Modelo cinético para el proceso de gasificación de briquetas de carbón con biomasa en reactor de lecho fijo

• Autores: Marco Antonio Ardila Barragán
• Directores de la Tesis: Alfonso Isidro López Díaz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia ( Colombia ) en 2021
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: repositorio.uptc.edu.co
• Resumen

  • Spa: El objetivo de la investigación consiste en estudiar y seleccionar de un modelo cinético del proceso de gasificación, en reactor de lecho fijo, de briquetas producidas a partir de mezclas de carbón de bajo rango con biomasa de plantas invasivas en cultivos agrícolas, y residuos vegetales postcosecha y postproceso. Para este fin se caracterizaron carbones de la provincia Centro de Boyacá, con el propósito de seleccionar el carbón que, de acuerdo con el estado del arte se ajuste más a las propiedades de los carbones usados en procesos de gasificación y cogasificación; como resultado se escogió un carbón subituminoso tipo A. Las biomasas se seleccionaron bajo criterios de disponibilidad y procesos productivos predominantes en la región; en estos términos las muestras probadas fueron: Chenopodium album (cenizo), aserrín de eucalipto y semilla de guayaba.

    Se fabricaron briquetas con tres tipos de mezcla carbón-biomasa vegetal: de plantas invasivas en cultivos agrícolas, de residuos postcosecha y de residuos postproceso, en proporción másica de 3:1, aglomeradas con parafina; se caracterizaron mediante análisis próximos, elementales y tecnológicos, para determinar las propiedades fisicoquímicas, necesarias para determinar los rendimientos del proceso de gasificación.

    Las pruebas de gasificación se realizaron en dos fases; en la primera, con briquetas en un microgasificador de lecho fijo a nivel de laboratorio, inyectando aire al 50% como agente gasificador, para analizar la factibilidad del proceso e identificar variables y parámetros de referencia; se observaron características particulares del proceso de pirólisis a 523 °C, de combustión incompleta y de la posible producción de gases combustibles en el reactor. En la segunda fase, pruebas se realizaron con muestras de briquetas y diferentes agentes gasificadores (aire, CO2 y vapor de agua), bajo condiciones de lecho fijo en un analizador termogravimétrico, con el fin de obtener información diferencial de tiempo, temperatura y gasto de masa registrada en el TGA, para hacer el análisis termodinámico y cinético del proceso. El balance de masa y energía se efectuó a partir de las eficiencias de: conversión de carbono (Ecc), producción de gas (Yg), y Valor Calorífico Alto del gas (VCAg) y eficiencia térmica (Eth). La composición del syngas obtenido experimentalmente, se analizó con respecto a las composiciones de equilibrio del sistema, obtenidas por simulación del proceso en HSC. se concluye también que, técnicamente es factible la obtención de gas de síntesis, a mayores escalas de producción, utilizando briquetas en gasificadores de lecho fijo para lograr alta homogeneidad en el flujo y la composición de la carga.

    Finalmente, se determinaron los valores de los parámetros cinéticos de la ecuación de Arrhenius: Energía de activación (Ea), Factor pre-exponencial de Arrhenius (A) y la relación de conversión de masa (), para calcular la constante cinética (k) y la velocidad de reacción del proceso de gasificación. Se establece que, solamente los modelos de difusión unidimensional y tridimensional de simetría esférica, cumplen con las condiciones necesarias para calcular la velocidad de reacción del proceso; esto se asume teniendo en cuenta que la reacción gas-sólido tiene lugar en un lecho fijo, donde las partículas estáticas de un combustible sólido están expuestas al flujo unidireccional de un agente gasificador (gas), donde la difusión a través de la masa depende a la presión y concentración del gas, las cuales son variables no controladas para las condiciones de operación.