Proyecto de Tesis-final1
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
PROYECTO DE TESIS
“PROCESO PARA LA PRODUCCION DE GAS DE COMBUSTION POR GASIFICACION DE LA CASCARILLA DE ARROZ”
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO
QUÍMICO
AUTORES: PINEDA ESTEVES JUAN ENOC
GOMEZ LOPEZ GILVERVARGAS ARÁOZ JOHN JULIO
CALLAO – 2013
PERU
INDICE
Página
INTRODUCCION
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
I.1 Determinación del problema
I.2 Formulación de problemas
I.3 Objetivos de la investigación
I.4 Justificación
II. MARCO TEORICO
II.1 Antecedentes del estudio
II.2 La cascarilla de arroz
II.3 Importancia económica de la cascarilla de arroz
II.4 Importancia económica del gas de combustión
II.5 Requerimiento del gas de combustión para los MCI
II.6 Tecnología de la gasificación
II.7 Limpieza y acondicionamiento del gas
II.8 Propiedades físicas y químicas de la cascarilla
II.9 Propiedades físicas y químicas del gas de combustión
II.10 Adecuación del gas exento de alquitranes
II.11 Fundamentos de las bases de diseño
II.12 Definiciones de términos básicos
III. VARIABLES E HIPOTESIS
III.1 Definición de las Variables de la investigaciónIII.2 Operacionalización de variablesIII.3 Hipótesis General
III.4 Hipótesis Especificas
IV. METODOLOGIA
IV.1 Tipo de investigación
2
IV.2 Diseño de la investigación
IV.3 Etapas de la investigación
IV.4 Población y muestra
IV.5 Técnicas e Instrumentos de recolección de datos
V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
VI. PRESUPUESTO
VII. REFERENCIALES
VIII. ANEXOS
VIII.1Matriz de consistencia completa
VIII.2Esquema tentativo de la tesis
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INTRODUCCION
En los procesos productivos de diversas industrias es frecuente que sobren residuos de
los cuales gran parte de ellos pueden ser recuperados dándole una recirculación al
proceso o sino también como fuente de energía renovable, por ejemplo la biomasa.
Para una industria el uso de la biomasa como fuente de energía renovable les resulta
importante en lo que a reducción de costos se refiere, pero además contribuye también a
la reducción del impacto ambiental. Para tal fin se deben realizar análisis a los materiales
de desecho, para con ello saber cuáles pueden ser útiles como fuente de energía.
La cascarilla de arroz, también llamado pajilla es un residuo en la industria del pilado del
arroz. Si bien este residuo tiene algunos usos, como por ejemplo abono, adición en
mezclas de concreto o como combustible. Gran parte de este residuo no es utilizado y es
vertido al medio ambiente para su posterior incineración.
El Grupo de Investigación Carbón–Biomasa de la Pontificia Universidad Católica del
Perú (PUCP) sobre el aprovechamiento energético de la cascarilla de arroz indican que
existen muy buenas oportunidades para la generación de calor por medio de la
gasificación donde se podría aplicar en procesos de cocción de alimentos, secado y
producción de vapor entre otros. Para el presente trabajo se propone generar energía
eléctrica por gasificación de la cascarilla de arroz, debido a que se producen grandes
cantidades como desecho.
La gasificación de biomasa o carbón es una tecnología usada desde hace más de 200
años. Los primeros gasificadores de carbón fueron construidos en Alemania. El gas era
utilizado como combustible para los hornos de la industria siderúrgica, luego mediante la
aplicación de mecanismos de limpieza del gas, desarrollados en Inglaterra, el uso de
gasificadores se extendió a hornos pequeños y motores de combustión interna. En
Alemania durante la segunda guerra mundial debido a la escasez de petróleo, los
ingenieros utilizaron el proceso de gasificación para producir combustibles sintéticos
mediante un proceso llamado Fischer Tropsch.
La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sólido que contiene carbono es
transformado en un gas combustible de bajo o medio poder calorífico (1.000 -
3.000kCal/Nm3) comparado con el gas natural (9.000 kCal/m3. El gas producido
contiene CO, H2, CH4, CO2, N2, vapor de agua entre otros que se encuentran en menor
cantidad. Estos compuestos se encuentran en el gas en proporciones distintas según: la
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presentación, la tecnología utilizada, la composición de la materia prima, el agente
gasificante y la relación agente gasificante/biomasa. El agente gasificante puede ser
vapor de agua, oxigeno, aire o una mezcla de los anteriores, obteniendo el gas con
menor poder calorífico cuando se utiliza aire, en este caso la entrada se limita entre un
20 y un 40% del teóricamente necesario para una combustión completa, y la temperatura
de operación oscila entre 700 y 1.400°C según el tipo de gasificador y las condiciones
del proceso. El gas combustible generado puede ser aprovechado de diversas maneras:
a través de procesos de combustión para producir electricidad y/o energía térmica o
como gas de síntesis transformándose en productos de mayor valor añadido.
Por lo tanto, existe la necesidad de diseñar un proceso para la producción de gas de
combustión de la cascarilla de arroz para emplearlo en generadores eléctricos.
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I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
I.1 Determinación del problema
La zona norteña del Perú es una zona arrocera y de muchos productos de exportación.
Sin embargo en el proceso de cosecha y el seguido de proceso de valor agregado
genera varios residuos orgánicos. De los cuales algunos, se utilizan en otras etapas para
su aprovechamiento, como es el caso del bagazo de la caña de azúcar. Sin embargo
otros residuos como la cascarilla de arroz obtenida después del pilado del arroz, solo
una parte es utilizada en otros procesos como abono, agregado de concreto, o
combustible para el horno de la fabricación de ladrillos.
Existe una gran parte de cascarilla que es vertida al medio ambiente y luego es
incinerada, afectando así a los diversos ecosistemas presentes.
Otro factor para tener en cuenta, es que las industrias encargadas del rubro arrocero
consumen grandes cantidades de luz, por ejemplo una planta pequeña gasta
aproximadamente 2500 soles mensuales en pago por el servicio de luz. Generando
como residuo la cascarilla de arroz que luego la venden para los distintos usos,
reduciendo asi sus costos.
Colombia, es uno de los países sudamericanos que ha presentado muchos estudios
respecto a esta cascarilla, desde un estudio comparativo de la cascarilla con otros
países hasta las posibles aplicaciones en el campo de la energía eléctrica.
Una industria que pueda reducir sus costos en energía eléctrica, implementando en un
sistema de generación de energía eléctrica a partir de sus propios residuos no solo
reduce sus costos sino que también contribuye a la reducción de los problemas de
impacto ambiental.
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I.2 Formulación del problema
Problema General
¿Cómo debe ser el proceso para la producción del gas de combustión a partir de la
cascarilla de arroz para emplearlo en generadores eléctricos?
Problemas específicos
a. ¿Cuáles son las características físicas y químicas de la cascarilla de arroz?
b. ¿Cuáles son las características físicas del gas de combustión para los
generadores eléctricos?
I.3 Objetivos de la investigación
Objetivo General
Diseñar un proceso para la producción de gas de combustión de la cascarilla de
arroz para emplearlo en generadores eléctricos
Objetivos Específicos
a. Identificar las características físicas y químicas de la cascarilla de arroz
b. Identificar las características del gas de combustión que se demanda como
fuente de energía de generadores eléctricos
I.4 Justificación
Los resultados de la investigación que se propone desarrollar, tendrá valiosos aportes
en los siguientes contextos;
Legal:
Permitirá estar cumpliendo las normas de contaminación ambiental
Teórica:
Se ampliará la teoría de diseño y mejora de los gasificadores.
Tecnológica:
Permitirá desarrollar tecnologías de generación de energía eléctrica.
Económica:
Permitirá contribuir al desarrollo económico en nuestro país.
Social:
De desarrollar la actividad productiva en este rubro, se generarán puestos de
trabajo.
Práctica:
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II. MARCO TEORICO
2.1 ANTECEDENTES DEL ESTUDIO
Los estudios se dieron en diferentes partes del Perú y de Sudamérica, buscando una
biomasa fácil de usar, que no se usaba y que contenga gran cantidad de celulosa.
Algunos de los trabajos existentes se dieron de forma experimental para ver el
potencial de las diferentes materias orgánicas.
Aquí vemos una reseña de los residuos celulósicos en la obtención de gas de síntesis
en gasificadores.
Bagazo y residuos de cosecha de caña de azúcar:
Este se trabajó en Centroamérica donde se obtiene grandes cantidades de residuo y
es bueno para su uso en gasificadores
Cascarilla de arroz
Existen varios trabajos, el principal en el Perú, de la universidad católica (Perú) y
también en Colombia.
Residuos de Almendros
Trabajo realizado en Bolivia con restos de los almendros
Fibra de coco
Centroamérica, Colombia.
Residuos madereros (aserrín)
Trabajos realizados en Colombia
2.2. LA CASCARILLA DE ARROZ
El Perú es un gran productor de arroz en los últimos años ha incrementado su
producción, tiene convenio con Colombia para exportar dicho cereal.
Para el aprovechamiento de la cascarilla de arroz como combustible se debe conocer los
residuos generados por el arroz en el campo (raíces, tallos y hojas), en el molino
cascarilla de arroz, polvillo nielen, arrocillo); y principalmente las propiedades
bioquímicas, físicas y químicas de la cascarilla de arroz como uso alternativo de
combustible.
Como consecuencia de la actividad agrícola del arroz, se genera una gran cantidad de
residuos, y esto está aumentando, ya que el ministerio de agricultura tiene un proyecto
que consiste en aumentar la cantidad de hectáreas cada año, y por ende aumentar la
producción de arroz.
Los residuos son en su mayoría quemados, o se tiran al mar o ríos, lo que genera una
gran contaminación al ambiente. También se puede observar cuales son los principales
productores de arroz en el Perú.
En los siguientes cuadros podremos distinguir como fue aumentando la producción, asi
mismo las zonas de mayor producción.
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GRAFICA 2.1: Producción de arroz en el Perú
19921994
19961998
20002002
20042006
20082010
20120
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
miles toneladas
FUENTE :THE NATIONAL INSTITUTE OF STATICS AND INFORMATICS
Cuadro 2. 1: Producción de arroz en los últimos 4 años.
PRODUCCIÓN TONELADAS MÉTRICAS(TM)AÑO 2009 2010 2011 2012
CASCARA DE ARROZ
2989592 2831374 2624458 2999101
FUENTE: INE
Cuadro 2.2 Principales regiones del Perú que producen arroz.
PRODUCCION ANUAL (2011) ARROZ CASCARA (TM)PIURA 607807
LAMBAYEQUE 410125SAN MARTIN 557621LA LIBERTAD 335560
AREQUIPA 241328TUMBES 126344
CAJAMARCA 212879FUENTE: INE
Se puede observar que zona norte del Perú se produce la mayor cantidad de arroz.
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Cuadro 2.3: Distribución porcentual del arroz cascara
RESIDUO PORCENTAJE (%)CASCARILLA 20-22
POLVILLO 5-7NIELEN 0.7-1
ARROCILLO 1-2GRANO DE ARROZ 68-73ARROZ CASCARA 100
FUENTE: INE
Cuadro 2.4: Producción de cascara de arroz
PRODUCCIÓN EN TONELADAS MÉTRICASAÑO 2009 2010 2011 2012
CÁSCARA 597918.4 566274.8 52489 599820.2FUENTE: INE
2.3 IMPORTANCIA ECONÓMICA La cascarilla de arroz generalmente es desechada o quemada ya que su uso no es aún muy difundido.Su uso se da en la comida balanceada de los animales, en construcción de nuevos ladrillos ya que contiene alto porcentaje de sílice en forma de cenizas.Se puede decir que este material de desecho es fácil de conseguir y muy raras veces se podrá gastar gran cantidad de dinero.
2.4. IMPORTANCIA ECONOMICA DEL GAS DE COMBUSTIÓN.La importancia de este tipo de gas se da por su facil acceso a la materia prima del a cual se obtendra , el gasto es minimo ya que la cascarilla de arroz tiene un valor insignificante.El gas obtenido tiene una imortancia eleveda , debido a que se puede ontener de residuos y que puede ser usado en multiples tareas y actividades tales como hornillas , quemadores, evaporadores, producir energia electrica , combustibles.
2.5. REQUERIMIENTO DEL GAS DE COMBUSTIÓN PARA LOS MCI
Uno de los principales requerimientos del gas combustible para ser usado en motores de combustión interna es la concentración de partículas y alquitranes, mostradas en el siguiente cuadro.
CUADRO 2.5: Límites de concentración de partículas - aplicaciones de generación de energía
APLICACION MAXIMO CONTENIDO DE PARTÍCULAS (MG/Nm3)
MÁXIMO CONTENIDO DE ALQUITRANES (MG/Nm3)
Combustión directa Sin limite Sin limiteProducción de gas de sintesis
0.02 0.1
Turbina de gas 0.1 -120 0.05 -5Motor de combustión interna
30 50- 100
Transporte en tuberias - 50 – 500 para el compresorCeldas de combustible - <1
FUENTE : D. CARLOS A. VARGAS SALGADO
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2.6. TECNOLOGÍA DE LA GASIFICACIÓN
Gasificación
La gasificación es un proceso en el que se convierte, mediante oxidación parcial a
temperatura elevada, una materia prima (generalmente sólida) en un gas con un
moderado poder calorífico. Normalmente se trabaja con un 25-30% del oxígeno
necesario para la oxidación completa. Esta oxidación parcial se puede llevar a cabo
utilizando aire, oxígeno, vapor o mezcla de ambos. El gas obtenido contiene monóxido
de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), metano (CH4), pequeñas
cantidades de otros hidrocarburos más pesados, agua (H2O), nitrógeno (N2) cuando se
utiliza aire como agente gasificante y diversos contaminantes, como pequeñas partículas
carbonosas (semicoque o char), cenizas y alquitranes.
La gasificación de biomasa tiene lugar en tres etapas:
Secado: evaporación de la humedad contenida en la biomasa.
Pirólisis: descomposición térmica de la materia, en nuestro caso un materialorgánico en ausencia de oxígeno. Si el proceso es autotérmico (sin aporte externo de calor), se introduce algo de oxigeno con el fin de producir la combustión parcial que aporte calor al proceso. Los compuestos a base de carbono contenidos en la biomasa se descomponen dando gases, hidrocarburos condensables y un residuo Carbonoso (semicoque o char).
Gasificación: oxidación parcial del carbono, hidrógeno y oxígeno que ha quedado.Después de la pirólisis.Los diferentes tipos de gasificadores, se pueden clasificar en:
Lecho descendente o fijo; tenemos dos tipos Updraft y Downdraft. Lecho fluidizado; tenemos tres tipos burbujeante, circulante y arrastrado. Rotatorios. Reactores paralelos o dobles.
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Cuadro 2.6.1 Diferentes tipos de gasificadores con el sólido:
FUENTE: VELO E. PROCESOS TERMOQUÍMICOS DE APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA, 2008
En la práctica la totalidad de los gasificadores existentes pertenecen a algunos de los tipos descritos en la tabla anterior. Los gasificadores más utilizados para tratamiento deResiduos Sólidos Urbanos (RSU) y Residuos Sólidos Industriales (RSI) son los rotatorios
y los de lecho fluidizado. Para el aprovechamiento energético de la biomasa se utilizan o
han utilizado los de lecho fijo debido a su simplicidad tecnológica.
A continuación en la Tabla 4.2 se muestra la clasificación de los gasificadores, donde se
resumen las principales características típicas de los gasificadores empleados
(propulsados por aire), como la temperatura del gas de síntesis durante las reacciones
químicas, la temperatura del gas de síntesis a la salida del gasificador, así como la
cantidad a modo cuantitativo de los alquitranes y partículas que resultan. También se
observa las capacidades de los diferentes gasificadores y el rango de potencia eléctrica
a una eficiencia global del 36%.
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CUADRO 2.6.2 Principales características de los diferentes tipos de gasificadores
FUENTE: VELO E. PROCESOS TERMOQUÍMICOS DE APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA, 2008
Gasificador de lecho descendente o fijo
Este tipo de gasificadores se pueden usar tanto con aire como con oxígeno y vapor de
agua. El sólido se alimenta por la cabeza del gasificador. La extracción de cenizas suele
hacerse por la parte inferior del lecho. La velocidad de descenso del lecho se regula
mediante la extracción de cenizas, que se efectúa de modo continuo. El gasificador de
lecho fijo vertical tiene algunas ventajas sobre los otros tipos de gasificadores,
incluyendo su simplicidad y los costes de inversión relativamente bajos. Sin embargo,
este tipo de reactor es más sensible a las características mecánicas del combustible;
requiere un combustible uniforme y homogéneo. Es posible operar un reactor de lecho
fijo vertical con un flujo contracorriente, con el aire y el gas subiendo a través del reactor
A) Gasificadores de lecho descendente o fijo en contracorriente (Updraft)
En estos gasificadores, el sólido desciende lentamente en contracorriente con la
corriente de gas generada por la introducción de los agentes gasificantes (aire u oxígeno
y vapor) por el fondo del gasificador.
Según desciende el sólido, es calentado por la corriente ascendente de gas hasta llegar
a la zona de combustión donde se alcanza la máxima temperatura, sufriendo un
enfriamiento posterior previo a la descarga de escorias. La temperatura en la zona de
combustión está condicionada por la temperatura de fusión de las cenizas. La regulación
de temperatura en el lecho se realiza mediante inyección de vapor.
El consumo de vapor es mucho más elevado en el caso de trabajar con cenizas
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secas. Debido a que la degasificación y devolatilización del sólido se realiza en una zona
de baja temperatura de gases (entre 250 y 500 ºC) no se produce la descomposición de
los aceites, alquitranes y gases formados (fenoles, amoníaco, H2S) obteniéndose un
gasbastante contaminado. A continuación se muestra en la Figura 4.1 las zonas de
proceso de un gasificador de lecho fijo descendente (Updraft).
GRAFICA 2.6.1 gasificador de lecho fijo updraft
FUENTE Reed, T. ; Das, A.: Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. Golden,Estados Unidos : Solar energy research institute, 1988
B) Gasificadores de lecho descendente o fijo en equicorriente (Downdraft)
El sólido entra por la parte superior del reactor, experimentando sucesivamente los
procesos de secado y pirólisis al ser sometido a un aumento progresivo de la
temperatura.
Este perfil de temperaturas se debe al hecho que la conducción y radiación de calor a
temperaturas suficientemente elevadas, tiene lugar desde la parte inferior, donde se está
generando calor mediante combustión parcial de los productos que llegan hasta allí. Los
gases, alquitranes y carbón continúan su camino descendente y llegan a la zona de
oxidación a alta temperatura, en la que se queman o craquean una parte con el oxígeno
introducido, proporcionando la energía necesaria para mantener térmicamente el
proceso y empobreciendo la calidad del gas. Los productos reaccionan entre sí, a través
de las reacciones de reducción, para aumentar la cantidad y calidad como combustible
de la fase gaseosa. A continuación se muestra en la Figura 4.2 las zonas de proceso de
un gasificador de lecho fijo descendente (Downdraft).
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GRAFICA 2.6.2 gasificador de lecho DESCENDENTE (DOWNdraft)
FUENTE Reed, T. ; Das, A.: Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. Golden,Estados Unidos : Solar energy research institute, 1988
PRINCIPALES REACCIONES QUÍMICAS
Las reacciones básicas que ocurren dentro del reactor son:
Combustión (reacciones exotérmicas)
Completa: C + O2 → CO2 ΔH = - 406 MJ/kmol (Ec. 4.1)Parcial: C + ½ O2 → CO ΔH = - 268 MJ/kmol (Ec. 4.2)
Gasificación
C + CO2 → 2 CO ΔH = 78,3 MJ/kmol (Ec. 4.3)C + 2 H2 → CH4 ΔH = - 87,4 MJ/kmol (Ec. 4.4)
C + H2O → CO + H2 ΔH = 118,9 MJ/kmol (Ec. 4.5)
Shift (exotérmica)
CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = - 42 MJ/kmol (Ec. 4.6)
Metanización (exotérmica)
CO + 3 H2 → CH4 + H2O ΔH = - 206,3 MJ/kmol (Ec. 4.7)
El semicoque o char en presencia de oxígeno tenderá a combustionar (Ec. 4.1). Como
quiera que el oxígeno introducido en el reactor sea insuficiente, se favorece la presencia
de CO por combustión incompleta (Ec. 4.2). El exceso de semicoque reacciona con los
gases presentes (principalmente CO2 y agua, (Ec. 4.3 y Ec. 4.5)). Las (Ec. 4.5 y Ec. 4.6)
están favorecidas por la presencia de vapor de agua en el agente oxidante, por lo que la
presencia de vapor favorece la producción de hidrógeno. La formación de metano (Ec.
4.7), está favorecida por las altas presiones tal y como se cita en. A continuación se
muestra en la Figura 4.3 los procesos térmicos de conversión de biomasa, es esta
gráfica se ve como se mueve la composición química de la biomasa en las regiones de
combustible líquido o sólido, ya sea por medios biológicos o térmicos.
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2.7. LIMPIEZA Y ACONDICIONAMIENTO DEL GAS
El gas producido en el reactor se acondiciona para proteger a los demás equipos de la
erosión y la corrosión. También se acondiciona para obtener la temperatura adecuada
delgas de síntesis para la etapa siguiente. A continuación se muestra en la Figura 5.4 el
diagrama de flujo de la etapa de acondicionamiento del gas.
GRAFICA 2.7 Etapas de acondicionamiento del gas
FUENTE PROPIA
Sistema de limpieza del gas
El gas producido en el reactor, arrastra una elevada concentración de partículas en
suspensión y alquitranes, lo cual es perjudicial para la vida útil de los demás equipos. El
sistema o sistemas de limpieza deberán tener la capacidad suficiente para dejar el gas
limpio de partículas (char y cenizas) antes de ingresar a la siguiente etapa.
La primera unidad de limpieza será un ciclón de alta eficiencia ya que es un sistema que
permite eliminar partículas con diámetro mayor a 5 micras. Los ciclones presentan
mayores eficiencias que las cámaras de sedimentación gravitacional. El ciclón constituye
uno de los sistemas de recolección de partículas menos costoso, tanto desde el punto de
vista de operación como de inversión. Por el hecho de estar diseñados para una amplia
gama de materiales y de temperaturas que incluso asciende hasta los 1000ºC, es posible
ingresar el gas bajo las condiciones de temperaturas dadas en la Tabla 4.2 y con ello
eliminar una amplia gama de partículas.
Ventajas:
Coste de capital bajo
Capacidad de funcionar en las altas temperaturas
Requisitos de mantenimiento bajos porque no hay piezas móviles16
Buenos rendimientos para la remoción de partículas entre los 1 a 20 μm
El filtro de mangas, es la última unidad de limpieza del gas antes de pasar a la
siguiente etapa. Los filtros de mangas tienen la capacidad de mantener las eficiencias de
recolección por encima del 99%, incluyendo materia particulada de diámetro
aerodinámico menor o igual a 10 μm (MP10) y materia particulada de diámetro
aerodinámico menor o igual a 2.5 μm (MP2.5), además las telas se pueden elegir para
trabajar durante períodos prolongados, aún bajo condiciones ácidas o alcalinas. La
elección de este tipo de filtro se debe a que es el más estándar a nivel comercial y de
diseño.
Ventajas:
Proporcionan altas eficiencias de filtración tanto para materia particulada
gruesa.
como para la de tamaño fino.
En los filtros con limpieza continua, la eficiencia y la caída de presión son
relativamente invariables por grandes cambios en la carga de entrada de polvo.
A diferencia de los precipitadores electrostáticos, los sistemas de filtros de tela no
requieren del uso de alto voltaje, por lo tanto, el mantenimiento se simplifica.
Sistema de enfriamiento del gas: el gas obtenido del reactor está a elevada
temperatura, lo que es inviable para su uso en algunas unidades y etapas siguientes. El
gradiente de temperatura que se obtiene de enfriar el gas se podría aprovechar para
calentar otro fluido (aire, agua, etc.) o realimentarlo a alguna unidad o unidades de la
planta. La primera unidad de enfriamiento del gas es un recuperador de calor. En este
tipo de intercambiador, los fluidos están separados por una pared y la energía se
transmite mediante una combinación de convección hacia y desde la pared y conducción
a través de ella.
Sistema de limpieza y enfriamiento del gas: tanto para los sistemas de enfriamiento y
limpieza del gas se utiliza una unidad que trabaja con agua, son los llamados lavadores
Venturi. Estos son unos de los sistemas de eliminación de partículas más comunes.
Esto es debido a su simplicidad y a su relativa alta eficacia de recolección de partículas
entre 0,5 y 10 micras, así como también de la absorción de algunos de los gases
emitidos. Esta unidad será la encargada de eliminar los alquitranes arrastrados en el gas
de síntesis y reducir la temperatura del gas de síntesis obtenido hasta las condiciones de
operación del motor.
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Ventajas:
Reducen la temperatura (y por tanto el volumen) de los gases de salida. Esto
hace que el tamaño de la vasija, los conductos y ventiladores sean más
pequeños que con otro tipo de instalación.
Se pueden emplear a elevadas temperaturas
Poco peligro de fuego o explosión
Habilidad para coleccionar gases y partículas, mediante coalescencia y
fluctuación.
2.8. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LA CASCARILLA
A) Propiedades físicas de la cascarilla de arroz
Propiedades físicas se refiere al contenido de humedad, materia volátil, contenido de
cenizas y densidad de la cascarilla de arroz, para obtener valores cuantificados se usa el
análisis inmediato que consiste en usar un horno, donde se va elevando la temperatura y
se va observando la pérdida de peso del material. El poder calorífico también se refiere a
un propiedad física a continuación se detallará cada propiedad.
El poder calorífico
El poder calorífico de los combustibles sólidos es la cantidad de energía que la unidad de
masa libera al producirse una reacción química. Para determinar el valor del poder
calorífico se usa una bomba calorimétrica adiabática, a volumen constante, y los valores
obtenidos corresponden al poder calorífico superior (HHV o PCS) o también conocido
como poder calorífico bruto, que es el calor de condensación del agua formada en el
proceso de combustión del combustible. Pero en la práctica, el agua se escapa a la
atmósfera en forma de gas y el calor de vaporización del agua no se recupera y en este
caso sería el poder calorífico inferior (HLV o PCI) o también conocido como poder
calorífico neto
La masa del combustible siempre contiene una cierta cantidad de agua (humedad), que
se libera en forma de vapor al calentarse, esto implica que parte del calor liberado
durante las reacciones químicas es absorbido por el proceso de evaporación, por esta
razón, el valor calorífico neto (PCI), disminuye a medida que el contenido de humedad se
incremente.
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Contenido de humedad
El contenido de humedad de la biomasa es la cantidad de agua en el material,
expresado como porcentaje del peso del material. En la mayoría de combustibles viene
dado por su origen y también al tratamiento que se le da previamente a ser gasificado.
Debido a que el contenido de humedad influye en el poder calorífico del combustible se
debe mencionar las biomasas tienen un rango de contenido de humedad, que van desde
menos del 10 por ciento de los cereales de paja hasta el 50 al 70 por ciento para los
residuos forestales.
El contenido de humedad de un combustible se puede sub-clasificar típicamente en tres
categorías:
Humedad inherente al combustible es la cantidad de humedad que hay cuando
se encuentra en equilibrio con el medio ambiente (normalmente a 96% - 97% de
relativa). Este tipo de humedad se encuentra retenida o bien oculta en los poros
del combustible.
Humedad superficial es la cantidad de humedad hay sobre las superficies del
combustible.
Humedad producto de la descomposición es la cantidad de humedad que se
genera por la descomposición térmica de compuesto orgánico que conforman el
combustible. Esto se da en el rango de los 200 a 225ºC, a estas temperaturas los
dos primeros tipos de humedad ya se han removido del combustible (por
evaporación).
Para el proceso de gasificación es mejor usar combustibles con un bajo contenido de
humedad, ya que así las pérdidas de calor por evaporación son menores.
Se debe mencionar que el contenido de humedad limita el uso del proceso de
gasificación, ya que si existe una cantidad alta de humedad existirán pérdidas térmicas
grandes, y por ende habrá una pequeña proporción de calor útil en cual será insuficiente
para mantener los procesos endotérmicos.
Un 15% de contenido de humedad en peso es recomendable para una operación del
gasificador sin problemas.
Se debe mencionar que normalmente los datos de humedad del combustible están referidos a los dos primeros tipos de humedades mencionadas.
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CUADRO 2.7.1: Poder calorífico inferior de la cascarilla de arroz en función del contenido de humedad
CONTENIDO DE HUMEDAD
PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI) kJ/kg
0 19 88010 17 64420 15 41230 13 18040 10 49750 8 71560 6 413
En el Perú el contenido de humedad es de 10,44% y el poder calorífico es de 12 924,38
kJ/kg
Materia volátil
Contenido de materia volátil es la parte de la biomasa que se libera cuando el material
se calienta (400ºC a 500 º C). Durante este proceso de calentamiento de la biomasa se
descompone en gases (metano, acetileno, otros) vapores de agua, sólidos volátiles
(cenizas) y hidrocarburos de la forma CmHn y breas. Entonces los
Combustibles con alto contenido de material volátil tiene el problema en la formación de
breas y condesados corrosivos que obstruyen el paso del aire y gas generado.
Sin embargo, los contenidos de vapores y breas en el gas dependen de la construcción
del gasificador. Las recomendaciones que se da es que si el combustible contiene más
del 10% de materias volátiles, se debe emplear gasificadores de tiro invertido
(Downdraft).
La biomasa tiene un alto contenido de materia volátil, y en la tabla 1.6 se puede ver los
diferentes valores en diferentes lugares del mundo como en California, China, Colombia
y varías zonas de Canadá.
CUADRO 2.7.2: Contenido de volátiles en la cascarilla de arroz en diferentes lugares del mundo
Canadá California China Colombia
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5 Zona 6
Zona 7
Materia volátil
66,40%
67,30%
63,00%
67,70%
63,52% 51,98%
65,47%
En el Perú la cascarilla de arroz tiene un 57,77% de materia volátil y se puede observar
que se encuentra dentro del rango mundial [51,98%- 67,70%].
20
2.7.3 Contenido de cenizas
El que se produzca o no escoria, depende del contenido de cenizas, del punto de
fusión de las cenizas y la distribución del gasificador. Las cenizas pueden causar
problemas en los gasificadores de tiro directo o de tiro invertido. La formación de
escoria en el reactor genera un aumento excesivo de las formaciones alquitrán y el
bloqueo total del reactor. En el peor de los casos existe la posibilidad de que se
produzcan fugas de aire el cual puede ocasionar una explosión, especialmente en los
gasificadores de tiro directo (Updraft).
Para no observar escorias se recomienda el uso de combustibles con 5 % o 6 % de
contenido de cenizas, y entre 6 y 12% el resultado de la formación de escoria depende
de la temperatura de fusión, y a partir de los 12% hay una importante formación de
escorias.
Cuando el combustible tiene una mayor cantidad de contenido de cenizas, la cantidad
de energía disponible del gasificador se reduce y se requiere un mayor espacio o
volumen donde poder descargar dicho material. Además, si las condiciones de
temperatura del hogar del gasificador son tales que propician la fusión de las cenizas
que contiene, se producirá con seguridad un atoro del dispositivo, de un grado de
severidad dependiente del porcentaje de cenizas del combustible. En el sentido
práctico se puede decir que si la temperatura del hogar del gasificador se eleva lo
suficiente para fundir las cenizas, estas fluirán formando clinker, adhiriéndose a
paredes y obstruyendo las toberas de ingreso de aire y la parrilla. Por ello, el flujo de
combustible se verá seriamente obstruido y limitado, propiciando un posterior aumento
de la temperatura y de la relación aire combustible; donde el gas se verá empobrecido
y finalmente llegará el momento en que no pueda ser combustionado.
Los gasificadores de tiro directo (Updraft) y de tiro invertido (Downdraft) pueden
funcionar con combustibles que producen escoria, si se modifican las parillas estáticas a
parrillas de movimiento continuo. Los gasificadores de tiro transversal (Crossdraft) que
trabajan a temperaturas muy elevadas, de 1 500°C, y se necesitan precauciones
especiales respecto a la temperatura de fusión de la ceniza del combustible.
Se debe mencionar que si en el proceso la relación aire-combustible se alcanza el
valor estequiométrico correspondiente a la reacción de combustión, el gasificador se
dañaría seriamente. En la tabla 10 se puede ver el alto contenido de ceniza que tiene
la cascarilla de arroz alrededor del mundo.
21
CUADRO 2.7.3.1 Contenido de cenizas en la cascarilla de arroz en diferentes lugares el mundoCanadá California China Colombi
a
Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 Zona 6 Zona 7
Ceniza 20,00 18,80 24,60 18,20 18,67 16,92 17,89
En el Perú el contenido de ceniza tiene un valor del 17,51% y se encuentra dentro
del rango mundial [16,92% - 24,60%].
Densidad aparente
La densidad aparente se refiere peso de la materia por unidad de volumen. Entonces
la densidad y el poder calorífico nos dan la densidad de energía, es decir, la energía
potencial por unidad de biomasa. En general la densidad de energía está entre la
mitad y la décima parte del carbón (ver figura 1.2). Entonces, los combustibles de alta
densidad aparente tienen ventajas porque poseen un alto valor de energía por
volumen.
Así como la humedad, la densidad aparente tiene una variación extrema en la biomasa,
desde mínimos 150 a 200 kg/m3 de paja y virutas de grano de cereal a máximos de 600
a 900 kg/m3 para la madera sólida.
Los combustibles de alta densidad aparente tienen ventajas, porque representan un
alto valor de energía por volumen; consecuentemente, estos combustibles necesitan
menos espacio de depósito para un tiempo dado de recarga
Los combustibles de baja densidad aparente tienen la desventaja de producir un caudal
insuficiente de gas lo que genera poderes caloríficos del gas reducido. Por lo dicho
anteriormente la densidad aparente es importante, ya que se puede tener una idea del
dimensionamiento de la tolva de cámara de combustible del gasificador y el tamaño del
mismo. Pero el volumen ocupado por un combustible almacenado no solo depende de la
densidad específica (partículas individuales), sino también del contenido de humedad,
del tamaño, de la distribución granulométrica y del modo en que el combustible es
cargado (es decir, si se encuentra muy compacto o si se verifican amplios espacios
intersticiales).
También es importante mencionar que la densidad aparente tiene un impacto fuerte en la
calidad del gas generado puesto que de él depende el tiempo de residencia del
combustible en la zona de combustión, la velocidad de quemado del combustible, la
22
densidad del lecho combustible y el flujo o caudal del gas. El tiempo de residencia del
combustible determina hasta qué punto tiene lugar las reacciones de combustión parcial
y reducción; por ejemplo un tiempo de residencia muy corto origina una conversión
incompleta de CO2 en CO, un gas de calidad muy pobre (poco combustible, bajo
contenido de poder calorífico) y muchas tras de carbón no quemado en las cenizas
removidas, representado un fuerte desaprovechamiento del combustible. Por el
contrario, un tiempo de resistencia muy prolongado aumenta las formaciones de escorias
y residuos sólidos.
La densidad de la cascarilla de arroz es aproximadamente 100 kg/m3. siendo un valor
muy cercano a los 110 kg/m3 [1.16] que tiene la cascarilla de arroz en el Perú.
En la siguiente tabla se presenta los valores del análisis inmediato que se realizó a la
cascarilla de arroz en el Perú.
CUADRO 2.7.3.2 Valores de las propiedades físicas de la cascarilla de arroz en el Perú
Parámetros ValoresHumedad 10,44%Materia Volátil 57,77%Contenido de cenizas 17,51%Carbono fijo 14,27%Total 100%Poder calorífico 12 924,38 kJ/kg
B) Propiedades químicas de la cascarilla de arroz
Propiedades químicas se refiere a la composición química (carbono, nitrógeno,
oxígeno, cloro, azufre, hidrógeno), para obtener las propiedades químicas del
combustible se tiene que hacer un análisis elemental, La técnica está basada en la
completa e instantánea oxidación de la muestra mediante una combustión con oxígeno
puro a una temperatura aproximada de 1 000ºC, donde se obtiene los diferentes
productos de combustión CO2, H2O y N2, donde son transportados a un tubo de
reducción y después selectivamente separados en columnas específicas para ser
luego desorbidos térmicamente. Finalmente, los gases pasan de forma separada por
un detector de conductividad térmica que proporciona una señal proporcional a la
concentración de cada uno de los componentes individuales de la mezcla.
Composición elemental
La composición elemental de las biomasas es relativamente uniforme en su contenido
(porcentaje en masa) de carbono (C), hidrógeno (H), azufre(S), oxígeno(O),
nitrógeno(N), y cenizas (ver tabla). Estos valores ayudan para el análisis de los
procesos de combustión, entre ellos: cálculos de la de los volúmenes de aire, gases y 23
entalpía.
La composición elemental de la biomasa tiene múltiples efectos en la utilización
térmica, C, H y O son los principales componentes que presenta la biomasa, y son de
especial importancia para el poder calorífico superior (bruto), además también para el
poder calorífico inferior (neto). El contenido de nitrógeno (N) es responsable de la
formación de óxidos de nitrógeno (NO Y NO2 denominados NOX), el cloro y el azufre
pueden estar presentes en pequeñas cantidades y forman el SO2 (Dióxido de sulfuro u
óxido de sulfuro) y HCL (ácido clorhídrico) durante la combustión.
A continuación se detallará de cada componente, los efectos que tienen en las
propiedades de la cascarilla de arroz y el impacto ambiental que pueden producir.
Carbono (C) , hidrógeno (H) y oxígeno (O)
El contenido de C y H se oxidan durante la combustión por una reacción exotérmica
(formación de CO2 y H2O). Estos mismos componentes contribuyen positivamente al
poder calorífico superior (bruto), pero el contenido de O contribuye negativamente. El H
influye en el poder calorífico inferior (neto) debido a la formación de agua. Al tratarse de
un proceso de gasificación donde la combustión es incompleta esto provoca emisiones
de carbono sin quemar por contaminantes, como el monóxido de carbono, alquitrán (tar)
y el hollín. Para tratar de minimizar estas emisiones se recomienda un proceso de
combustión optimizado ofreciendo una buena mezcla entre el combustible y al aire, un
tiempo de retención suficiente (>1.5 segundos), altas temperaturas (> 850 ºC) y una
relación estequiometria baja.
Nitrógeno (N)
Los óxidos de nitrógeno (NO y NO2 denominados NOX) también contribuyen a laformación de lluvias ácidas. Se puede producir de dos maneras el NOX los cuales
se producen durante la combustión. El contenido de nitrógeno depende del tipo de
biomasa que se va usar como por ejemplo la madera, cascarillas mazorcas y tallos
tienen un bajo contenido de nitrógeno, sin embargo las hojas y semillas tienen un alto
contenido de nitrógeno. Pero dependiendo de la temperatura de gasificación, esto es
significativamente menor en los gasificadores, que las emisiones de NOX
producido por los sistemas de combustión.
Azufre (Z) y Cloro (Cl)
El azufre y cloro pueden estar presentes en pequeñas cantidades (ver tabla 1.9), y
pueden contribuir a la formación de lluvias ácidas cuando estos se convierten en SO2
(Dióxido de sulfuro o óxido de sulfuro) y HCL (ácido clorhídrico) durante la combustión.
24
A continuación se muestra las máximas concentraciones de nitrógeno, azufre y
cloro, y los resultados del análisis aproximado de la cascarilla de arroz en diferentes
zonas del mundo.
CUADRO 2.7.3.3 Composición de la cascarilla de arroz en diferentes lugares del mundoValores en porcentajes (%)
Parámetros Canadá California
China
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5 Zona 6
C 37,60 42,10 38,70 42,60 38,83 37,60
H 5,42 4,98 4,70 5,10 4,75 5,78
O 36,56 33,66 31,37 33,44 35,47 37,62
N 0,38 0,40 0,50 0,51 0,52 1,88
S 0,03 0,02 0,01 0,02 0,05 0,09
Cl 0,01 0,04 0,12 0,13 0,12 0,00
Cenizas 20,00 18,80 24,60 18,20 18,67 16,92
Total 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00
2.7.10 Punto de fusión de la ceniza de la cascarilla de arroz
El uso de fertilizantes en los cultivos hace que las cenizas tengan óxidos de potasio
(K2O). Este tiene un punto de fusión relativamente bajo y en medida que aumente la
proporción el punto de fusión disminuirá. Sin embargo, la ceniza de la cascarilla de
arroz contiene un bajo contenido de óxido de potasio. Además la ceniza obtenida al
quemar la cascarilla de arroz tiene un alto contenido de óxido de sílice que tiene un
punto de fusión alto (1 450 ºC).
Por esta razón el punto de fusión de la ceniza de la cáscara de arroz está alrededor
de los 1 500 ºC y no debería presentarse problemas de la escorificación por bajo
punto de fusión de las cenizas.
2.7.10.1 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL GAS DE COMBUSTIÓN
25
COMPOSICION DEL GAS MIN MAXOXIGENO % 0 1CO2 % 10 20N2% 30 60CO% 15 30H2% 7 18CH4% 1 6CONTENIDO DE ALQUITRANES % 5 20ALQUITRANES RESPECTO A LA BIOMASA ALIMENTADA %
1 5
FUENTE ELABORACION PROPIA A PARTIR DE BASU , 2010
2.10. ADECUACIÓN DEL GAS EXENTO DE ALQUITRANES
Los alquitranes son una mezcla compleja de hidrocarburos condensables de alto peso
molecular. Estos pueden causar problemas operacionales en el proceso aguas abajo,
mediante la asfixia y desgaste de los equipos, así que control y eliminación es un tema
clave para una aplicación exitosa del piloto de gasificación. Los alquitranes se forman en
el reactor (gasificador) y cuenta con un amplio espectro de compuestos orgánicos,
generalmente constituidos por varios anillos aromáticos. Una clasificación simple de los
alquitranes, sería distinguirlos en “alquitranes pesados” y “alquitranes ligeros”.
Alquitranes pesados
Los alquitranes pesados se condensan a medida que baja la temperatura del gas y
puede causar daños importantes como la perdida de eficiencia y paradas no
programadas. El punto de rocío del alquitrán es un factor crítico. A continuación se
muestran la Figura 3 donde se puede apreciar el daño que ocasiona la acumulación de
los alquitranes pesados en una rejilla de un lavador húmedo.
Figura 2.10.1. Alquitran pesado acumulado
Fuente www.olgatechnology.com
Alquitranes ligeros
26
Los alquitranes ligeros como el fenol o naftaleno tienen una influencia limitada en el
punto de rocío del alquitrán. Los alquitranes heterocíclicos como el fenol son muy
solubles en agua. El naftaleno es importante, ya que cristalizan en la entrada de los
motores de gas, provocando una alta demanda de mantenimiento. A continuación se
muestra la Figura 4.6 donde se puede apreciar la cristalización del naftaleno en un motor
de gas con válvula de control.
Figura 2.10.2 Cristalización del naftaleno en un motor a gas.
Fuente www.olgatechnology.com
Clasificación de los alquitranes
En el año 1998 la Unión Europea, IEA y la DOE, normalizaron la clasificación de los
alquitranes en función del peso molecular mayor al benceno . A continuación en el
cuadro 2.7.10.2 se muestra la clasificación de los alquitranes:
CUADRO 2.7.10.2: Clasificación de los alquitranes
27
CLASE TIPO EJEMPLOS1 Alquitranes no detectados por la
cromatografía de gasesFragmentos de la biomasa
2 Compuestos heterocíclicos. Generalmente estos componenetes presentan alta solubilidad en agua
Fenol. Cresol,quinolina y piridina
3 Componenetes aromaticos. Hodricarburos ligeros
Tolueno , xileno y etilbenceno; con exclusión de benceno.
4 Hidrocarburos ligeros poli-aromaticos(PAH2-3 anillos). Estos componentes condensan en concentraciones relativamente altas y temperaturas intermedias.
Naftaleno,indeno,bifenilo y antraceno
5 Hidrocarburos pesados poli-aromaticos(PAH≥ 4 anillos). Estos componentes condensan a temperatura relativamente alta y bajas concentraciones
Fluoranteno, pireno y crysene
Fuente Maniatis K., Beenackers AACM, Tar ptortocols, IEA, 2009
A continuación en la Figura 2.10.2 se muestra un esquema del proceso de formación de los alquitranes en función de la temperatura, propuesto por Elliott
Figura 2.10.2. Régimen de maduración de los alquitranes
FUENTE: Elliot DC. Relation of reaction time and temperature to chemical Composition of pyrolysis oils, In: Soltes EJ, Milne TA, editors, 1998
Punto de rocío de los alquitranes
El punto de rocío del alquitrán, es un parámetro crítico que determina la temperatura
mínima de las reacciones químicas del proceso. Así también el punto de rocío define el
punto en que estos empiezan a ser problemáticos. Los típicos puntos de rocío del
alquitrán son entre 150 y 350 ºC.
Formas básicas de eliminar los alquitranes
Hay dos formas básicamente de destruir los alquitranes: por craqueo catalítico y por
Craqueo térmico (por oxidación parcial o por contacto térmico directo) tal y como se cita
en:
Craqueo catalítico: a temperaturas de 800-900 ºC. Normalmente se lleva a cabo en un
reactor a parte después del gasificador, con dolomita o níquel. La eficiencia de 28
MEZCLASOXIEGENADA
S
FENOLESETERES500 °C
ALQUILICOSFENOLES600 °C
HETEROCICLICOSETERES700 °C
HIDROCARBUROS POLI-AROMATICOS (PAH)
800 ° C
PAHlargas600 °C
eliminación de alquitranes es del 90-95%. La dolomita es un catalizador efectivo y
económico, siendo necesario del orden de 0,03 kg/Nm3 de gas crudo. El craqueo
catalítico puede llevarse a cabo tanto en el propio gasificador, si es de lecho fluidizado,
añadiendo el catalizador al lecho. Esta solución utiliza la temperatura y calor del
gasificador, pero la vida del catalizador no es muy prolongada. Con un reactor
secundario, el catalizador se protege con anti desactivadores pero requiere añadir
oxígeno para oxidar el gas y aumentar la temperatura.
Craqueo térmico: A temperaturas entre 800-1000ºC. Sin embargo, los alquitranes de
biomasa son más difíciles de craquear por este camino pues son muy estables y
refractarios. Es muy efectivo a temperaturas 1300ºC. En los gasificadores de lecho fijo se
utilizan dos diferentes aproximaciones competitivas para éste craqueo: el uso de altas
temperaturas del corazón del lecho y/o el aumento del tiempo de residencia de los
gases. Se puede utilizar el lavado de gas como método efectivo de separación de los
alquitranes de la corriente gaseosa (eliminación de alquitranes por vía húmeda). Los
alquitranes requieren una captura física con coalescencia, más que una simple
condensación. Se necesita una disminución de temperatura para la condensación de
gotas de agua en las partículas de alquitrán, incrementando su tamaño, y facilitando el
proceso de aglomeración y coalescencia.
2.12. DEFINICIONES DE TÉRMINOS BÁSICOS
Pajilla: nombre común de la cascarilla de arroz
PCI: poder calorífico inferior
MCI: motor de combustión interna
PCS: poder calorífico superior
29