Caracterización del gas de gasificación de biomasa lignocelulósica en una bomba de combustión con acceso óptico para visualización usando SCHLIEREN

Máster en Ingeniería Industrial MASTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID TRABAJO FIN DE MÁSTER CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN Autor: Dña. Leyre Sancho Cambeses Tutor: Dña. Miriam Reyes Serrano Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Valladolid, septiembre de 2020 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN I RESUMEN BREVE La preocupación por la salud pública debido a la inhalación de humo con sustancias nocivas provenientes de la cocina en abierto en las zonas más aisladas de Colombia, ha motivado el desarrollo de este trabajo en colaboración con el doctor Juan Fernando Pérez de la Universidad de Antioquia, Colombia. Este trabajo se basa en la caracterización del proceso de combustión del gas obtenido tras el la gasificación de las especies de biomasa más abundantes en la región colombiana. Esta caracterización se desarrolla en una bomba de combustión cilíndrica a volumen constante, ubicada en el laboratorio de motores y máquinas térmicas del departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica de la universidad de Valladolid. Con el fin de conocer el comportamiento del gas en la bomba de combustión, se realizan varios experimentos en condiciones estequiométricas variando los parámetros de entrada de presión y temperatura. Finalmente se exponen los resultados obtenidos por medio tanto del modelo de diagnóstico de dos zonas como por la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren extrayendo así la morfología y comportamiento del frente de llama. Palabras clave: Combustión, biomasa, gasificación, gas pobre, bomba de combustión ABSTRACT The concern for public health due to the inhalation of smoke with harmful substances coming from open kitchens in the most isolated areas of Colombia, has motivated the development of this work in collaboration with Dr. Juan Fernando Pérez from the University of Antioquia, Colombia. This work is based on the characterization of the gas combustion process obtained after the gasification of the most abundant biomass species in the Colombian region. This characterization is developed in a constant volume cylindrical combustion pump,located in the laboratory of engines and thermal machines of the Energy Engineering and Fluidomechanics department at the University of Valladolid. In order to know the behavior of the gas in the combustion pump, several experiments are carried out under stoichiometric conditions, by varying the input parameters of pressure and temperature. Finally, the results obtained by the two-zone diagnostic model and the combustion visualization using the Schlieren optical technique are presented, thus extracting the morphology and behavior of the flame front. Keywords: Combustion, biomass, gasification, lean gas, combustion pump CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN II CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN III Agradecimientos A mi tutora Miriam Reyes por haberme ofrecido esta gran oportunidad para ampliar mis conocimientos gracias a su fuerte constancia, implicación y ganas de enseñar. A Alexandra por la ayuda prestada. A mi familia, mis padres Eugenio y María José y mi hermana Lidia por acompañarme durante esta etapa con su apoyo incondicional, sin ellos no hubiese sido posible. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN IV CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN V ÍNDICE CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .................................................................... 1 1.1 Introducción y antecedentes .................................................................................... 3 1.2 Objetivos ................................................................................................................. 5 CAPÍTULO 2.- ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 7 2.1 Comparación entre el panorama energético de Colombia y España ........................... 8 2.2 Biomasa ................................................................................................................ 10 2.2.1 Concepto de biomasa ................................................................................................ 10 2.2.2 Clasificación de la biomasa ........................................................................................ 11 2.2.3 Parámetros físicos, químicos y energéticos de la biomasa ....................................... 11 2.2.4 Ventajas y desventajas de la biomasa ....................................................................... 12 2.2.5 Disponibilidad y consumo de biomasa en Colombia ................................................. 13 2.3 Gasificación ........................................................................................................... 15 2.3.1 Definición y etapas..................................................................................................... 15 2.3.2 Tecnologías y reactores de gasificación ..................................................................... 17 2.3.2.1 Gasificadores de lecho fijo/móvil ...................................................................... 17 2.3.2.2 Gasificadores de lecho fluidizado ..................................................................... 18 2.3.2.3 Gasificadores con arrastre ................................................................................ 19 2.3.2.4 Estufa de tiro ascendente iluminada superior (TLUD) ...................................... 19 2.3.3 Parámetros de gasificación ........................................................................................ 20 2.4 Gas pobre .............................................................................................................. 23 2.5 Aplicaciones de los subproductos de gasificación .................................................... 25 2.5.1 Caracterización del biochar como enmienda del suelo ............................................. 25 2.5.2 Caracterización del biochar como combustible sólido .............................................. 26 2.6 Combustión en MEP .............................................................................................. 28 2.6.1 Combustión normal ................................................................................................... 28 2.6.2 Combustión anormal ................................................................................................. 29 2.6.2.1 Combustión con autoinflamación ..................................................................... 30 2.6.2.2 Encendido superficial ........................................................................................ 31 2.6.3 Emisiones contaminantes .......................................................................................... 32 2.6.3.1 Métodos de reducción de emisiones contaminantes ....................................... 33 2.7 Parámetros de estudio de la combustión ................................................................ 34 2.7.1 Velocidad de combustión laminar ............................................................................. 34 2.7.2 Inestabilidades del frente de llama: Celularidad ....................................................... 35 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN VI 2.7.3 Tasa de stretch ........................................................................................................... 38 CAPÍTULO 3.- PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................. 41 3.1 Descripción de la instalación .................................................................................. 42 3.2 Metodología experimental .................................................................................... 47 3.2.1 Parámetros experimentales....................................................................................... 48 3.2.2 Preparación de la bomba ........................................................................................... 48 3.2.3 Llenado de la bomba .................................................................................................. 48 3.2.4 Homogeneización de la mezcla ................................................................................. 49 3.2.5 Combustión ................................................................................................................ 49 3.3 Cálculo teórico de las presiones de llenado de la bomba ......................................... 50 3.4 Cálculo real de los parámetros tras el llenado de la bomba ..................................... 54 3.5 Adquisición de datos ............................................................................................. 56 3.6 Tratamiento de datos ............................................................................................ 57 CAPÍTULO 4.- RESULTADOS SOBRE GAS POBRE OBTENIDO DE LA GASIFICACIÓN DE PINUS PATULA ................................................................................................................. 61 4.1 Estudio paramétrico de la presión .......................................................................... 62 4.1.1 Estudio paramétrico de la presión a 92 °C ................................................................. 63 4.1.2 Estudio paramétrico de la presión a 110°C ............................................................... 72 4.2 Estudio paramétrico de la temperatura .................................................................. 77 CAPÍTULO 5.- RESULTADOS SOBRE GAS POBRE OBTENIDO DE LA GASIFICACIÓN DE CORDIA ALLIODORA ........................................................................................................ 83 5.1 Estudio paramétrico de la presión .......................................................................... 84 5.1.1 Estudio paramétrico de la presión a 90°C.................................................................. 84 5.1.2 Estudio paramétrico de la presión a 110°C ............................................................... 89 5.2 Estudio paramétrico de la temperatura .................................................................. 93 5.3 Comparación Pinus patula y Cordia alliodora a 0,8 bar ............................................ 97 5.3.1 Comparativa de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula a 90°C de temperatura inicial y 0,8 bar. .................................................................................... 97 5.3.2 Comparativa de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula a 110°C de temperatura inicial y 0,8 bar. ................................................................................ 101 CAPÍTULO 6.- CONCLUSIONES Y APLICACIONES FUTURAS ........................................... 107 6.1 Conclusiones generales: ....................................................................................... 108 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN VII 6.2 Conclusiones específicas ...................................................................................... 109 6.3 Futuras líneas de investigación............................................................................. 111 6.4 Aportaciones ....................................................................................................... 111 CAPÍTULO 7.- BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 113 ANEXO I: PARÁMETROS EXPERIMENTALES ................................................................... 119 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN XIV INDICE DE TABLAS Tabla 1. Condiciones socioeconómicas de las regiones estudiadas [4] ............................ 4 Tabla 2. Ventajas y desventajas de la biomasa [12] ........................................................ 12 Tabla 3. Caracterización de la materia prima [15] .......................................................... 14 Tabla 4. Parámetros de gasificación en función del tipo de biomasa [15] ...................... 20 Tabla 5. Parámetros de gasificación de la especie Pinus Patula en función de la tasa de flujo de aire [15] .............................................................................................................. 21 Tabla 6. Análisis de las características de los combustibles [5] ....................................... 21 Tabla 7. Resultados del diseño experimental, diámetro de la sección transversal del gasificador 0,054 m y 0,104 m y tipo de biomasa: corteza de pino (H/C = 1,19) y lodos de depuración (H/C = 1,63) [5] ....................................................................................... 22 Tabla 8. Caracterización del biochar como enmienda del suelo [15] ............................. 25 Tabla 9. Propiedades fisicoquímicas del biochar.[15] ..................................................... 27 Tabla 10. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula a 92°C ...................... 66 Tabla 11. Morfología del frente de llama de Pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92°C de temperatura inicial para presiones de 0,8-3 bar ............. 70 Tabla 12. Morfología del frente de llama de Pinus patula en condiciones estequiométricas y a 110°C de temperatura inicial para presiones de 0,8, 2 y 4 bar ..... 73 Tabla 13. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula a 110°C .................... 75 Tabla 14. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula a 92°C y 110°C a 0,8 bar 79 Tabla 15. Morfología del frente de llama de Pinus patula en condiciones estequiométricas, a 0,8 bar y a 90 y 110 °C .................................................................... 82 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN XV Tabla 16. Valores de la correlación Metghalchi para Cordia alliodora a 90°C ................ 86 Tabla 17. Morfología del frente de llama de cordia alliodora en condiciones estequiométricas y a 90°C de temperatura inicial para presiones de 0,8, 1,5 y 3 bar .... 88 Tabla 18. Valores de la correlación Metghalchi para Cordia alliodora a 110°C .............. 91 Tabla 19. Morfología del frente de llama de cordia alliodora en condiciones estequiométricas y a 110°C de temperatura inicial para presiones de 0,8, 1,5 y 3 bar .. 93 Tabla 20. Valores de la correlación Metghalchi para Cordia alliodora a 90°C y 110°C ... 95 Tabla 21. Morfología del frente de llama de cordia alliodora en condiciones estequiométricas, para presiones de 1,5 y 90 y 110°C de temperatura inicial ............... 97 Tabla 22. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula y Cordia Alliodora a 90°C y 0,8 bar .................................................................................................................. 98 Tabla 23. Comparación de la morfología del frente de llama de cordia alliodora y pinus patula en condiciones estequiométricas a 90°C y 0,8 bar ............................................ 101 Tabla 24. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula y Cordia Alliodora a 110°C y 0,8 bar .............................................................................................................. 103 Tabla 25. Comparación de la morfología del frente de llama de cordia alliodora y pinus patula en condiciones estequiométricas a 110°C y 0,8 bar .......................................... 106 Tabla 26. Experimentos realizados con datos reales .................................................... 120 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN XVI CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 1 CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 2 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 3 1.1 Introducción y antecedentes El presente trabajo es una colaboración y parte de un estudio desarrollado por el Profesor Dr. Juan Fernando Pérez de la Universidad de Antioquia, en Medellín, Colombia. Dicho estudio tiene como objetivo final el desarrollo de una estufa de cocción TLUD (estufa de tiro ascendente iluminada superior) para la población más aislada de Colombia que opere bajo gasificación de biomasa lignocelulósica originando un gas de gasificación que combustionará posteriormente formando una llama sobre la que se llevarán a cabo las labores de cocción. Actualmente, las personas que habitan en las zonas más rurales de Colombia no tienen acceso a la red de gas y su método de cocción es el método prehistórico de 3 piedras creando fuego con leña sobre el propio suelo y cocinando sobre ello. Inhalar las emisiones nocivas que contiene ese humo resulta muy perjudicial para la salud, llegando a cobrar bastantes vidas a lo largo del año. Además, al ser un sistema abierto, la eficiencia de este sistema resulta ser muy baja, entre el 10 y 15 % y la transmisión de calor con el ambiente muy alta, lo que conlleva un mayor consumo de leña, favoreciendo la deforestación y la mala calidad del aire interior. Crear una estufa TLUD que opere bajo gasificación de biomasa minimizará las emisiones de los productos del gas, reduciendo las muertes por dicha causa y optimizará el proceso aumentando su eficiencia y disminuyendo el consumo de biomasa. Según la OMS, unos 3.000 millones de personas cocinan y calientan sus hogares con fuegos abiertos y cocinas en los que queman biomasa y carbón, afirmando que cada año, más de 4 millones de personas, de los cuales casi 1,2 millones son niños de menos de 5 años [1], mueren prematuramente por enfermedades atribuibles a la contaminación del aire dentro de los hogares como consecuencia del uso de estos combustibles en abierto. Estas enfermedades son en particular, accidente cerebrovascular, cardiopatía isquémica, neumopatía obstructiva crónica y cáncer de pulmón [2]. En ese sentido, esta organización elaboró las “Guías de calidad del aire de la OMS relativas al material particulado, el ozono, el dióxido de nitrógeno y dióxido de azufre” con la finalidad de proteger la salud pública [3]. Los intereses se han dirigido a mejorar el rendimiento de las cocinas de biomasa para mejorar la salud de los usuarios de manera que la cocina se lleve a cabo de una forma más limpia y eficiente, mejorando la calidad de vida de la población rural. La cocina es una de las actividades principales en la vida de las personas alrededor del mundo. Sin embargo, los problemas relacionados con ella se asocian generalmente a la escasez o costo del combustible particularmente en áreas remotas y rurales. Los hogares cuyos ingresos son mayores utilizan queroseno y GLP, mientras que en las zonas rurales o de difícil acceso predomina el uso de biomasa en forma de leña. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 4 Según un estudio realizado en India, los patrones de consumo de leña están asociados con bajos ingresos, el tiempo medio de recolección de leña, el número de miembros en la familia y las dificultades de obtener acceso a otras formas de abastecimiento más limpias como la electricidad, gas natural y queroseno. En la Tabla 1 se resumen los factores socioeconómicos influyentes de las zonas rurales de las regiones de Colombia estudiadas. A la cabeza del consumo de leña se sitúa Córdoba, con casi la mitad de la población, debido al alto porcentaje de pobreza e insatisfacción de las necesidades básicas. Tabla 1. Condiciones socioeconómicas de las regiones estudiadas [4] Condiciones socioeconómicas Córdoba Antioquia Putumayo Personas por hogar 3,67 3,14 3,12 Estimación de pobreza (%) 73,5 50,5 39,4 Necesidades básicas insatisfechas (%) 51,65 26,77 27,10 Consumo de leña (% de la población) 48 38 34 El uso de biomasa en países en desarrollo es visto como una manera eficiente de lograr suministro de energía autosuficiente para comunidades pequeñas. La gasificación es uno de los métodos que mejor se adapta a las necesidades de energía anteriormente citadas. La rentabilidad y posibilidad de un uso generalizado de gasificación de biomasa reside tanto en el desarrollo de equipos simples y eficientes que permiten el uso de biomasa con tratamientos mínimos como en la reducción de costos de almacenamiento y transporte al usarse en el mismo lugar donde se genera. El gas productor de la gasificación puede utilizarse como combustible en motores de combustión interna llegando a generar una potencia eléctrica de 1000 kWe [5]. El empleo de leña como combustible en estufas avanzadas permite disminuir el contenido de CO2, pudiendo un metro cúbico de eucalipto reemplazar 113 litros de queroseno o 120 m3 de gas natural en este tipo de aplicaciones [6]. El presente TFM se encuadra dentro del ámbito del Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica de la Universidad de Valladolid, y del Grupo de Investigación en Motores y Energías Renovables. Este grupo tiene una amplia experiencia en el estudio y caracterización del proceso de gasificación de biomasa lignocelulósica y del estudio del proceso de combustión premezclada de diferentes combustibles gaseosos, debido a la realización de varias Tesis Doctorales y numerosos trabajos TFG y TFM de alumnos. El Dr. Juan Fernando Pérez realizó la Tesis Doctoral [7] en la Universidad de Valladolid, en este Departamento, y desde entonces se tiene una colaboración consistente en la realización de trabajos conjuntos, redes de investigación y estancias entre ambas Universidades. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 5 1.2 Objetivos El presente trabajo se centra en la última fase de la estufa TLUD como es la combustión del gas de gasificación, caracterizando dicho gas mediante la técnica óptica Schlieren en una bomba de combustión, con el fin de conocer su comportamiento bajo un proceso de combustión convencional, en función de los tipos de biomasa disponibles en Colombia. Para caracterizar los gases combustibles obtenidos tras la gasificación de biomasa, se emplea una bomba de combustión con geometría cilíndrica equipada con un sistema de diagnóstico óptico Schlieren para visualizar el proceso de combustión y un transductor de presión piezoeléctrico para registrar la presión instantánea. Mediante la visualización del frente de llama se estudiará la velocidad con la que el mismo se propaga por la cámara de combustión. La presión instantánea es la entrada de un modelo de diagnóstico de dos zonas a través del cual se obtienen variables como velocidades de combustión, temperaturas, fracciones de masa quemada, etc, que permiten caracterizar el proceso de combustión de los mencionados gases de gasificación. Para conseguir los objetivos anteriormente mencionados, el TFM consta de los siguientes apartados: índices, introducción y objetivos, estado del arte, parte experimental, resultados sobre gas pobre obtenido de la gasificación de pinus patula, resultados sobre gas pobre obtenido de la gasificación de cordia alliodora, conclusiones y aplicaciones futuras y bibliografía. A su vez, el TFM está dividido en dos partes principales, una de estudio teórico y la otra de estudio experimental junto con los resultados. Como se verá más adelante, el capítulo 2.2.5 se centra en el estudio y disponibilidad de biomasa en la región de Colombia, destacando 4 especies de las que se realiza el estudio. Para la realización de experimentos se han elegido dos de las cuatro especies, Pinus patula y Cordia alliodora, por ser la de menor y mayor poder calorífico respectivamente. Los experimentos se realizan en una bomba de combustión cilíndrica de volumen constate con encendido provocado a través de una bujía. Los resultados del tratamiento de datos se dividen en dos subapartados: uno referente al modelo de diagnóstico de dos zonas donde se estudia la evolución temporal de la presión, la velocidad de combustión y la fracción de masa quemada y el otro relacionado con la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren en el que se estudia la evolución temporal del radio de frente de llama, la velocidad de propagación del frente frente a la tasa de Stretch y la velocidad de combustión laminar unstretched. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 6 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 7 CAPÍTULO 2.- ESTADO DEL ARTE 2. ESTADO DEL ARTE CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 14 Dentro de estas regiones, se seleccionaron como especies más representativas Cordia alliodora, Guazuma ulmifolia, Eucalyptus grandis y Pinus patula a partir de información secundaria por su adecuación para el proceso de gasificación debido a su alta contenido de materia volátil ( >80 %) y su bajo contenido en cenizas (< 1,8%)[6]. Un estudio realizado por Hernán E. Díez and Juan F. Pérez [15] nos revela la caracterización de la materia prima, tal y como se recoge en la Tabla 3. Tabla 3. Caracterización de la materia prima [15] Guazuma ulmifolia Cordia alliodora Eucalyptus grandis Pinus patula Materia volátil (wt %) 80,92 81,75 81,66 84,11 Cenizas (wt %) 1,8 1,53 1,17 0,4 Humedad (wt %) 7,99 7,41 10,28 8,55 C (wt %) 49,1 49,2 51,0 47,2 H (wt %) 5,8 5,8 6,1 6,2 N (wt %) n.d n.d n.d 0,3 O (wt %) 45,1 45,0 42,9 46,3 Propiedades energéticas FVI (MJ/cm3) 1,62 2,72 3,28 9,89 Poder calorífico (kJ/kg) 16.819 18.157 17.795 17.646 Propiedades físicas Densidad aparente (kg/m3) 138,26 169,70 221,83 196,42 Superficie de área (m2/g) 2,1286 1,6960 1,7003 1,3489 * n.d : No detectado Donde FVI (Fuel Value Index) cuantifica la calidad de la madera como un biocombustible sólido. Para definir este término nos basamos en la descripción proporcionada por un estudio sobre el valor calorífico de las especies de leña en poblaciones rurales de la Patagonia [16] : 𝐹𝑉𝐼=𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 (𝑘𝐽 𝑘𝑔)∙𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑘𝑔 𝑚3) % 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 ∙% 𝐶𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠 (2.2) El contenido de carbono de Eucalyptus es significativamente mayor que en las otras tres especies, y el contenido de hidrógeno es similar para todas las muestras. Pinus Patula destaca por su contenido de oxígeno (46,3 %) y todas las especies presentan un contenido muy bajo de nitrógeno, por debajo del 0,6 %, lo que las hace adecuadas para su uso como materia prima para propósitos energéticos [6]. Por lo tanto, todas las especies estudiadas son adecuadas para el proceso de gasificación al contener alrededor de un 6% de hidrógeno, un contenido de oxígeno entre el 40 y el 51% y una humedad inferior al 25% [17]. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 15 Es de interés destacar, por un lado, que las diferencias entre el contenido de cenizas de las diferentes especies pueden ser debidas al clima, el suelo, el crecimiento y la edad de cada una de las especies, matizando el bajo valor de las cenizas de la especie Pinus Patula (0,4 %), lo que minimizará las posibilidades de deposición de cenizas en el gasificador. Y, por otro lado, todas las especies presentan un contenido de materia volátil superior al 80%, lo que lleva a una disminución de la temperatura de encendido de éstas lo que hace que la leña sea más reactiva en el proceso termoquímico. Además, Pinus Patula destaca por su alto FVI debido a su bajo contenido en cenizas lo que demuestra que es la especia con mayor potencial como combustible para cocinar. Sin embargo, para el resto de las especies, su valor de FVI difiere más que el de pinus patula debido a los contenidos de cenizas y el valor de la densidad aparente. 2.3 Gasificación 2.3.1 Definición y etapas La gasificación es una combustión parcial de un combustible sólido a temperaturas intermedias (700-1100°C) con un defecto de oxígeno que genera unos gases combustibles (CO, CO2, CH4, H2, N2), gas pobre por su bajo poder calorífico y unos residuos (alquitranes y cenizas). La composición y poder calorífico de los gases combustibles varía en función del agente de gasificación, la composición de la biomasa, temperatura, presión de operación y la relación estequiométrica establecida. La combustión del gas pobre obtenido tras la gasificación se completa mediante un segundo dispositivo: MCIA, cámaras de combustión donde se mete aire adicional para generar la combustión. El proceso de gasificación puede definirse como una consecución de varias etapas: secado, descomposición térmica o pirólisis, oxidación y reducción en las que se obtiene como producto final el gas de gasificación o comúnmente llamado gas pobre, que es una mezcla de CO, CO2, CH4, H2, N2, así como biochar y alquitranes como subproductos. Sin embargo, dependiendo del tipo de reactor y la composición de la biomasa, el gas producido puede contener impurezas como NH3, H2S, HCL, material particulado y alquitranes. [18] Con el objetivo de maximizar el rendimiento del proceso es recomendable que la biomasa a gasificar esté seca y fragmentada. El poder calorífico del proceso varía de 4-6 MJ/m3N si el agente gasificante es aire, 10-20 MJ/m3N si se realiza con oxígeno y > 30 MJ/m3N si se gasifica con hidrógeno [7]. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 16 Las etapas que comprende la gasificación se describen como [19][20]: - Secado: En esta etapa el agua obtenida en la biomasa se elimina a una temperatura superior a 100°C - Pirólisis: La biomasa percibe una descomposición térmica en ausencia de oxígeno a una temperatura entre 200-500°C, produciendo gases volátiles y carbón en fase sólida. - Oxidación: Se introduce aire y se mezcla con los gases volátiles y el carbón generando la combustión parcial de éstos a una temperatura entre 700-2000°C y liberando energía que contribuye con el mantenimiento de la pirólisis. En caso de que todos los volátiles se consuman en la fase gaseosa y siga habiendo oxígeno disponible (exceso de aire), se oxidará el carbón vegetal pasando a fase gaseosa en forma de dióxido de carbono. - Reducción: Se presentan numerosas reacciones químicas como la reducción de dióxido de carbono y vapor de agua para formar monóxido de carbono e hidrógeno, además de otras más complejas como la formación de metano a partir de agua y carbón. Todas estas reacciones son endotérmicas sólido-gas o gas-gas, realizadas a alta temperatura, que darán como producto el gas pobre y consumen la energía térmica producida en los procesos donde reacciona el oxígeno. Las reacciones que se dan durante todo el proceso de gasificación se pueden apreciar en la siguiente figura: Figura 5. Etapas que conforma una estufa TLUD de cocción operando bajo gasificación de biomasa. Gas de gasificación Biocarbón Reducción Oxidación Pirólisis Secado Biomasa Fresca Combustión del gas de gasificación Agua Frente de llama Parrilla Aire de combustión Aire de gasificación Olla (H2O)l (H2O)g CO2H2O N2CO MP CO CH4 H2Cx Hy O2 CO2H2O N2O2CO NOx MP C+CO2 2CO C+2H2 CH4 C+ H2O CO+H2Cx Hy + X1O2 X2CO + X3H2 2C + O2 2CO2 2CO + O2 2CO2 2H2 + O2 2H2O CnHmOp CO2H2O H2CH4CO Cx Hy Char Aire de combustión CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 17 Tras la gasificación, obtenemos como productos biochar y gas de gasificación (gas pobre). La siguiente etapa será la combustión del gas de gasificación para obtener la energía necesaria para las labores de cocción. Este trabajo se centra en la caracterización de los parámetros de esta etapa. 2.3.2 Tecnologías y reactores de gasificación El gasificador es el dispositivo principal del proceso ya que permite obtener la composición del gas deseado. Los gasificadores se clasifican en función del método de contacto entre la fase sólida (biomasa) y la fase gaseosa (agente oxidante) agrupándose en tres tipos: 2.3.2.1 Gasificadores de lecho fijo/móvil En este tipo de reactores la biomasa se mueve lentamente mientras se pone en contacto con un agente oxidante. En función de la dirección del flujo de biomasa, estos reactores se clasifican como flujo ascendente, descendente o cruzado, variando la capacidad desde 10 kW hasta 10 MW. Su eficiencia de gas caliente es de 75-95 % y el tamaño de las partículas varía de 1 hasta 100 mm. Su principal desventaja es la baja eficiencia de transferencia de calor. (a) (b) Figura 6. Flujo ascendente (a) y descendente (b) [18] En el caso del reactor de lecho fijo ascendente, la biomasa se alimenta por arriba y el agente oxidante por el fondo, de manera que la primera fase de contacto son las cenizas y carbón no convertido y posteriormente la pirólisis, gasificación y por último el secado de la biomasa. Los gases abandonan el reactor por la parte superior[18]. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 18 2.3.2.2 Gasificadores de lecho fluidizado Este tipo de gasificadores presentan una mezcla uniforme entre las fases y su lecho está formado por un material granular que puede ser inerte o con propiedades catalíticas. El agente gasificante mantiene en suspensión a un inerte y al combustible hasta que las partículas de éste se gasifican y convierten en cenizas volátiles y son arrastradas por la corriente del gas de gasificación. Presentan una ventaja a la hora de convertir biomasa ya que la producción de alquitranes se encuentra entre 1 y 50 g/Nm3. Hay dos tipos de gasificadores dentro de éste fundamentalmente: burbujeante y con recirculación, descritos en la figura. En los reactores de lecho burbujeante la biomasa se pone en contacto con un lecho calentado previamente, lo que provoca un secado rápido y pirólisis. En este equipo la conversión no es completa por lo que los sólidos parcialmente convertidos se reutilizan como fuente de calor del proceso. Se utiliza en aplicaciones de < 25 MW en un intervalo de temperaturas (800-1000°C) y a altas presiones (10 bar). (a) Figura 7. Gasificadores de lecho fluidizado, burbujeante (a), con recirculación (b) [18] Los gasificadores con lecho circulante se componen de un lecho para la conversión de biomasa, un ciclón y la recirculación de sólidos. La escala de aplicación es mayor que en el caso del lecho burbujeante (60 MW) y sus velocidades de fluidización (3,5-5,5 m/s) son mayores que en el caso de los burbujeantes (1 m/s) mientras que el intervalo de temperaturas de operación es similar [18]. (b) CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 19 2.3.2.3 Gasificadores con arrastre Este tipo de reactor se utiliza en ciclos combinados operando a unas temperaturas de 1400°C y presiones de 20-70 bar. El material pulverizado y mezclado con agua anteriormente se introduce junto con el agente oxidante dentro de la cámara. El gas adquiere una velocidad tal que se facilita la transferencia de masa. No resulta muy factible su uso para tratar biomasa debido a que provocan fusión de la ceniza con álcali [18]. 2.3.2.4 Estufa de tiro ascendente iluminada superior (TLUD) Esta estufa es un gasificador que ha sido clasificada como TLUD (tiro ascendente iluminada superior) en función de la dirección del flujo de aire de admisión. El proceso de gasificación es el siguiente: el lecho de combustible se enciende en la parte superior y desciende. El aire necesario para la gasificación entra a través de la entrada de aire primario desde el fondo mientras que el aire secundario para quemar los gases combustibles producidos a través del proceso de gasificación entra por la entrada de aire secundario con aberturas de entrada por encima de la cámara de gasificación. El aire calentado es parcialmente calentado por las paredes de la estufa a medida que fluye hacia arriba antes de mezclarse con los gases combustibles. Esto ayuda a la mezcla del aire con los gases, mejorar la eficiencia de la combustión y reducir las emisiones.[1] Las partes de la estufa pueden verse en la siguiente figura: Figura 8. Estufa de tiro ascendente iluminada superior (TLUD) CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 20 Para usar la estufa, la cubierta se quita y se carga la cámara de combustión con el combustible de biomasa deseado, se enciende y se deja que el fuego se estabilice, a continuación, se coloca de nuevo la cubierta y más tarde la olla. 2.3.3 Parámetros de gasificación El rendimiento del gas dependerá del diseño y configuración del reactor principalmente. Sin embargo, hay unos parámetros de proceso que afectan al rendimiento del gas como el tipo de biomasa, la temperatura de reacción, presión y tiempo de residencia entre otros [15]. En este apartado se van a resumir los parámetros del gas de gasificación obtenido en un gasificador TLUD (estufa de gasificación de corriente ascendente) en función de la especie de biomasa recogidos de un estudio mencionado anteriormente (meter apartado) donde se registra la velocidad del frente de llama (Vff), temperatura de reacción (Tmax), Dosado relativo (Frel) y la composición del gas pobre producido Este experimento se llevó a cabo para determinar el efecto del tipo de materia prima en las propiedades de biochar utilizando una tasa de flujo de aire fija de 30 L/min. Obteniendo como resultados, los parámetros y la composición del gas de gasificación que encontramos a continuación: Tabla 4. Parámetros de gasificación en función del tipo de biomasa [15] Guazuma ulmifolia Cordia alliodora Eucalyptus grandis Pinus patula Tmax (°C) 769,4 798,4 816,3 785,5 Frelativo 2,68 2,69 2,95 2,75 Vff (mm/min) 14,8 12,1 9,5 11 Composición del gas en base seca (% volumen) CO 11,5 11,7 12,9 12,3 CO2 16,5 15,9 15,2 15,4 CH4 1,7 1,7 1,6 1,6 H2 7,1 7,3 6,0 6,1 N2 63,2 63,4 64,3 64,6 Poder calorífico (MJ/Nm3) 2,81 2,87 2,86 2,79 Tal y como puede apreciarse, la composición de CO del gas es aproximadamente 13%, de CO2 (16%vol), CH4 (2%vol), H2 (7%vol), N2 (64%vol). El mayor valor de poder calorífico lo encontramos para la especie Cordia alliodora. La temperatura máxima medida dentro del reactor corresponde con el uso de biomasa de la especie Eucalyptus grandis junto con el mayor dosado relativo requerido. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 21 Este estudio también se realizó para la especie Pinus Patula y la variación de la tasa de flujo de aire de 20,30 y 40 l/min. Tabla 5. Parámetros de gasificación de la especie Pinus Patula en función de la tasa de flujo de aire [15] Pat-20 Pat-30 Pat-40 Tmax (°C) 724,9 785,5 838,3 Frelativo 3,13 2,75 2,45 Vff (mm/min) 7,9 11 12,3 Composición del gas en base seca (% volumen) CO 12,9 12,3 11,3 CO2 15,6 15,4 15,6 CH4 1,8 1,6 1,3 H2 5,7 6,1 6,0 N2 64 64,6 65,8 Poder calorífico (MJ/Nm3) 2,89 2,79 2,54 El aumento de la tasa de flujo de aire afecta proporcionalmente al valor de la temperatura máxima junto con la velocidad del frente de llama y es inversamente proporcional al dosado relativo y el poder calorífico. La composición del gas no presenta grandes fluctuaciones al variar la tasa de aire. En otro estudio experimental realizado en un reactor de tiro descendente de lecho fijo, se discute el efecto de los parámetros operativos y de diseño sobre el proceso de gasificación/combustión de biomasa residual. Para estos experimentos se utilizó como combustibles corteza de pino (Pinus Pinaster) y lodos de depuradora. Se realizó un análisis de las principales características de ambos quedando recogidas en la siguiente tabla: Tabla 6. Análisis de las características de los combustibles [5] Parámetros Biomasa Corteza de pino Lodos de depuradora Análisis final ( % en peso base seca) C 55,49 33,65 H 5,56 4,61 O 37,74 18,71 N 0,17 4,92 S 0,09 1,33 Análisis aproximado (% peso en base seca) Carbono fijo 28,27 6,26 Materia volátil 70,18 56,42 Ceniza 0,95 37,32 Poder calorífico (kJ/kg) 19,987 13,400 Relación estequiométrica combustible/aire 0,1496 0,1336 Densidad aparente (kg/m3) 189,6 729,6 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 22 Uno de los experimentos realizados fue para ver el efecto del contenido de humedad, el tamaño de biomasa y la velocidad del aire superficial en la gasificación de biomasa [5]. Se vio que, para una misma velocidad de aire superficial, el tamaño de partícula aumentaba con el contenido en humedad y el combustible que presentaba un valor de contenido en cenizas más bajo era la corteza de pino lo que podría aumentar su valor de calentamiento y por lo tanto, la velocidad frontal de la llama. Los resultados del gas de gasificación para un reactor de 0,054 m y otro de 0,104 m de diámetro fueron los siguientes: Tabla 7. Resultados del diseño experimental, diámetro de la sección transversal del gasificador 0,054 m y 0,104 m y tipo de biomasa: corteza de pino (H/C = 1,19) y lodos de depuración (H/C = 1,63) [5] Parámetros Gasificador Biomasa Corteza de pino Lodos de depuradora Vff (mm/min) G54 18,35 4,35 G104 19,03 5,55 Fr G54 1,97 2,15 G104 2,01 2,68 𝑚󰇗 (kg/s/m2) G54 0,052 0,051 G104 0,054 0,064 Tmax G54 1363,25 1540,15 G104 1435,95 1456,75 Poder calorífico (MJ/N m3) G54 1,48 1,15 G104 1,86 1,92 Contenido de alquitrán (g/N m3) G54 6,45 5,40 G104 5,56 6,26 CO2 (% vol) G54 15,95 14,17 G104 15,67 12,74 H2 (% vol) G54 3,58 2,74 G104 5,33 5,44 CO (% vol) G54 8,73 6,46 G104 9,55 10,14 CH4 (% vol) G54 0,00 0,13 G104 0,24 0,19 O2 (% vol) G54 0,00 0,52 G104 0,38 0,00 A partir de los datos obtenidos se puede ver que a medida que aumenta la velocidad superficial del aire, la relación combustible/aire disminuye. Cuando el diámetro del reactor aumenta, la calidad del gas productor aumenta (mayor valor de poder calorífico) como consecuencia de un aumento en H2, CO y CH4.En cuanto al tipo de biomasa, es previsible que se puede llegar a generar una cantidad mayor de energía si el gasificador se alimenta con corteza de pino, obteniendo una mayor velocidad frontal de la llama. Aunque, el tipo de biomasa condicione en gran medida las especificaciones del proceso no es un factor controlable ya que depende de la disponibilidad como fuente de energía. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 23 Al finalizar el experimento se determinó que las condiciones de gasificación óptimas se obtuvieron con las condiciones de entrada siguientes: velocidad del aire superficial de 0,06 m/s, tamaño de las partículas de biomasa entre 2 y 6 mm y contenido de humedad de la biomasa de 10,62 %. En consecuencia, las variables de respuesta fueron: velocidad frontal de la llama de 11 mm/ min, relación combustible/aire de 3,2, poder calorífico de 2965,6 kJ/N m3 , concentración de alquitrán de 7,73 g/ N m3 y una composición de 8,0% H2, 13,0% CO, 1,4% CH4, 14,9% CO2 y 62,7 % N2. 2.4 Gas pobre El uso de biomasa lignocelulósica como fuente de energía por medio de un proceso de gasificación presenta un gran potencial al tratarse de un recurso renovable donde el balance de emisiones de CO2 es muy bajo. Además, la producción y la utilización de biomasa pueden fomentar el desarrollo de zonas remotas [21]. Mediante el proceso de gasificación, la biomasa sólida es transformada en un combustible gaseoso o comúnmente conocido como gas pobre, caracterizado por su bajo poder calorífico (4-7 MJ/Nm3). Este combustible está compuesto principalmente por CO, H2, CO2, CH4, H2O y N2 cuando se utiliza aire como agente gasificante. El rendimiento del proceso de gasificación varía en función de la tecnología, el combustible y el agente gasificante, teniendo este último un efecto importante en el poder calorífico final del combustible ya que es el que aporta calor para iniciar las reacciones. De este modo, si en vez de usar aire, usásemos solamente oxígeno, el poder calorífico aumentaría a un valor entre 10 y 28 MJ/Nm3, formando un gas compuesto de CO, H2, CO2, CH4 y H2O [22]. El presente trabajo se centra en la caracterización de la combustión del gas pobre originado mediante la gasificación de biomasa colombiana, brindando una oportunidad al abundante recurso que se encuentra en estas regiones y mejorando la calidad de su cocina y de vida. En la Tabla 4 puede verse el dosado necesario y la composición del gas pobre generado por la gasificación de las cuatro especies de biomasa colombiana seleccionadas. Además de sustituir a combustibles ligeros de origen fósil, la gasificación puede permitir rendimientos eléctricos de hasta un 30-32% (< 500 kW), mediante el uso de motogeneradores accionados por gas pobre, mientras que en un ciclo Rankine convencional, el rendimiento eléctrico disminuye hasta un 22% [23]. Además, la viabilidad del proceso de gasificación depende también de la simplicidad y precisión del equipo y de la posibilidad de utilizar la biomasa en el mismo lugar que se genera para reducir los costos de transporte. Según la institución IDAE [23], las tecnologías comerciales de gasificación permiten procesar casi todo tipo de combustibles de origen biomásico siempre y cuando la densidad supere los 200-250 kg/m3 y su tamaño sea homogéneo y estable en el tiempo. Un tamaño de partícula excesivamente pequeño puede hacer que la biomasa se quede CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 30 2.6.2.1 Combustión con autoinflamación Este tipo de combustión tiene lugar cuando parte de la mezcla sin quemar se autoinflama antes de que llegue a ella el frente de llama. Esto suele ocurrir en la fracción final de la mezcla, a la que el frente de llama tarda más en llegar. Esta región se mostró en la Figura 10 como la más alejada de la bujía (end gas). Asociado a este fenómeno se producen aumentos de presión en determinados puntos de la cámara de combustión que a su vez incrementan la presión y temperatura en el resto de la mezcla sin quemar, incrementando la tasa de masa quemada. Éste es un proceso que se realimenta y que resulta catastrófico para el motor [25]. Las principales consecuencias que presenta la autoinflamación o autoencendido en la parte final de la mezcla en MEP son las siguientes: - Aparición repentina de un incremento de la temperatura y la presión en la región autoencendida, lo que conlleva a crear una onda expansiva que se propagará violentamente (a la velocidad del sonido) a lo largo de la cámara de combustión. - La onda expansiva genera un ruido muy característico, comúnmente llamado picado de biela o knock. Este ruido lleva consigo un gradiente elevado de presiones que castiga mecánicamente al motor. En la Figura 11 puede apreciarse el efecto del autoencendido en el incremento de presión, que será mayor cuanto mayor sea la cantidad de mezcla que sufre autoencendido. Figura 11. Evolución de la curva de presión con la aparición del autoencendido(izquierda). Efecto aparente de la autoinflamación sobre la fracción de calor liberado (FQL) y su derivada (DFQL) (derecha) [25]. - Otra consecuencia de la onda expansiva es la rotura de la capa límite térmica que existe en las paredes de la cámara de combustión. El hecho de que la capa límite térmica rompa hace que la temperatura del gas del interior de la cámara de combustión, que puede llegar a 2000 K en algún momento, llegue a la superficie CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 31 de la pared, causando una fusión del material ya que, la función de esta capa es formar una vía de protección entre ambas superficies. Una vez ya se ha dado luz a las consecuencias y efectos más perjudiciales del autoencendido en un MEP, se sigue a introducir los parámetros de operación que afectan a la aparición o no de dicho fenómeno: - Grado de carga: Cuanto mayor es, mayor es la temperatura en la cámara y la pureza de la mezcla ya que quedan menos residuales del ciclo anterior. Aumenta el riesgo de que aparezca autoinflamación en la combustión. - Régimen de giro: Cuando éste aumenta, aumenta también la temperatura de la mezcla por disponerse de menos tiempo para que se produzcan las pérdidas de calor, favoreciendo el autoencendido. Por otro lado, la velocidad de combustión crece con el régimen de giro, reduciendo el riesgo de aparición. Consecuentemente, a efectos globales al aumentar el régimen de giro disminuye el riesgo de autoencendido dado que el efecto causado por el aumento de la velocidad de combustión es mayor que el del incremento de temperatura. - Dosado: El mayor riesgo de autoencendido se produce cuando el dosado es estequiométrico. Por esto, una de las estrategias más comunes para reducir el riesgo es enriquecer la mezcla. - Avance del encendido: El incremento del avance hace que tanto la presión como la temperatura crezcan, aumentando el riesgo de autoencendido. - Temperatura del refrigerante: El riesgo de autoencendido crece proporcionalmente con la temperatura. - Condiciones ambientales: Un aumento en la presión y temperatura ambiente, así como una disminución de la humedad conducen a incrementar el riesgo de autoencendido. - Relación de compresión: Al aumentar la relación de compresión, la presión y temperaturas máximas incrementan también, de modo que aumenta el riesgo de autoencendido. - Recorrido del frente de llama: Cuanto menor es el recorrido, menor es el riesgo de autoencendido. Algunas acciones durante el diseño como centrar la bujía o reducir el diámetro del pistón, ayudarán a minimizar el riesgo. - Pérdidas de calor: La evacuación de calor en la cámara de combustión reduce el riesgo de autoencendido. 2.6.2.2 Encendido superficial Con encendido superficial nos referimos al inicio de un frente de llama en algún punto caliente de la cámara de combustión, ya sea el electrodo de la bujía, los depósitos carbonosos sobre la superficie de la cámara de combustión o cualquier otro medio distinto de la descarga normal de la chispa. Este fenómeno puede aparecer antes o después del salto de la chispa, dando lugar al preencendido o al postencendido. La situación mas peligrosa reside en el preencendido, ya que implica una combustión antes de lo normal. En cambio, el postencendido, CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 32 conlleva únicamente un incremento en el gradiente de presión, que tiende a convertirse en preencendido a medida que el motor sigue operando, volviendo la situación peligrosa. Una de las causas más habituales del preencendido superficial es la combustión con autoinflamación que, como se citó anteriormente, conduce a grandes aumentos de la temperatura de las paredes de la cámara de combustión. 2.6.3 Emisiones contaminantes La contaminación química es la que más condiciona el diseño de los motores actualmente. En este apartado se detallarán las sustancias contaminantes más comunes y las estrategias más utilizadas para eliminarlas. En el caso de los MEP, son tres las sustancias contaminantes más relevantes, CO, NOx y HC (hidrocarburos no quemados). A continuación, se muestra la evolución de las emisiones en el escape de un MEP con el dosado. Figura 12. Evolución de las emisiones en función del dosado [25]. - CO: Este contaminante aparece cuando la mezcla es rica y está asociado a la combustión incompleta. En las mezclas ricas es donde escasea el O2 que impide la conversión completa a CO2. - NOx: Para la formación de NOx hace falta oxígeno y una temperatura elevada. Las máximas temperaturas de combustión se dan en torno al estequiométrico y el oxígeno es más abundante cuanto más pobre es la mezcla. En base a esto, las mayores emisiones de NOx se producirán en dosados pobres cercanos al estequiométrico. - HC: Los hidrocarburos sin quemar también son una señal de una combustión incompleta pudiéndose dar en dos situaciones: en dosado rico (no existe suficiente oxígeno para oxidar todo el combustible) y en dosado pobre, cercano al límite de inflamabilidad (las dificultades en la propagación del frente de llama pueden provocar que algunas partes queden sin quemar al apagarse la llama). CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 33 2.6.3.1 Métodos de reducción de emisiones contaminantes Existen dos formas de reducir las emisiones contaminantes para lograr cumplir la normativa anticontaminante vigente: las soluciones activas (evitan la formación de emisiones contaminantes) y las soluciones pasivas (las eliminan una vez han sido formadas). Ambas medidas influyen en el diseño del motor. En el caso de MEP de inyección indirecta, en los que se busca que la mezcla de aire combustible sea homogénea en todo el volumen de la cámara de combustión, una de las medidas tomadas para la reducción de las emisiones es la instalación de un catalizador de tres vías que es capaz de actuar contra las tres sustancias descritas anteriormente. Para que este elemento funcione de forma correcta es necesario que el motor funcione con mezcla estequiométrica, lo que conlleva a que el motor no podrá maximizar el rendimiento (el dosado para lograr el máximo rendimiento debe ser ligeramente pobre) ni la potencia (el dosado para lograr la máxima potencia es ligeramente rico). Además, el catalizador solo cumplirá su función cuando se haya alcanzado la temperatura suficiente, para ello se recurre a otra serie de medidas para disminuir el tiempo de puesta en marcha como el retraso del encendido para aumentar la temperatura de escape, inyección de aire secundario en el escape para provocar una postcombustión que aumente la temperatura en el escape, etc. Otra de las medidas es el uso de EGR (recirculación de los gases de escape) no para reducir las emisiones NOx, cuyo problema quedaría solventado con el catalizador, sino para mejorar el rendimiento a baja carga. Al recircular los gases de escape es necesario abrir más la mariposa para que entre una mayor cantidad de mezcla al motor para lograr la potencia necesaria. La apertura de la mariposa reduce el trabajo de bombeo y aumenta el rendimiento efectivo del motor. Por otro lado, la EGR también reduce las temperaturas de combustión, lo que conlleva a disminuir las pérdidas de calor en el cilindro y el aumento del rendimiento del motor. En el caso de motores de inyección directa, en el que el combustible se inyecta directamente a la cámara de combustión permitiendo que la distribución espacial de la mezcla aire combustible sea diferente en función de si el motor está trabajando a plena carga o a cargas parciales y la mezcla es estratificada y en general, pobre, el catalizador de tres vías es capaz de oxidar el CO y HC, pero no de reducir los NOx. La solución más adoptada es, aparte del uso de EGR para reducir las emisiones de NOx, es el uso de “trampas de NOx”, un filtro químico capaz de almacenar los NOx que no puede eliminar el catalizador. Cuando se satura el contenido de NOx es necesario operar con un dosado rico durante cierto tiempo para que los NOx se liberen y se reduzcan en el catalizador. Para concluir, cabe destacar la importancia de los sistemas de reducción y eliminación de emisiones contaminantes para poder cumplir con las normativas anticontaminantes. Estos sistemas de postratamiento son costosos y suelen acarrear averías y mantenimiento periódico. Por ello, resulta necesario resaltar la importancia del CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 34 desarrollo de combustibles alternativos que ayuden a contribuir con la reducción de la contaminación derivada del transporte [25]. 2.7 Parámetros de estudio de la combustión 2.7.1 Velocidad de combustión laminar La velocidad de combustión laminar de una mezcla gaseosa (combustible), premezclada y homogénea para unas determinadas condiciones de presión y temperatura se define como la velocidad de propagación del frente de llama de la zona de combustión respecto a la mezcla sin quemar y corresponde a uno de los parámetros más importantes a estudiar ya que ofrece información sobre la reactividad, exotermia y difusividad del combustible [26][27]. En el presente trabajo aparecen dos tipos de velocidades en el frente de llama, la velocidad de propagación y la velocidad de combustión laminar. La velocidad de propagación se define como una tasa de crecimiento del frente de llama y se formula mediante la ecuación (2.4) [28] . 𝑆𝑙=𝑑𝑅 𝑑𝑡 (2.4) Dicha llama unidimensional no es realista, ya que ésta presenta una curvatura que tiende a deformar y estirar la llama, un fenómeno conocido como stretch y que se comentará más adelante [22]. La velocidad de la combustión de una mezcla de combustible y aire está definida por la temperatura y los gradientes de concentración de especies entre la llama y la mezcla. Esta velocidad puede formularse como: 𝐶𝑐=𝑑𝑚𝑞/𝑑𝑡 𝐴𝑓∙𝜌𝑠𝑞 (2.5) Donde 𝑑𝑚𝑞/𝑑𝑡 es la tasa de quemado del combustible, 𝐴𝑓 el área del frente de llama y 𝜌𝑠𝑞 la densidad del combustible sin quemar. Debido a que en las condiciones de operación de un motor la llama tiene un espesor de 0,2 mm aproximadamente, un valor mucho menor que las dimensiones de donde ésta se expande, el espesor de la llama puede tratarse como despreciable [29]. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 35 Existen diferentes correlaciones empíricas para expresar la velocidad de combustión laminar, destacando la correlación de Metghalchi y Keck [30]: 𝐶𝑐=𝐶𝑐,0∙(𝑇𝑠𝑞 𝑇𝑠𝑞,0)𝛼∙(𝑝 𝑝0)𝛽 (2.6) Donde 𝐶𝑐 es la velocidad de la combustión, 𝐶𝑐,0 es la velocidad de combustión laminar en las condiciones de referencia 𝑇𝑠𝑞,0 y 𝑝0, consideradas normalmente 300 K y 1 bar respectivamente. El exponente α presenta valores positivos entre 1 < α < 2,5 para los combustibles más habituales y es función del tipo de mezcla y dosado. El exponente respecto a la presión β suele presentar valores negativos entre -0,5 < β < 0 y su valor también depende del tipo de mezcla y dosado [31] , [34]. En vista de la Ecuación (2.6), los parámetros más importantes de los que depende la velocidad de combustión laminar son, según A.S Calvete [27]: - Presión de la mezcla (p): Cuanto mayor es la presión de la mezcla menor es la velocidad de combustión debido a que el aumento de presión aumenta la densidad de la mezcla, lo que provoca una disminución de la difusividad y un aumento del tiempo de reacción característico. - Temperatura de la mezcla sin quemar (𝑇𝑠𝑞): El efecto de la temperatura con la velocidad de combustión suele ser lineal y es debido a un aumento de la temperatura de llama provocado por un efecto de precalentamiento. Cabe destacar que un aumento en la temperatura de llama o de los quemados también hace aumentar la velocidad de combustión debido al aumento de difusión y la tasa de reacción. - Dosado de la mezcla (F): Expresa la relación entre la masa de combustible y la masa de aire de la mezcla. El dosado relativo (Fr) expresa la relación entre el dosado (F) y el dosado estequiométrico (Fe). Este último es el dosado que contiene la masa de aire estequiométrica necesaria para quemar completamente el combustible. La velocidad de combustión es máxima para el dosado estequiométrico o por encima de éste para la mayoría de los combustibles. 2.7.2 Inestabilidades del frente de llama: Celularidad Además de la velocidad de combustión laminar de las llamas premezcladas es necesario estudiar también el inicio y propagación de las inestabilidades presentes en el frente de llama ya que tienen efecto en la velocidad de combustión, modificándola. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 36 La celularidad es uno de los fenómenos más estudiados por investigadores en los últimos años. Nos referimos como células a las secciones arrugadas que aparecen en el frente de llama, también conocidas como inestabilidades o irregularidades que provocan que el frente de llama se arrugue y su turbulencia gracias al gradiente de velocidad de combustión del proceso [28]. Estas inestabilidades son causadas por tres fenómenos: debido a las fuerzas de volumen, al origen hidrodinámico y al origen térmico-difusivo. El primer fenómeno, inestabilidad de fuerzas de volumen, se conoce como “RayleighTaylor”, motivada por la diferencia de densidades entre la mezcla fresca (sin quemar) y los gases de quemado (masa quemada). La segunda, inestabilidad por origen hidrodinámico, se conoce como “Darrieus y Landau” y se debe a la expansión sufrida por los gases al atravesar el frente de llama. Esta inestabilidad está presente en todas las llamas y es responsable tanto de la rugosidad presente en el frente de llama, como de su arrugamiento continuo [34]. Por último, encontramos las inestabilidades de origen térmico-difusivo y su efecto se debe a la relación entre la difusividad térmica de la mezcla y la difusividad másica del reactivo en defecto de la mezcla [22], [28]. El número de Lewis (Le) es un parámetro adimensional que caracteriza el efecto de la inestabilidad térmica-difusiva, representado como: 𝐿𝑒=𝛼 𝐷𝑑𝑒𝑓 (2.7) Donde α es la difusividad térmica de la mezcla y 𝐷𝑑𝑒𝑓 la difusividad másica del reactivo en efecto. El efecto térmico-difusivo puede generar una estabilización de la llama o generar inestabilidades en función del número de Lewis. En la Figura 13 se muestra como el fenómeno termo-difusivo tiene un efecto estabilizados de llama cuando Le >1 mientras que tiene un carácter inestable para mezclas con Le <1. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 37 Figura 13. Evolución temporal de una perturbación del frente de llama en función de Le [22] El número de Lewis permanece prácticamente constante a diferentes presiones iniciales, por ello se establece que la inestabilidad termo-difusiva no depende de las variaciones en la presión [22]. Varias investigaciones se han basado en la medición del tamaño de las células que aparecen en el frente de llama, llegando a la hipótesis que las celdas debidas a la inestabilidad hidrodinámica son más grandes que las debidas a la difusividad térmica. Además, un estudio afirma que la celularidad aumenta conforme el espesor de la llama disminuye y comienza cuando ésta crece con un radio mayor a su espesor. Se denomina radio crítico, al radio a partir del cual comienza la inestabilidad celular. Según la llama se expande, las células de mayor tamaño pueden desarrollarse en la superficie de la llama. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 38 Sin embargo, estas células de gran tamaño son muy sensibles al ruido externo que, amplificado con la inestabilidad hidrodinámica, conlleva a la aparición espontánea de celdas de menor tamaño[28], [34], [35]. A continuación, basándonos en un estudio sobre las inestabilidades celulares en la propagación esférica de llamas laminares premezcladas con hidrógeno-aire [36], se discute el efecto del dosado, la temperatura y la presión sobre éstas. Este estudio, a pesar de no tratar el mismo combustible que el del presente trabajo, resulta muy enriquecedor al mostrar el comportamiento celular de la mezcla hidrógeno-aire, diferente al resto de los combustibles. Se encontró una característica común y es que, si el dosado relativo aumenta, el espesor de la llama disminuye, apareciendo la inestabilidad hidrodinámica. La llama tiende a ganar estabilidad a medida que la relación de equivalencia combustible-aire se mueve hacia la estequiometría y se vuelve progresivamente inestable para mezclas pobres, especialmente cuando el dosado se acerca a 0,2 en la que la propensión a desestabilizar es tan fuerte que el efecto de estiramiento de la llama no puede compensar la desestabilización, siendo tan grande que la llama pierde uniformidad muy cerca del inicio de combustión. Respecto al efecto de la temperatura podemos distinguir dos tipos: el efecto que tiene sobre llamas de dosado pobre (F = 0,2 - 0,4) y llamas estequiométricas (F = 0,8 – 1). Para llamas pobres, un aumento de temperatura, especialmente en condiciones de baja presión puede retrasar la aparición de inestabilidades. Por el contrario, en el caso de llamas ricas, la resistencia a la inestabilidad es mucho mayor. Sin embargo, cuando se operan bajo una alta presión, los efectos de la temperatura cambian completamente, volviéndose la llama estable para mezclas pobres e inestable para mezclas ricas. 2.7.3 Tasa de stretch En los apartados anteriores se ha descrito cómo las inestabilidades pueden afectar a la velocidad de combustión de la llama. En este apartado se añade otro factor, de carácter geométrico que también afecta a la velocidad de combustión de la llama. Las llamas reales no presentan una forma de llama ideal, sino que la llama está sujeta a componentes de velocidad transversal y curvatura que “estiran” la llama. Este estiramiento se denomina stretch y modifica la velocidad de combustión ideal. En el caso de que el frente de llama se estire o se expanda, la tasa de stretch será positiva (𝜅>0), mientras que si se contrae o se comprime será negativa (𝜅<0). Esta tasa de Stretch viene dada según la ecuación: CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 39 𝜅[𝑠−1]=1 𝐴∙𝑑𝐴 𝑑𝑡 (2.8) Donde A es el área del frente de llama. Para una llama esférica, la tasa de Stretch define como [37]: 𝜅[𝑠−1]=1 𝐴∙𝑑𝐴 𝑑𝑡 = 1 4𝜋 𝑟𝑓2𝑑(4𝜋 𝑟𝑓2) 𝑑𝑡 =2 𝑟𝑓𝑑𝑟𝑓 𝑑𝑡 =2 𝑟𝑓∙ 𝑆𝑙 (2.9) Donde rf corresponde al radio del frente de llama y 𝑆𝑙 la velocidad laminar de propagación de la llama. En llamas adiabáticas, estables y con tasas bajas de stretch, la influencia del estiramiento de la llama en la velocidad propagación se aproxima mediante la ecuación [38]: 𝑆𝑙=𝑆𝑙0−𝐿𝑏∙𝜅 (2.10) Donde 𝑆𝑙0 es la velocidad de combustión laminar sin la tasa stretch (𝜅) y Lb es la longitud de Markstein. Este último parámetro, la longitud de Markstein se corresponde a un parámetro adimensional que expresa la sensibilidad de la velocidad de combustión de la tasa de stretch. Suele presentar valores del orden del espesor del frente de llama, dependiendo de otros parámetros como la energía de activación, Lewis o el coeficiente de expansión [22]. En general, las mezclas de hidrocarburos con aire presentan una longitud de Markstein positiva y decreciente a medida que la mezcla evoluciona de dosados pobres a ricos. Cuando las mezclas son con combustibles ligeros, como el hidrógeno, ocurre los contrario, la longitud de Markstein decrece según la mezcla varía de dosados ricos a pobres, pudiendo llegar a ser negativo para mezclas muy pobres [28]. La relación expresada en la ecuación (2.10) pierde sentido cuando las llamas están sometidas a altas tasas de stretch, próximas a la extinción. En este caso, se expresa de una forma alternativa, recogida en la siguiente ecuación: 𝑆𝑙0−𝑆𝑙 𝑆𝑙0=𝑀𝑎∙𝐾𝑎 (2.11) CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 46 Figura 21. Videocámara de alta velocidad Phantom V210. Por último, la instalación cuenta con un osciloscopio digital Yokogawa (Figura 22) de ocho canales para la adquisición de datos. Durante los experimentos se utilizarán tres de sus ocho canales para detectar y visualizar las señales del captador de presión piezoeléctrico, la chispa entre los electrodos y la señal del trigger (botón de encendido). Figura 22. Osciloscopio digital Yokogawa En el esquema que aparece a continuación, Figura 23 se puede ver con más claridad los elementos descritos anteriormente que componen la instalación. Se pretende mostrar cómo se disponen los elementos de los sistemas de combustión, óptico y tratamiento de datos de una forma diferenciada.[22] CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 47 Figura 23. Esquema de la instalación [39] 3.2 Metodología experimental En este apartado se va a describir el procedimiento que se debe seguir para realizar los experimentos de una forma adecuada en la instalación descrita en el epígrafe anterior. Para conocer y entender los resultados del análisis de los experimentos se requiere un orden y control tanto en el llenado de la bomba como en la adquisición de datos. El proceso de llenado de la bomba se compone de cuatro pasos. En primer lugar es necesario establecer los parámetros iniciales de los experimentos, tales como, el dosado relativo (Fr), la presión y temperatura inicial dentro de la cámara (Pi,Ti) y las fracciones molares de los diferentes componentes que forma el combustible (CO, CO2, CH4, H2, N2). Una vez seleccionados los parámetros iniciales se procederá a la preparación de la bomba que consta de su vaciado y limpieza para evitar que se queden productos de las anteriores combustiones. Una vez limpio se procederá a su llenado con las cantidades del combustible y aire seleccionadas. Por último, la mezcla se dejará reposar durante un tiempo determinado de forma que todos los compuestos creen una mezcla homogénea. A continuación, se detallarán estos pasos de una forma más clara y detallada. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 48 3.2.1 Parámetros experimentales Para la realización de los experimentos del presente trabajo se han seleccionado dos de las especies de árboles colombianos descritas en capítulos anteriores. La razón de sólo elegir dos de ellas es debido al escaso tiempo disponible para realizar los experimentos. En la Tabla 4, se muestran la composición y el poder calorífico del gas pobre obtenido de cada especie de biomasa. Puesto que las composiciones del gas son relativamente parecidas, nos hemos guiado por el parámetro del poder calorífico para seleccionar las especies, es por esto por lo que hemos optado por experimentar con Pinus patula y Cordia alliodora, por ser las de menor y mayor poder calorífico, respectivamente. El principal objetivo de estos experimentos es ver el comportamiento de la combustión de estas dos especies a diferentes temperaturas y presiones manteniendo el dosado relativo igual al estequiométrico. 3.2.2 Preparación de la bomba La preparación de la bomba consta de un proceso de venteo y circulación de aire por ésta, para posteriormente realizar un vaciado. La razón de hacer este proceso es eliminar cualquier residuo o productos restantes de otras combustiones que actuarían como inerte en la siguiente combustión, lo que haría reducir la temperatura de esta. Durante dos minutos se realiza un venteo y el paso de aire por la bomba con la entrada y salida de la bomba abiertas mediante un manejo de válvulas hasta que la presión llegue aproximadamente a 2,5 bar. Una vez que hemos llegado a esta presión, se cierra la salida de la bomba para aumentar la presión dentro de ella hasta aproximadamente 4 bar. Seguidamente se hace el vaciado del aire contenido en la bomba al ambiente hasta conseguir la presión atmosférica. Tras esto, un eyector por medio del efecto Venturi, consigue generar una depresión de la cámara de hasta 0,090 bar. Para reducir la presión residual al máximo, se cuenta con una bomba de vacío que consigue bajar la presión hasta una magnitud de 0,005 bar. Mientras se realiza el venteo y vaciado de la bomba, se ajustará la temperatura necesaria para cada experimento mediante un controlador PID ya que el tiempo de respuesta para el calentamiento o enfriamiento de la bomba es pequeño. La etapa de preparación de la bomba concluye cuando se haya alcanzado la temperatura requerida por cada experimento y ajustada mediante el controlador PID. 3.2.3 Llenado de la bomba El llenado de la bomba se realiza mediante una serie de válvulas y conductos. Se utiliza el método de las presiones parciales de Dalton como se verá en el apartado 3.3 con más detalle. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 49 En primer lugar, se abrirán las botellas del combustible a alta presión, seguido de las válvulas de los conductos que lo llevarán al panel de la Figura 17. Una vez abiertas las válvulas de los sensores de presión y la entrada a la bomba, se procede a introducir el primer combustible, en este caso el metano hasta llegar a su presión parcial. Una vez, esta presión parcial se haya estabilizado, se procederá a introducir los siguientes combustibles de la misma forma siguiendo el siguiente orden: CH4, H2, CO, N2, CO2. Cuando ya se hayan introducido los combustibles, se meterá aire hasta llegar a la presión total establecida en el experimento. Cuando la presión se haya estabilizado, procederemos a cerrar la entrada de la bomba. 3.2.4 Homogeneización de la mezcla Cuando la mezcla ya está en el interior de la bomba en las condiciones de presión y temperatura indicadas se dejará un tiempo de mezcla para poder conseguir una correcta homogeneización de esta. El tiempo de mezcla que se ha empleado en los experimentos ha sido de 6 minutos, después de hacer varias pruebas en las que se demostró que es el tiempo ideal para una mezcla homogénea. Durante este tiempo se aprovecha a comprobar que los aparatos de adquisición y tratamiento de datos funcionan de una forma correcta, que el osciloscopio está en la escala adecuada para coger la curva, la chispa y el amplificador. 3.2.5 Combustión Una vez que ha finalizado el tiempo de mezcla es la hora de iniciar la combustión. Para ello se hace saltar una chispa en el centro de la bomba, lo que provoca un frente de llama esférico que evoluciona comprimiendo la mezcla fresca hasta chocar con las paredes de la bomba, finalizando la combustión. Cuando acaba la combustión, independientemente de si se va a realizar más experimentos es necesario abrir el venteo para expulsar los productos de la combustión y eliminar residuos. Si se van a realizar más experimentos se iniciarán de nuevo las etapas mencionadas anteriormente. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 50 3.3 Cálculo teórico de las presiones de llenado de la bomba El paso del combustible y el aire a la bomba de combustión cilíndrica, como ya se ha visto anteriormente, está regulado por una serie de conductos y válvulas. De este modo, el proceso más sencillo y a la vez más exacto de llenado de la bomba es mediante el método de las presiones parciales de Dalton. Esta ley dice que la presión total de una mezcla gaseosa es igual que la suma de las presiones parciales de los gases constituyentes, esto es, la presión total por la fracción molar de cada uno de ellos[40]. En el presente trabajo la mezcla gaseosa consta de CO, CO2, CH4, H2, N2 y aire, resultando: 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑃𝑓+𝑃𝑎+𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 =𝑋𝑓∙𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 +𝑋𝑎∙𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 +𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 =𝑋𝐶𝑂 ∙𝑃𝑓+𝑋𝐶𝑂2∙𝑃𝑓+𝑋𝐶𝐻4∙𝑃𝑓+𝑋𝐻2∙𝑃𝑓+𝑋𝑁2∙𝑃𝑓+𝑋𝑎∙𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 +𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 (3.1) Siendo, Pf la presión del combustible en la cámara de combustión, Pa la presión del aire, Xi las fracciones molares de los componentes del combustible y del aire respectivamente y Presidual la presión que queda tras el vaciado de la bomba, pues este proceso no es ideal por lo que no es posible llegar a la presión de 0 bar y asumimos que dentro de la bomba queda una pequeña cantidad de aire. Para cada uno de los experimentos realizados en el presente trabajo, el llenado de la bomba se ha calculado mediante una hoja Excel (mostrada en la Figura 24). Conocidas las dimensiones y volumen de la bomba, los parámetros de entrada son: la composición del combustible, esto es, las fracciones molares de los diferentes componentes del combustible (Xi), la presión inicial (Pinicial), la presión de vacío (Presidual), temperatura inicial (Tinicial) y dosado relativo (Fr). Como resultado obtenemos los parámetros de salida correspondientes a las presiones parciales de llenado: PCO, PCO2, PCH4, PH2, PN2 y Paire. La consideración de la presión residual se debe a que el proceso de vacío no es exacto y el valor de dicha presión suele variar entre 0,080 y 0,090 bar. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 51 En los párrafos siguientes se va a explicar de una manera más detallada los pasos seguidos para conseguir los parámetros de salida. En la Ecuación (3.2) se muestra la fórmula estequiométrica de la combustión del gas de gasificación, donde xi son las fracciones molares de cada componente y α la cantidad de aire estequiométrica 𝑥𝑐𝑜 𝐶𝑂+𝑥𝑐𝑜2 𝐶𝑂2+𝑥𝑐𝐻4 𝐶𝐻4+𝑥𝐻2 𝐻2+𝑥𝑁2 𝑁2+𝛼 (𝑂2+3,76 𝑁2) (𝑥𝐶𝑂 +𝑥𝐶𝑂2+𝑥𝐶𝐻4) 𝐶𝑂2 + (2𝑥𝐶𝐻4+𝑥𝐻2) 𝐻2𝑂+(𝑥𝑁2+ 𝛼∙3.76) 𝑁2 (3.2) Hemos establecido que el aire se compone de un 21% de O2 y un 79% de N2 por lo que, por cada mol de oxígeno, encontramos 3,76 moles de N2. Figura 24. Extracto de la hoja Excel del cálculo de las presiones requeridas para el llenado de la bomba de combustión Parámetros de salida Parámetros de entrada CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 52 Siendo α: 𝛼=𝑥𝐶𝑂 2+2 𝑥𝑐ℎ4+𝑥𝐻2 2 (3.3) Considerando los pesos moleculares de los componentes del gas pobre (CO, CO2, CH4, H2 y N2) y el del aire, recogidos en la Figura 24 como Mf y Ma respectivamente, se puede obtener una expresión para el cálculo del dosado estequiométrico de la siguiente forma: 𝐹𝑒=𝑚𝑓𝑒𝑠𝑡 𝑚𝛼𝑒𝑠𝑡 =𝑥𝑐𝑜𝑀𝐶𝑂 +𝑥𝑐𝑜2𝑀𝐶𝑂2+𝑥𝑐𝐻4𝑀 𝐶𝐻4+𝑥𝐻2𝑀𝐻2 +𝑥𝑁2 𝑀𝑁2 𝛼∙(𝑀𝑂2+3,76 𝑀𝑁2) (3.4) Los moles totales de la mezcla aire y combustible se calcularán mediante la ecuación (3.5) de los gases ideales con los datos de entrada de la presión, la temperatura y el volumen total de la bomba de combustión. 𝑛𝑡=𝑃𝑖∙𝑉 8,3145∙𝑇𝑖 (3.5) Sabiendo que el número de moles es igual a la masa dividido por el peso molecular del compuesto, encontramos un sistema de ecuaciones para determinar los moles de combustible y de aire en la mezcla respectivamente: 𝐹=𝑚𝑓 𝑚𝑎 𝑚𝑎=𝑚𝑓 𝐹 𝑛𝑡=𝑛𝑎+𝑛𝑓=𝑚𝑎 𝑀𝑎+𝑚𝑓 𝑀𝑓=𝑚𝑓 𝐹∙𝑀𝑎+ 𝑚𝑓 𝑀𝑓=𝑛𝑓∙𝑀𝑓 𝐹∙𝑀𝑎+𝑛𝑓 =𝑛𝑓 (1+ 𝑀𝑓 𝐹∙𝑀𝑎) 𝑛𝑓=𝑛𝑡 (1+ 𝑀𝑓 𝐹∙𝑀𝑎) (3.6) 𝑛𝑎=𝑀𝑓 𝐹∙𝑀𝑎+𝑀𝑓∙𝑛𝑡 (3.7) CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 53 Una vez tenemos los datos de los moles que componen la mezcla pasamos a calcular las fracciones molares del combustible, del aire y de la mezcla en total. Para el cálculo de las fracciones molares de los componentes del combustible utilizaremos la siguiente ecuación: 𝑋𝑖 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒=𝑛𝑖 𝑛𝑓=𝑚𝑖 𝑀𝑓 𝑛𝑓 (3.8) Con este cálculo, obtenemos las mismas fracciones molares que metimos como parámetros de entrada. Sin embargo, lo que nos interesa calcular son las fracciones molares de los componentes dentro de la mezcla con aire. Para ello, recurrimos a los siguientes cálculos: 𝑋𝑖 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎=𝑛𝑖 𝑛𝑡 (3.9) 𝑋𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎=𝑛𝑎 𝑛𝑡 (3.10) Teniendo en cuenta que antes de meter los combustibles en la bomba, existe una presión residual que consideramos aire, el cálculo de la presión parcial del aire resulta: 𝑃𝑝,𝑎𝑖𝑟𝑒 =𝑋𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ∙𝑃𝑇−𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 (3.11) En la figura que aparece a continuación, al igual que en la anterior, los datos utilizados para el ejemplo mostrado corresponden a la composición del gas pobre obtenido de la gasificación de la biomasa de la especie Pinus Patula y mostrados en la Tabla 4. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 54 Por lo tanto, utilizando la Ley de Dalton obtenemos las presiones parciales calculadas para cada componente, tal y como se muestra en la Figura 25 (P (bar)) y la presión real teniendo en cuenta la presión residual. Por último, encontramos la masa total de combustible y aire que tendrá la mezcla de entrada antes de la combustión. 3.4 Cálculo real de los parámetros tras el llenado de la bomba El llenado de la bomba se realiza a partir del cálculo teórico de las presiones parciales de cada componente reflejado en el apartado anterior. Sin embargo, aunque este cálculo resulte una buena aproximación para ejecución de los experimentos, también se debe tener en cuenta que el llenado se realiza de forma manual mediante una serie de válvulas, por lo que el resultado final del llenado no va a ser el valor exacto de los expresados en el cálculo teórico. En este apartado se ha realizado un cálculo de forma inversa al anterior. Partiendo de las presiones parciales reales de llenado, se pasa a calcular las fracciones molares reales de cada componente para comprobar la mezcla realizada finalmente. Figura 25. Resultados de las presiones parciales de llenado de la bomba CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 55 En la Figura 26 se puede ver el extracto de la hoja excel donde se han realizado todos los cálculos. Esta vez, los parámetros de entrada serán las presiones parciales reales introducidas de cada componente, además de la presión inicial, presión residual, dosado y temperatura. Como parámetros de salida obtendremos las fracciones molares reales de los compuestos tanto en el combustible como en la mezcla aire-combustible. Estas fracciones molares se denotan como Xi y están calculadas para unas condiciones de 1,207 bar y 92 °C. Como bien se ha comentado anteriormente, al ser un proceso de llenado manual, las presiones de llenado reales pueden diferir de las teóricas debidas a errores de factor humano. A continuación, se expondrán los cálculos realizados para una bomba de combustión de 0,0014 m3 aproximadamente. 𝑋𝑓=𝑃𝑓 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑃𝑓=𝑃𝑝,𝐶𝑂 +𝑃𝑝,𝐶𝑂2+𝑃𝑝,𝐶𝐻4+𝑃𝑝,𝐻2+𝑃𝑝,𝑁2 (3.12) 𝑋𝑎𝑖𝑟𝑒 =𝑃𝑝,𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 (3.13) Figura 26. Extracto de la hoja Excel del cálculo de los parámetros reales de llenado de la bomba CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 62 En este capítulo se exponen los resultados experimentales correspondientes a la caracterización del proceso de combustión del gas obtenido de la gasificación de pinus patula (ver ANEXO I: PARÁMETROS EXPERIMENTALES). Se realiza un estudio experimental que comprende un estudio paramétrico en función de la presión y temperatura inicial. Como se comentó en el capítulo anterior, primero se expondrán los resultados correspondientes al estudio del registro de presión en la cámara de combustión, seguidos de los resultados de la visualización del proceso de combustión a través de la técnica óptica Schlieren, a través de la cual se graba el proceso de combustión y se visualiza su evolución y desarrollo. Cuando se comenzó a realizar los experimentos, se encontró una tarea importante y difícil a la que hacer frente, la de establecer las condiciones iniciales de presión y temperatura. Para realizar pruebas se comenzó tomando la presión atmosférica y una temperatura de 35°C, muy cercana a la temperatura ambiente que puede tener la región colombiana. Pero al tratarse de un gas pobre de bajo poder calorífico, resultó que, bajo esas condiciones iniciales, la mezcla no llegaba a la combustión, pues no encendía. A partir de este momento se aumentó la temperatura y se realizó una prueba con la mezcla a 75°C de temperatura inicial y 0,8 bar de presión inicial ya que, como veremos a continuación, una baja presión y una alta temperatura favorece la combustión. Con estas condiciones iniciales la mezcla si llegó a la combustión, sin embargo, la se ha descartado debido a que los datos arrojados por el modelo de diagnóstico son inexactos e incongruentes. De este modo, se establecieron dos rangos de temperatura inicial sobre los que realizar los experimentos de forma que asegurase unos resultados fiables. Dado que a 75°C los resultados no eran exactos, se pasó a establecer una temperatura inicial de 90°C y 110°C pensando que una diferencia de 20°C es suficiente para notar diferencias en el comportamiento de la combustión. 4.1 Estudio paramétrico de la presión En este apartado se van a mostrar, por un lado, los resultados obtenidos tras pasar el modelo de diagnóstico de dos zonas a las curvas de presión obtenidas para los experimentos realizados de la especie Pinus patula a diferentes presiones y por otro lado, los resultados de la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren. Como se ha explicado anteriormente, este estudio paramétrico se ha realizado para dos temperaturas iniciales diferentes: 92°C y 110 °C para unas presiones iniciales de entre CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 63 0,8 y 4 bar con el objetivo de caracterizar, visualizar y analizar su diferente comportamiento frente a la variación de la presión inicial de la combustión. 4.1.1 Estudio paramétrico de la presión a 92 °C Resultados del modelo de diagnóstico de dos zonas El contenido que se mostrará a continuación pertenece a los resultados obtenidos tras pasar el modelo de diagnóstico de dos zonas para una temperatura inicial de 92°C en la bomba cilíndrica y tras realizar los experimentos en un rango de presiones iniciales de 0,8 a 3 bar. Figura 29. Evolución temporal de la presión en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para diferentes presiones iniciales En la Figura 29 se muestra la evolución temporal de la presión en la cámara de combustión para diferentes combustiones de gas pobre obtenido tras la gasificación de pinus patula, en condiciones estequiométricas y a 92°C de temperatura, para diferentes presiones entre 0,8 y 3 bar. En todas las curvas el desarrollo es similar, cuando se inicia la combustión empieza a subir la presión hasta que se alcanza un valor máximo a partir del cual vuelve a disminuir. Este comportamiento se ve muy claro en las curvas de las presiones de 0,8, 1 y 1,2 bares, mientras que las curvas correspondientes a 2 y 3 bares no se llegan a alcanzar un pico de forma clara. Tienen una forma diferente debido a que las combustiones no están centradas en la bomba, como se verá más adelante cuando se muestren imágenes del proceso de combustión. En esas condiciones de presión es complicado iniciar los procesos, y las combustiones se desarrollan muy lentamente. como se muestra en las siguientes figuras. 0,80 1,80 2,80 3,80 4,80 5,80 6,80 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Presión [bar] Tiempo [s] 3 bar 2 bar 1,2 bar 1 bar 0,8 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 64 Vamos a estudiar por separado las combustiones a bajas y altas presiones. En la Figura 30 se muestra la evolución temporal de la presión para combustiones con presiones iniciales de 0,8, 1 y 1,2 bar. Se han destacado los experimentos realizados bajo estas condiciones iniciales por su similitud y exactitud a la hora de visualizar resultados. Figura 30. Evolución temporal de la presión en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones de 0,8 a 1,2 bar Como se ha indicado anteriormente, estos resultados siguen una evolución lógica temporal, las combustiones realizadas con menor presión inicial resultan ser las más rápidas y las que alcanzan mayores temperaturas de la zona sin quemar, como se muestra en la siguiente figura y a medida que la presión inicial aumenta, la combustión se vuelve más complicada y lenta. Figura 31. Rango de validez de las combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 a 1,2 bar 0,80 1,30 1,80 2,30 2,80 3,30 3,80 4,30 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Presión [bar] Tiempo [s] 1,2 bar 1 bar 0,8 bar 300 350 400 450 500 550 0,80 1,30 1,80 2,30 2,80 3,30 3,80 4,30 Temperatura sin quemados, Tsq[K] Presión [bar] 0,8 bar 1 bar 1,2 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 65 La Figura 31 nos muestra el rango de validez de las combustiones realizadas, desde una temperatura de 370 hasta 520 K y unas presiones que van desde 0,8 a 4 bar aproximadamente dentro de la BCVC. Figura 32. Evolución de la velocidad de combustión frente a la temperatura de la zona sin quemar en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 a 1,2 bar Figura 33. Evolución temporal de la fracción de masa quemada en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 a 1,2 bar 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 340 390 440 490 540 Velocidad de combustión laminar, Cc[m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] 0,8 bar 1 bar 1,2 bar 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Fraccion de masa quemada, FMQ Tiempo [s] 0,8 bar 1 bar 1,2 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 66 En la evolución temporal de la presión queda claro como a medida que aumentamos la presión para una misma temperatura, las curvas se desplazan a la derecha alcanzando el pico máximo de presión más tarde. Esto queda bien reflejado en la gráfica de la velocidad de combustión, Figura 32, donde la combustión más rápida es la que se realiza a 0,8 bar y la más lenta la de 1,2 bar. Las oscilaciones que aparecen al inicio se deben al proceso de encendido, es decir a la chispa, de forma que la curva crece hasta llegar a la velocidad máxima que coincide con los momentos en que se llega a la máxima presión y disminuye cuando finaliza la combustión. Esta velocidad de combustión puede ajustarse mediante una regresión multilineal del tipo Metghalchi and Keck expuesta en la ecuación (2.6) y representada en la Figura 32 : 𝐶𝑐=𝐶𝑐0∙(𝑝 𝑝0)𝛽∙(𝑇 𝑇0)𝛼 (2.6) Los valores obtenidos para los datos representados en la Figura 32 son los siguientes para presiones entre 0,8 y 4 bar, temperaturas entre 360 y 520K y dosado estequiométrico: Tabla 10. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula a 92°C 𝐶𝑐0 α β R2 0,03769 4,97837 -1,23871 0,98111 En la Figura 33 se muestra la evolución de la fracción de masa quemada, es decir, el porcentaje de la mezcla de combustible y aire que se va quemando a medida que va progresando la combustión. Debido a que las bajas presiones favorecen la combustión, la Figura 33 nos muestra como la mayor fracción de masa quemada ocurre la combustión se realiza a 0,8 bar. Resultados de la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren Hasta aquí se han visualizado los resultados correspondientes al modelo de diagnóstico de dos zonas, evolución temporal de la presión, velocidad y fracción de masa quemada para combustiones realizadas a 0,8, 1 y 1,2 bar de presión inicial. En este segundo apartado se mostrarán los resultados tras la visualización mediante la técnica óptica Schlieren y su posterior tratamiento de datos de las combustiones de 0,8 1 y 1,2 bar. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 67 Figura 34. Evolución temporal del radio del frente de llama en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 a 1,2 bar En la Figura 31 se muestra la evolución temporal del radio del frente de llama en diferentes combustiones de gas pobre pinus patula para una temperatura inicial de 92oC y diferentes presiones iniciales. En esta figura se muestra como las combustiones con la presión inicial más baja alcanzan el radio máximo en un periodo más corto de tiempo. El frente de llama, una vez iniciada la combustión, crece de forma esférica hasta que choca con las paredes de la bomba, donde comienza a desaparecer. Figura 35. Evolución temporal de la velocidad del frente de llama en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 a 1,2 bar 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Radio de llama [m] Tiempo [s] 0,8 bar 1 bar 1,2 bar 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Velocidad del frente de llama, Sn [m/s] Tiempo [s] 0,8 bar 1 bar 1,2 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 68 En el apartado anterior vimos como la velocidad de combustión era muy dispar en función de las condiciones iniciales de presión que se establezcan. Sin embargo, la velocidad del frente de llama, mostrada en Figura 35, no resulta tan dependiente de estas condiciones iniciales como la de combustión, siendo cierto que resulta mayor con presiones iniciales bajas, un comportamiento presente durante todos los experimentos. Figura 36. Evolución de la velocidad del frente de llama frente a la tasa de stretch en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 a 1,2 bar En la Figura 36 se representa la velocidad de propagación del frente de llama frente a la tasa de Stretch, definida en capítulos anteriores. En esta figura se observa como para bajas tasas de Stretch la velocidad del frente aumenta rápidamente con una pendiente muy elevada, después esa velocidad disminuye y finalmente vuelve a aumentar con una menor pendiente, para altas tasas de Stretch. Teniendo en cuenta la definición de la tasa de Stretch, 𝛼=2/𝑅∙𝑆𝑙, las altas tasas de Stretch se corresponden con el inicio del proceso de combustión y las bajas tasas de Stretch con el final de la combustión. Para dejar clara la evolución de la tasa de Stretch durante la combustión, se adjuntan en la gráfica tres imágenes correspondientes al crecimiento del frente de llama de la combustión a 1,2 bar, de derecha a izquierda, ubicándose la llama de 1 cm correspondiente al inicio de la combustión en altas tasas de Stretch y la llama de 5 cm, en bajas tasas de Stretch. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 69 Por último, nos encontramos como la Figura 37 representa la evolución temporal de la velocidad de combustión laminar sin Stretch, esto es, la velocidad de propagación del frente de llama de la zona de combustión respecto a la mezcla sin quemar. Visualizándose una gran diferencia entre la velocidad de combustión laminar de la combustión a 0,8 bar de presión inicial y el resto, siendo ésta superior. La velocidad de combustión laminar sin stretch se puede calcular como: 𝑈𝑙=𝑆𝑙0∙𝜌𝑏 𝜌𝑢𝑏 (4.1) Donde Ul es la velocidad de combustión laminar “unstretched”, Sl0 la velocidad de propagación sin Stretch, explicada en el capítulo 2 y ρb, ρub son las densidades de la masa quemada y sin quemar, respectivamente. Figura 37. Evolución temporal de la velocidad de combustión laminar en combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 a 1,2 bar Con el objetivo de tener una visualización de la evolución del frente de llama en función de las presiones iniciales establecidas, se ha recurrido a la representación morfológica en la Tabla 11. Aquí podemos ver como las combustiones a 0,8, 1 y 1,2 bar de presión inicial son centradas y crecen de forma esférica hasta llegar al radio máximo, muy diferentes al comportamiento de la llama cuando la combustión se realiza a 2 y 3 bar. En el caso de presión inicial de 2 bar, la llama sólo permanece centrada hasta alcanzar un tamaño de 1 cm de radio, después de este momento, la llama se aleja del centro avanzando hacia arriba. La última fila, correspondiente a la combustión realizada a 3 bar muestra que, en este caso, la llama permanece descentrada desde el primer momento. Este fenómeno se debe a que la combustión es desigual, pues primero se quema la parte superior y tras ésta, la inferior. 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Ul: Velocidad de combustión laminar Unstretched [m/s] Tiempo [s] 0,8 bar 1 bar 1,2 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 70 Tabla 11. Morfología del frente de llama de Pinus patula en condiciones estequiométricas y a 92°C de temperatura inicial para presiones de 0,8-3 bar p \ Rf 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm 0,8 bar 1 bar 1,2 bar 2 bar 3 bar Para verlo de una forma más clara, recurrimos a los gráficos de la Figura 38 que muestran la evolución temporal de la presión y la velocidad de combustión a altas presiones. En el primer gráfico se percibe como a medida que la presión inicial aumenta, la forma de la curva cambia, dejando de ser tan pronunciada y sin llegar a distinguir claramente el pico de presión. Esto, a su vez se ve reflejado en el segundo gráfico como una disminución de la temperatura de la zona sin quemar con el aumento de la presión inicial. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 71 (i) Evolución temporal de la presión (ii) Evolución temporal de la velocidad de combustión Figura 38. Evolución temporal de la presión (i) y velocidad de combustión (ii) respecto a la temperatura de la zona sin quemar de la combustión de gas pobre de pinus patula a 92°C y presiones iniciales de 2 y 3 bar. Se puede determinar que el gráfico (ii) referente a la velocidad de combustión frente a la temperatura sin quemados no es coherente, pues a medida que la presión inicial aumenta, la combustión se hace más lenta por lo que la velocidad de combustión tendría que ser menor que para combustiones con presiones iniciales menores. En este gráfico se ve claramente como la velocidad de la combustión realizada a 3 bar de presión inicial es mayor que la realizada a 2 bar y por consiguiente a la de 1,2 bar. Los resultados 0,80 1,80 2,80 3,80 4,80 5,80 6,80 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Presión [bar] Tiempo [s] 3 bar 2 bar 1,2 bar 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 Velocidad de combustión laminar, Cc[m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] 1,2 bar 2 bar 3 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 78 (ii) Evolución de la velocidad de combustión laminar respecto a la temperatura sin quemados (iii) Rango de validez de las combustiones de gas pobre de pinus patula Figura 43. Comparativa de las combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas, a 92 y 110 °C de temperatura inicial para una presión inicial de 0,8 bar La Figura 43 (i) muestra como la evolución temporal de las curvas de presión siguen la misma tendencia, alcanzando un valor máximo de presión muy similar. Sin embargo, la curva de baja temperatura queda desplazada a la derecha, esto es, como se ve en (ii) porque su velocidad es más baja que la de alta temperatura. Por último en (iii) encontramos el rango de validez de estas combustiones de 0,8 a 2,8 bar y de 360 a 540 K aproximadamente. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 340 390 440 490 540 590 Velocidad de combustión laminar, Cc [m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] 92°C 110°C 350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Temperatura de no quemados, Tsq [K] Presión [bar] 92°C 110°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 79 Los valores obtenidos para los datos representados en la Figura 43 son los siguientes, para temperaturas entre 360 y 540K y presiones entre 0,8 y 2,8 bar: Tabla 14. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula a 92°C y 110°C a 0,8 bar Temperatura inicial 𝐶𝑐0 α β R2 92°C 0,03769 4,97837 -1,23871 0,98111 110°C 0,16262 1,95369 -0,25648 0,98975 En esta comparativa queda visible que la temperatura favorece la combustión, haciéndola más rápida. Aunque en aspectos como la presión máxima de la cámara, los valores son muy parecidos, es al llegar a la evolución de la velocidad de combustión frente a la Tsq, donde vemos que, en una diferencia de apenas 20°C, la velocidad casi llega a ser el doble. A continuación, veremos la misma comparativa para los experimentos a 2 bar y temperatura de 92 y 110°C: (i) Evolución temporal de la presión 0,80 1,80 2,80 3,80 4,80 5,80 6,80 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Presión [bar] Tiempo [s] 110°C 92°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 80 (ii) Evolución de la velocidad de combustión laminar respecto a la temperatura sin quemados Figura 44. Comparativa de las combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas, a 92 y 110 °C de temperatura inicial para una presión inicial de 2 bar En este caso, la Figura 44 muestra que sucede lo mismo, la forma de las curvas y los valores máximos están muy próximos en el caso de la presión. Cuando la presión inicial se establece como 2 bar, para ambas temperaturas la presión máxima dentro de la BCVC se aproxima a 5,8. Respecto a las temperaturas, también son menores que en anterior caso, pero la relación entre ellas permanece constante, llegando a ser la de 110°C el doble que la velocidad de combustión de 92°C. Resultados de la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren En este epígrafe se visualizarán los datos recogidos mediante la técnica Schlieren de las combustiones realizadas a 0,8 bar y a las temperaturas iniciales de 90 y 110°C, ya que las combustiones de 2 bar son descentradas y no pueden arrojar resultados fiables para este apartado. 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 340 390 440 490 540 Velocidad de combustión laminar, Cc[m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] 110°C 92°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 81 (i) Evolución temporal del radio del frente de llama (ii) Evolución de la velocidad del frente de llama frente a la tasa de Stretch (iii) Evolución temporal de la velocidad de combustión laminar unstretched 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Radio de llama [m] Tiempo [s] 92 °C 110 °C 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0100 200 300 400 500 600 700 800 Velocidad del frente de llama, Sl [m/s] Tasa de Stretch, κ[1/s] 92 °C 110 °C 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Ul: Velocidad de combustión laminar Unstretched [m/s] Tiempo [s] 92 °C 110 °C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 82 Figura 45. Comparación de las evoluciones de las combustiones de gas pobre de pinus patula en condiciones estequiométricas, a 0,8 bar de presión inicial y 90 y 110 °C. Los gráficos de la Figura 45 muestran una vez más que un aumento de la temperatura favorece la combustión manteniendo la presión inicial constante. En la figura (i) se aprecia como crece y se alcanza el radio máximo de una forma más rápida en la combustión a 110 °C. También en la figura (ii) la velocidad de la llama es mayor pero manteniendo la misma tendencia. Es en la figura (iii) donde la tendencia de las curvas es similar al inicio de la combustión, aumentando la velocidad unstretched en los primeros momentos de la combustión hasta alcanzar un máximo y luego disminuir mucho más rápido en el caso de la combustión a 110°C, mientras que para la combustión a 90°C, al ser más lenta, la disminución en la velocidad se hace de manera más progresiva. Tabla 15. Morfología del frente de llama de Pinus patula en condiciones estequiométricas, a 0,8 bar y a 90 y 110 °C p\ Rf 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm 90 °C 110 °C La Tabla 15 muestra la morfología del frente de llama, aunque para el radio de 5 cm y temperatura de 110°C la llama presenta algo más de celularidad, el comportamiento es similar para ambas temperaturas. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 83 CAPÍTULO 5.- RESULTADOS SOBRE GAS POBRE OBTENIDO DE LA GASIFICACIÓN DE CORDIA ALLIODORA 5. RESULTADOS SOBRE GAS POBRE OBTENIDO DE LA GASIFICACIÓN DE CORDIA ALLIODORA CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 84 En este capítulo se expondrán los datos obtenidos tras el análisis de los experimentos realizados con gas pobre obtenido de la gasificación de la biomasa de Cordia alliodora en condiciones estequiométricas (ver ANEXO I: PARÁMETROS EXPERIMENTALES). Se realiza un estudio paramétrico en cuanto a presión y temperatura para los experimentos realizados a unas temperaturas iniciales de 90 y 110 °C, bajo unas condiciones iniciales de presión de 0,8, 1,5 y 3 bar y una comparación final de los resultados obtenidos con los gases obtenidos de los dos tipos de biomasa, pinus patula y cordia alliodora. Dado que estos experimentos se realizaron posteriormente los de pinus patula y la composición de este gas es muy parecido al del cordia, ya comenzamos las combustiones con unas condiciones iniciales fijadas de 75 °C y 0,8 bar. Como en el capítulo anterior, la combustión de la mezcla a 75°C si llegó a producirse, pero no se han tenido en cuenta los datos ya que no resultaban ser coherentes para el modelo de diagnóstico. Se seguirá la misma presentación de los datos que en el capítulo anterior, en primer lugar, la caracterización de la presión, seguida de la de temperatura y por último una comparación entre el comportamiento de los gases obtenidos de los dos tipos de biomasa. Dentro de cada subapartado se recogerán los resultados obtenidos tras el análisis de los datos con el modelo de diagnóstico de dos zonas y los resultados de la visualización de la combustión a través de la técnica óptica Schlieren, en este orden. 5.1 Estudio paramétrico de la presión En este apartado van a mostrarse los resultados alcanzados de las combustiones de gas pobre obtenido mediante la gasificación de biomasa de cordia alliodora en base a caracterizar su comportamiento frente a la variación de presión inicial. Las presiones iniciales escogidas para realizar los experimentos han sido 0,8, 1,5 y 3 bar y el estudio se realizará para las temperaturas de 90 y 110°C5.1.1 Estudio paramétrico de la presión a 90°C Resultados del modelo de diagnóstico de dos zonas A continuación, se muestran los resultados de las combustiones en forma de gráficos, de manera que se visualizará el comportamiento de la presión, el rango de validez y la velocidad de la combustión para presiones de 0,8 a 3 bar. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 85 Figura 46. Evolución temporal de la presión en combustiones de gas pobre de cordia alliodora en condiciones estequiométricas y a 90 °C de temperatura inicial para diferentes presiones iniciales La Figura 46 muestra la evolución temporal de la presión para las presiones de 0,8, 1,5 y 3 bar. Vemos como en el caso de las dos presiones más bajas, la curva sigue la misma tendencia, desplazándose el pico máximo de presión hacia la derecha a medida que aumenta la presión, pues las combustiones se vuelven más lentas. Bien es cierto, como en los casos vistos anteriormente, que cuando la presión inicial es de 3 bar, el comportamiento de la curva cambia, aplanándose ésta. Como veremos más adelante en el tratamiento de las imágenes de la combustión, las combustiones realizadas a estas presiones no son esféricas ni centradas por lo que carece de sentido el análisis de ellas, pues no arrojarían datos coherentes. Es por ello por lo que se ha determinado seguir este epígrafe solamente con el análisis de las combustiones realizadas a las más bajas presiones, 0,8 y 1,5 bar. Figura 47. Rango de validez de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora en condiciones estequiométricas y a 90 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 y 1,5 bar 0,80 1,80 2,80 3,80 4,80 5,80 6,80 7,80 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Presión [bar] Tiempo [s] 3 bar 1,5 bar 0,8 bar 350 370 390 410 430 450 470 490 510 0 1 2 3 4 5 Temperatura sin quemados, Tsq [K] Presión [bar] 1,5 bar 0,8 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 86 La Figura 47 nos muestra el rango de validez de temperatura que va desde los 360 a 500 K y el rango de presiones dentro de la BCVC de o,8 hasta casi 5 bar. Figura 48. Evolución de la velocidad de combustión frente a la temperatura de la zona sin quemar en combustiones de gas pobre de cordia alliodora en condiciones estequiométricas y a 90 °C de temperatura inicial para presiones iniciales de 0,8 y 1,5 bar Los valores obtenidos para los datos representados en la Figura 48 son los siguientes, para temperaturas entre 365 y 500 K, y presiones entre 0,8 y 5 bar: Tabla 16. Valores de la correlación Metghalchi para Cordia alliodora a 90°C 𝐶𝑐0 α β R2 0,21064 3,17043 -1,27866 0,99782 El comportamiento de la combustión queda representado en la Figura 48 en la que se ve que a menores presiones iniciales las velocidades de combustión y temperaturas resultan ser más altas. En este caso, las curvas presentan menos oscilaciones que en el caso del pinus patula. Este fenómeno puede deberse al proceso de encendido. Resultados de la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren Una vez vistos los resultados del modelo de diagnóstico se pasa a mostrar los referentes a la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren. En este apartado se han seleccionado para estudiar las combustiones realizadas bajo las presiones iniciales de 0,8 y 1,5 bar, al igual que en el epígrafe anterior. 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 Velocidad de combustión laminar, Cc [m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] 0,8 bar 1,5 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 87 (i) Evolución temporal del radio del frente de llama (ii) Evolución de la velocidad del frente de llama frente a la tasa de Stretch (iii) Evolución temporal de la velocidad de combustión laminar unstretched 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Radio de llama [m] Tiempo [s] 0,8 bar 1,5 bar 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 050 100 150 200 250 300 350 400 Velocidad del frente de llama, Sl [m/s] Tasa de Stretch, κ[1/s] 0,8 bar 1,5 bar 0,135 0,145 0,155 0,165 0,175 0,185 0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 Ul: Velocidad de combustión laminar Unstretched [m/s] Tiempo [s] 0,8 bar 1,5 bar CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 94 (i) Evolución temporal de la presión (ii) Evolución de la velocidad de combustión laminar respecto a la temperatura sin quemados (iii) Rango de validez de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora Figura 54. Comparativa de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora en condiciones estequiométricas, a 90 y 110 °C de temperatura inicial para una presión inicial de 1,5 bar 0,80 1,80 2,80 3,80 4,80 5,80 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Presión [bar] Tiempo [s] 90°C 110°C 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 Velocidad de combustión laminar, Cc[m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] 90°C 110°C 350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550 0123456 Temperatura sin quemados,Tsq[K] Presión [bar] 110°C 90°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 95 Los valores obtenidos para los datos representados en la Figura 54 son los siguientes, para temperaturas entre 360 y 530K y presiones entre 0,8 y 5 bar: Tabla 20. Valores de la correlación Metghalchi para Cordia alliodora a 90°C y 110°C Temperatura inicial 𝐶𝑐0 α β R2 90°C 0,21064 3,17043 -1,27866 0,99782 110°C 0,23816 2,43351 -1,05929 0,99418 Resultados de la visualización de la combustión mediante la técnica óptica Schlieren A continuación, se exponen los resultados de la visualización mediante la técnica óptica Schlieren en la Figura 55. Vemos como la curva del crecimiento del frente de llama bastante similar en ambos casos, es en la velocidad de propagación de la llama y la velocidad de combustión laminar unstretched donde se aprecia mayor diferencia. Para estos dos últimos casos, las velocidades son mayores en las combustiones a altas temperaturas con mayores inclinaciones en la pendiente, destacando el crecimiento de la velocidad de combustión laminar unstretched al final de la combustión. (i) Evolución temporal del radio del frente de llama 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Radio de llama [m] Tiempo [s] 90°C 110°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 96 (ii) Evolución de la velocidad del frente de llama frente a la tasa de Stretch (iii) Evolución temporal de la velocidad de combustión laminar unstretched Figura 55. Comparación de las evoluciones de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora en condiciones estequiométricas, a 1,5 bar de presión inicial y 90 y 110 °C. Por último, se recoge una tabla con la evolución de la morfología seguida del frente de llama. En las imágenes se aprecia que la forma de la llama es similar para ambas temperaturas, aunque la celularidad y por lo tanto las inestabilidades, aumentan con el aumento de la temperatura y del radio. 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0100 200 300 400 500 600 700 800 Velocidad del frente de llama, Sl [m/s] Tasa de Stretch, κ[1/s] 90°C 110°C 0,13 0,15 0,17 0,19 0,21 0,23 0,25 0,27 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Ul: Velocidad de combustión laminar Unstretched [m/s] Tiempo [s] 90°C 110°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 97 Tabla 21. Morfología del frente de llama de cordia alliodora en condiciones estequiométricas, para presiones de 1,5 y 90 y 110°C de temperatura inicial p\ Rf 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm 90°C 110°C 5.3 Comparación Pinus patula y Cordia alliodora a 0,8 bar Este epígrafe se desarrolla con el objetivo de ofrecer una comparativa de los resultados de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula en condiciones estequiométricas para unas temperaturas de 90 y 110°C y una presión de 0,8 bar. La presión inicial escogida para realizar la comparación es 0,8 bar por ser el único parámetro inicial que se repite en los experimentos de las combustiones de gas pobre de las dos especies de biomasa. Pues en pinus patula las combustiones se realizaron para 0,8, 1, 1,2, 2, 3 y 4 bar y en el caso de cordia alliodora para 0,8, 1,5 y 3 bar. La comparación tiene como objetivo señalar la combustión de gas pobre que ofrece mejores resultados y por tanto, la especie de biomasa que tiene mejores características para combustión de gas de gasificación en una bomba de volumen constante. 5.3.1 Comparativa de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula a 90°C de temperatura inicial y 0,8 bar. (i) Evolución temporal de la presión 0,80 1,30 1,80 2,30 2,80 3,30 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Presión [bar] Tiempo [s] CA 90°C PP 90°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 98 (ii) Evolución de la velocidad de combustión laminar respecto a la temperatura sin quemados Figura 56. Comparativa de las combustiones de gas pobre de pinus patula y cordia alliodora en condiciones estequiométricas, a 90°C de temperatura y una presión inicial de 0,8 bar. Los valores obtenidos para los datos representados en la Figura 56 son los siguientes: Tabla 22. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula y Cordia Alliodora a 90°C y 0,8 bar 90°C 𝐶𝑐0 α β R2 Pinus Patula 0,03769 4,97837 -1,23871 0,98111 Cordia alliodora 0,21064 3,17043 -1,27866 0,99782 En la Figura 56 se muestra la comparativa de los resultados del modelo de diagnóstico de dos zonas de las combustiones de cordia alliodora y pinus patula en condiciones estequiométricas a 0,8 bar de presión inicial y 90°C aproximadamente, ya que los experimentos de pinus patula se realizaron a 92°C. Se aprecia que la combustión del gas de cordia alliodora es más rápida que la de pinus patula debido a que su poder calorífico es mayor, llegando a una velocidad de combustión del doble y observándose la misma evolución en las tres subfiguras. Sin embargo, las combustiones de pinus patula logran alcanzar una mayor presión dentro de la bomba. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 Velocidad de combustión laminar, Cc[m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] CA 90°C PP 90°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 99 Figura 57. Evolución temporal de la temperatura de quemados de la combustión de cordia alliodora y pinus patula a la temperatura inicial de 90°C y 0,8 bar Figura 58. Evolución temporal de la temperatura de no quemados de la combustión de cordia alliodora y pinus patula a la temperatura inicial de 90°C y 0,8 bar En las dos últimas figuras (Figura 57 y Figura 58) se ve representada la evolución temporal tanto de la temperatura de la zona quemada como la de la zona no quemada de la combustión bajo los parámetros de entrada de 90°C y 0,8 bar. En ellas se refleja que la biomasa de Pinus patula alcanza mayores temperaturas tanto en la zona de quemados, llegando casi a 1750 K y en la zona de no quemados superando los 510 K. Las temperaturas altas de combustión se consideran relevantes por favorecer la creación de emisiones NOx al reaccionar el oxígeno con el nitrógeno. Otro factor que hace aumentar estas emisiones es el tiempo de residencia en la zona de llama. Cuando las temperaturas de combustión son inferiores a 1000°C, el contenido de NO disminuye significativamente, sin embargo, su crecimiento se hace exponencial cuando las temperaturas superan los 1500°C [42]. 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Temperatura de quemados, Tq[K] Tiempo [s] CA 90°C PP 90°C 350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Temperatura de no quemados, Tsq[K] Tiempo [s] CA 90°C PP 90°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 100 En base a esta información, se presupone que la combustión del gas de gasificación de procedente de biomasa de pinus patula generaría más emisiones NOx que la del cordia bajo estas condiciones de presión y temperatura. (i) Evolución temporal del radio del frente de llama (ii) Evolución de la velocidad del frente de llama frente a la tasa de Stretch (iii) Evolución temporal de la velocidad de combustión laminar unstretched 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 Radio de llama [m] Tiempo [s] CA 90 °C PP 92 °C 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0100 200 300 400 500 600 700 800 Velocidad del frente de llama, Sl[m/s] Tasa de Stretch, κ[1/s] CA 90 °C PP 92 °C 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 00,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Ul: Velocidad de combustión laminar Unstretched [m/s] Tiempo [s] CA 90 °C PP 92 °C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 101 Figura 59. Comparativa de los resultados de la visualización mediante la técnica óptica de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula en condiciones estequiométricas a 90°C y 0,8 bar de presión inicial. La Figura 59 muestra los resultados obtenidos del análisis de la visualización de las combustiones mediante técnica óptica Schlieren detallándose la evolución del radio del frente de llama, la velocidad de propagación de la llama frente a la tasa de Stretch y la velocidad de combustión laminar unstretched. En esta representación se ve que sigue la misma tendencia que la figura anterior, la combustión de gas pobre de cordia alliodora alcanza el radio de 5 cm más rápido que la de pinus patula, con unas velocidades de propagación de la llama mayores también. Sin embargo, las velocidades de combustión laminar unstretched aparece mayor en la combustión de gas pobre de pinus patula Por último, vemos en la Tabla 23 la evolución de la combustión mediante imágenes en función del radio del frente de llama. En este caso la diferencia es mínima y no se ve a simple vista, por lo que las combustiones en imágenes son muy similares. Tabla 23. Comparación de la morfología del frente de llama de cordia alliodora y pinus patula en condiciones estequiométricas a 90°C y 0,8 bar p\ Rf 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm Pinus patula Cordia alliodora 5.3.2 Comparativa de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula a 110°C de temperatura inicial y 0,8 bar. Como veremos a continuación, la tendencia de las curvas es la misma que en temperaturas menores detalladas anteriormente. La Figura 60 muestra la comparativa de la evolución de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula a una temperatura inicial de 110°C y una presión inicial CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 102 de 0,8 bar. Como bien se ha mencionado antes, las combustiones de gas de cordia alliodora son más rápidas debido a su mayor poder calorífico, alcanzándose así mayores velocidades de combustión. Sin embargo, la diferencia de velocidades no es tan amplia como en el caso anterior, pero si se llega a temperaturas de no quemados más altas al ser el parámetro de temperatura inicial mayor. No se ven grandes diferencias con las combustiones a 90°C en cuanto a los valores máximos de presión y velocidad por lo que el aumento de temperatura no tiene gran influencia más que en el tiempo de combustión. (i) Evolución temporal de la presión (ii) Evolución de la velocidad de combustión laminar respecto a la temperatura sin quemados Figura 60. Comparativa de las combustiones de gas pobre de pinus patula y cordia alliodora en condiciones estequiométricas, a 110°C de temperatura y una presión inicial de 0,8 bar. 0,80 1,30 1,80 2,30 2,80 3,30 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Presión [bar] Tiempo [s] CA 110°C PP 110°C 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 340 390 440 490 540 590 Velocidad de combustión laminar, Cc [m/s] Temperatura de no quemados, Tsq [K] CA 110°C PP 110°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 103 Los valores obtenidos para los datos representados en la Figura 60 son los siguientes: Tabla 24. Valores de la correlación Metghalchi para Pinus Patula y Cordia Alliodora a 110°C y 0,8 bar 110°C 𝐶𝑐0 α β R2 Pinus Patula 0,16262 1,95369 -0,25648 0,98975 Cordia alliodora 0,23816 2,43351 -1,05929 0,99418 En la Figura 63 se representan los resultados de la visualización mediante la técnica óptica Schlieren de las combustiones de gas pobre de cordia alliodora y pinus patula en condiciones estequiométricas, 100°C de temperatura y 0,8 bar de presión inicial. En este caso, la diferencia del tiempo que tarda el frente de llama en alcanzar los 5 cm no es tan grande, aunque si se aprecia que el cordia alliodora tarda menos, sigue la tendencia anterior y ofrece una curva de la evolución temporal del radio del frente de llama muy parecida a la del pinus patula. Tanto la velocidad del frente de llama como la de combustión laminar unstretched es mayor en el cordia alliodora. Figura 61. Evolución temporal de la temperatura de quemados de la combustión de cordia alliodora y pinus patula a la temperatura inicial de 110°C y 0,8 bar 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Temperatura de quemados, Tq[K] Tiempo [s] CA 110°C PP 110°C CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 110 • En lo referente a la influencia de los parámetros de presión y temperatura en la morfología de la llama, se encuentra que un aumento de ambos crea mayor celularidad y por tanto el comienzo de inestabilidades en el frente de llama. • El frente de llama, inicialmente con geometría esférica, se deforma en esférico por la geometría de la bomba de combustión cilíndrica, haciendo posible que parte del combustible quede sin quemar. Este efecto se detecta principalmente para altas presiones iniciales en los dos gases ensayados. Además, el calentamiento de la bomba no se realiza de forma uniforme, generando una diferencia de temperatura entre unos puntos de la bomba y otros, lo que puede intervenir en los resultados obtenidos: • Como se ha visto y comentado anteriormente, el efecto del aumento de temperatura favorece la combustión haciéndola más rápida. Sin embargo, el aumento de la presión inicial tiene el efecto contrario, llegando a perder la condición de llama esférica cuando tratamos con presiones muy altas, a partir de 2 o 3 bar. • Por último, se realizó una comparación entre las combustiones de gas pobre de pinus patula y cordia alliodora para una misma presión inicial, 0,8 bar y una misma temperatura, 90 y 110°C. El resultado obtenido es que, la combustión de cordia alliodora resulta ser más rápida con mayores velocidades de combustión y de propagación de la llama, debido a su mayor poder calorífico, pero es la combustión de pinus patula la que alcanza mayores valores de presión y temperatura. • Debido a que no ha sido posible medir las emisiones de NOx y CO2 de la combustión, no podemos cuantificarlas y por tanto la elección de la materia prima óptima radica en la máxima temperatura obtenida durante el proceso de combustión, siendo el pinus patula el que mayor temperatura obtiene, y por tanto mayores emisiones de NOx. • Dado que las emisiones de NOx crecen con el aumento de las temperaturas de combustión y el tiempo de reacción, de los parámetros estudiados y experimentados en el presente trabajo, el comportamiento óptimo de la llama se refleja para la combustión de gas de gasificación de biomasa de Cordia alliodora a 0,8 bar y 90°C por ser la que menor temperaturas de combustión presenta. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 111 6.3 Futuras líneas de investigación En el CAPÍTULO 2.- ESTADO DEL ARTE se han descrito, en base a un estudio realizado por el Dr. Juan Fernando Pérez, las cuatro especies de árboles más abundantes y disponibles en las diferentes zonas aisladas de Colombia como recurso de biomasa. Como queda reflejado en el capítulo 3, la parte experimental se ha llevado a cabo con la selección de dos de ellas, Pinus patula y Cordia alliodora, por tanto, en un futuro se recomienda la experimentación con Guazuma ulmifolia y Eucalyptus grandis pese a que el comportamiento del gas resultará similar a los estudiados por la escasa variación de su composición y el poder calorífico. Para completar la caracterización del gas en la bomba de combustión, sería necesario cuantificar las emisiones producidas durante la combustión tanto de CO2 como NOx para asegurar que se cumple con el objetivo de la reducción de las emisiones contaminantes. Para ello es necesario analizar los gases producto de la combustión de ambas especies en un cromatógrafo o analizador. Se ha hablado con el Departamento de Ingeniería Química para intentar utilizar sus instalaciones en un futuro y así ampliar la caracterización del proceso de combustión. Por último, una vez caracterizado el gas junto con las emisiones contaminantes, llegaría el paso final de diseñar y fabricar la estufa TLUD que opere bajo las especificaciones mostradas en la Figura 5 y realizar las pruebas pertinentes para asegurar que cumple con el objetivo de cara a conseguir el propósito final de proveer de esta tecnología a la población más aislada de Colombia, mejorando la calidad del aire interior de sus hogares y por tanto, su calidad de vida. . 6.4 Aportaciones Excepto la instalación experimental y los modelos de los que se disponía, todo lo realizado en este TFM son aportaciones propias, la revisión bibliográfica realizada, todos los experimentos, tratamiento de datos, extrapolación de resultados y conclusiones. CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 112 CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 113 CAPÍTULO 7.- BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA CARACTERIZACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA EN UNA BOMBA DE COMBUSTIÓN CON ACCESO ÓPTICO PARA VISUALIZACIÓN USANDO SCHLIEREN P á g i n a | 114 [1] O. F. Obi, S. L. Ezeoha, and I. C. Okorie, “Energetic performance of a top-lit updraft (TLUD) cookstove,” Renew. Energy, vol. 99, pp. 730–737, Dec. 2016, doi: 10.1016/j.renene.2016.07.060. [2] “Contaminación del aire de interiores y salud.” https://www.who.int/es/newsroom/fact-sheets/detail/household-air-pollution-and-health (accessed Aug. 05, 2020). 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