DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA CARRERA DE INGENIERA MECNICA

INGENIERA CONCEPTUAL, BSICA Y DE DETALLE PARA LA CONSTRUCCIN Y AUTOMATIZACIN DE UN GASIFICADOR TIPO DOWNDRAFT O FLUJO CONCURRENTE DE 10 KW DE POTENCIA

ESCUELA POLITECNICA DEL EJERCITO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA

MARCO VINICIO TAMAYO ALBANSangolqui, 30 de Marzo del 2012Director: Ing. ROBERTO GUTIERREZCodirector: Ing. LUIS ECHEVERRAINTRODUCCINEn los ltimos aos se han enfrentado grandes problemas en el medioambiente, como consecuencia de la contaminacin de la actividad industrial, de la explotacin indiscriminada de recursos, sin tener en cuenta el impacto que generan en el entorno.

El Protocolo de Kyoto, convocado por la Organizacin de las Naciones Unidas, por medio de la bsqueda de obtencin de energas que no causen impacto en el medio ambiente.

El uso de la Biomasa la cual se define como el conjunto de materia orgnica de origen vegetal, animal o procedente de la transformacin natural o artificial que haya tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biolgico.

3VENTAJAS DE LA BIOMASABajo contenido de azufre. La combustin el CO2 liberado a la atmsfera forma parte del ciclo natural del carbono

Entre las ventajas del uso eficiente de la Biomasa se encuentra que en y el empleo de Biomasa tiene bajo contenido de azufre.

4ANTECEDENTESEl gasificador tipoDOWNDRAFT hace que seafcil ejecutar soluciones dealto rendimiento en lagasificacin de la biomasa y lapirlisis.

El gasificador elimina losobstculos a partir de laenerga de la biomasa y tomagas para generacin deenerga limpia.

En la gran investigacin de las energas renovables y la biomasa5DEFINICIN DEL PROBLEMALa ejecucin de este proyecto persigue producir el conocimiento necesario, a travs de un proceso investigativo, de los parmetros para el anlisis de la creacin de un gasificador tipo downdraft o flujo concurrente de 10 Kw de potencia.

JUSTIFICACIN E IMPORTANCIAPrioridad al empleo de energas renovables. Gran inters ambiental.En el proceso de investigacin de la ESPE en el campo de Energa, se ha desarrollado calentadores y biocalefones a cargo del Ing. Jos Guasumba, pero no se a desarrollado el uso ptimo de la biomasa, es por eso que para reforzar la lnea de investigacin de energa de la ESPE se llevar a cabo este proyecto que radica en la investigacin del aprovechamiento de la biomasa mediante un gasificador tipo downdraft o flujo concurrente.

En el plan de desarrollo del buen vivir 2009-2013.se estipula que se dar prioridad al empleo de energas renovables. El uso de la Biomasa tiene un gran inters ambiental

7OBJETIVOS:

Elaborar la ingeniera conceptual, bsica y de detalle para la construccin y automatizacin de un gasificador tipo downdraft o flujo concurrente de 10 Kw de potencia.

OBJETIVOS ESPECFICOS:Estudio en el estado del arte de la elaboracin de un gasificador tipo downdraft.Anlisis de la funcionalidad de cada uno de los elementos que componen al gasificador y anlisis en conjunto del sistemaRealizar un anlisis de los materiales involucrados en la construccin del gasificadorEvaluar el flujo de trabajo que va a realizar el gasificador tipo downdraft.

BIOMASAEs toda sustancia orgnica renovable de origen tanto animal como vegetal. Proviene de la energa que almacenan los seres vivos de la siguiente manera:

Los vegetales al realizar la fotosntesis utilizan la energa del sol para formar sustancias orgnicas. Despus los animales incorporan y transforman esa energa al alimentarse de las plantas. Los productos de dicha transformacin, que se consideran residuos, pueden ser utilizados como recurso energtico.

10TIPOS DE BIOMASA

BIOMASA NATURAL

BIOMASA RESIDUAL

Biomasa natural: Es la que se produce en la naturaleza sin intervencin humana. gestin de la adquisicin y transporteBiomasa residual Son los residuos que se generan en las actividades de agricultura y ganadera, considerados subproductos. Como ejemplo podemos considerar el serrn, la cscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, etc.

11CARCTERSTICAS DE LA BIOMASATipo de biomasaComposicin qumica y fsicaContenido de humedad (HR)Porcentaje de cenizasPoder calricoDensidad aparenteRecoleccin, transporte y manejoPara evaluar la factibilidad tcnica y econmica de un proceso de conversin de biomasa en energa, es necesario considerar ciertos parmetros y condiciones que la caracterizan.

12PROCESOS DE CONVERSIN DE LA BIOMASA EN ENERGAMtodos termoqumicos: (Combustin, pirlisis, gasificacin)

Mtodos biolgicos(Fermentacin etlica, metlica)Existen diferentes mtodos que transforman la biomasa en energa aprovechable, los termoqumicos y los biolgicos.Mtodos termoqumicos.Estos mtodos se basan en la utilizacin del calor como fuente de transformacin de la biomasa

13PROCESO DE GASIFICACIN

Es un proceso termoqumico en el que un sustrato carbonoso (residuo orgnico) es transformado en un gas combustible de bajo poder calorfico, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente gasificante

TIPOS DE GASIFICADORES

ELECCIN DEL TIPO DE GASIFICADOREl de lecho fijo o descendente en equicorriente (downdraft).Menos costo Produce la menor cantidad de alquitranes Sencillo modo de operacin. Uso de esta modalidad para proyectos de cooperacin al desarrollo en electrificacin rural.Composicin:20% de H2, 20% de CO y un pequeo porcentaje de CH4, y gases no combustibles como CO2 y N2. Gas aprovechable 70%En este caso el gasificador ms adecuado es el de lecho fijo o descendente en equicorriente (downdraft). Esto es debido a que es el ms barato, produce la menor cantidad de alquitranes y es sencillo en cuanto al modo de operacin. La mayora de los gasificadores de pequea escala usados para generacin de electricidad son de tipo downdraft y existen varios casos en los que se usa esta modalidad para proyectos de cooperacin al desarrollo en electrificacin rural.El gas producido en los gasificadores downdraft suele tener una composicin aproximada de un 20% de H2, 20% de CO y un pequeo porcentaje de CH4, y gases no combustibles como CO2 y N2. El gas producido contiene ms del 70% de la energa de la biomasa en aplicaciones energticas.

16Proceso del Gasificador de lecho fijo o descendente en equicorriente (downdraft)

La biomasa secada al aire (hasta un 40% en peso de humedad mxima) se almacena en una tolva, que alimenta el gasificador cuando el nivel de solido en este disminuye de sus 2/3 partes, utilizando un sistema de control automtico.

g

En un gasificador de flujo descendente, el material de alimentacin (residuos de forestales) se introduce tan rpido como se alcanza una temperatura suficientemente elevada (820 C).

Las partculas del combustible se introducen en el lecho del reactor, se mezclan rpidamente con el material del lecho y se calientan casi instantneamente, alcanzando as la temperatura de este.

Como resultado de este tratamiento, el combustible se pirolisa muy rpidamente, dando como resultado una mezcla de componentes con una cantidad relativamente elevada de materiales gaseosos, la fase de gas se reproduce una nueva gasificacin y reacciones de los alquitranes.

La instalacin va equipada con un cicln interno, a fin de reducir el mnimo de escape de partculas slidas. Las partculas de ceniza se extraen tambin por la parte inferior del reactor y en el cicln de gas si este se emplea en aplicaciones para motores.

INGENIERA CONCEPTUAL SOBRE EL DISEO DEL GASIFICADORA partir del anlisis inmediato y elemental de los residuos forestales, se estudi la posibilidad de su descomposicin trmica mediante un mtodo termoqumico, en este caso la gasificacin.

El desarrollo de esta tesis va dirigido en ese sentido llevando a cabo diferentes tecnologas que permitan el aprovechamiento de estos residuos como nuevas fuentes de energa.

La gasificacin forma parte de estas tecnologas y en este caso se utilizar como materia slida los residuos forestales. Muestras de residuos forestales

Composicin qumica de estos residuos se tom el anlisis elemental.

Dficit de oxgeno ptima para la gasificacin (alrededor de 30 %) y el flujo de residuos que se va a alimentar.

La cantidad de aire que se introduce en el lecho del gasificador, que garantiza el correcto funcionamiento de la instalacin

Fijarle una temperatura con que se debe trabajar, que en nuestro caso se tom 820 C .

MATERIALES Y MTODOS

Segn la metodologa propuesta por Kunii y Daizo [1991] se determinaron los parmetros fundamentales del gasificador (dimetro del reactor, dimetro del tubo de extraccin de ceniza, altura del lecho, altura total del gasificador.).

RESULTADOS Y DISCUSIN

El valor en tanto por ciento en base seca del anlisis inmediato obtenido despus de un procesamiento estadstico, es el siguiente:

Como se demuestra, el residuo aporta ms de 90 % de su composicin a gas, lo que lo favorece a la hora de gasificarlo.

Para obtener los mol/h de oxgeno en estas reacciones debemos primeramente dividir el flujo de carbono y de hidrogeno (los flujos de los compuestos qumicos dependen del valor total de residuo que se asume y ser alimentado, cuyo valor es de 450 g/h) por sus respectivas masas moleculares (12 y 4, respectivamente); sumarlos despus y el resultado sera el oxgeno estequiomtrico igual a 20,2 mol/h. Con este valor se calcula el caudal de aire que se debe introducir en la instalacin a partir de la siguiente expresin:

Ga = (RE * mol/h O2 /100) * (1 + (100 - %O2 )/ %O2 ) *22,4/1 000.

Donde:Ga: Caudal de aire Nm3/h.RE: Relacin estequiomtrica ptima para gasificar (30 %).Mol/h: Oxgeno son los calculados (20,2 mol /h).% O2 : % de oxgeno en el aire (21 %). Sustituyendo los valores en la expresin anterior el caudal obtenido es de 0,6464 Nm3 /h. La N de la unidad de medida est referida a condiciones normales para el aire, o sea, 1 atm y 273 K.

A partir de este momento se comienzan a calcular los parmetros de diseo del gasificador a travs de los pasos siguientes:

1. Superficie del reactor. Srea = Ga * (273+Tg)/273/ Rvel/ vmf/3600 Tg: Temperatura de gasificadorRvel: Velocidad del aireVmf: Velocidad mnima de flujo

2. Superficie del tubo de extraccin de ceniza. Ste = 3,1416 * Dte^2 /4. Dte: Dimetro del tubo de extraccin

3. Dimetro del reactor. Dr = ((Srea + Ste)* 4 /3,1416)^0,5 .

4. Velocidad de trabajo. Wt = Ga *(273 + Tg) / 273/Srea/3600 5. Altura del gasificador Hg = Ln ((1 -0,4)/fag)*Wt /5 + Hl Fag: fraccin de gasificacin 0,0043Hl: Altura del lecho (se fija en 0,1524 m )

TABLA DE RESULTADOS

Superficie del reactor

Superficie del tubo de extraccin de ceniza.Dimetro del reactor.

Altura del gasificador

GASIFICADORParmetros de Automatizacin

Sistema de controlDurante el funcionamiento del equipo, est sujeto aperturbaciones o influencias externas inevitables: Cambios en la composicin de las materias primasCambios en la calidad del productoCambios en la calidad del vapor suministrado, etc.

Estas perturbaciones obligan a ejercer una vigilancia continua sobre nuestro proceso y a actuar constantemente sobre el mismo con la intencin de corregir las desviaciones que se detecten.

32La automatizacin de nuestro proceso se llevar a cabo mediante un sistema de control. Para desplazar el punto de operacin del proceso hacia el ptimo, al mismo tiempo que se logra incrementar la seguridad y la fiabilidad del equipo. El control regulatorio avanzado se caracteriza por la utilizacin de diversas tcnicas de control.

El diseo del sistema de control para el equipo con elevado grado de integracin es una tarea compleja que debe incluir las siguientes etapas:

DQAMODULO DE ADQUISICION DE DATOSS1SENSOR CAPACITIVO DE VOLUMENS2SENSOR DE CAUDAL ENTRADA DE AIRES3SENSOR DE PRESIONS4SENSOR DE TEMPERATURAS5SENSOR DE PRESIONS6SENSOR DE TEMPERATURAS7SENSOR DE CAUDAL SALIDA DE GASANLISIS ECONMICO

Costo de realizacin del proyecto.El presupuesto necesario para la realizacin del estudio de ingeniera es:

Costo total del estudio del proyecto mas imprevistos = 7400 dlares

ANLISIS FINANCIEROValor futuro a la construccin del gasificadorLos costos de inversin fueron calculados en las fases del proyecto, con un valor de inversin de 7.000 dlares

Por cuanto a la instrumentacin necesaria para el ptimo desempeo del gasificador se calcula un costo de 3500 dlares Costo total del gasificador = 11880

CONCLUSIONESAl ser un gasificador simple puede ser construido en talleres metal mecnicos convencionales.

La construccin del gasificador tendr mltiples ventajas como menor contaminacin ambiental, gas producido fcil de almacenar, menor emisin de particulados y necesidad de menor cantidad de aire.

El diseo de la construccin de este gasificador garantiza que los sistemas estarn suficientemente sellados para evitar fugas.

La construccin del gasificador se mantiene sobre la base de instalaciones experimentales por los altos costos en las pruebas y en la fabricacin final.

CONCLUSIONESEl uso del gasificador de biomasa podr incentivar las economas rurales, creando trabajo y reduciendo los costos sobre la produccin agropecuaria y forestal.

El potencial calrico del gasificador de biomasa es dependiente de las variaciones en el clima, humedad y de la densidad de la materia prima.

El gasificador tiene como propiedad que requiere de gran volumen para producir potencia por lo que se deber ubicar el proceso de conversin cerca de fuentes de produccin de biomasa para facilitar el transporte y manejo de los desechos.

RECOMENDACIONESLa instalacin de un secador podra bajar los costos de produccin y solucionar el problema de los desechos acumulados.

El montaje de la instrumentacin del gasificador se debe realizar en el momento que se hagan pruebas de los valores que entrega la maquina, ya que el diseo propuesto en este proyecto puede tener algunas variantes ya que los valores se tomaron en condiciones ideales tanto en la biomasa como en el ambiente.

Se recomienda en la construccin trabajar con las medidas en pulgadas ya que en el mercado son ms comunes.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todas las personas que contribuyeron para la realizacin del proyecto, a toda mi familia que siempre estuvo apoyndome y a todos los ingenieros de la ESPE que elevaron mis conocimientos en toda la carrera universitaria.

M.V.T.A.