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GASIFICACIÓN DE BRIQUETAS DE CARBÓN CON BIOMASA:

Una alternativa energética sostenible

Marco Antonio Ardila Barragán

Alfonso López Díaz

Luis Fernando Lozano Gómez

Eduardo Gil Lancheros

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia

2021

Gasificación de briquetas de carbón con biomasa: una alternativa energética sostenible / Gasification of charcoal briquettes with biomass: A sustainable energy alternative / Ardila Barragán, Marco Antonio; Díaz López, Alfonso; Lozano Gómez, Luis Fernando; Gil Lancheros, Eduardo. Tunja: Editorial UPTC, 2021. 116 p.

ISBN 978-958-660-518-2

ISBN Digital 978-958-660-519-9

1. Gasificación de carbón. 2. Mezclas carbón - biomasa. 3. Briquetas carbón - biomasa. 4. Alternativa energética. 5. Materiales carbonosos. 6. Generación térmica.

(Dewey 333.7 /21) (THEMA THV - Tecnología y fuentes de energía alternativa y renovable)

Primera Edición, 2021

50 ejemplares (impresos)

Gasificación de briquetas de carbón con biomasa: una alternativa energética sostenible

Gasification of charcoal briquettes with biomass: A sustainable energy alternative

ISBN 978-958-660-518-2

ISBN 978-958-660-519-9

Colección de Investigación UPTC N.º 185

Proceso de arbitraje doble ciego

Recepción: junio de 2020

Aprobación: octubre de 2020

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Libro resultado de investigación con SGI 1793

Citar este libro / Cite this book

Ardila Barragán, M., Díaz López, A., Lozano Gómez, L. & Gil Lancheros, E. (2021). Gasificación de briquetas de carbón con biomasa: una alternativa energética sostenible. Tunja: Editorial UPTC

DOI: https://doi.org/10.19053/9789586605182

Resumen

Colombia se une al compromiso con la sostenibilidad del planeta, implementando estrategias para reducir emisiones y optimizar la eficiencia energética, en los sectores industrial, comercial y residencial, mediante la transferencia de tecnología y la sustitución de combustibles; como firmó en el Acuerdo de París en 2015. A nivel mundial se debate el uso de combustibles fósiles, particularmente del carbón para generación térmica por combustión directa; sin embargo, las reservas seguras de este recurso energético que sobrepasan las 800.000 Mt, de las cuales 93% se concentra en diez países (entre ellos el nuestro con más de 6500 Mt), debe garantizar el consumo racional y sostenible, mientras se logra substituir por energías renovables.

En esta investigación se desarrolló una alternativa para mejorar eficiencia energética y gestión ambiental, mediante la sustitución del proceso de combustión directa de carbón por gas de síntesis. Se utilizó carbón subituminoso y biomasa vegetal de cenizo (Chenopodium Album) de la provincia Centro de Boyacá (Colombia), para fabricar briquetas con mezclas carbón/biomasa (75/25). Se simuló la composición de equilibrio con reacciones químicas del proceso de gasificación, para validar con los resultados de las pruebas experimentales, realizadas con muestras de briquetas en un analizador termogravimétrico. Se hicieron pruebas de fusibilidad de cenizas para verificar que no producen escorias fundidas. La composición del syngas se determinó por análisis de cromatografía de gases; la concentración de CO en el gas de biomasa es mayor que la de H2, mientras que la de CH4, CO2 y C2H4 es similar con el gas del carbón. El valor calorífico es mayor en el syngas del carbón. La producción de gas, la eficiencia en la conversión de carbón, y la eficiencia térmica, es mayor es mayor en la cogasificación de la mezcla. Estos resultados confirman la viabilidad técnica del proceso gasificación de briquetas.

Palabras clave: Briquetas, chenopodium álbum, Mezclas carbón-biomasa, Cogasificación, Gas de síntesis, Generación térmica.

Abstract

Colombia is committed to the sustainability of the planet by implementing strategies to reduce emissions and optimize energy efficiency in the industrial, commercial, and residential sectors. The strategies have included the implementation of new technology and fuel substitutions as signed in the Paris Agreement in 2015. At a global level, the use of fossil fuels has been debated for energy production with a special emphasis placed on coal. However, with 93% of the secure reserves of this energy source in 10 countries that exceed 800,000 Megatonnes, and more than 6,500 Megatonnes in Colombia, creative solutions are required to guarantee rational and sustainable consumption while reaching total substitution by renewable energy sources.

This study found an alternative which was developed to improve energy efficiency and environmental management by replacing the direct coal combustion process with synthetic gas. Sub-bituminous coal and plant biomass from Chenopodium Album (ash) from the central province of the department of Boyacá (Colombia) were used to form briquettes with a 75/25 ratio (coal/biomass). Simulations of the equilibrium composition were made with the chemical reactions of the gasification process in order to compare them with the results of the experimental tests which were carried out with samples of the briquettes in a thermogravimetric analyzer. Fusibility tests were carried out with ash from the briquettes to show that they did not reach the melting point during the gasification process. The composition of the syngas produced during the tests was determined by gas chromatography. It was found that the gas with the highest concentration was CO while the gas with the lowest concentration from the biomass was H2. Likewise, the concentrations of CH4, CO2 and C2H4 were similar between coal and biomass while the calorific value is higher in the syngas obtained from coal. The production of gas, efficiency in the conversion of coal, and thermal efficiency is greater with the cogasification of agglomerated mixtures. These results confirm the technical viability of the gasification of briquettes.

Keywords: Briquettes, chenopodium album, Carbon-biomass mixtures, Cogasification, Syngas, Thermal generation.

Dedicatorias

Marco:

“A mi esposa, a mis hijos, a la memoria de mi gran Maestro y Amigo Álvaro Diaz Chávez (q.e.p.d.), a mis estudiantes, futuro y esperanza de la humanidad. Todos ellos, motivo y razón de mi esfuerzo y dedicación”

Alfonso

“La contribución que tuve a la publicación de este libro, quiero dedicarla al amor, colaboración y acompañamiento cariñoso que he tenido durante toda mi vida profesional de mis padres, que en paz descansan, de mi señora y de mis hijos”

Fernando:

“A todas las personas que de una manera desinteresada apoyaron este trabajo, el cual presenta una alternativa tecnológica de uso del carbón en armonía con el medio ambiente”

Eduardo:

“A mi familia y a todas las personas que creen e invierten en el desarrollo de proyectos energéticos ecosostenibles”

Contenido

Glosario

Prefacio

Capítulo I

1. Materias Primas.

1.1 Carbón

1.1.1 Lignito

1.1.2 Hulla

1.1.3 Antracita

1.2 Clasificación de los carbones

1.2.1 Norma ASTM D388 (C. D.-5 ASTM, 2010)

1.2.2 Universidad de Illinois.

1.2.3 Van Krevelen (Spliethoff, 2010).

1.3 Propiedades del carbón que influyen en el proceso de gasificación

1.4 Biomasa

1.4.1 Clasificación y propiedades.

1.4.2 Herbáceos y biomasas agrícolas.

1.5 Mezclas de carbón con biomasa para combustión.

1.5.3 Técnicas y tecnologías de briquetización.

2. Gasificación

2.1 Fases y reacciones químicas del proceso de gasificación del carbón.

2.1.1 Fase de secado del combustible sólido

2.1.2 Fase de pirólisis.

2.1.3 Fase de oxidación.

2.1.4 Fase de gasificación.

2.2 Combustibles sólidos gasificables.

2.3 Productos, subproductos y aplicaciones.

2.4 Propiedades de los agentes gasificadores.

2.5 Gasificadores.

2.5.1 Gasificador de lecho fijo.

2.5.2 Gasificador de lecho fluidizado.

2.5.3 Gasificadores de flujo arrastrado

2.6 Características de los procesos de gasificación.

2.7 Fundamentos Termodinámicos del proceso.

2.8 Modelo matemático para la solución del sistema de ecuaciones químicas.

Capítulo II

1 Selección y caracterización de materias primas

1.1 Carbones

1.2 Biomasas.

1.3 Diseño de mezclas carbón-biomasa.

2. Pruebas de gasificación.

2.1 Gasificación de briquetas en microreactor de lecho fijo.

2.2. Pruebas de gasificación en analizador Termogravimétrico (TGA).

2.2.1 Análisis de degradación y gasto del aglomerante.

2.2.2 Análisis de fusibilidad de cenizas.

2.3 Simulación de las composiciones de equilibrio.

2.4 Análisis termodinámico del proceso de gasificación de mezclas aglomeradas.

Capítulo III

1. Resultados caracterización de materias primas.

1.1 Carbón

1.2 Biomasas.

1.3 Análisis y discusión de los contenidos de humedad.

1.4 Análisis y discusión de los contenidos cenizas.

1.5 Análisis y discusión de los contenidos de materia volátil.

1.6 Análisis y discusión de los análisis elementales.

2. Pruebas de Gasificación

2.1 Pruebas en microgasificador de lecho fijo.

2.2 Pruebas en analizador termogravimétrico (TGA)-Análisis Termodinámico.

2.2.3 Comportamiento de las cenizas de la mezcla (P3) durante el proceso.

2.3 Simulación del proceso de gasificación de las muestras P1, P2 y P3.

2.3.1 Parámetros simulación proceso gasificación de 25 a 950°C. 77

2.3.2 Supuestos de la simulación para producción de gas entre 750°C y 950°C.

2.4 Gasificación mezclas carbón-biomasa con aire, CO2 y vapor de agua.

2.5 Análisis de eficiencia del proceso de gasificación de mezclas.

Conclusiones

Referencias

Glosario

Agente Gasificador. Gas precursor para la producción de gas de síntesis; puede utilizarse oxígeno (O2), vapor de agua (H2O(v)), dióxido de carbono (CO2), e hidrógeno (H2) (Qin, 2012).
Análisis Térmico (AT). Técnica para analizar en una muestra de material, la relación de una propiedad en función de la temperatura bajo ambiente controlado (Lever et al., 2014); incluyen métodos estáticos asociados a cambios de masa a presión constante en función de la temperatura, y a temperatura constante; también, métodos dinámicos asociados a cambios de masa como termogravimetría (TG o TGA), y termogravimetría derivativa (DTG) (Gugliotta, n.d.; Skoog & Crouch, 2008).
Biomasa. Todo tipo de plantas y animales junto con sus residuos y desechos, que se usan para la producción de energía (Twidell, J. Weir, 2006). Se define, igualmente, como todo material orgánico no fosilizado y biodegradable de origen vegetal, animal y microorganismos derivados de fuentes biológicas; incluye productos, subproductos y residuos forestales, agrícolas y de industrias relacionadas; también, fracciones orgánicas biodegradables de industrias y desechos sólidos municipales (Demirbaş, 2003).
Briqueta. Conglomerado de carbón u otra materia en forma de ladrillo (FARLEX, 2005).
Briquetización. Proceso de aglomeración o densificación de materiales finos sometidos a compresión; las partículas se pueden aglomerar por deformación y entrelazamiento de granos, los polvos pueden unirse por fuerzas de Van der Waals o por fuerzas electrostáticas. (Wolfgang Pietsch, 1991). En la mayoría de los procesos se usan sustancias aditivas con propiedades aglomerantes como alquitrán y otros líquidos orgánicos o minerales, que pueden formar enlaces muy similares a los puentes sólidos (Grover & Mishra, 1996).
Carbón Mineral. Roca sedimentaria - metamórfica de origen vegetal, formado en cuencas límnicas (intercontinentales) y parálicas (incursiones marinas); de composición heterogénea, principalmente materia orgánica de plantas y minerales, e inclusiones de otras materias orgánicas acumuladas durante el período de sedimentación. Las condiciones de presión y temperatura propias de la actividad geotectónica, dieron origen a fases de transformación bioquímica y geoquímica que definen las propiedades fisicoquímicas como: dureza, resistencia mecánica, anisotropía óptica, porosidad, humedad, materia mineral, materia volátil, carbono fijo, azufre, oxígeno e hidrógeno, entre otras (Alpern, 1963; C. ASTM, 2010; Cornell, 1963).
Ceniza. residuo sólido de la combustión completa de un combustible (o mezcla) sólido (C. ASTM, 2010).
Criterios de espontaneidad de las reacciones químicas. La espontaneidad se define como un cambio en la reacción que ocurre sin ser inducido por factores externos (Upadhyaya, G.S.; Dube, 1979).
Entropía (S). Propiedad termodinámica que indica el grado de desorden molecular de un sistema (Cengel & Boles, 2011).
Entalpía (H). Relación entre el calor de reacción y la variación de energía interna o cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno (Cengel & Boles, 2011).
Gasificadores. Reactores termoquímicos donde se llevan a cabo las reacciones químicas del proceso de gasificación; pueden ser: de lecho fijo, lecho fluidizado y lecho arrastrado (Breault, 2010).
Materiales Carbonosos. Materiales que contienen carbón o se asemejan (FARLEX, 2005).
Mezclas de Carbón con Biomasa. Combustible sólido en el que se combinan de forma física y homogénea carbón y biomasa, manteniendo las propiedades particulares hasta antes de la combustión. Pueden conformarse a partir de: madera, desechos de madera, cultivos herbáceos, desechos de cosechas y residuos industriales del procesamiento de biomasa, entre otros (Tillman et al., 2012).
Proceso de Gasificación. Proceso termoquímico para producir gas sintético (syngas), a partir de materiales carbonosos mediante la oxidación parcial a elevadas temperaturas (Rezaiyan & Cheremisinoff, 2005). El gas de síntesis producido con aire contiene monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), metano (CH4), alquitrán, agua y pequeñas cantidades de otros hidrocarburos; es de bajo poder calorífico (4 a 7 MJ/m3). El syngas producido con O2 como agente oxidante, puede alcanzar entre 10 a 18 MJ/m3. (Bodler & Huebler, 1981).
Rango del carbón. Grado de metamorfismo del carbón durante la transformación de turbas a antracitas (C. ASTM, 2010).