EVALUACIÓN TEÓRICO EXPERIMENTAL DE UN SISTEMA AVANZADO GASIFICADOR DE BIOMASA/MOTOR RECIPROCANTE PARA LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD. (PARTE II)

ARTÍCULO ORIGINAL EVALUACIÓN TEÓRICO EXPERIMENTAL DE UN SISTEMA AVANZADO GASIFICADOR DE BIOMASA/MOTOR RECIPROCANTE PARA LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD. (PARTE II) THEORETICAL AND EXPERIMENTAL EVALUATION OF AN ADVANCED SYSTEM GASIFIER OF BIOMASS/ENGINE RECIPROCATING FOR THE GENERATION OF ELECTRICITY. (PART II) Dr. René Lesme-JaénI, Msc. Juan Daniel MartínezII, Dr. Rubenildo VieraAndradeII, Dr. Electo Eduardo Silva-LoraII I: Facultad de Ingeniería Mecánica, Centro de Estudios de Eficiencia Energética, Universidad de Oriente, Cuba. II: Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída, Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá, Brasil RESUMEN La gasificación de biomasa es una forma de conversión de energía que todavía se mantiene en etapa de investigación y desarrollo con algunas aplicaciones en la generación de electricidad. La actividad científico investigativa sobre el tema, ha estado centrada a la mejoría del diseño, modelación y evaluación de diferentes tipos de gasificadores, las aplicaciones prácticas se han llevado a cabo fundamentalmente a través de instalaciones de pequeña y mediana potencias para la generación de energía eléctrica usando motores de combustión interna. En éste trabajo presentamos la evaluación de un sistema gasificador/motor de combustión interna, para determinar; los parámetros operacionales del gasificador, la calidad del gas que él produce y la potencia eléctrica y gases contaminantes que se puede generar en el motor. La calidad del gas se evalúa atendiendo a su contenido de alquitrán y particulados. La novedad consiste en la utilización de un gasificador con dos etapas (puntos) de inyección de aire, como una solución para mejorar la calidad del gas producido. En el trabajo se demuestra, como la utilización de una segunda inyección de aire en el gasificador disminuye el contenido de alquitrán del 283 gas con respecto a otros tipos de gasificadores y durante la generación de electricidad las emisiones de NOx disminuyen con respecto al gas natural. Palabras clave: biomasa, gasificación. ABSTRACT The biomass gasification is one way energy conventions which maintain in phase the investigation and development with some application in the electrical generation. The scientific investigation activity about theme hit the center away improvement a design; modelation and evaluation of different type the gasifiers, the practical applications carry out through small and middle power for electric energy generation to use combustion internal engine. In this work presented the evaluation of a gasifier system/internal combustion engine for determine: the operational parameters of the gasifier, the quality of the gas it produces and the electrical power and pollutant gases can be generated in the engine. The quality of the gas is evaluated according to its content of tar and particulate. The novelty consists in the use of a gasifier with two stages (points) of air injection, as a solution to improve the quality of the gas produced. At work we demonstrate how the use of a second injection of air into the gasifier decreases the tar content of the gas with regard to other types of gasifiers and during electricity generation of NO x emissions decrease with respect to natural gas. Keywords: biomass, gasification. INTRODUCCION La gasificación de biomasa, es la termoconversión de la misma en un gas combustible apto para la combustión directa y con un tratamiento adecuado, entre otras aplicaciones, puede ser utilizado en motores de combustión interna para generar electricidad. Uno de los mayores problemas de ésta tecnología es la formación de alquitrán, el cuál puede ocasionar el colapso de la gasificación debido al bloqueo y ensuciamiento de las tuberías y válvulas, además del mal funcionamiento de los equipos donde el gas será utilizado. El contenido de alquitrán es fuertemente dependiente de las condiciones operacionales del gasificador, del tipo de gasificador, de las características de la biomasa y del agente de gasificación usado. Las tecnologías para el control del alquitrán pueden ser dividas en dos; tratamiento dentro del gasificador (métodos primarios) y limpieza del gas caliente después del gasificador (métodos secundarios) [1, 2]. Dentro de los métodos primarios se utiliza la gasificación en dos etapas, en nuestro caso consiste el suministro del aire en dos puntos de inyección (estadios), uno en la zona de pirólisis y otra en la zona de combustión, para garantizar un aumento de la temperatura en dicha zona y una reducción del contenido de alquitrán del gas. 284 En la primera parte de éste trabajo, presentamos la evaluación termodinámica de un gasificador y la identificación de las mejores condiciones para el trabajo, las cuales se corresponden a un flujo de aire de 20 Nm 3/h con una relación entre el volumen de aire por el primer estadío y el segundo estadio Ra = 80 %, una eficiencia en frío de 70,78 % y un poder calórico bajo del gas de 4,53 MJ/Nm 3. Bajo esta condición el gasificador produce 2,7 Nm3 por kilogramos de biomasa alimentada y alcanza una potencia térmica de 50 kWt. El objetivo de esta segunda parte del trabajo es la determinación de los parámetros operacionales del gasificador y la evaluación, bajo las condiciones anteriores, del contenido de alquitrán y particulados del gas, así como, la evaluación del motor de combustión interna, desde el punto de vista de la potencia generada y emisiones de gases. DESARROLLO Parámetros operacionales Se consideran parámetros operacionales de un gasificador los siguientes indicadores: capacidad de producción de gas (Yield), factor de aire (FA), velocidad superficial del gas generado (Vs), tasa específica de gasificación (SRG), estos se pueden determinar a través de las siguientes expresiones. [3-10] 285 Los resultados de los cálculos para las relaciones entre el volumen de aire por el primer estadío y el segundo estadio (Ra, ecuación 5) y los valores de V g, mb, ma, mrdeterminados en la primera parte de este trabajo se presentan en las figuras 1, 2, 3 y 4. Fig. 1 Capacidad de producción de gas por unidad de biomasa alimentada (Yield) para Ra = 0, 40 y 80%. 286 Fig. 2 Comportamiento del factor de aire y la potencia del gas para R a = 0, 40, 80%. Fig. 3 Tasa específica de gasificación y velocidad superficial del gas para R a = 0, 40 e 80%. 287 Fig. 4 Comportamiento del factor de aire y la eficiencia en frio para R a= 0, 40, 80%. En la figura 1 se confirma que la mayor capacidad de producción de gas del reactor se logra para una Ra = 80 % (2,7-2,8 Nm3/kg de biomasa alimentada), para estas condiciones el factor de aire está próximo a 0,35 y la potencia del reactor de 50 kWt, según la figura 2. En ésta misma figura 2 se puede apreciar que es posible utilizando un volumen de aire de 22 Nm3/h aumentar en un 4 % la potencia del reactor utilizando una distribución de aire Ra = 40 %, como se había concluido en la primera parte del trabajo. En esta condición se (...truncated)