reducciÓn de nox a partir del proceso reburn de …
TRANSCRIPT
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
1
REDUCCIÓN DE NOx A PARTIR DEL PROCESO REBURN DE COMBUSTIÓN DE
CARBÓN CON CASCARILLA DE ARROZ
TESIS
Sebastián Valero Parra
201316926
PROFESOR ASESOR
Gerardo Gordillo Ariza Ph D, M.Sc.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, CUNDINAMARCA
27 DE NOVIEMBRE DE 2017
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
2
Tabla de contenido 1. Introducción..................................................................................................................... 4
2. Marco Teórico .................................................................................................................. 5
2.1. Combustión .............................................................................................................. 5
2.2. Biomasa .................................................................................................................... 5
2.3. Biogas ....................................................................................................................... 5
2.4. Proceso Reburn ........................................................................................................ 6
2.5. NOx .......................................................................................................................... 6
2.6. Carbón.....................................................................................................................11
2.7. Análisis y determinación de la composición de los combustibles ..............................12
3. Objetivos .........................................................................................................................13
3.1. Objetivo general ......................................................................................................13
3.2. Objetivos específicos ................................................................................................13
4. Procedimiento .................................................................................................................13
4.1. Obtención de la materia prima ................................................................................13
4.2. Caracterización de los combustibles ........................................................................14
4.3. Capacitación ............................................................................................................15
4.4. Curvas de calibración ..............................................................................................16
4.5. Descripción general del equipo ................................................................................20
4.6. Descripción de los sistemas ......................................................................................22
4.6.1. Alimentador de Carbón ....................................................................................22
4.6.2. Transporte neumático de Carbón .....................................................................22
4.6.3. Alimentador de biomasa ...................................................................................23
4.6.4. Transporte neumático de biomasa ....................................................................24
4.6.5. Enfriamiento de gases de combustión y captura de material particulado. ........25
4.6.6. Extracción de gases...........................................................................................25
4.6.7. Medición de temperatura .................................................................................26
4.6.8. Sistema de combustión Gas Natural .................................................................27
4.7. Condiciones previas a la operación. .........................................................................27
4.8. Procedimiento para la purga del equipo ..................................................................27
4.9. Aislamiento del sistema de refrigeración de agua y descarga de cenizas ..................28
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
3
4.10. Encendido de la cámara de combustión................................................................28
4.11. Proceso Reburn .....................................................................................................29
4.12. Precauciones.........................................................................................................29
5. Resultados .......................................................................................................................31
6. Recomendaciones ............................................................................................................34
7. Conclusiones....................................................................................................................37
8. Bibliografía .....................................................................................................................38
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
4
1. Introducción
En este proyecto de grado se buscó disminuir la cantidad de NOx, representados en
ppm (partículas por millón), por medio del proceso Reburn y empleando como combustib le
secundario la cascarilla de arroz. Dado que hoy en día existe una preocupación por los
principales residuos que la combustión genera y que atenta directamente a la salud de las
personas e igualmente al medio ambiente, la fauna y la flora.
Entre estos residuos provenientes de la combustión se encuentra los NOx, siendo este un
compuesto que solamente es procesado por algunas baterías de forma natural en cantidades
mínimas. Por consiguiente, si el ser humano genera una mayor cantidad de NOx de lo que
las bacterias pueden sintetizar, la diferencia permanecerá suspendida en el ambiente
provocando alteraciones. Por ejemplo, los NOx contribuyen a los gases de efecto invernadero
que estos a la vez están provocando el aumento de la temperatura en la superficie terrestre
por almacenar en gran cantidad calor proveniente de los rayos solares que revotan en la
superficie terrestre.
El futuro de nuestra civilización es alcanzar una nueva revolución industrial en la cual se
desarrolle el internet en las cosas y progresivamente se reemplace las fuentes de energía
basadas en combustibles fósiles por energías alternativas. Tanto en la época que vendrá como
en la actualidad la mayoría de aparatos que se utilizan en la vida cotidiana requiere energía
eléctrica. En estos momentos tanto las empresas como los grupos de investigación buscan
obtener una mejor eficiencia de conversión de energía entre las diversas fuentes existentes y
la energía eléctrica, a la vez disminuir los precios de los componentes eléctricos. Un ejemplo
de este caso es la energía solar, que a pesar que posee una eficiencia de conversión limitada
por factores de perdidas, los altos costos de los componentes como pueden ser los módulos
de los paneles o las baterías, impiden que sean una opción llamativa comercialmente frente
a sistemas de generación basados en diésel o en gas. Es por esto que mientras la tecnología
avanza en mejorar las energías renovables, se puede reaccionar a partir de lo que hay.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
5
2. Marco Teórico
2.1. Combustión
La combustión es una reacción exotérmica que involucra un tipo de combustible y
oxidantes, su proceso genera calor y energía. Se define un proceso de combustión completo
cuando la oxidación es completa en los compuestos en la mezcla. En la mayoría de los casos
se produce un conjunto de óxidos de diferentes componentes entre los que se encuentra el
óxido de carbono y sus derivados, el óxido de azufre, y el óxido de nitrógeno entre otros. La
combustión solo se aplica a los combustibles en la fase gaseosa. [1]
2.2. Biomasa
Es una fuente de energía renovable que surge a partir de los seres vivos y sus
desechos. Se trata de materia orgánica e inorgánica que se produce a partir de un proceso
biológico, siendo esta aprovechada y convertida en combustible, mitigando así el uso de
combustibles fósiles no renovables como el petróleo. Entre las formas de biomasa más
conocidas se encuentra: la remolacha, la caña de azúcar, el maíz, la camelina, la soja, la colza,
la palma y adicionalmente se ha extendido al campo de las algas. [2]
2.3. Biogas
Es un gas que se genera por medios naturales o en dispositivos diseñados para tal fin,
como los biodigestores. Este gas es producido por las reacciones de biodegradación de la
materia orgánica mediante la acción de microorganismos y otros factores en ausencia de
oxígeno. El poder calórico del biogás se encuentra entre 4 500 a 5 600 kilocalorías por m2,
siendo inferior al poder calorífico del gas natural que oscila entre 8 800 a 10 200 kilocalor ías
por m2. Es empleado como combustible en diferentes áreas tanto domesticas como
industriales. [2]
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
6
2.4. Proceso Reburn
El proceso Reburn es una técnica empleada para reducir la generación de NOx
en el proceso de combustión. En una cámara de combustión se introduce un combustible con
un agente oxidante para generar el proceso de combustión. El combustible se oxida, o se
quema formando una zona de combustión llamada primaria. A continuación, se le introduce
una mezcla de cenizas volátiles con material orgánico a los gases residuales directamente a
esta zona. Esto genera una zona de combustión secundaria, en la que se obtiene una
disminución en el nivel de oxígeno, una reducción de la temperatura en la zona de
combustión, una reducción del contenido de NOx en los gases residuales, y por ultimo
reduciendo el potencial de formación de NOx en una posible zona terciaria aguas abajo. [3]
Sin embargo, Kalyan Annamalai y John M. Sweeten, propusieron una alternativa al proceso
Reburn llamado Reburn system with feedlot biomass. Esta consiste principalmente en reducir
la generación de NOx a partir de la quema de Biomasa como combustible secundario. Este
procedimiento se realiza por medio de alimentadores para la inserción controlada tanto del
combustible primario como del secundario. [4]
2.5. NOx
Los NOx se producen cuando el combustible se quema con aire. El nitrógeno que
proviene de los compuestos de los combustibles y del aire, reacciona por medio del proceso
de oxidación con el oxígeno generando compuestos de la forma NOx, entre ellos se
encuentran NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4 y N2O5. Entre las características de la reacción
del nitrógeno con el oxígeno cabe destacar la temperatura, dado que a temperatura ambiente
esta reacción no es posible, sin embargo, en el momento cuando se alcanza la temperatura
necesaria, es posible obtener una reacción entre estos dos elementos.
En un proceso de combustión existen tres fuentes generadoras de óxidos de nitrógeno. El
NOx térmico: proviene de la disociación y reacción de nitrógeno atmosférico en las zonas de
alta temperatura de la llama de acuerdo a las siguientes reacciones.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
7
𝑁2 + 𝑂 → 𝑁𝑂 + 𝑁
𝑁 + 𝑂2 → 𝑁𝑂 + 𝑂
Inicialmente, se produce una reacción entre el nitrógeno molecular provenientemente del aire
requerido para la combustión y el oxígeno atómico y luego la reacción entre el nitrógeno
atómico, formado previamente con el oxígeno molecular.
La primera de estas reacciones es altamente dependiente de la temperatura y del tiempo de
residencia, tal y como se observa de la figura 1. En un menor grado la reacción es dependiente
del contenido de oxígeno y nitrógeno.
Figura 1Relación entre la temperatura de la llama y la formación de NOx
Incluso para tiempos de residencia breves en zonas de alta temperatura (superiores a
1 200°C) se producirá un aumento importante en la cantidad de NOx.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
8
El NOx Prompt o instantáneo, es producido en presencia de radicales de CH. Este derivado
se forma en las primeras etapas de la llama resultante de la combustión de hidrocarburos en
presencia de radicales de hidrocarbonos, en el momento en que estos se descomponen y
reaccionan con el nitrógeno puro del ambiente. Las fórmulas que rigen esta reacción son las
siguientes:
𝑁2 + 𝐶𝐻 → 𝑁 + 𝐻𝐶𝑁
𝑁 + 𝑂2 → 𝑁𝑂 + 𝑂
Se ha podido observar que existe una menor formación de NOx prompt en llamas pobres en
combustión. Otra fuente generadora de NOx es por combustible, más específicamente por el
nitrógeno contenido en el combustible. El NOx del combustible se forma a partir de los
átomos de nitrógeno directamente ligados a las moléculas que forman el combustible. Como
el hidrógeno y el carbono son oxidados durante la combustión, todos los átomos de nitrógeno
del combustible son liberados como átomos inestables. Una fracción del nitrógeno del
combustible se transforma en NOx y el restante se recombina como nitrógeno molecular. Por
lo tanto, combustibles con un elevado contenido de nitrógeno ligado a ellos, producirán
cantidades importantes de NOx.
Las emisiones de NOx son responsables del aumento de las lluvias acidas, que contribuyen
a la degradación de los bosques, destrucción de cosechas y daños en las construcciones. Se
cree que el NOx es precursor de la formación de ozono (O3). Adicionalmente, el NOx
contribuye al deterioro de la capa de ozono, la cual actúa como un escudo frente a las
radiaciones ultravioleta provenientes del sol e intervienen en el efecto invernadero al
absorber la radiación infrarroja reflejada por la superficie.
A continuación, se exponen algunos métodos para reducir la emisión de NOx:
Uso de combustibles con bajo contenido de átomos de nitrógeno.
Se puede reducir el % de NOx al inyectar amoniaco.
Catalizador para obtener N2 y agua.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
9
Catalizadores selectivos (SCR), que lo reduzcan antes que los productos de la
combustión sean expulsados a la atmosfera.
Emplear la combustión en etapas.
El mejor ambiente para minimizar la producción de NOx es aquel que posea una zona rica
en combustible, y muy poco oxígeno, donde exista una elevada temperatura y el tiempo de
residencia sea suficiente para minimizar el número de átomos de nitrógeno liberados para
formar NOx con el oxígeno. [5]
Según la ley de conservación de masa, en donde estipula que la masa no se crea ni se destruye
solo se transforma, se pretende explicar a partir de cuales componentes se genera los NOx y
cuales serían posibles productos en los que se podría transformar los NOx para así poder
disminuir su tasa de emisión por medio de la combustión. Para ello se emplea un esquema
del ciclo del nitrógeno en el cual se explica la formación y los productos del NOx.
Figura 2 Esquema del ciclo del nitrógeno [6]
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
10
En la figura 2 se puede observar que a partir de la nitratación del nitrito se genera nitrato,
adicionalmente si se somete amoniaco a un proceso de nitrosación se produce nitrito.
Las posibilidades de reducir el nitrito y el nitrato es el proceso de desnitrificación por medio
de bacterias como son los Bacillus y las Pseudomonas, que transforman el nitrato en
nitrógeno puro. Se desconoce si las bacterias anteriormente mencionadas podrían soportar
las altas temperaturas del proceso de combustión.
La energía ha sido uno de los pilares de la civilización humana para su constante
permanencia, dado que el hombre no ha dependido únicamente de una fuente de energía, sino
que ha descubierto diferentes alternativas para obtenerla y convertirla de una fuente en otro
tipo de energía, bien sea en trabajo, calor o transformar la naturaleza de la energía.
La conversión de energía le dio vida a la invención de las máquinas y con ello a la mecánica.
Pasaron muchos años y las civilizaciones cada vez crecieron más económica, social y
culturalmente y con ello la necesidad de producir y consumir más.
La visión que se tiene para el futuro es potenciar las energías renovables como fuentes de
energía eléctrica, que será empleada en los diferentes ámbitos de la vida cotidiana, dejando
a un lado la dependencia de los combustibles fósiles. Mientras llega ese momento es
necesario implementar cambios en los equipos de combustión a partir de combustib les
fósiles, con el fin de reducir la emisión de gases de efecto invernadero que alteran el
calentamiento global, la contaminación de recursos naturales y ambientales, la propagación
de enfermedades respiratorias y pulmonares de la población.
Según [7], ” los combustibles que utiliza el hombre provienen en su mayor parte de la tierra
en forma de depósitos de materiales orgánicos.” Tras un periodo de unos millones de años
estos depósitos se transforman en los que hoy se conoce como combustibles fósiles, entre los
que se encuentra, el petróleo, el carbón y el gas natural. La energía no renovable, la constituye
en gran medida los recursos fósiles, anteriormente mencionados, estos recursos se
caracterizan por ser agotables. Mientras que para [7], todos los combustibles a excepción del
azufre y el fosforo , provienen del proceso de la fotosíntesis, por tanto se caracterizan por la
formula química Cn(H2O), la correspondiente a un carbohidrato.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
11
Como se expuso anteriormente, el combustible ha jugado un papel importante en el desarrollo
de la sociedad permitiendo la conversión de energía de un estado a otro. Según [7], “todo
mecanismo de la sociedad moderna se mueve a través de su utilización en la transformac ión
de materias primas y la extracción de minerales, la industria, el transporte y mucho otros
más usos”. Además, [7] explica que la distribución de dichos recursos está regida por una
desigualdad, causando diferentes tensiones con la finalidad de obtener el control del recursos,
y por ende su explotación, sin olvidar las rutas de abastecimiento, los precios y la
disponibilidad de este en el mercado.
Para [7], el combustible se puede presentar en diferentes estados de la materia, como lo son
gaseoso, liquido o sólido. Sin importar el estado en que se encuentre estos no presentan un
estado puro, por lo que generalmente estarán acompañados de otros compuestos formando
estructuras heterogéneas.
2.6. Carbón
El Carbón, uno de los combustibles de interés en el presente trabajo, es el más
abundante en la tierra y proviene de los bosques primigenios. Su composición química se
basa principalmente en carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, ya en pocas proporciones se
encuentra el azufre, el agua y la ceniza.
Existe una clasificación del carbón que depende de variables como el tiempo, presión, y
temperatura, que permitan identificar la transformación correspondiente de este material. La
clasificación comienza por la hulla, le sigue la turba, el carbón pardo, el lignito, el carbón
subituminoso, el bituminoso y por último la antracita. A medida que envejece el carbón los
niveles de hidrogeno y oxigeno tienden a disminuir, por lo que la humedad se pierde y su
consistencia se vuelve más dura.
Para este estudio según el manual de operación y mantenimiento de la cámara de combustión
[8], se requiere únicamente carbón bituminoso de un tamaño de partícula para operar la
cámara de combustión bajo los parámetros que fue diseñada. Estos carbones bituminosos se
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
12
caracterizan por tener un mayor porcentaje de material volátil, además de que su contenido
de cenizas varia constantemente. Este carbón permite ser coquizable y fritable, ardiendo con
una llama amarilla larga, acompañada de una cantidad considerable de humo.
Entre los parámetros para la correcta selección de carbón se encuentra el contenido de azufre ,
las características de combustión, su comportamiento ante factores ambientales, la
temperatura de fusión de las cenizas, el índice de molido y su poder calorífico.
El azufre es un elemento combustible del carbón y genera energía al precio de que sus
productos como lo son el dióxido de azufre SO2 y el óxido sulfúrico SO3 son los principa les
responsables de la llamada lluvia acida. Dado que la lluvia acida afecta en gran medida el
ambiente se prefiere combustibles con poco o escaso contenido de azufre.
2.7. Análisis y determinación de la composición de los combustibles
Con el fin de conocer la composición química de un compuesto como el carbón y la
cascarilla de arroz se pueden emplear dos tipos de análisis.
El análisis próximo, se realiza principalmente con carbones y otros combustibles sólidos.
Este proceso consiste en determinar la humedad, el contenido de las partículas volátiles, la
cantidad de ceniza y el contenido fijo de carbono en el combustible. El procedimiento para
encontrar el contenido de humedad, inicia con calentar una muestra estrictamente pesada en
un horno a 110°C por un lapso de 20 min, enseguida se pesa y nuevamente se calienta hasta
954°C por un lapso de 7 min y se pesa nuevamente, para hallar el contenido de volátiles. Por
último, la muestra se quema en aire y una última pesada revela el contenido de cenizas, el
carbono fijo se halla por diferencia. Por otros métodos se calcula el contenido de azufre y el
poder calorífico.
El análisis ultimo o elemental se realiza mediante pruebas de laboratorio y determina el
porcentaje del peso, la cantidad de carbono, hidrogeno, nitrógeno azufre y oxigeno presentes
en la muestra seca. [7]
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
13
3. Objetivos
3.1. Objetivo general
Reducir el porcentaje de NOx en el proceso de combustión entre el carbón, la
cascarilla de arroz, por medio del método Reburn.
3.2. Objetivos específicos
Conocer la caracterización de la cascarilla de arroz para poder potencializar sus
beneficios.
A partir de una composición de 85% de carbón y 15% de cascarilla de arroz, probar
los diferentes puertos de alimentación de Reburn para analizar los NOx producidos,
con un exceso de aire de 20%.
Consultar fuentes bibliográficas en torno al proceso de combustión, el método Reburn
y la química requerida.
4. Procedimiento
4.1. Obtención de la materia prima
Para este proyecto fue necesario adquirir un costal de 50 kg de carbón bituminoso con
un costo de 20 000 COP, una paca de cascarilla de arroz con un precio de 20 000 y pesa
aproximadamente 50 Kg. Tanto el tamaño de las partículas de carbón como de la cascarilla
de arroz en principio no cumplían con los requerimientos necesarios para emplearlos en la
cámara de combustión, por consiguiente, fue necesario moler la cascarilla en un molino
perteneciente al Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
14
Se realizó la respectiva capacitación para operar de forma adecuada el molino, en un
principio se molió 8 kg de cascarilla de arroz con una malla fina, más tarde se molió 10 kg
de cascarilla de arroz con la malla de orificios más gruesos.
En cuanto al carbón se compró una malla metálica de tamaño mesh 200 de un metro por un
metro y palos de balso de 2x 2 x 100cm y puntillas. Con esto se construyó un tamiz, el cual
se utilizó para tamizar el carbón y así poder obtener el tamaño de partícula requerido.
Adicionalmente se agregaron un par de bolsas de basura en la parte superior del tamiz para
evitar por un lado desperdiciar el carbón tamizado y por otro lugar ensuciar el laboratorio,
dado que el carbón en ese estado es altamente volátil. La segunda bolsa se fijó en la parte
inferior del tamiz con la función de recoger el producto tamizado y evitar pérdidas en el
ambiente. Es importante tener en cuenta que el índice de molido es inversamente
proporcional a la energía gastada para pulverizar el carbón.
4.2. Caracterización de los combustibles
Se requiere una caracterización de los combustibles, por dos razones principales, en
primera instancia conocer los porcentajes de los elementos que componen cada combustib le
y a partir de un análisis estequiometrico determinar la formula molecular debido a que esta
varía dependiendo del productor, en este caso se trata de productos naturales, sin embargo,
la región en donde se producen pueden influenciar en la composición del material,
diferenciándolos de otra región. La segunda razón para realizar este análisis consiste en
calcular a partir de un balance químico la cantidad de aire teórico necesaria para asegurar una
combustión completa. Para realizar esta caracterización se requirió de un laboratorio químico
externo a la universidad, en este caso se envió una muestra de 2 kg de carbón y 2 kg de
cascarilla de arroz a Interlabco, para realizar una prueba ultima de cada combustible, a
continuación, se muestra los resultados de los porcentajes de los elementos que componen el
carbón y la cascarilla de arroz, como también la formula molecular determinada.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
15
Tabla 1 Caracterización del Carbón
A partir de la tabla 1, la formula molecular del carbón se define como:
𝐶1𝐻0,761 𝑁0,019 𝑂0,058 𝑆0,004
Para la cascarilla de arroz se tiene:
Tabla 2 Caracterización de la cascarilla
Donde la formula molecular es: 𝐶1𝐻1,481 𝑁0,007 𝑂0,803 𝑆0,002
4.3. Capacitación
De acuerdo con el reglamento de los laboratorios del Departamento de Ingenie r ía
Mecánica es responsabilidad del estudiante realizar la capacitación del uso adecuado de
cualquier equipo que pertenezca al laboratorio. De ahí que se realizó la respectiva
capacitación, la cual consta de dos partes, la primera consiste en leer e interiorizar el manual
de operación y mantenimiento de la cámara experimental de combustión. La segunda parte
es poner en práctica lo aprendido con ayuda del técnico del laboratorio.
Se logró analizar por medio de los múltiples días que se estuvo operando la cámara de
combustión los sistemas de seguridad que esta posee. En el caso de la confiabilidad y
Carbón Elemento Porcentaje (%) Cantidad(g)Peso Atomico
(g/mol)Moles
Relacion
molar
C 77,61 77,61 12,011 6,46 1,000
H 4,95 4,95 1,007 4,92 0,761
N 1,68 1,68 14,006 0,12 0,019
O 6,03 6,03 15,999 0,38 0,058
S 0,9 0,9 32,06 0,03 0,004
Cascarilla
de ArrozElemento Porcentaje (%) Cantidad(g)
Peso Atomico
(g/mol)Moles
Relacion
molar
C 37,52 750,4 12,011 62,48 1,000
H 4,66 93,2 1,007 92,55 1,481
N 0,29 5,8 14,006 0,41 0,007
O 40,11 802,2 15,999 50,14 0,803
S 0,18 3,6 32,06 0,11 0,002
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
16
seguridad, el sistema de transporte de gas natural cuenta con múltiples válvulas de control en
caso de que el gas se devuelva por la línea de flujo e igualmente si hay llama presente.
En menor medida se identificó que el sistema de refrigeración de la cámara consiste en un
sistema abierto, es decir no existe una recirculación del agua refrigerante. Del mismo modo
esta agua es contaminada por los residuos sólidos de la combustión en gran parte son cenizas,
que al final son desechadas al exterior de la universidad. Se podría proponer para trabajos
futuros el diseño e implementación de un sistema cerrado de refrigeración y de extracción de
lodos, a través de circular el agua por medio de una serie de filtros para retirar material sólido.
4.4. Curvas de calibración
Una vez teniendo tanto el carbón como la cascarilla de arroz del tamaño de partícula
requerido se continuo con realizar la caracterización de los alimentadores de carbón y de
biomasa por medio de la curva de calibración.
La curva de calibración se realizó a partir de pesar una bolsa vacía en la balanza; fijar una
frecuencia en el tablero de control del alimentador; ubicar y fijar la bolsa en la salida del
alimentador; encender el alimentador al mismo tiempo que activa el cronometro, determinar
un lapso de tiempo para medir el flujo, en este caso se escogió un minuto, sin embargo, el
parámetro puede ser diferente, lo importante es que sea constante y que la sincronización de
parar el cronometro concuerde con el de detener el alimentador, luego se pesa la bolsa y se
registra la masa de esta en una hoja Excel y se repite estos puntos cuanto lo considere
necesario; si desea obtener otro punto de la curva, solo varíe la frecuencia del alimentador y
repita los pasos anteriores. Después de obtener varios datos de diferentes frecuencias, se
promedió los datos por frecuencia y se realizó una regresión lineal.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
17
Figura 3Curva de calibración del carbón
Según el procedimiento de arriba la curva de calibración de carbón (figura 3), se logra
ajustar muy bien a una función lineal y el error del flujo de carbón es pequeño, se tomó la
muestra en un rango de 40 a 80 Hz. Para valores menores de 40 Hz se puede presentar
discontinuidad en el flujo, por el contrario, existen un límite de operación hasta 465 Hz. En
este caso se requirió una frecuencia de 110 Hz que según la figura 1 corresponden a 40 g/min.
Sin embargo, hay que hacer una aclaración: los valores de frecuencia no corresponden a la
frecuencia de alimentación de la red sino a un porcentaje de este. Es decir que la máxima
frecuencia que el alimentador puede operar es de 999 Hz que equivalen a 60 Hz de la red
eléctrica. Por lo tanto, los valores de frecuencia de las figuras 1, 2 y 3 corresponden a valores
menores de 999 Hz y que tendrían un equivalente por medio de una regla de tres a la
frecuencia de la red.
y = 0,3153x + 5,3956
R² = 0,9983
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Flu
jo d
e c
arb
on
[g/
m]
Frecuencia[Hz]
Curva de calibracion del carbón
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
18
Figura 4 Curva de calibración de la biomasa con la malla provisional
La figura 4 corresponde a la curva de calibración de la cascarilla de arroz molida con
la malla provisional, el tamaño de partícula es inferior a la malla original del equipo. En esta
figura se puede observar que el rango de operación del alimentador de biomasa empieza en
4 Hz, para valores menores no es posible operarlo, dado que es inestable y discontinuo, no
se recomienda. Aun así, se obtuvo mucha dispersión en los datos que corresponden a la
frecuencia de 4 Hz. Para mayores frecuencias el error de la medición fue menor y estable.
En primera instancia se observó que el flujo a 4 Hz era inestable y discontinuo, presentaba
una especie de retardo en la expulsión de la biomasa seguido de una expulsión masiva de
esta. Se pensó que el ducto de alimentación entre el tornillo y la bolsa era el problema a esta
discontinuidad y se retiró, pero no resulto ser la causa. Luego se propuso que el problema
estaba en el tornillo de alimentación, por lo tanto, se sugirió realizar un seguimiento de la
trayectoria de la biomasa desde la tolva hasta la boquilla de salida del alimentador, sin cambio
alguno de mejora puesto que hasta cierto punto no es posible observar la trayectoria completa
por los mecanismos que el alimentador posee. Se le pidió al técnico desarmar algunos
componentes del alimentador en búsqueda del factor que provocaba tal dispersión y que no
dejaba obtener flujos menores a 8 g/min. Luego de no encontrar el factor que provocaba este
error en el alimentador, se propuso cambiar el tipo de tamaño de biomasa puesto que el
primero era muy fino y posiblemente se compactaba más fácil provocando la aglomerac ión
del material. Además, si el tamaño de las partículas era menor querría decir que por un ciclo
y = 0,5386x + 6,1731R² = 0,983
-5
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12 14
flu
jo [
g/m
in]
Frecuencia
Curva de calibración de la biomasa
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
19
del tornillo sin fin iba a pasar más material entre más grande fuera el tamaño de partícula el
flujo podría disminuir.
Figura 5 Curva de calibración de la biomasa con la malla original
Durante la calibración del alimentador de biomasa se presentó dos inconvenientes, el
primero consistió en el flujo mínimo posible que podía dar el alimentador. Según trabajos
anteriores, el flujo de alimentación de biomasa se encontraba entre 1 a 4 g/min. Sin embargo,
de acuerdo con la curva de calibración obtenida estos valores nunca se pudieron alcanzar. Lo
ideal era poder obtener un flujo de biomasa relativamente bajo, dado que al momento de
realizar los cálculos del flujo de carbón este daría en el rango observado en la figura 3, por
un lado, y por el otro en caso de que una de las variables del proyecto fuese la cantidad de
carbón disponible seria óptimo para el desarrollo del proyecto.
En este caso se realizó un estudio minucioso de porqué el flujo de biomasa estaba dando muy
alto en comparación al flujo que habrían manejado las tesis pasadas. El técnico recomendó
manejar manualmente el motor del tornillo sin fin a través de un software el cual se estudió
y se implementó. Los resultados de este estudio al principio fueron nulos, luego se logró lo
opuesto es decir se aceleró más el tornillo y dado que el motor presentaba perturbaciones, el
técnico recomendó no operarlo porque bajo estas condiciones podría presentar una falla por
mala operación.
Más tarde, se decidió, cambiar el tamaño de la partícula de biomasa por uno más grande
(figura 3), donde los resultados mejoraron levemente, se logró obtener un flujo menor a 8
g/min, sin embargo, se mantuvo la alta variabilidad en las diferentes mediciones, luego de
y = 0,805x + 3,8467R² = 0,9998
0
2
4
6
8
10
12
14
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
flu
jo [
g/m
in]
Frecuencia
Curva de calibración de la biomasa
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
20
haber realizado un estudio buscando la razón de esta inconsistencia. Finalmente, se decidió
trabajar con el menor flujo observado en la figura 5 que en este caso corresponde a 7g/min y
a partir de este valor de flujo de biomasa se determinó el flujo correspondiente de carbón
según la relación de concentración 15% biomasa 85% carbón.
Debido a que los alimentadores se encuentran instalados en la parte superior del laboratorio
de combustión y puesto que el estudiante no está capacitado para realizar trabajos en altura,
se requirió de la ayuda del técnico del laboratorio para suministrar la materia prima a los
alimentadores.
El manual de operación y mantenimiento de la cámara de combustión experimental para los
procesos Co-firing y Reburn, establece las condiciones requeridas y el procedimiento a seguir
para la operación de la cámara de combustión, así como las precauciones y cuidados para la
adecuada y segura operación del equipo. [8]
4.5. Descripción general del equipo
La cámara de combustión experimental del laboratorio ML 041 es una cámara de tipo
vertical con ducto de escape lateral en la parte inferior del equipo. Originalmente contaba
con 6 puertos laterales para la inyección de combustible para la operación bajo el esquema
Reburn, sin embargo, actualmente solo 5 están en operación. Adicionalmente, cuenta con 10
puertos para la instalación de instrumentos, una sección de atemperación de gases de
combustión y captura de material particulado por aspersión de agua, descarga de cenizas por
un puerto inferior ubicado al final de la sección vertical del equipo.
La cámara trabaja bajo el esquema de horno ciclónico, este sistema en teoría emplea varias
cámaras de combustión para inyectar gas. El ciclón típico consiste de una pequeña cámara
cilíndrica que alimenta a un gran cilindro. El ciclón quema el carbón molido por medio de la
combustión que se inicia en la cámara pequeña, bajo un chorro de aire que entra tangencia l
generando el efecto del ciclón. En el cilindro grande se completa el proceso de quemado con
aire secundario. [7]
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
21
Figura 6 Especificaciones técnicas de la cámara de combustión experimental [8]
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
22
4.6. Descripción de los sistemas
4.6.1. Alimentador de Carbón
El alimentador de Carbón es un equipo de dosificación volumétrica, el
cual permite ajustar de manera precisa la dosificación del carbón pulverizado.
Por lo tanto, previo a la experimentación se requiere realizar una curva de
calibración alrededor de los puntos de dosificación a utilizar durante la
experimentación. A continuación, se describe las especificaciones técnicas de
este equipo.
Figura 7 Especificaciones técnicas del alimentador de Carbón [8]
4.6.2. Transporte neumático de Carbón
Este sistema transporta el carbón desde el punto de descarga del
alimentador, hasta el punto de inyección del mismo, ubicado dentro de la cámara
de combustión, a continuación, se muestra esquemáticamente la disposición de
este sistema.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
23
Figura 8 Esquema del transporte de Carbón y del aire de combustión [8]
4.6.3. Alimentador de biomasa
El alimentador de biomasa es un equipo de dosificación gravimétrica, el
cual permite dosificar de manera precisa la biomasa utilizada alcanzando una
precisión mayor al 3%. Debido a que el equipo está dotado de una celda de carga,
este logra mantener la precisión en la dosificación sin importar la forma del
material utilizado. A continuación, se describe las especificaciones técnicas de
este equipo.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
24
Figura 9 Especificaciones técnicas del alimentador de biomasa [8]
4.6.4. Transporte neumático de biomasa
Este sistema permite transportar la biomasa desde el punto de descarga
del alimentador, hasta el punto de inyección de la misma, ubicando ya sea por
un puerto lateral cuando se opera bajo el esquema Reburn. A continuación, se
expone un esquema de la disposición de este sistema.
Figura 10 Esquema del transporte neumático de Biomasa [8]
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
25
4.6.5. Enfriamiento de gases de combustión y captura de material
particulado
Este sistema permite enfriar los gases de combustión antes de ser
conducidos hacia el ventilador y al sistema de extracción principal. De igual
forma este sistema permite capturar el material particulado y hollines presentes
en los gases de combustión, con lo cual se previene el paso del mismo hacia el
sistema de extracción principal. A continuación, se muestra de manera
descriptiva dicho sistema.
Figura 11 Sistema de enfriamiento de gases y captura de material particulado. [8]
4.6.6. Extracción de gases
El sistema de extracción de gases está constituido principalmente por dos
equipos: el ventilador extractor, ubicado en el ducto de salida de la cámara de
combustión y el sistema de extracción principal. Estos dos equipos tienen mandos
eléctricos independiente, al igual que el ajuste del nivel de extracción de cada uno
tiene mandos independientes.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
26
Figura 12 Sistemas de extracción de gases [8]
4.6.7. Medición de temperatura
La cámara de combustión está equipada originalmente con 8 termocuplas
de las cuales 7 están en servicio actualmente. Estas termocuplas pueden ser
retraídas durante la fase de calentamiento con el objetivo de minimizar el
desgaste y deterioro de las mismas. A continuación, se muestra de manera
esquemática la disposición de las mismas dentro del equipo.
Figura 13 Esquema de los puertos de medición [8]
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
27
4.6.8. Sistema de combustión Gas Natural
El sistema de combustión con Gas Natural es el sistema que permite hacer
el precalentamiento del equipo previo a la inyección de los combustib les
principales (carbón y biomasa). Este sistema está constituido principalmente por
una lanza retráctil, la cual esta ensamblada dentro del tubo de inyección de
carbón. Durante la fase de calentamiento y operación la lanza se mantendrá
introducida al interior de la cámara de combustión.
4.7. Condiciones previas a la operación
Antes de encender el equipo es necesario realizar los siguientes pasos
1. Energizar la cámara de combustión desde el tablero principal NTQ-T7A que se
encuentra a la izquierda de la entrada del laboratorio ML041. En este tablero activar
los breakers n° 2,4,6(cámara de combustión) y 19,21,23(sistema de extracción).
2. En el mismo cuarto, del lado contrario a donde se encuentran el tablero se abre el
registro de aire de 100 psi.
3. Al interior del laboratorio ML 041- A (laboratorio de calderas y motores) se encuentra
el registro principal del gas natural el cual se debe habilitar. Igualmente, el contactor
del ventilador extractor, en el cual se fija una frecuencia de 30 Hz.
4. Una vez al interior del laboratorio de la cámara de combustión ML-041- A1, activar
los contactores del alimentador del carbón y de la biomasa desde sus respectivos
tableros de control. Enseguida abrir los servicios de agua de refrigeración y aire
comprimido desde las válvulas que se encuentran ubicadas junto al equipo.
5. Verificar que las termocuplas estén retraídas.
4.8. Procedimiento para la purga del equipo
Se realiza este procedimiento debido a que existe una incertidumbre de la presencia de
residuos de las pruebas anteriores que puedan causar alteraciones en el proceso de encendido
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
28
de la cámara. Para ello es necesario encender el sistema de extracción principal a una
frecuencia de 30 Hz. Enseguida se enciende el ventilador extractor de la cámara de
combustión a una frecuencia de 12 Hz o mayor. Se ajusta el damper de descarga a una
apertura de 45°, se mantiene esta condición por lo menos unos diez minutos.
4.9. Aislamiento del sistema de refrigeración de agua y descarga de cenizas
En este caso hay que habilitar el paso de agua de refrigeración para impedir el flujo
de aire hacia el interior del equipo que puede ingresar por el reservorio, para ello es necesario
mantener constante el nivel del agua por encima de la abertura.
4.10. Encendido de la cámara de combustión
Habilitar el paso de aire comprimido por el circuito Co-Firing, ajustar un flujo de aire
que sea menor a 1 CFM (pie cubico por minuto) por medio de la válvula reguladora
ubicada en el tablero de control de aire comprimido.
Retirar el tapón de inspección de la llama ubicado en el carrete n°9 del equipo.
Retirar el tapón conectado en el puerto n°1 de Reburn.
Abrir las dos válvulas de la línea de gas natural más cercanas a la cámara de
combustión (válvula de corte final de tubería, válvula de corte entrada a la lanza de
inyección). Mantener cerrada la válvula de corte de gas Natural principal del equipo
(ubicada al lado del ventilador de extracción).
Introducir en el puerto n°1 de Reburn la llama piloto de ignición asegurando que la
misma se mantenga encendida y estable estando dentro del tubo de combustión.
Abrir la válvula de corte de Gas Natural principal del equipo a la posición de bajo
fuego esperar durante 3 segundos la ignición. Si esta no ocurre, proceder a cerrar
inmediatamente la válvula de Gas Natural y aumente la frecuencia del variador del
ventilador extractor a 40 Hz durante un lapso mayor a 2 minutos. Posteriormente,
establecer la frecuencia en el valor previo e intentar nuevamente el paso anterior.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
29
Luego de la ignición proceder a colocar los tapones en los puertos respectivos,
inspeccionar constantemente la llama, observándola desde el puerto de descarga de
cenizas.
Ajustar la frecuencia del sistema de extracción principal a 45 Hz.
Ajustar la frecuencia del ventilador de extracción a 25 Hz.
En este caso se determinó la temperatura inicial de operación a 1 000°C, aunque este
valor puede ser diferente generando un nuevo experimento.
4.11. Proceso Reburn
Para comenzar con la prueba debe primero fijar el valor de la frecuencia en los
alimentadores de carbón y de biomasa. Una vez la cámara ha alcanzado los 1000°C se
prosigue a activar los alimentadores y se espera un lapso de tiempo, en el cual el proceso de
combustión se estabilice, esto se comprueba determinando las temperaturas de las
termocuplas sean constantes y similares entre ellas, de ahí en adelante ese lapso de tiempo se
debe preservar para todas las pruebas. Finalmente, con ayuda del analizador de gases se
realiza la lectura de NOX generados y del exceso de aire, finalizando la prueba.
4.12. Precauciones
La carga mínima con la que se debe operar el alimentador es de 2 Kg. Operar el
alimentador por debajo de este valor corre el riesgo de bloquear el flujo de carbón
debido al retorno del aire de transporte neumático a través del tornillo sin fin del
alimentador.
La carga máxima de carbón con la que se debe operar el alimentador es de 5 Kg.
Exceder este valor corre el riesgo de generar excesiva compactación del material en
la tolva, con lo cual se puede generar atascos en la boquilla de descarga y con esto,
posibles roturas del tornillo sin fin de alimentación.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
30
El flujo máximo de aire de transporte no deberá exceder los 2,25 SCFM (pies cúbicos
por minuto estándar). Operar por encima de estos flujos puede provocar bloqueos del
flujo de carbón debido al retorno del aire de transporte neumático a través del tornillo
sin fin.
Siempre opere el alimentador con el sistema de agitación activado. Esto evitara que
en determinado momento el tornillo sin fin quede sin material para transportar y con
esto se presenten problemas de flujo discontinuo de carbón. Se recomienda un valor
de agitación entre 50 a 60 %.
Nunca opere el alimentador sin la tapa superior al igual que nunca deje el mismo sin
la tapa mientras se encuentre cargado.
Al momento de realizar la descarga de los alimentadores, no exceder la velocidad de
300 unidades. Esto puede generar compactación del material en la boquilla, con lo
cual se puede provocar atascos y posibles roturas en el tornillo alimentador.
El material cargado debe estar seco. La máxima humedad presente deberá estar por
debajo del 10, esto con el propósito de evitar riesgos de atascamiento debidos a la
compactación y aglomeración del material por exceso de humedad presente en el
material.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
31
5. Resultados
Figura 14 Gráfica de distribución de la temperatura vs las termocuplas
La figura 14 representa el comportamiento de la temperatura de acuerdo a la variación
de las termocuplas. Cabe recordar que según el diseño de la cámara de combustión existen
10 puertos igualmente esparcidos a lo largo de la cámara para instrumentación de los cuales
7 son empleados por las termocuplas. La termocupla 1 corresponde al puerto más cercano a
la zona de inyección del carbón mientras que el numero 7 corresponde al puerto más lejano
de la zona de combustión.
De la figura 14 se logra percibir que la referencia que corresponde al caso de 100% carbón,
presenta los menores valores de temperatura respecto a los diferentes puertos estudiados.
Según la metodología expuesta en el marco teórico, se esperaría que la temperatura de
referencia fuese mayor a los demás datos experimentales, porque la biomasa al interactuar
con los gases de combustión le retira una porción de calor provocando una disminución en
la temperatura. En algunos casos dependiendo del tipo de biomasa que se maneje esta puede
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Temocupla
Gráfica de distribucion de la temperatura vs la termocupla
Primer Puerto Segundo Puerto Tercer Puerto
Cuarto Puerto referencia
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
32
aumentar o disminuir la temperatura del proceso, en este caso está claro que la biomasa
influyo en el aumento de la temperatura y por lo tanto también pudo propiciar la generación
de NOx en vez de reducirlos.
Según el comportamiento de las diferentes funciones se presenta el siguiente patrón, la
temperatura en la termocupla 1 está muy cercano al 1 000 °C, siendo este el mínimo valor
registrado. Conforme se avanza por la cámara de combustión la temperatura aumenta hasta
llegar a la termocupla 3 donde se presenta el valor máximo de ahí en adelante presenta un
decrecimiento a lo largo del resto del trayecto de la cámara. La termocupla 6 presenta los
datos de temperatura con mayor precisión debido a que estos tienen poca dispersión.
Por cuestiones de estética en la gráfica no se colocaron las gráficas de error de medición, sin
embargo, los errores totales de la temperatura no exceden el 12%.
El rango de operación de las temperaturas de los diferentes puertos oscila entre 1 000°C a
1 250°C.
Figura 15 Gráfica de NOx vs Puerto
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
33
En la figura 15 se puede observar el comportamiento de los NOx obtenidos por cada
puerto de alimentación. El rango en que se encuentran los NOx de los diferentes puertos está
limitado por 500 ppm hasta 700 ppm. Si se analiza las emisiones de NOx por cada puerto
examinado se encontrará que en el puerto 1 se presentó la máxima reducción de NOx respecto
a los otros puertos de alimentación, el puerto 2 mostró la mayor cantidad de emisiones. De
acuerdo a la teoría en el momento en que la temperatura excede los 1 200 °C los NOx tienden
a dispararse es por eso que las emisiones de NOx en el puerto 2 son las más altas ya que en
este puerto se excedió la temperatura recomendada para reducir los NOx.
Figura 16 Gráfica de Eficiencia vs Puerto
Aunque no estaba previsto analizar la eficiencia del proceso de combustión en un
principio, a lo largo de los experimentos se pensó que los datos deberían tener un rendimiento
similar y por consiguiente este parámetro ayudaría a identificar si las condiciones de
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5
Efic
ien
cia[
%]
Puerto
Gráfica de Eficiencia vs Puerto
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
34
operación permanecen contantes. En la gráfica 16 se puede apreciar la relación que existe
entre la eficiencia respecto a cada puerto de alimentación de biomasa, adicionalmente se
presenta el valor de referencia en el punto cero. Sin lugar a duda la eficiencia del valor de
referencia dio muy alto por lo que no es creíble que los valores obtenidos de las pruebas de
100% carbón se hubiesen realizado bajo las mismas condiciones. Este experimento cuenta
con muchos factores que son difíciles de controlar, un ejemplo es mantener y asegurar que
los flujos de alimentación, sobre todo el de biomasa permanezcan constante.
De otro lado, se puede determinar que para los valores con la mezcla de biomasa y carbón la
eficiencia leída por el analizador de gases Testo 330-2, oscila en el rango de 50 a 60 %,
presentado un comportamiento constante alrededor de 55%. En los puertos 1 y 3 los valores
de eficiencia presentan un error total imperceptible, mientras que para los valores de
eficiencia los puertos 2 y 4, el error total es más pronunciado.
6. Recomendaciones
Entre los factores que puede afectar la medición se encuentran:
La lanza de alimentación, se observó durante varios experimentos que este artefacto posee
una gran sensibilidad, requiriendo un frecuente mantenimiento para evitar acumulación de
carbón, además la más mínima perturbación de esta puede provocar un flujo irregular o
atascamiento de carbón. Igualmente, en el conducto de transporte de ambos combustibles se
puede presentar represamiento de combustible por la posible compactación de este.
Debido a que se programaron en la mayoría de las veces dos tomas de datos por día es
necesario emplear una cantidad mayor de carbón que la habitual por lo que esta puede generar
la compactación del carbón tanto en la tolva del alimentador como en el tornillo sin fin y en
la línea de transporte.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
35
El siguiente factor es la temperatura, es considerada una variable abierta dentro de un rango
de operación. Al comienzo se debe determinar una temperatura inicial que corresponde al
parámetro que determina si la cámara se encuentra en condiciones de operación, esta
temperatura se halla en el rango de 850 a 1 200°C. Este rango es definido según la operación
optima del proceso de oxidación del carbón. Valores inferiores indican que la cámara aun
esta fría o en proceso de precalentamiento. Por el contrario, para valores superiores implica
un periodo de tiempo más prolongado dificultando realizar operaciones flexibles ante
posibles perturbaciones presentadas durante la toma de datos. Por lo tanto, en este conjunto
de experimentos se determinó que la cámara debe estar a 1 000°C, para proseguir con el
proceso de combustión. Sin embargo, esta temperatura podría fluctuar entre este valor,
mejorando la muestra de observaciones. Se recomienda que sea inferior a 1 000°C para
minimizar el tiempo de espera del precalentamiento, disminuir el tiempo de reserva y con
esto reducir un poco los costos de operación.
El tiempo de estabilización de la combustión no se calcula matemáticamente, se estima a
partir de la estabilización de la temperatura lo que involucra un uso constante de las
termocuplas, y el posible desgaste de ellas, además de contar con la experiencia del técnico
que recomendó un tiempo de espera de 40 minutos aproximadamente. De ahí se determinó
el tiempo de estabilización del proceso de combustión en 35 minutos. Igualmente, con la
temperatura se puede escoger un valor de tiempo cercano a lo propuesto que garantice que el
proceso de combustión presente un comportamiento estable.
Se debe asegurar que todos los puertos permanezcan cerrados en el proceso de
precalentamiento, de lo contrario el aire secundario que ingresa por cualquier orific io
diferente a los especificados en el procedimiento impedirá que la cámara alcance la
temperatura deseada.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
36
El exceso de oxigeno es otro parámetro que se puede modificar a partir del valor teórico
calculado, explicado anteriormente puede existir actos inseguros que generen una adición de
aire secundario, además la cámara no es totalmente hermética, siendo los diferentes ductos y
orificios fuentes de entrada de aire secundario. Sin embargo, no se puede garantizar que
todo el aire al interior de la cámara reaccione de la misma forma con el combustib le,
existiendo perdidas por la ausencia de aire o el exceso de este. El objetivo de determinar el
exceso de aire es garantizar que se lleve a cabo una combustión completa y a la vez que no
halla moléculas de oxigeno de exceso que puedan interactuar con el nitrógeno puro.
Otra recomendación que es pertinente es lograr una tasa de alimentación de biomasa menor
a la reportada. Se propone la idea de ralentizar la velocidad del tornillo a partir del software
que lo controla, pero de forma tal que el flujo de alimentación de la biomasa sea constante y
el movimiento del tornillo sea estable. Se sugiere obtener un flujo de biomasa entre 1 a 4
g/min, esto tiene la ventaja al momento de calcular el flujo correspondiente de carbón a partir
de los porcentajes y en caso dado que se tenga una limitación en la cantidad disponible del
recurso es una solución acertada, por otro lado, se observó que entre más carbón se emplee
mayor poder calorífico se tendrá en el momento de la quema lo que conlleva a un aumento
mayor de la temperatura, que potencian el desarrollo de NOX. Por lo tanto, si se reduce el
flujo de carbón requerido es posible minimizar la probabilidad de generación de NOx.
Por último, se recomienda seguir experimentando variando parámetros como el exceso de
aire, la temperatura de operación y el tiempo, con la finalidad de lograr acotar el problema,
aumentar el tamaño de la muestra para realizar un análisis con mayor precisión y poder
establecer si es viable implementar el proceso Reburn con cascarilla de arroz en la industr ia.
Igualmente, se sugiere realizar el estudio de variar el porcentaje de biomasa por puerto de
alimentación para determinar el comportamiento de los NOx.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
37
7. Conclusiones
Según los resultados obtenidos, la cascarilla de arroz demostró no ser una biomasa
apta en la reducción de NOx, lo que indica que se podría probar con un diferente
porcentaje que posiblemente mejore el comportamiento de la reacción.
A pesar de controlar los diferentes factores que pudieron alterar la medición de los
datos es posible que durante las pruebas de los puntos de referencia de 100% carbón,
las condiciones de operación hayan cambiado alterando los datos por lo que se puede
afirmar por medio de los resultados no se logró el objetivo general que consistía en
reducir los NOx, dado que los resultados del valor de referencia son inferiores a los
valores de las pruebas.
A partir de los análisis próximo y último se identificaron los porcentajes que
componían el carbón y la cascarilla, por consiguiente, fue posible realizar el anális is
estequiométrico de las reacciones y hallar la cantidad de aire teórico de la mezcla.
Se tuvo acceso a la mayoría de los puertos de Reburn salvo a uno que se encontraba
fuera de servicio, puesto que había sido retirado ya que el espacio del laboratorio
restringía la altura de la cámara.
Este proyecto aporto situaciones que requirieron un estudio de ingeniería en las áreas
de la química, la programación de software, conversión de energía y termodinámica.
Se logró realizar un correcto uso de la cámara de combustión, resolviendo los posibles
sobresaltos o contratiempos, basados en un buen criterio ingenieril.
De las pruebas experimentales el puerto 1 fue el que presento la máxima reducción
de NOx. Esto respalda que el proceso Reburn tiene el potencial de disminuir las
emisiones de NOx.
Ingeniería Mecánica Sebastián Valero Parra
201316926
38
8. Bibliografía
[
1
]
Mecánica y motores, «Mecanicaymotores,» 2012. [En línea]. Available:
http://www.mecanicaymotores.com/introduccion-a-la-combustion.html. [Último acceso:
23 4 2017].
[
2
]
Energizar, «Energizar,» 2017. [En línea]. Available:
http://www.energizar.org.ar/energizar_desarrollo_tecnologico_biogas.html. [Último
acceso: 24 3 2017].
[
3
]
M. J. Khinkis, I. K. Rabovitser y M. J. Roberts, «Reburn Process». USA Patente
US5937772 A, 17 7 1999.
[
4
]
K. Annamalai y J. M. Sweeten, «Reburn system with feedlot biomass». USA Patente
US6973883 B1, 13 12 2005.
[
5
]
A. O. Behn, «Termal,» Thermal Engineering LTDA, [En línea]. Available:
http://www.thermal.cl/prontus_thermal/site/artic/20110602/asocfile/20110602102250/ar
ticulo___reduccio__n_nox_en_calderas.pdf. [Último acceso: 23 4 2017].
[
6
]
«Lenntech,» [En línea]. Available: https://www.lenntech.es/ciclo-nitrogeno.htm.
[Último acceso: 27 11 2017].
[
7
]
R. G. Beltrán, «Combustibles y combustión,» de Principios de conversion térmica de
energía, Bogotá D.C, Universidad de los Andes, 1997, pp. 1-40.
[
8
]
Universidad de los Andes, Manual de operacion y mantenimiento de la cámara de
combustión experimental, Bogotá.