciones más importantes a realizar en el motor son:
ƒ
Cambio en la regulación de la mezcla aire gas
ƒ
Incremento de la relación de compresión
ƒ
Aumento de la eficiencia volumétrica del motor
ƒ
Incremento de la presión de la mezcla en la admisión
ƒ
Adelanto del punto de encendido.
ƒ
Ceramización de culatas.
Como se muestra en la tabla 1, existen algunos requisitos mínimos que debe cumplir el
gas para que sea apto para su uso en motores. Por lo tanto el gas debe ser debe ser
tratado previamente. En primer lugar el contenido de polvo, alquitranes y ácidos debe
ser minimizado. Y en segunda instancia el gas debe ser refrigerado para disminuir su
densidad y lograr el máximo de admisión en el motor.
También es común operar el motor con un combustible adicional a fin de contrarrestar
la pérdida de potencia, sobre todo en condiciones de arranque y sobrecarga.
Los componentes adicionales que completan una instalación de gasificación son: el
sistema colector de emisiones, el sistema de refrigeración, los dispositivos de seguridad,
algunos elementos auxiliares, medidores y sistemas de control.
TEMA 13. ESTADO DEL PROYECTO
El proyecto en marcha tiene como objetivo desarrollar un sistema de cogeneración de
baja potencia accionado mediante un gasificador de cascarilla de arroz o gas
manufacturado, técnica y económicamente flexible para su implementación en sectores
rurales y agroindustriales.
El concepto de producir calor además de energía eléctrica es pertinente y se ajusta a las
necesidades de los usuarios potenciales del sistema, quienes estarían ubicados en
entornos rurales y agroindustriales en los cuales existe una demanda de energía térmica
para labores características del entorno tales como secado de producto agrícola.
Los componentes del sistema de cogeneración son:
ƒ
Motor de combustión interna GM 366 de encendido por chispa.
ƒ
Generador eléctrico monofásico de 10 kW.
ƒ
Intercambiadores de calor para aprovechar la energía térmica residual en los gases
de escape y agua de refrigeración de las camisas del motor.
ƒ
Instrumentación y sistema de control.
SECADOR DE PRODUCTOS
INTERCAMBIADORES DE CALOR
ENERGIA
ELECTRICA
BIOMASA
FILTROS
GASIFICADOR
MOTOR
GENERADOR ELECTRICO
Figura 4. Sistema de cogeneración accionado mediante gasificador de biomasa
El motor de combustión interna se sometió a un proceso de reconstrucción sin
modificaciones sustanciales de sus parámetros de operación originales y fué
acondicionado para trabajar con combustibles gaseosos. Entre las tareas realizadas se
puede citar:
ƒ
Rectificación de cigüeñal y bancada en el bloque.
ƒ
Cambio de anillos de pistón con el fin de garantizar una correcta compresión.
ƒ
Cambio de empaquetadura.
ƒ
Adelanto del punto de encendido.
ƒ
Aumento de la capacidad de refrigeración del motor.
Figura 5. Motor GM 366
ƒ
Calibración de válvulas.
ƒ
Instalación de mezclador aire combustible gaseoso IMPCO 400.
Figura 6. Tareas de adecuación en el motor GM 366
En la primera fase del proyecto se realizaron pruebas en banco motor en un
dinamómetro hidráulico utilizando como metano como combustible.
Tabla 5. Pruebas en sistema de refrigeración
∆T
Frecuencia
Temp. Agua
Temp. Agua
Rotación
Entrada
salida
Rev/min
ºC
ºC
ºC
2100
83.5
50.6
32.9
1800
76.6
60.7
15.9
1860
79.4
65.2
14.2
La medición de potencia en el motor se realizó a una velocidad de 1800 rpm ya que el
motor esta destinado para aplicación estacionaria.
Tabla 6. Medición de potencia al freno en banco motor
Frecuencia
Rotación
Par
Potencia
Temp. Agua
Rev/min
lb-ft
HP
ºC
1840
30
10
80
1880
60
20
85
1860
90
32
90
1810
100
34
92
La eficiencia de este motor puede ser estimada de la siguiente forma:
P = ( LHV ) COMB (Qcomb )(η )
(2)
P : potencia entregada por el motor
LHV: valor calorífico inferior del combustible
Q: flujo de combustible
η : eficiencia del motor
El caudal estimado de combustible a 1800 rpm es 0.386 m3/min.
De modo que para la potencia entregada de 34 HP (25.4 kW) se obtiene una eficiencia
estimada de 13%.
Para estimar el consumo de aire en el motor se debe calcular primero el caudal de
mezcla:
Qm =
V × f × nV
n
(3)
V: cilindrada del motor
f: velocidad de rotación
nv: eficiencia volumétrica
n: número de ciclos por cada carrera de admisión
Se dispone de un motor GM 366, cuyo cilindraje es 6000 cc (6lt) y el valor de n es 2. La
eficiencia volumétrica nv se estima en 0.75. De modo que el caudal de mezcla es:
Qm,1800 rpm = 4.05 m3/min
Con los datos disponibles y las relaciones aire combustible se puede estimar la potencia
del motor funcionando con gases de bajo rango.
El consumo de combustible de puede estimar de la siguiente forma:
 1 
×Q
Q fuel = 
m
A + 1

 F
(4)
De acuerdo a esta expresión y a los datos consignados en la tabla 4, los consumos de
combustible para biogás y gas manufacturado son:
Qgas man = 0.603 m3/min
Qbiogas = 1.792 m3/min
Con estos datos se puede estimar la potencia del motor funcionando con estos gases.
Para el biogás se obtiene:
P = ( LHV ) COMB (Qcomb )(η )
Además se considerará una perdida adicional del 10% por concepto de reducción en
eficiencia volumétrica y térmica.
P = (19360 kJ/m3)(0.603 m3/min)(0.13)(0.9) = 22.76 kW
Para el caso del gas manufacturado se obtiene:
P = (5391 kJ/m3)(1.792 m3/min)(0.13)(0.9) = 18.84 kW
De acuerdo a estas estimaciones se obtendría una reducción de potencia en el motor con
respecto al metano de 10% para biogás y 26% para el gas manufacturado. Las pruebas
en banco motor que permitan validar estos resultados están programadas en una fase
próxima del proyecto.
CONCLUSIONES
La gasificación de biomasa como opción alternativa para la generación de energía
representa una oportunidad de desarrollo tecnológico para Colombia debido a la gran
disponibilidad de desechos agrícolas que podrían gasificarse y a la insatisfecha demanda
energética de las zonas aledañas a los lugares de producción de cultivos.
La implementación de esta tecnología en Colombia depende fundamentalmente del
apoyo financiero que pueda brindar el Gobierno y del aporte científico que ofrezcan las
Universidades y grupos de investigación del país. Adicionalmente, los acuerdos de
cooperación y apoyo internacional que se puedan realizar con Universidades, centros de
investigación y empresa privadas en el extranjero (Alemania, Holanda, Suecia, Estados
Unidos, etc) fortalecerían o garantizarían el éxito de un programa nacional de
gasificación. Esta ultima estrategia ha sido, en gran parte, la base del éxito de programas
de gasificación implementados en China, Filipinas e India; países que presentan
similitud con Colombia en cuanto a producción de desechos agrícolas y extensión de
zonas no interconectados.
Desde el punto de vista técnico, el reto principal de la gasificación de biomasa para la
generación de energía se encuentra en los motores de combustión interna. En Colombia
se ha encontrado que existe un parque motor a gasolina que ha sido desmontado y
abandonado, pero que ofrece la oportunidad de ser remanufacturado y recuperado para
su uso con gas manufacturado, ya que se han identificado las modificaciones
fundamentales que deberían hacerse en estos motores. Entre esta modificaciones se
encuentra aumento de la relación de compresión, aumento de la eficiencia volumétrica,
ceramización de culatas, etc. Una vez realizadas estas modificaciones se esperaría una
disminución de potencia comprendida entre el 20 y 30%.
En cuanto al proyecto en curso, se aproxima la fase de ensayos en banco motor con gas
de bajo rango, y en una etapa posterior se planea la modificación de los parámetros de
operación del motor y la realización de nuevos ensayos.
BIBLIOGRAFIA
CORDOBA, Jorge; CARDONA, Ricardo. Caracterización y diseño de mezcladores
para motores de combustión interna convertidos a gas natural. Medellín, 2002. Proyecto
de grado para optar titulo de Ingeniero Mecánico. Universidad de Antioquia. Facultad
de Ingeniería.
El gas de madera como combustible para motores. Organización de las Naciones Unidas
para la Agricultura y la Alimentación. FAO - Roma, 1993
FAO. Biogas technology: a training manual for extension. FAO/CMS, 1996
Guha, Abhijit. “An efficient generic method for calculating the properties of
combustion products” Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, pp 375-387.
Vol 215 part A, 2001.
HAGLER BAILLY SERVICES, AENE. “Establecimiento de un plan estructural,
institucional y financiero que permita el abastecimiento energético de las zonas no
interconectadas con participación e las comunidades y el sector privado”. 2001
HEYWOOD J.B. “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw-Hill, New
York, 1989.
KLIMSTRA, Jacob. Interchangeability of Gaseous Fuels -- the Importance of the
Wobbe- Index. SAE 861578, 1986
Lee, Y; Pae, S; Min, K; Kim, E.S. “Prediction of knock onset and the autoignition site
in spark-ignition engines”. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, pp 751763. Vol 214 part D, 2000.
“Manual del Ingeniero Químico”, 6ta ed., R. H. Perry and D. Green, eds., Mc GrawHill, México D.F., 1992.
Overend, Ralph P. Status of Biomass Gasifier Village Systems. National Renewable
energy Laboratoriy. World Bank Headquaters, Washington D.C, 1998.
PARKE; CLARK; WALAWENDER. Biomass Producer fueling of internal combustion
engines. Symposium papers: Energy from biomass and wastes V. Institute of Gas
Technology. Chicago 1981.
Proyección de la energía en Colombia 2002-2020. Unidad de Planeación Minero
Energética, UPME. www.upme.gov.co
Resultados Evaluación Agrícola. Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural.
www.minagricultura.gov.co
Rousseau, S; Lemoult, B; Tazerout, M. “Combustion characterization of natural gas in a
lean burn spark-ignition engine” Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, pp
481-489.Vol 213 part D, 1999.
Shashikantha; Parikh P.P “Spark Ignition Producer Gas Engine and Dedicated
Compressed Natural Gas Engine- Technology Development and Experimental
Performance Optimisation” SAE paper 1999-01-3515.
STASSEN, Hubert; KNOEF, Harrie. Theorical and practical aspects on the use of LCVgas from biomass gasifiers in internal combustion engines. BTG Biomass technology
group B.V. AE Ennschede, Netherlands.
Study of Biomass As an Energy Source and Technical Options for Greenhouse Gas
Emission Reduction: The Philippine Case. Reuben Emmanuel T. Quejas. Chief, NonConventional Energy Division, Department of Energy
Uso racional de energía en molinos de arroz en Colombia. Ministerio de Minas y
Energía. 1994.
VON
MITZLAFF,
Klauss.
Entwicklungstechnologien. 1988.
Engines
for
Biogas.
Deutsches
Zentrum
fur
Yoseffi, D; Belmont, M.R; Ashcroft, S.J. “ A comparison of the relative effects of fuel
composition and ignition energy on the early stages of combustion in a natural gas spark
ignition engine using simulation” Proceedings of Institution of Mechanical Engineers,
pp 383-393, Vol 214 part D, 2000.