VALIDACIÓN EXPERIMENTAL PARA EL SEGUIMIENTO DE...

XXIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXIII- SPES), Arequipa, 17 -21.11.2015

VALIDACIÓN EXPERIMENTAL PARA EL SEGUIMIENTO DE ENCENDIDO DE UN GASIFICADOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE

Mario Daniel Marcelo Aldana – [email protected]

Universidad de Piura, Departamento de Ingeniería Mecánico-Eléctrica. Laboratorio de Energía

Waldir Antonio.Bizzo - [email protected]

Universidade Estadual de Campinas, Departamento de Ingeniería Mecánica

Ricardo García –[email protected] Universidad de Piura, Departamento de Ingeniería Mecánico-Eléctrica. Laboratorio de Energía

Edilberto Vasquez –[email protected] Universidad de Piura, Departamento de Ingeniería Mecánico-Eléctrica. Laboratorio de Electrónica

Resumen. Este artículo tiene como objetivo la validación de una planta piloto de gasificación en lecho fluidizado

burbujeante mediante la experimentación real. Estas pruebas abarcan la validación del material inerte del lecho, el buen

funcionamiento de los sensores de temperatura, el equipo quemador para la partida del reactor, el soplador industrial,

el tornillo sin fin y la interacción de todos estos elementos en funcionamiento dinámico.

Palabras Clave: Energía renovable, Gasificación, Biomasa, Fluidización

1. INTRODUCCIÓN

La gasificación como proceso termoquímico viene a ser muy útil en la reducción de contaminantes por quema directa

y gradualmente el uso de biomasa para la generación de energía viene tomando importancia con el pasar de los años.

Muchos investigadores apuestan a la gasificación en lecho fluidizado para desarrollar el potencial energético de la

biomasa, sin embargo, en gran medida el diseño y encendido del reactor resultan ser procesos por mucho empírico.

Atendiendo a las necesidades del proyecto y visualizando que gran parte del buen funcionamiento del proceso de

gasificación depende del desarrollo de encendido del reactor se decidió elaborar una guía basada no solo en la bibliografía

revisada, sino, que al ser complementada con pruebas experimentales propias de la planta pueda validarse los procesos

previos a la gasificación para tener una planta confiable y aminorar los posibles errores que puedan suscitarse.

Las pruebas experimentales han consistido en la fluidización de la bauxita como material inerte, del equipo

quemador, del buen funcionamiento de los sensores de temperatura y del control del tornillo sin fin como sistema de

entrada de biomasa.

2. MATERIALES

2.1 Biomasa

La biomasa de diseño son hojas secas de caña de azúcar caracterizadas por el análisis elemental mostrado en la

figura 1.

Figura 1- Ensayo elemental de las hojas de caña de azúcar

También se utilizará bagazo de caña de azúcar y posiblemente otras biomasas secas actas para el proceso. La figura

2 muestra la materia prima aun no preparada.

mailto:[email protected]





Figura 2- hojas y bagazo de caña de azúcar sin preparar a utilizar en el gasificador

2.2 Agente de fluidización y material del lecho

El agente de fluidización usado es aire, escogido principalmente por ser de fácil adquisición y económicamente

rentable, en consecuencia, el syngas obtenido tendrá menor poder calorífico y las concentraciones de sus componentes

estarán en menor porcentaje volumétrico que si se usara vapor de agua u oxígeno.

La fluidización es muy importante en este tipo de tecnología ya que ayuda a que las partículas del lecho promuevan

una quema parcial de biomasa haciendo que el sólido y el gas estén en continuo contacto lo que favorece las reacciones

que envuelven el proceso y permiten una uniformidad de temperatura en el reactor.

El material del lecho es la bauxita al 86% de alúmina con una densidad de 2960𝑘𝑔/𝑚3 y un diámetro medio de

1.5𝑚𝑚 siendo clasificadas en el grupo D según la figura 3 de las partículas de Geldart y presentando una fluidización

con burbujas grandes.

Figura 3: clasificación de las partículas de Geldart

Fuente: Kunii; Levenspiel (1991)

3. EQUIPOS

3.1 Reactor y Ciclón

El reactor ha sido elaborado de planchas de ACERO AISI 304 de espesor de 3𝑚𝑚, Tiene 228𝑚𝑚 de diámetro

interno en la zona del lecho y freedboard, mientras en la zona de salida de gases tiene 468𝑚𝑚 de diámetro. También

cuenta con 2 agujeros de 10𝑐𝑚 ubicados en la zona del lecho para el quemador y entrada de biomasa. En la parte inferior

tiene un agujero de 62𝑚𝑚 que permite la entrada de aire, mientras en la parte superior cuenta con un visor. Tiene una

malla número 40 ubicada entre la zona del plenum y el lecho. Por último, cuenta con un ciclón como sistema de limpieza

Bagazo de caña

de azúcar. Hojas de caña

de azúcar


inicial de sólidos que caen a un depósito de alquitranes. El equipo está recubierto con 3𝑖𝑛 de lana de fibra de vidrio como

lo muestra la figura 4.

Figura 4: Reactor de lecho fluidizado

3.2 Soplador

El soplador industrial ha sido adaptado para la necesidad del proyecto, Este no está diseñado específicamente para

servir como impulsor de aire lo que se puede notar en la cantidad y separación de los alabes que no son adecuadas. Su

adquisición resulto económica y las pruebas resultaron ser prometedoras por lo que no hubo inconvenientes en su

utilización.

La caída de presión debe tomar en cuenta principalmente el lecho de bauxita, el ciclón, y la placa distribuidora. De

esta manera pudimos estimar una caída de 8𝑘𝑃𝑎.

Figura 5-soplador industrial adaptado


3.3 Quemador

Se decidió utilizar el quemador Q-Gas Wayne HSG400 con potencias de 200𝑀 𝐵𝑡𝑢/ℎ𝑟 a 400𝑀 𝐵𝑡𝑢/ℎ𝑟 con el fin

de darle la energía calorífica necesaria a la bauxita del lecho durante el precalentamiento para que alcance una temperatura

mínima de 400°𝐶. El equipo tiene 10 niveles de regulación de entrada de aire y utiliza gas propano como combustible.

Figura 6- quemador Q-Gas Wayne HSG400

3.4 Tornillo sin fin y tolva

El equipo tornillo sin fin tiene un paso igual al diámetro de 100𝑚𝑚 y una longitud de 700𝑚𝑚, es utilizado para

introducir la biomasa al reactor y fue hecho de Acero Inoxidable. Es movido por un motor asíncrono conectado en

triangulo de 1.6𝑘𝑊 y se regulan sus 𝑅𝑃𝑀 según la regulación de frecuencia. Arriba de este se encuentra la tolva para el

contenido de biomasa diseñada para una autonomía de operación de 30𝑚𝑖𝑛.

La elección de sistema de entrada en tornillo sin fin se debió por su fácil construcción, funcionamiento continuo y

fácil mantenimiento.

Figura 7- Tornillo sin fin, tolva, motor y reductor de velocidad.

4. ANÁLISIS

4.1 Preparación de la biomasa

Antes de empezar el encendido del gasificador se debe preparar la biomasa. Se recomienda primero cortar o triturar

las hojas de caña de tal manera que tengan un tamaño entre 1-10mm, una densidad aparente para las hojas no compactadas

entre 25𝑘𝑔/𝑚3 − 40𝑘𝑔/𝑚3 y un contenido de humedad en base humedad menor al 15%. El tamaño de las hojas es importante. A menor longitud se reduce el peligro de atascamiento y la densidad aparente

aumenta porque los intersticios de aire en la tolva disminuyen por compactación, además, las reacciones químicas para

gasificar las hojas resultan ser más fáciles cuanto menor es la longitud de las mismas.

El análisis elemental revelo que no existen problemas en el contenido de humedad.

NIVELES


Para el bagazo de caña el contenido de humedad también debe ser menor al 20%, y el material debe ingresar a la

tolva en pellets o en formas de fibras compactadas procurando una alta densidad.

4.2 Preparación del sistema de adquisición de datos

El sistema de adquisición de datos lo conforman 9 sensores de temperatura ubicados a lo largo de toda la extensión

del gasificador (reactor y ciclón), como lo muestra la figura 8. Existen 3 RTDs tipo pt100 y 6 termopares tipo k.

Los sensores 2, 3, 4 y 5 son los más importantes ya que conforman el lecho donde se darán las reacciones químicas

del proceso, por ello, la temperatura en régimen de gasificación medida por estos debe ser uniforme en 800°𝐶, mientras

en régimen de partida se requiere que hayan superado los 600°𝐶.

Figura 8: Ubicación de los sensores en el reactor

Es importante que la computadora donde se almacenan los datos esté siempre energizada para evitar inconvenientes,

y que las gráficas de temperatura vs tiempo se guarden y generen segundos antes de encender el quemador a fin de

registrar todo el comportamiento dinámico del sistema. El encargado se debe asegurar que se estén guardando de manera

correcto los datos.

4.3 Análisis de pruebas

Sistema quemador (figura 9). Las pruebas realizadas demuestran que las temperaturas que alcanza el frente de llama

del quemador llegan a ser entre 800°𝐶 y 900°𝐶 para el nivel 2, y entre 900°𝐶 y 1000°𝐶 para el nivel 1. Este

comportamiento es registrado por el sensor 2.

En el nivel 2, se pudo observar un frente de llama de una longitud aproximada igual al diámetro del reactor con una

llama color amarilla y azul, donde la parte amarilla envuelve al sensor 2 y choca con las paredes del reactor lo que provoca

RTD-sensor 1

Sensor 2

RTD-sensor 8 RTD-sensor 9

Sensor 3

Sensor 4

Sensor 5

Sensor 6

Sensor 7

Zona de

salida

de gases

Zona

freedboar

d

Zona del

lecho

Zona del

plenum


una temperatura alta y hace que toda la temperatura del reactor aumente, excepto la del sensor 1 ya que el lecho de bauxita

funciona como aislante. Para el nivel 4 la llama toma un color azul con solo puntas amarillas, pero el frente de llama

disminuye y ya no envuelve al sensor 2 lo que provoca una disminución de la temperatura que registra.

A medida que se aumenta el nivel del quemador a 6 y 8 la llama azul va perdiendo tonalidad y por ende la temperatura

es menor provocando una disminución de temperatura en el reactor.

A partir de este comportamiento se concluye que al aumentar los niveles del quemador la temperatura del aire en el

reactor disminuye. Además, según las temperaturas requeridas para el régimen de partida se puede concluir que será

adecuado encender y trabajar el quemador en el nivel 2 hasta que el sensor 5 registre una temperatura mayor a 600°𝐶.

Figura 9: Prueba del quemador

Sistema soplador y fluidización: El flujo de aire que entra por la tubería de acero flexible producto del movimiento

rotativo de los alabes del soplador ha sido controlado por un variador de frecuencia.

El Lecho fijo1 tiene una altura 𝐿𝑚 = 14𝑐𝑚 (figura 10-a). Las pruebas muestran que existe una vibración de algunas

partículas de la parte superior a 40𝐻𝑧. Este estado vibratorio es llamado lecho expandido (figura 10-a).

A 45𝐻𝑧 se produce el estado de mínima fluidización donde el lecho aumenta su altura hasta 𝐿𝑚𝑓 = 16𝑐𝑚

Entre 48𝐻𝑧 y 55𝐻𝑧 se tiene el estado de fluidización donde se observan burbujas grandes que elevan la bauxita y

la agitan. La altura se mantiene casi constante a excepción de las burbujas.

Por arriba de los 55𝐻𝑧 se presentan estados de fluidización ya no recomendable para el proceso, presentándose

muchas más burbujas. A 60𝐻𝑧 ya existen partículas que alcanzan la tapa dando comienzo al estado de transporte

neumático (figura 10-e).

1 Se le denomina así al conjunto de partículas sólidas que no presentan fluidización y están completamente estáticas

debido a que el agente fluidizante solo recorre los intersticios del lecho porque su velocidad es muy pequeña.


Figura 10: Proceso de fluidización de un gas o líquido3

Fuente: Kunii; Levenspiel (1991)

Sistema quemador y soplador (figura 11). Las pruebas demuestran que la fluidización sigue teniendo el mismo

comportamiento anterior, es decir, su dinamismo no es afectado por el quemador. Sin embargo, las temperaturas que

alcanza el quemador y el reactor si son afectadas por acción del aire relativamente frio que entra por el lecho de bauxita

por acción del soplador.

Toda la prueba registrada en la figura 11 se hizo en el nivel 2 del quemador variando la frecuencia del soplador de

0 a 48𝐻𝑧.

Se puede notar que a medida que se aumenta la frecuencia del soplador las temperaturas disminuyen. Esta

disminución no tiene la misma intensidad en todo el reactor; para los sensores del 2 al 7 y 1 la disminución es notoria ya

que son afectados directamente por el aire frio, mientras los sensores 8 y 9 la disminución de temperatura es débil.

3 Es imposible utilizar un líquido como agente fluidizante para el proceso de gasificación.


Figura 11: Prueba del quemador y soplador

Sistema alimentador de biomasa. Las pruebas realizadas con el tornillo sin fin son también importantes porque

ayudan a comprender el sistema de alimentación y a resolver los posibles errores antes de cualquier partida del proceso.

Muchos investigadores reportan problemas de atascamiento de biomasa en el tornillo o la tolva. Para nuestro caso

existieron problemas de atascamiento en la entrada al reactor debido a que la hélice más próxima al reactor se encontraba

a 7cm de la entrada lo que provocaba su acumulación.

Figura 12: Problema de atascamiento de biomasa en el tornillo sin fin

5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

5.1 Procedimiento de arranque

Toda partida del proceso de gasificación en lecho fluidizado debe iniciarse con un precalentamiento de las partículas

del lecho a fin de alcanzar una temperatura tal que permita una combustión fácil de la biomasa para luego tener la

temperatura real de operación permitiendo la gasificación y auto sustentación del proceso.


Primero, sin la tolva con biomasa se debe encender el tornillo sin fin para evitar que la bauxita al momento de la

fluidización caiga dentro del conducto del tornillo y provoque atascamiento de la rosca. Para ello el operario debe

asegurarse que exista bauxita en el reactor de lo contrario debe introducirse por la parte del visor hasta una altura de 14cm

por encima de placa distribuidora.

Segundo, se procederá a encender el quemador en el nivel 2 hasta que el sensor 5 esté por encima de los 600°𝐶.

Para el encendido de este equipo, el paso número 1 es verificar que la válvula del tanque de gas este perpendicular al piso

(apagada), que el control “on/off” del quemador este en “off” y que el control de nivel de temperatura este en cero

Figura 13: Referencia de los pasos para el encendido del quemador

Luego se deberá encender la válvula del tanque de gas poniéndola paralela al piso como lo muestra la figura 14.

Figura 14: Encendido de la válvula de tanque de GLP

Posteriormente se deberá girar la perilla de control “on/off” al estado “on” y luego subir el quemador a nivel 2

dejando que las temperaturas de los sensores 2, 3, 4 y 5 estén por encima de 600°𝐶 y asegurando que las partículas de la

capa superior del lecho estén muy calientes.

Tercero, con el material caliente se deberá encender el soplador por un breve momento en 48𝐻𝑧 para generar

burbujeo y el mezclado de la bauxita, luego se apagará el soplador y se dejará calentar nuevamente el lecho. Se debe

repetir este procedimiento por aproximadamente 45min.

Alcanzado este tiempo se apagará el quemador e Inmediatamente se tendrá que llenar la tolva de biomasa para que

entre al reactor y se logre mediante combustión aumentar la temperatura, para ello la alimentación deberá ser intermitente.

Puede suponerse un estado estable cuando se alcance un estado estacionario entre 780°𝐶 y 800°𝐶 donde la entrada de

biomasa debe pasar a ser continúa a 40𝑘𝑔/ℎ y con un flujo de aire de 27𝑚3/ℎ iniciado así el proceso de gasificación.

5.2 Conclusiones y recomendaciones

Antes de encender el gasificador deberá estar en marcha el sistema de monitoreo de temperatura para que existe una

toma de datos durante todo el proceso y de esta manera tener un mejor control.

La temperatura adecuada de diseño es de 800°𝐶 o un valor cercano. Se reporta que para temperaturas bajas alrededor

de 550°𝐶 la concentración de alquitranes en el gas es elevada produciendo obstrucción en los conductos y la saturación

del sistema de limpieza, además se recomienda revisar después de cada experimento los elementos donde se puedan

concentrar alquitranes para así tener una idea de la pureza del gas.

A partir del comportamiento del quemador se concluyó que al aumentar los niveles del mismo la temperatura del

aire en el reactor disminuye. Además, según las temperaturas requeridas para el régimen de partida se puede concluir que

será adecuado encender y trabajar el quemador en el nivel 2 hasta que el sensor 5 registre una temperatura mayor a 600°𝐶.

Es importante revisar antes de encender el gasificador la cantidad de bauxita adecuada, que no exista biomasa en la

tolva o tornillo sin fin y que el sistema de monitoreo esté funcionando adecuadamente.

Autores reportan que la gasificación de bagazo de caña sin previa preparación resulta casi imposible por lo que

recomiendo la preparación ya mencionada en este informe, es decir, para las hojas se debe primero cortar de tal manera

que tengan un tamaño entre 1𝑚𝑚 − 10𝑚𝑚, una densidad aparente no compactadas entre 25𝑘𝑔/𝑚3 − 40𝑘𝑔/𝑚3 y un


contenido de humedad en base humedad menor al 15%. Mientras más pequeño el corte mejor será el proceso. En tanto

al bagazo se recomienda utilizar pellets o fibras de pequeña longitud.

Durante el procedimiento de entrada de biomasa se reportó atascamiento debido a que la última hélice no llega hasta

la entrada del reactor, es por ello, que se recomienda que el tornillo sea bien construido y que la hélice más próxima a la

entrada se encuentre en el mismo plano transversal de esta. Otros autores reportan atascamiento de biomasa en el silo por

lo que se recomiendo mover la biomasa o mejorar el rediseño de la tolva con eje y paleta.

Se recomienda también mantener un flujo constante de ingreso de biomasa o de ser necesario un cambio, debe darse

de manera lenta a fin de evitar la parada del proceso o atascamiento de rosca.

En caso se note que exista acumulación de alquitrán o carbón en la entrada de biomasa debido a pirolización de la

misma, se deberá parar el proceso y diseñar una camisa de agua que enfríe el tornillo.

En caso la malla de fluidización falle se tendrá que adquirir otra con un mejor comportamiento ante temperaturas

altas, sin embargo, esto es poco probable porque la bauxita funciona como aislante.

Los sensores de temperatura estarán sometidos de forma directa a la temperatura del lecho, además serán golpeados

de forma continua por las partículas de sílice lo que puede provocar daños en los mismos. Si esto llegara a pasar se

recomienda encapsular los sensores.

Por el agujero del quemador y del tornillo sin fin suelen acumularse partículas inertes durante la fluidización. Para

el tornillo sin fin se estima que la biomasa entrante funcionará como una tapa no permitiendo la salida de partículas,

mientras para el quemador, su funcionamiento se da en lecho de mínima fluidización y se apagará en lecho fluidizado por

lo que se recomienda que por el momento se limpie el quemador antes de cada partida o diseñando un sistema que permita

deslizar el quemador hacia atrás y tapar el agujero.

Es importante la realización de las pruebas realizadas y presentadas en este proyecto ya que ayudan a saber el

comportamiento del equipo, reducir tiempos muertos por paradas innecesarias y resolver errores antes de cualquier partida

Es importante tener el equipo de seguridad necesario y evitar acercarse al reactor en aquellas zonas donde no existe

recubrimiento ya que se comprobó que la temperatura es alta pudiendo provocando quemaduras leves. Estas zonas son:

4 primeras hélices del tornillo sin fin, zona del plenum y tapa de salida de gases.

En caso ocurra alguna emergencia de incendio se tendrá que hacer una parada de emergencia bajando la válvula del

tanque de gas, parar la entrada de biomasa, bajar el suministro de energía eléctrica y usar inmediatamente el extintor.

Todos los operarios deben usar el equipo necesario para las operaciones. Chaleco, casco, guantes y lentes de

protección.

6. AUTORIZACIONES Y RECONOCIMIENTOS

Los investigadores manifiestan su agradecimiento a Fondecyt – Concytec por el financiamiento del proyecto N° 130-

2015- FONDECYT, “IDENTIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LA PRODUCCIÓN DE SYNGAS UTILIZANDO UN

GASIFICADOR DE LECHO FLUIDIZADO DE DIFERENTES TIPOS DE RESIDUOS DE BIOMASA CON FINES

DE APROVECHAMIENTO TÉRMICO O ELÉCTRICO” y a la UNIVERSIDAD DE PIURA por el apoyo que sus

instalaciones han brindado.

7. REFERENCIAS

Edgardo Olivares Gómez (1995): Constructive features, operation and sizing of fluidized-bed gasifiers for

biomass. Fonseca Gonzales, Natalia: Estado del arte del uso del gas de gasificación termoquímica de biomasa en

motores de combustión interna alternativos. Universidad de los Andes. Forero Rodríguez, C.; Fordillo Ariza, G.: Gasificación del bagazo de caña de azúcar usando aire-vapor. Jorapur y Rajvanshi: Sugarcane leaf-bagasse gasifiers for industrial heating applications. Olivares Gómez, Edgardo (1996): projecto, construcao e avaliacao preliminar de um reator de leito fluidizado

para gaseificacao de bagaco. Universidade Estadual De Campinas. Prins, Mark Jan (2005): Thermodynamic analysis of biomass gasification and torrefaction. Eindhoven:

Technische Universiteit Eindhoven. Rajvanshi A; Rajvanshi R: development of a sugarcane leaf gasifier for electricity generation. Sánchez Caio Glauco:estudo da volatelizacao e gaseificacao de biomassa em leito fluidizado. Universidade

Estadual De Campinas Souza-Santos, Marcio L. de (2004): Solid fuels combustion and gasification. Modeling, simulation, and

equipment operation. New York: Marcel Dekker (Mechanical engineering, 180). T. Zambón, Mariana; Garrido Makinistian, Francisco; D. Mazza, German (2014): ESTUDIO DE LA

FLUIDIZACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS DE BIOMASA-ARENA POR FLUIDODINÁMICA COMPUTACIONAL.

Yang, Wen-ching (2003): Handbook of fluidization and fluid-particle systems. New York: Marcel Dekker (Chemical industries, 91).


EXPERIMENTAL VALIDATION FOR MONITORING THE TURN ON A BUBBLING FLUIDIZED BED GASIFIER

Summary. This article has the objective to validate the bubbling fluidized bed gasifier pilot through the real

experimentation. These tests include the validation of inert bed material, the correct functioning of the temperature

sensors, burner equipment for starting the turn on of the reactor, industrial blower, the endless screw and the interaction

of all these elements in dynamic operation.

Keywords: Renewable Energy, Gasification, Biomass, Fluidization

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