UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

Campus Santo Domingo

FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

Proyecto técnico previo a la obtención del título de:

INGENIERO AUTOMOTRIZ

ESTUDIO, DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN GASIFICADOR PARA LA

GENERACIÓN DE CONBUSTIBLE ALTERNATIVO A TRAVÉS DE LA

BIOMASA PARA MCI EN SANTO DOMINGO DE LOS TSACHILAS,

PERIODO 2015 - 2016.

Nombre:

MOISÉS FILIBERTO MORA MURILLO

Docente Tutor

Lic. Remberto Rodríguez Msc.

Santo Domingo – Ecuador

Septiembre del 2015

Dedicatoria

Lleno de regocijo, de amor y esperanza, dedico este proyecto, a

cada uno de mis seres queridos, quienes han sido mis pilares para

seguir adelante.

Es para mí una gran satisfacción poder dedicarles a ellos, que con

mucho esfuerzo, esmero y trabajo me lo he ganado.

A mis padres Walter Mora y Lida Murillo, porque ellos son la

motivación de mi vida mi orgullo de ser lo que seré.

A mis hermanos Walter y Moisés, porque son la razón de

sentirme tan orgullosa de culminar mi meta, gracias a ellos por

confiar siempre en mí.

Y sin dejar atrás a toda mi familia por confiar en mí, a mis

abuelitos, tíos y primos, gracias por ser parte de mi vida y por

permitirme ser parte de su orgullo.

Agradecimiento

Agradezco eternamente a Dios por haberme iluminado y

permitirme seguir adelante, con sabiduría, paciencia y hacer

realidad una de mis aspiraciones y obtener la Ingeniería en

Mecánica Automotriz.

A cada una de las personas que colaboraron con un granito de

arena para que este proyecto se haga realidad, mi eterno

agradecimiento por su incondicional apoyo y ayuda.

Un agradecimiento especial al

PhD……………………………….. por ser parte fundamental de

la culminación de este proyecto, por haberme brindado sus

conocimientos con sus experiencias y sapiencias.

I. INTRODUCCION

1.1. Planteamiento del problema

El estado actual del planeta desde el punto de vista energético permite que la

generación de energías renovables tome cada vez una mayor relevancia a nivel

global. La generación de un combustible alternativo a partir de la biomasa como

combustible en conjunto con agentes en la gasificación, tiene una doble ventaja ya

que posibilitan la diversificación energética y reducen la dependencia del petróleo

con lo cual disminuyen las emisiones globales de CO2.

Alrededor de las tres cuartas partes de las emisiones de CO2 antropogénicas que se

han producido en los últimos 20 años en el mundo se deben a la quema de

combustibles fósiles, ya que el 80% de nuestra energía depende todavía de los

combustibles fósiles (petróleo y gas natural). El resto se debe fundamentalmente a

los cambios en el uso del suelo y especialmente a la deforestación. La única manera

de evitarlo es gestionar la demanda de energía, aumentar la eficiencia energética y el

uso de energías renovables. (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 6)

En este trabajo se propone la obtención de un gas de síntesis con la finalidad de que

el mismo tenga un poder calorífico razonable con el objetivo de que pueda

combustionar dentro de un MCI con la ayuda de un agente oxidante elevando así el

poder calorífico del gas resultante.

Es así, que desde el punto de vista ambiental uno de los procesos más viables para

generación de combustibles alternativos es la utilización de residuos biomasicos

convirtiéndolos en un gas de síntesis. Es por esta razón que en la Universidad

Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo se quiere implementar un sistema de

gasificación termoquímica, buscando realizar nuevas investigaciones sobre la

óptima utilización de la biomasa como recurso renovable y que a priori otras

instituciones se den cuenta de del aprovechamiento que se le puede dar a este

recurso con el finalidad de que también lo implementen en sus instalaciones.

1.2. Justificación

Los sistemas de gasificación de residuos sólidos, ya sean de origen forestales,

agrícolas o urbanos, se enmarcan dentro del desarrollo sostenible tanto en los países

desarrollados como en los emergentes ya que se integran con planes de manejo

integral de residuos de sólidos, generando energía eléctrica utilizando la misma,

disminuyendo la dependencia de combustibles derivados del petróleo y reduciendo

las emisiones de dióxido de carbono en la atmósfera.

Uno de los procesos con mayor potencial es la gasificación. Este permite la

generación tanto de energía térmica como eléctrica, mediante tecnologías de bajo

costo como los gasificadores. En el país la investigación con la biomasa como

energía renovable se encuentra a muy bajo nivel, es así que este proyecto va de la

mano con las políticas y lineamientos del plan del buen vivir que en su objetivo

once, que menciona asegurar la soberanía y eficiencia de los sectores estratégicos

para la transformación de la industria y tecnología.

De la misma manera esto implicaría ingresos de recursos lo que afianzaría los

procesos de investigación y vinculación alineándose con el plan del buen vivir, con

la misión y visión de la institución, justificando de esta forma la ejecución del

mismo.

1.3. Objetivos de la investigación

1.3.1. Objetivo General

“DISEÑAR, Y CONSTRUIR UN GASIFICADOR PARA LA GENERACIÓN DE

CONBUSTIBLE ALTERNATIVO A TRAVÉS DE LA BIOMASA PARA MCI

PARA LA UTE SEDE SANTO DOMINGO”

1.3.2. Objetivos Específicos

Determinar los parámetros de diseño y construcción del gasificador de

biomasa para MCI.

Diseñar el sistema alternativo acoplado al MCI.

Evaluar técnica y económicamente el gasificador.

1.4. Hipótesis

1.5.1 Hipótesis alternativa

El gas de síntesis obtenido en el gasificador térmico es viable para la

utilización en un MCI.

El gas de síntesis obtenido en el gasificador térmico no es viable para la

utilización en un MCI.

1.5. Alcance de la investigación

El presente proyecto tiene como alcance la implementación, montaje y construcción

de un sistema de gasificación, para el funcionamiento de un motor de combustión

interna previamente modificado para biogás para el taller mecánico de la

Universidad Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo, y posterior desarrollo

de procedimientos para el uso del mismo.

II. REVISION DE LITERATURA

II.1. Antecedentes

El aprovechamiento de las fuentes de energía renovable, entre ellas la energía solar,

eólica e hidráulica, y el uso de combustibles de biomasa es muy antiguo; desde hace

muchos años ya se utilizaban, no obstante, después de la primera guerra mundial se

produjo un retorno total a los combustibles líquidos tan pronto como volvieron a

estar disponibles, debido evidentemente a su comodidad, seguridad y ventajas

económicas.

Recientemente se ha despertado de nuevo el interés por esta tecnología,

especialmente como un medio de utilizar combustibles de biomasa, en vez de

combustibles de petróleo importados en países en desarrollo. Este interés procede de

la evidencia bien documentada de que durante la Segunda Guerra Mundial más de 1

millón de vehículos, autobuses, camiones, automóviles, barcos y trenes fueron

propulsados por gasificadores alimentados a base de madera, carbón vegetal, turba o

carbón mineral.

Los sistemas de gasificación se vienen usando desde hace muchos años. La

producción de biogás a partir de materiales a base de carbono es una tecnología

antigua, y a pesar de que las ventajas del proceso de gasificación fueron descubiertas

a principios de los años 1800, la utilización de esta tecnología se ha planteado como

una alternativa viable hasta en los últimos 50 años. Estos sistemas han demostrado

ser una buena alternativa para resolver los problemas energéticos en comunidades

aisladas del sistema electro-energético. El primer gasificador de flujos paralelos

concurrentes fue instalado en 1839. Los principios básicos de la gasificación de la

biomasa han sido conocidos desde finales del siglo XVIII, pero las primeras

aplicaciones comerciales datan de 1830. Hacia comienzos de 1850 un gran número

de lámparas de alumbrado público en Londres ya funcionaban con gas producido de

la gasificación de biomasa, este experimento constituyó en el comienzo definitivo de

las investigaciones es esta área.

Los orígenes del proceso de gasificación comienzan en Francia e Inglaterra en el

siglo XIX donde se empleaba para la manufactura de un gas combustible cuyo uso

era doméstico. Durante la Primera Guerra Mundial su uso se extendió en la

fabricación de motores alimentados por biomasa o carbón para vehículos

automotores, barcos, trenes y generadores de energía eléctrica de pequeña escala.

Sin embargo, la llegada de combustibles fósiles relativamente baratos y de

“quemado” fácil como la gasolina desplazó a los gasificadores de la industria

energética. En el inicio de la Segunda Guerra Mundial surgió un interés por formas

alternativas de producir combustibles, retomando el uso de gasificadores en la

industria automotriz. Un caso destacable de este hecho surgió en Suecia, donde en

1943 alrededor del 90% de los vehículos contaban con un motor basado en

gasificador.

Cuando la producción de petróleo comenzó a estar disponible, el gas combustible

producto de la gasificación de biomasa cayó. Actualmente debido al agotamiento de

los combustibles y a la alza en los precios del petróleo, las tecnologías de

gasificación han sido redescubiertas recientemente como una fuente de energía

alternativa que ofrece varias ventajas sobre la combustión o quemado directo de

combustibles fósiles como la gasolina y el carbón. De manera que el proceso de

gasificación resulta atractivo debido a que es posible utilizar materiales de escaso

valor comercial para generar energía eléctrica con alta eficiencia y baja producción

de gases de efecto invernadero a un costo capital relativamente bajo.

Con ello se ha puesto en evidencia el efecto nocivo de los elevados precios del

petróleo, en continuo aumento, para la economía y los esfuerzos de progresos de los

países en desarrollo importadores de petróleo. Como resultado de ello, se ha

producido un aumento del interés por las fuentes nacionales de energías renovables,

de las cuales, la biomasa, en forma de madera o de residuos agrícolas, es el más

fácilmente disponible en muchos países en desarrollo.

En el presente existe una creciente preocupación por el medio ambiente, que ha

hecho generar una serie de cuestionamientos sobre continuar usando combustibles

fósiles y por ello, la necesidad de producir energía sostenible ha incrementado la

investigación en este campo y especialmente en el campo de la gasificación. (Javier

Alejandro Villegas, 2012, pág. 8)

II.2. Fundamentos teóricos

Se refiere biomasa a cualquier conjunto de materia orgánica renovable de origen

vegetal, procedente de un proceso biológico espontaneó o provocado. Conteniendo

carbono, nitrógeno, oxigeno e hidrogeno como cada ser vivo. Puede clasificarse

como natural (producida en ecosistemas) y la residual producida por cualquier

actividad humana principalmente en procesos agrícolas, industriales, basura

producida y aguas residuales.

En Ecuador la utilización de biomasa se reduce a la autogeneración en

agroindustrias como por ejemplo ingenios azucareros, piladoras de arroz e industrias

agroforestales, se destacan por su disponibilidad de residuos de madera, tusa de

maíz, bagazo de caña de azúcar, cascara de coco, cascara de café, cascara de arroz,

cascara de cacao.

Cuya mayor dificultad es obtener un estimado de la cantidad de residuos ay que son

utilizados mayormente para fertilización y combustión para la obtención de calor.

No se puede obtener un estimado ya que nadie cuantifica la biomasa, por lo que no

hay notas fiscales para la compra de la misma, siendo difícil y casi imposible

recolectar datos sobre la biomasa disponible en el país.

2.1.1. Residuos de bosques

En la provincia de Pichincha se tiene grandes parques los cuales tienen vegetación

endémica de su localidad. Tienen una gran capacidad de generación de biomasa

como por ejemplo los parques metropolitanos de Quito.

Así como explotación de maderas comerciales en la provincia de Esmeraldas, Los

ríos y muy controlada en la amazonia ecuatoriana. (Javier Alejandro Villegas, 2012,

pág. 10)

2.1.2. Especies Agrícolas

Cascara de café

Producida en pequeñas agroindustrias productoras de café localizadas

principalmente en la zona de la sierra sur del Ecuador. Su residuo se utiliza como

fuente energética con combustión directa.

Cascara de arroz

Producida en toda la zona de la costa del Ecuador donde la producción y

almacenamiento del residuo lo realizan las piladoras utilizada mayormente para la

avicultura y ganadería como filtros para recolección de residuos animales. También

la semi – combustión de esta materia para el uso como fertilizante de tierra.

Bagazo de caña de azúcar

Este material es el más utilizado en la industria ecuatoriana, el residuo de la

producción de azúcar es utilizado en la cogeneración de energía a través de calderos,

los cuales ayudan a la autonomía energética de las empresas azucareras.

Cascara de coco

En toda la costa ecuatoriana se puede encontrar esta especie agrícola, con pequeñas

industrias dedicadas al procesamiento de este producto la utilización del agua y

corteza como fuente de alimento y procesamiento de duces y utilización en la

cocción de alimento teniendo como residuo la fibra la cual se desecha sin ningún

tipo de procesamiento.

Cascara de palma africana

La industria de producción de aceites se utiliza este especie vegetal cuyo producto

es la pulpa y residuo es toda la cascara.

Cascara de cacao

Ecuador es un exportador de cacao de alta calidad, cuya producción se lo realiza en

todas las zonas del piso climático caliente, el producto final son los granos secos de

cacao y su residuo es toda la cascara la cual se utiliza como fertilizante de tierra.

Tusa de maíz

Toda la producción de harinas y diferentes granos se la realiza con diferentes

especies de maíz en los cuales solo se utilizan los granos y la tuza viene a ser un

desecho los cuales combustionan en los campos y son utilizadas sus cenizas como

fertilizantes de tierra.

PODER CALORIFICO DE LA BIOMASA

BIOMASAHHV

MJ/KgCarbón coquizado 25 a 32Madera 10 a 20Paja 14 a 16Cáscara de coco 18 a 19

Cáscara de café 16Tallos de algodón 16Cáscara de cacao 13 a 16Cuesco de la palma de aceite 15Cáscara de arroz 13 a 14Tallos de maíz 13 a 15Aserrín 11

Fuente: Highman

II.3. Gasificación

La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (carbón

, biomasa,  restos agrícolas, plástico) es transformado en  un gas combustible 

mediante una serie de 

reacciones que ocurren en presencia de un agente gasificante (generalmente aire) en 

un  ambiente pobre en oxígeno.    

El sustrato carbonoso de origen y el agente gasificante son los parámetros que deter

minan el  mayor o menor contenido en energía (poder calorífico) del gas.    

Las principales aplicaciones de la gasificación se basan en la utilización del gas prod

ucido y la 

energía térmica que genera el propio proceso, además el calor puede transformarse e

n vapor y 

producir electricidad mediante un generador eléctrico conectado a la turbina.  

III. MATERIALES Y METODOS

III.1. Sitio de estudio

El presente proyecto se llevará a cabo en la Universidad Tecnológica Equinoccial

sede Santo Domingo.

Coordenadas geográficas.

Latitud: -0.236871

Longitud: -79,20782099 Altura: 492 m.s.n.m

III.1.1.Localización geográfica

Macro localización

PAIS: ECUADOR

PROVINCIA: SANTO DOMINGO DE LOS TSACHILAS

Micro localización

CIUDAD: SANTO DOMINGO DE LOS COLORADOS

LUGAR: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL

III.1.2.Ubicación en el tiempo

El presente proyecto de investigación se lo llevara a cabo el presente año 2015 en

Ecuador, en la provincia Santo Domingo de los Colorados, en la cuidad de Santo

Domingo de los Tsáchilas, teniendo como sede de investigación a la Universidad

Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo.

III.1.3.Características climáticas

La Universidad Tecnológica Equinoccial con su sede en Santo Domingo de los

Tsáchilas, la misma con características climáticas lluvia tropical, su temperatura

habitual es de unos 18 a 33 °C en verano. En invierno normalmente hace más calor

de 23 a 34 grados y a veces llega a los 38 °C. Su temperatura media es de 25,5 °C.

La playa más cercana, Pedernales, está a 120 km, a 1 hora por el nuevo camino (La

Concordia - Puerto Nuevo), una arteria de 32 kilómetros de dos carriles. Está

asfaltada y soporta poco tránsito vehicular. Quienes llegan a La Independencia

deben avanzar hasta el redondel de La Concordia y de ahí tomar la nueva vía, que

también se la conoce como Latitud 0.

III.1.4.Características edáficas

El siguiente cuadro muestra las características edáficas de la zona donde se realizó

el proyecto de investigación.

CARACTERÍSTICAS EDÁFICAS DE SANTO DOMINGO DE LOS TSÁCHILAS

ALTITUD 492 m.s.n.mCLIMA Tropical húmedo alterado

TEMPERATURA 25.5 °CPRECIPITACION 8.7 mm

HELIOFÁNIA 600 a 1700 horas por añoHUMEDAD RELATIVA 85%

Elaborado por: Moisés MoraFuente: Jacqueline Mejía, 2011

III.2. Materiales, instrumentos y recursos

III.2.1.Materiales

Los materiales utilizados para la construcción del gasificador son los siguientes.

Plancha de acero de 1.5 mm de espesor. Pernos de media pulgada. Tuercas de media pulgada. Perfiles simples y en L de media pulgada. Abrazaderas. Barra de fierro de ¼ de pulgada.

La construcción se ha llevado a cabo de una forma muy artesanal debido a la carencia de herramientas en la tornería. Se enumeran a continuación las herramientas utilizadas:

Taladro. Esmeril. Guillotina. Cincel. Martillo. Compas. Soldador de arco eléctrico. Oxicorte. Abrazaderas de apriete. Torno. Metro. Escuadra. Disco de esmeril

1 filtro ciclón

1 metro de tubo de acero inoxidable, D = 1 ½ in 1 catalizador de gases

1 válvula neumática Biomasa sólida, residuos de cacao y café.

III.2.2.Instrumentos y recursos

Gas de síntesis Biomasa solida (residuos de cáscara de cacao y café) Motor de combustión interna (SUZUKI 100 CC)

FICHA TÉCNICA MCI SUZUKI AX 100Cilindrada 98 ccTipo de motor 2 tiempos, 1 cilindroTorque 0.97 kg-m / 6500 rpmPotencia 10 CV/7500Diámetro por carrera 50 mm x 50 mmRelación de compresión 6:6:1

III.3. Diseño experimental, factores y variables de estudio

Esquema gasificador – motorFuente (Solar technical information program 1998)

III.3.1.Diseño experimental

Cada sistema de gasificación y en especial ese consta o consiste de 4 partes

fundamentales:

El reactor del gasificador

La alimentación La purificación del gas

La utilización del gas combustible

III.3.1.1. El Reactor de Gasificación

Se han desarrollado diferentes tecnologías adecuadas para cada escala de

utilización.

Tipos de gasificadores y potencias optimas de funcionamiento Fuente (ALTERNER, 2002), (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 45)

III.3.1.2. La alimentación

III.3.1.3. La limpieza del gas

La limpieza del gas de síntesis tiene como objetivo primordial la remoción de

alquitranes y material particulado que se da origen de la gasificación, los elementos

encargados para la filtración de las mismas son filtros de material particulado y el

ciclón, todo esto buscando la prolongación de la vida útil del MCI.

Resumen de los métodos catalizadores para limpieza de síntesis atendiendo las impurezas y temperaturas de los procesos.

Fuente (Skoblja S., Malecha J., Koutsky B., Buryan P., 2005) (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 47)

III.3.1.4. Utilización del gas combustible

Una vez que obtenemos el gas de síntesis, hay que tener en cuenta la utilización fija

del mismo como combustible gaseoso, todo esto porque a partir de aquí se

incorporaran los procesos de limpieza. Este combustible gaseoso va a tener su

destino en la cámara de combustión de gases dentro del MCI (motor de combustión

interna alternativo) con lo que los requerimientos de partículas y porcentaje de

alquitrán deben ser controlados ya que pueden incidir notablemente sobre el

rendimiento del MCI, una de las mismas puede la obstrucción de las válvulas del

motor y desgastar las camisas del pistón.

Parámetros en diferentes tipos de gasificadores.Fuente (Rodríguez Muñoz, sf) (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 48)

III.4. Métodos estadísticos

Para hacer la elección del tipo de gasificador a implementar, se ha tomado en cuenta

la siguiente matriz de ponderación de los distintos tipos de sistemas de gasificación.

Matriz de ponderación del gasificador.Fuente (García D., 2014) (Javier Alejandro Villegas, 2012, pág. 49)

III.5. Concepción e implementación de la solución

III.5.1.Parámetros de diseño del gasificador

El gasificador será conformado de tres capas de diferentes materiales, la primera capa

exterior de acero al carbono de 5 mm de espesor, que es la estructura del gasificador que

estará en contacto con el exterior, le sigue una capa de material aislante de 20 mm de

espesor que puede ser lana aislante mineral o algún otro material que pueda disipar una

temperatura máxima de 1200 °C, esta capa tiene la función además de absorber posibles

dilataciones; finalmente se encuentra interiormente una capa de 110 mm de espesor de

cemento refractario, cerámica o la compactación de residuos de partículas de ladrillo

que se encargaran netamente de realizar el aislamiento térmico, esta última se utiliza

para la construcción del interior del cuerpo del gasificador y da la forma a la garganta,

este material cerámico se recomienda que sea de una densidad de 350 kg/m3.

La parrilla será construida de acero refractario de aproximadamente 5 mm de espesor y

los diámetros irían en función de la zona de la garganta

III.5.2.Parámetros específicos de diseño

Un aspecto importantísimo a tomar en cuenta en la construcción de este tipo de

gasificadores, es el diseño de la zona de oxidación (zona de la garganta), el tamaño de

esta zona depende lógicamente de la cantidad de biomasa a utilizarse en función del

tiempo, razón por la cual teniendo en cuenta el factor experiencia en la construcción de

gasificadores downdraft tipo garganta por parte del “Grupo de Procesos Termoquímicos

de la Universidad de Zaragoza – España” (GPT – Unizar.,2005), ellos trabajan en un

rango optimo entre 1200 y 1300 kg/h.m2, cuyos valores han dado excelentes resultados.

De acuerdo a los datos obtenidos de gasificadores de pequeña escala, entre 25 y 350

kg/h de alimentación, se puede estimar que el flujo de aire necesario para los 100 kg/h

de alimentación es de 120 Nm3/h, por otro lado se estima una producción del gas de

200 Nm3/h. Los datos obtenidos son de gasificadores con el mismo diseño de parrilla,

mismo sistema de remoción de partículas y con similares tiempos de residencia de la

biomasa dentro del gasificador.

Flujo de aire y gases producidos respecto a la biomasa procesada para gasificadores Downdraft tipo garganta

(GPT- Unizar., 2005)