Gasificación adiabática del bagazo de caña de azúcar usando aire-vapor
Adiabatic Gasification of Sugarcane Bagasse Using Air- Steam
Carlos Andrés Forero Rodríguez
PhD. en Ingeniería mecánica. Profesor asistente, Departamento de Ingeniería mecánica, Universidad de los Andes. Bogotá D.C., Colombia. ca.forero48@uniandes.edu.co
Gerardo Gordillo Ariza
Estudiante, Departamento de Ingeniería mecánica, Universidad de los Andes. Bogotá D.C., Colombia. g.gordillo43@uniandes.edu.co
Recibido 30 de septiembre de 2009, modificado 23 de mayo de 2010, aprobado 9 de septiembre de 2010.
PALABRAS CLAVES
Conversión de energía, equilibrio químico, gasificación, poder calorífico.
]]> RESUMENEste artículo presenta un estudio para estimar el potencial del bagazo de caña de azúcar como combustible alternativo en la producción de gases combustibles, que pueden ser usados para la generación de potencia eléctrica en sitio. Se usó equilibrio químico para estimar las especies producidas por gasificación adiabática del bagazo con diferentes mezclas de aire-vapor. Con el programa CEA (Chemical equilibrium with applications) se estimó la composición de aproximadamente 150 especies; las especies producidas en pequeñas cantidades (trazas) no son presentadas. Los parámetros investigados fueron la relación de equivalencia definida como Aire estequiométrico/Aire suministrado al reactor (1 - 4.5) y la relación de vapor-combustible (0.1 - 07 kmol de vapor/kmol de combustible). Para el rango de parámetros investigado, la composición varió en los siguientes rangos: CO (8% - 29,3%), N2(26,5% - 57.9%), H2(3,6% - 29,3%), CH4(0-0,012), H2O(0,038-0,235). Con la composición de los gases también fue calculado el poder calorífico de los gases y el porcentaje de conversión de energía.
KEY WORDS
Chemical equilibrium, energy conversion, gasification, heating value.
ABSTRACT
This paper presents a study, which estimates sugarcane bagasse potential as feedstock for the production of fuel gases that can be used for power generation. Chemical equilibrium was used to estimate the species (gases) produced by gasification, under adiabatic conditions, using different amounts of air-steam mixtures for partial oxidation. The software CEA (Chemical Equilibrium with Applications) was used to estimate the composition of about 150 species; only significant species are reported here. The parameters investigated were equivalence ratio defined as the stoichiometric air/air supplied to the reactor (1-4.5) and the steam to fuel ratio (0.1-0.7 kmol of steam/kmol of fuel). For the studied conditions, the composition of the gases were: CO(8% - 29,3%), N2(26,5% - 57.9%), H2(3,6% - 29,3%), CH4(0-0,012), H2O(0,038-0,235). Heating value and energy conversion efficiency were calculated together with the composition of the gases.
INTRODUCCIÓN
Debido al continuo aumento en el consumo de energía y la polución causada en procesos de combustión de combustibles fósiles, es necesario generar nuevas tecnologías para el uso de combustibles alternativos, los cuales permitan reducir la dependencia de los combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón. Por lo general, los procesos de combustión de combustibles fósiles producen gases con efecto invernadero tales como CO2, NH3, entre otros, que incrementan la temperatura ambiente. La demanda de energía, principalmente en los países desarrollados, ha llegado a límites nunca antes esperados; esto ha ocasionado, entre otras cosas, el calentamiento global que cada día se hace más evidente debido a sus grandes implicaciones a nivel mundial.
El uso de energías alternativas podría solucionar parte del problema ambiental y energético. Una posible solución es el uso de biomasa en procesos biológicos y térmicos de conversión de energía [1]. La gasificación de biomasa, un proceso térmico para producir gas de síntesis [2, 3, 4] (mezcla de gases combustibles), podría ser una solución alternativa, ya que la biomasa es un combustible neutral en la producción de CO2. Adicionalmente, la biomasa también puede ser usada como combustible en procesos de combustión para generación de potencia; sin embargo, estos procesos ocurren por lo general a temperaturas altas que favorecen la formación de NOx y SOx. El uso de biomasa (cultivos energéticos, residuos agrícolas y municipales, etc.) como combustible en procesos de gasificación para generación de potencia no sólo alivia la gran demanda de energía, sino que también evita la polución causada por los combustibles fósiles y el manejo inadecuado de los residuos.
Gracias a su clima tropical, Colombia es un gran productor de caña de azúcar (aproximadamente 30 millones de toneladas al año) [5], lo que genera una gran cantidad de subproductos que, como se ha discutido antes, pueden ser usados para la producción de energía. Un importante subproducto es la fibra (bagazo), que tiene un considerable poder calorífico (19469kJ/kg en base seca) [6].
]]> La gasificación de biomasa usa aire puro [7, 8], vapor de agua [9, 10], aire-vapor [11, 12] y oxígeno puro o combinado con vapor de agua, para la oxidación parcial del combustible. Las especies (gases) producidas por gasificación de biomasa dependen de ciertos parámetros de operación como el tipo de biomasa, el tipo de reactor, el tiempo de residencia, el agente oxidante, etc. Como es usual, la gasificación con oxigeno puro o aire puro produce mezclas ricas en CO, mientras que la gasificación con vapor o una mezcla de vapor-aire produce gases ricos en hidrógeno. La gasificación de biomasa con puro vapor de agua (reformado de vapor) produce solo H2y CO2, no obstante, es un proceso endotérmico que requiere de energía externa. Por otra parte, la gasificación con aire-vapor puede hacerse adiabáticamente (sin energía externa) para producir mezclas ricas en H2y CO2 y un bajo contenido de CO. Dependiendo de la relación aire-vapor suministrada al reactor, el proceso global de gasificación puede ser adiabático, exotérmico o endotérmico. El presente artículo trata sobre la estimación de las especies producidas por la gasificación adiabática de bagazo usando como oxidantes diferentes mezclas de aire-vapor. Además, el valor calorífico y la eficiencia de conversión de energía fueron estimados con la composición estimada. Dos parámetros fueron investigados: la relación de equivalencia (ER), que es la relación molar entre el aire estequiométrico y el aire actual suministrado para oxidación parcial, y la relación de combustible-vapor (SF), que es la relación entre las moles de combustible y las moles de vapor de agua.REVISIÓN DE LA LITERATURA
La gasificación es un proceso termoquímico en el cual un combustible es transformado en un gas combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie de reacciones que ocurren a determinada temperatura en presencia de agentes oxidantes [13]. El gas produ 55 cido puede ser utilizado en procesos de combustión para producir calor, en una turbina de gas o un motor de combustión interna para generar potencia.
De Filipis et al [14] presentan un estudio preliminar sobre un reactor para realizar la gasificación de bagazo. En éste estudio se usa equilibrio químico para realizar cálculos termodinámicos y determinar las condiciones (gasificación completa evitando la formación de carbono y alquitrán) bajo las cuales debería poder trabajar el reactor. El resultado obtenido indica que es posible realizar la configuración del reactor para conseguir la gasificación completa sin producir carbono ni alquitrán.
Pellegrini et al [15] hacen un análisis sobre la exergía de la gasificación de caña de azúcar. En éste artículo se presenta un modelo minimizado del proceso de gasificación utilizando equilibrio químico para determinar las tendencias de los parámetros de trabajo del sistema (concentraciones de gases combustibles) y se analiza la influencia de diferentes variables (temperatura de gasificación, humedad, temperatura del aire). Los resultados obtenidos se comparan con resultados de la literatura de sistemas reales y se obtiene una buena aproximación del modelo a los resultados de la literatura.
Gordillo et al [16] usan el software CEA para estimar la producción de gases por la gasificación de TXL (Texas Lignite Coal), WYC (Wayoming Coal), FB (Feedlot Biomass) usando aire-vapor para oxidación parcial. En este estudio se presenta el efecto de la ERm, definida como la relación entre el oxígeno teórico para completa combustión y el oxígeno suministrado al reactor, y la fracción de vapor a combustible (S:F) sobre la producción de especies. Para el rango de los parámetros investigados los resultados obtenidos son: CO[0,154-0,23], CH4[0,013-0,02], H2[0,107-0,072], C2H6[0,004-0,015], CO2[0,154- 0,101], N2[0,571-0,563].
Como puede verse en la revisión de la literatura, existen algunos trabajos previos en la gasificación de bagazo usando aire como agente oxidante. Sin embargo, en este artículo se presentan resultados de la gasificación de bagazo usando mezclas de aire y vapor para oxidación parcial con el propósito de obtener mezclas de gases ricas en hidrógeno.
MARCO TEÓRICO
En la gasificación de biomasa suceden muchas reacciones; sin embargo, el proceso global se puede modelar con las siguientes reacciones [18].
Por otra parte, la gasificación de cualquier biomasa es un proceso en el que los componentes combustibles contenidos en la biomasa son oxidados parcialmente para producir gases combustibles tales como CH4, CO, H2, etc. La Ecuación 2 presenta la gasificación de biomasa con aire y vapor de agua para producir CO2, CO, H2, CH4. Otros hidrocarburos son considerados en trazas.
La relación de equivalencia (ER) indica la relación entre la relación actual y la relación teórica de combustible- aire; esta relación define si la reacción es rica o pobre. La Ecuación 3 define la relación de equivalencia utilizada en éste artículo.
La adición de vapor de agua permite obtener gases combustibles ricos en H2. La relación de vapor a combustible suministrada al reactor (SF) está definida en la Ecuación 4.
Donde N Vapor y N Fuel son las moles de vapor y combustible suministradas al reactor. Para un proceso de gasificación adiabática, la conservación de energía puede ser representada con la Ecuación 5.
La ecuación empírica y la entalpía de formación de la biomasa se pueden determinar usando conservación de masa y los análisis próximo y último [6]. Los análisis próximo y último, junto con la fórmula empírica del bagazo objeto de este estudio, son presentados en la Tabla 1.
Como fue discutido anteriormente, el software CEA Chemical equilibrium and applications) provisto por la NASA fue usado para estimar la composición adiabática de las especies producidas (alrededor de 150 especies). Este software hace uso de librerías de equilibrio químico para calcular las fracciones molares de las especies generadas con el proceso. En presente artículo son presentadas las especies más relevantes, otras que aparecieron en pequeñas concentraciones (trazas) no son presentadas. Las condiciones de operación utilizadas en el modelo se presentan en la Tabla 2.
El poder calorífico de los gases (HHVgases) y la eficiencia de conversión de energía (ECE) se calcularon con la composición de los gases y las Ecuaciones 6 y 7 respectivamente.
Donde Xi y HHVi son la fracción molar y el poder calorífico de cada una de las especies en base seca y HHVgases es la densidad de energía (kJ/m3) de los gases combustibles.
Donde NFuel y Nvapor son las moles de combustible y vapor suministradas por cada m3 de gases combustibles en base seca y λ es la entalpía de vaporización del agua.
]]> RESULTADOS Y DISCUSIÓNEn esta sección son discutidos los resultados obtenidos para la gasificación con aire y con aire-vapor.
GASIFICACIÓN CON AIRE
Las fracciones molares de las especies producidas por la gasificación con aire son presentadas en la Figura 1 como función de la ER.
Los resultados muestran que incrementando la ER se tiende a producir gases ricos en CO y H2, pero pobres en CO2 y H2O. La producción de CH4 no se ve afectada de manera significativa por ER.
GASIFICACIÓN CON AIRE - VAPOR
El efecto de la ER y SF sobre la temperatura adiabática de equilibrio y la composición de gases es discutido en esta sección. La Figura 2 presenta el efecto de ER y SF sobre la temperatura de equilibrio adiabática. El aumento en la ER significa menos aire entrando al reactor; por lo tanto, hay menos oxígeno disponible para las reacciones I y II que son exotérmicas y producen CO, CO2 y calor. Menos calor liberado en el proceso implica una disminución en la temperatura adiabática. Adicionalmente, se puede observar que la temperatura es más sensible a cambios en la ER que a cambios en la SF.
El efecto de la ER en la producción de gases se presenta en la Figura 3 para la gasificación adiabática a SF=0.4. Los resultados muestran que al incrementar la ER se aumenta la producción de CO2 y H2, pero disminuye la producción de N2y H2O. A ER < 3.5 incrementos en la ER tienden a mejorar la producción de CO, no obstante, a ER > 3.5 la ER parece no afectar la concentración de CO. Como fue discutido antes, al incrementar la ER la temperatura de equilibrio decrece (Figura 2), esto favorece la reacción de carbono con oxígeno para producir CO2 en vez de CO [17]. Más átomos de carbono dejando el reactor como CO2 implican menos átomos disponibles para la reacción (I). Las Figuras 4 y 5 presentan el efecto de las ER y SF en la producción de CO2 y CO respectivamente. Las curvas de CO2 muestran un punto de inflexión a 2 < ER < 3 (dependiendo de SF). Antes del punto de inflexión, la producción de CO2 decrece con incrementos en la ER, mientras que después del punto de inflexión la producción de CO2 se incrementa con aumentos en la ER. La disminución en la producción de CO2 implica más átomos de C disponibles para la producción de CO vía la reacción C+1/2O2 → CO (Figuras 4 y 5). Los puntos de inflexión de la grafica 4 indican que a esas ER el efecto de la temperatura en la producción de CO2 empieza a ser más importante que para producir CO. La reacción (C+O2 → CO2), es favorecida a bajas temperaturas mientras que la reacción (C+1/2 O2 → CO) es importante a altas temperaturas [17].
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Como fue descrito antes, el incremento de la ER implica menos átomos de oxígeno, lo cual ocasiona una disminución en la temperatura y, por lo tanto, ayuda a la formación de CO2 vía la reacción II.
En la Figura 6 se presenta el efecto de la ER y SF en la producción de H2. Al aumentar la ER, manteniendo SF constante, se presenta una mayor relación de vapor/aire; por lo tanto, hay más átomos de H disponibles para las reacciones de vapor con C [C+H2O →CO+H2] y con CO[CO+H2O → H2 + CO2]. Como resultado de esto, la producción de H2se aumenta mientras que la producción de CO tiende a disminuir especialmente a altas ER. Al incrementar la SF manteniendo la ER constante, la producción de CO2 y H2 aumenta pero la producción de CO disminuye.
Esto es debido a que al incrementar la SF el proceso de gasificación ocurre en un ambiente rico en H2O que favorece las reacciones V y VI que producen mezclas ricas en H2 y CO2. Se puede observar que la producción de H2 es más sensible a cambios en la ER que a cambios en la SF. En las Figuras 5 y 6 también puede verse que la SF afecta más la producción de CO que la producción de H2. En otras palabras, al aumentar la SF el valor neto en la disminución del CO es mayor que el valor neto en el aumento de H2.
PODER CALORÍFICO
El poder calorífico de los gases es presentado en la Tabla 3, como función de la ER y la SF. A medida que aumenta la ER, aumenta el HHV de los gases; esto es debido a que aumenta la producción de H2. Adicionalmente con valores altos de la ER empiezan a aparecer pequeñas fracciones molares de CH4 que tienen un valor calorífico superior (~38000 kJ/m3) al CO (~10300 kJ/m3) y H2(~10500 kJ/m3). Por otro lado se puede observar que al incrementar la SF el HHV de los gases tiende a disminuir un poco. Lo anterior se debe a que al aumentar la SF el valor del aumento de H2es menor que el valor de la disminución de CO. Aunque el HHV disminuye un poco con incrementos en la SF, los gases producidos con altas SF son ricos en H2lo que los hace muy atractivos desde el punto de vista ambiental, ya que la combustión de H2 produce calor y H2O.
]]> En la Tabla 4 se puede observar un aumento en la eficiencia a medida que aumenta el valor de la ER, esto se debe principalmente a que el HHV de los gases también aumenta con incrementos en la ER; del mismo modo, se puede observar una leve disminución de la eficiencia a medida que aumenta el valor de SF. Es importante resaltar la diferencia que se presenta en la tendencia para ER=4,5 y 0,1<SF<0,4; esto se debe a que bajo estas condiciones de operación empieza a producirse carbono puro debido a una deficiencia de oxigeno para completar reacción del carbono fijo contenido en la biomasa.Altos valores de la ER (ER>4) implican bajo oxígeno suministrado al reactor, por lo tanto, bajo estas condiciones no hay el oxígeno suficiente para la combustión del carbono fijo (FC) y empieza a aparecer carbono puro como subproducto. En otras palabras, a ER>4 el proceso tiende a ser pirolisis que produce carbono, gases y ceniza.
En general las mezclas ricas en H2 y CH4 presentan una mejor eficiencia de conversión debido a sus altos poderes caloríficos, comparados con la del CO.
CONCLUSIONES
1. Para obtener mezclas de gases ricas en hidrógeno es necesario realizar el proceso en un ambiente rico en vapor de agua.
2. Las mejores condiciones para obtener mezclas ricas en hidrógeno son con valores altos de la ER.
3. En general la producción de los diferentes gases combustibles es más sensible a variaciones en la ER que a variaciones en la SF.
4. La gasificación del bagazo con aire-vapor produce mezclas ricas en H2mientras que la gasificación con únicamente aire produce mezclas ricas en CO.
5. La fracción máxima de H2(0,293) se obtuvo a ER=4,5 y SF=0,7; mientras que la máxima fracción de CO (0,28) se obtuvo a ER=4 y SF=0,1.
]]> 6. En general para los parámetro estudiados 1,5<ER<4,5 y 0<SF<0,7 la producción de gases fue: CO(8%-29,3%), N2(26,5%-57.9%), H2(3,6%- 29,3%), CO2(6,8%-14%).7. La gasificación a ER>4 implica la producción de carbono puro como subproducto; es decir que a ER>4 el proceso tiende a ser pura pirolisis para producir carbono activado (C) y gases livianos.
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