Prologo

Los gasificadores de madera desempeñaron un importante papel en el pasado, sustituyendo a los combustibles derivados del petróleo, en los motores de combustión interna, pero cayeron en desuso después de la Segunda Guerra Mundial debido a sus inconvenientes económicos y técnicos, en comparación con los combustibles importados, relativamente baratos.

Desde mediados de los años 70, el aumento de los precios del petróleo ha motivado un renovado interés por la tecnología de la gasificación de la madera, especialmente en países que dependen de las importaciones de petróleo pero disponen de existencias adecuadas de madera u otros combustibles de biomasa o, como en el caso de Suecia, en que se mantiene y desarrolla la tecnología, como cuestión política.

Las investigaciones sobre la tecnología de las instalaciones gasificador/motor, han servido para conseguir unos diseños modernos que funcionan con seguridad, en un nivel de capacidad técnica apropiado para aplicaciones rurales en países en desarrollo. Tales sistemas son económicos en ciertas condiciones, que se dan en muchos países en desarrollo, pero la tecnología y los medios de fabricación no están generalmente disponibles y su utilización comercial es limitada.

En esta publicación "El Gas de Madera como Combustible para Motores" la FAO presenta un resumen de la tecnología moderna de gasificación de la madera y la economía de su aplicación a los motores de combustión interna. La base de esta publicación consiste en una serie de textos sobre diferentes aspectos de la gasificación de la madera, elaborados por especialistas en la materia.

La FAO expresa su agradecimiento por la cooperación de B. Kjellström del Beijer Institute, Estocolmo; H. Stassen de la Twente University of Technology, Enschede, Países Bajos; D. de Silva del Instituto de Investigación Científica e Industrial de Ceilán; N.E, Cañete de la Sociedad Cooperativa "Chortitzer Komitee", Paraguay y de R. Thun, del Centro de Investigación Técnica de Finlandia.

Capítulo 1. Introducción

1.1. Generalidades1.2. Razones actuales en favor de los gasificadores de madera1.3. Resumen del contenido de esta publicación1.4. Qué se puede esperar de una instalación con gasificador de madera

1.1. Generalidades

Los gasificadores de carbón mineral, madera y carbón vegetal han sido empleados, desde el comienzo de este siglo, para el funcionamiento de motores de combustión interna en diversas aplicaciones. La utilización alcanzó un máximo durante la Segunda Guerra Mundial, cuando se emplearon en el mundo casi un millón de gasificadores, principalmente vehículos que funcionaban con combustibles sólidos nacionales, en vez de gasolina.

Es importante recordar que los pequeños gasificadores se han utilizado bastante en el pasado y que han desempeñado en algunos países un papel muy importante en la reducción o eliminación de las necesidades de importación de combustibles. Sin embargo, no hay necesidad de profundizar más en esta publicación sobre el historial del desarrollo de la tecnología de los pequeños gasificadores. A los que estén interesados en la materia se les recomienda estudiar las reseñas realizadas por la Academia Sueca de Ciencias de la Ingeniería (43) Kaupp y Goss (20) Skov (36) Bailey (3) Earthscan (12) o la Academia Nacional de Ciencias de los EE.UU. (32).

El interés por la tecnología de la gasificación ha mostrado una serie de altibajos durante los últimos ochenta años, como se ilustra elocuentemente en la Figura 1.1. que reproduce un histograma que representa el número de informes sobre gasificación de la madera referidos en el "Chemical Abstracts" a partir del año 1900.

De ello resulta que el interés por la investigación sobre la gasificación está estrechamente relacionado con el coste relativo y la disponibilidad de combustibles fósiles, líquidos y gaseosos. El histograma demuestra que el número de artículos llegó a un máximo histórico en 1979, después de un período de escasa actividad en los años 50 y 60.

Hay, sin embargo, una importante diferencia entre los períodos anteriores de gran interés y la situación actual. Anteriormente, el aumento de la actividad científica se correspondió con un aumento del número de gasificadores en uso. El reciente incremento del interés científico no se ha traducido todavía en una gran actividad práctica y comercial. Las razones se analizan en el próximo capítulo de esta publicación.

1.2. Razones actuales en favor de los gasificadores de madera

Después de la doble crisis de los combustibles, de 1973 y 1979, se ha puesto en evidencia el efecto nocivo de los elevados costes, en continuo aumento, de los precios del petróleo, para la economía y los esfuerzos de progresos de los países en desarrollo importadores de petróleo. Como resultado de ella, se ha producido un

aumento del interés por las fuentes nacionales de energías renovables, de las cuales, la biomasa, en forma de madera o de residuos agrícolas, es el más fácilmente disponible en muchos países en desarrollo.

Figura 1.1. Referencias sobré gasificación de madera en el Chemical Abstracts

Una característica del sistema energético de muchos países en desarrollo -en particular en zonas rurales- es que los motores de combustión interna se emplean mucho en instalaciones fijas, como las de producción de energía eléctrica y para el funcionamiento de bombas hidráulicas y fábricas. Tecnologías como la gasificación, que permiten la utilización en tales motores del combustible de la biomasa, tras de una preparación mínima, son, por lo tanto, de especial importancia.

En los países industrializados, los motores de combustión interna se emplean sobre todo para vehículos. La electricidad producida en grandes centrales eléctricas se utiliza para la mayoría de las instalaciones fijas.

Estas diferentes estructuras de los sistemas energéticos explican el que exista un interés bastante reducido en el mundo industrializado por el empleo de los gasificadores de biomasa para el funcionamiento de motores de combustión interna, mientras que varios países en desarrollo están introduciendo gasificadores pequeños de biomasa o están en el proceso de evaluar la tecnología.

Los gasificadores de carbón vegetal dominan la reintroducción actual de pequeños gasificadores para el funcionamiento de motores en los países en desarrollo. Ellos constituyen la base de los sistemas empleados en el programa de Filipinas y en Brasil, véase (5). Gran parte de la investigación y desarrolla nacional que se realiza en la actualidad en los países en desarrollo, se centra también en los gasificadores de carbón vegetal, teniendo en cuenta sus buenas perspectivas para una rápida comercialización.

Tal corno demuestra la Figura 1.2., el empleo de los gasificadores de carbón vegetal representa, sin embargo, mayores demandas sobre los recursos de biomasa, recursos que ya están en realidad excesivamente explotados en muchos países en desarrollo. Por otra parte, al menos algunos modelos de gasificadores de carbón vegetal, tienen menos probabilidad de causar trastornos operativos que los gasificadores de madera o los de residuos agrícolas. Esto se debe a que uno de los problemas potenciales de

éstos últimos, el excesivo contenido de alquitrán en el gas, se elimina virtualmente al extraerse la mayoría de los productos volátiles en el proceso de producción del carbón vegetal.

No obstante, la experiencia de la Segunda Guerra Mundial demuestra que los gasificadores de madera diseñados adecuadamente, que funcionan dentro del alcance con que se proyectan y que utilizan combustibles según las especificaciones establecidas (que pueden diferir según el diseño), pueden dar un gas suficientemente libre de alquitrán para un funcionamiento sin problemas.

Uno de los objetivos de esta publicación es hacer que los que toman las decisiones sean más conscientes de las posibilidades de utilizar la gasificación de la madera como sustitutivo de la gasolina y el gasoil, sin un excesivo aumento de la demanda de recursos naturales.

1.3. Resumen del contenido de esta publicación

En esta publicación se presenta un resumen de la tecnología de la gasificación y de las principales normas de diseño de los gasificadores de madera de tiro invertido, junto con alguna información sobre experiencias recientes de funcionamiento práctico y algunas evaluaciones económicas de esta técnica.

En el capitulo 2 se exponen las posibilidades de alimentar con gas de madera diferentes tipos de motores, la teoría de la gasificación de la madera, los combustibles para gasificación, los tipos de gasificadores y sus normas de diseño. No hay que considerar este capítulo como un manual completo de diseño de los gasificadores de madera de tipo invertido sino más bien como una guía para los que deseen determinar la conveniencia de un sistema determinado de gasificador para un motor específico. También se describen los riesgos sanitarios y ambientales relativos al uso del gas de madera.

En los capítulos 4 a 6 se analiza la economía del uso de los gasificadores de madera para distintas aplicaciones fijas. Estos capítulos incluyen también información sobre experiencias recientes de funcionamiento.

En el capítulo 3 se analiza el uso de los gasificadores para el funcionamiento de vehículos modernos, basándose en experiencias suecas recientes. Este capítulo pretende ayudar a evaluar la viabilidad de los gasificadores de madera para vehículos de carretera o tractores.

Figura 1.2. Comparación de las cantidades de gasolina que pueden sustituirse por gas pobre empleando en el gasificador madera o carbón vegetal

Aunque los resultados que se presentan en los capítulos 3 a 6 sólo son válidos, en sentido estricto, para las circunstancias específicas de los casos descritas, pueden ser también útiles como indicación de lo que puede esperarse en situaciones similares. La información puede adaptarse para aplicaciones cuyas condiciones de funcionamiento o circunstancias económicas sean diferentes.

En el último capítulo se analiza el futuro del gas de madera como combustible para motores, destacándose también la necesidad de una cooperación internacional continua en este campo.

1.4. Qué se puede esperar de una instalación con gasificador de madera

El funcionamiento de los motores modernos de carácter fijo, de encendido por chispa o por compresión, con combustible de gasolina o gasoil, se caracteriza generalmente por su gran seguridad y por el pequeño esfuerzo del operario. En circunstancias normales el papel de éste se limita a repostar de combustible y al mantenimiento. Hay poca necesidad de acción y prácticamente no hay riesgo de mancharse. Arranque y funcionamiento pueden hacerse en realidad automáticamente.

Quien espere algo semejante del funcionamiento de motores con gas de madera, se verá frustrado. La preparación del sistema para el arranque puede exigir media hora o más. El combustible es voluminoso y difícil de manejar. Suele ser necesario repostar con frecuencia de combustible, lo que limita el tiempo en que puede funcionar el motor sin atenderlo. El encargarse de los residuos, como cenizas, hollín y condensados de alquitrán, exige mucho tiempo y es sucio.

Es un error corriente suponer que cualquier tipo de biomasa que entre por la abertura de la tapa de repostar, puede emplearse como combustible. Muchas de las dificultades operativas que encuentran los usuarios inexpertos de gasificadores obedecen al empleo de combustibles inadecuados. A fin de evitar la obturación del depósito de combustible, la reducción de potencia debida a fuertes pérdidas de presión o "gas débil", los bloques de escoria, alquitrán en el motor y daños al gasificador ocasionados

por recalentamiento, es necesario en la mayoría de los modelos, mantener las características del combustible dentro de unos márgenes bastante estrechos. Esto no constituye necesariamente una limitación superior a la de tener que utilizar gasolina "super" para los motores de encendido por chispa de alta compresión, en lugar de gasolina "normal" o de gasoil. Pero en el caso del funcionamiento de un gasificador, la responsabilidad del control de la calidad del combustible depende sobre todo del operario. La necesidad de unas normas estrictas sobre el combustible está bien demostrada por las experiencias recogidas de la Segunda Guerra Mundial (43). Es lamentable que algunas empresas comerciales, con poca experiencia práctica, pero que tratan de aprovechar el renovado interés por la gasificación, hayan anunciado la posibilidad de utilizar casi cualquier tipo de biomasa, incluso con gasificadores que sólo funcionarán bien con combustibles que cumplan unas normas bastante estrictas. Esto ha creado en algunos casos expectativas ilusorias y ha ocasionado frustraciones con la tecnología.

El funcionamiento de motores con gas de madera puede ser también peligroso si el operario no cumple las normas de seguridad o descuida el mantenimiento del sistema. Los accidentes por envenenamiento, explosiones y fuegos, han sido ocasionados por proyectos poco seguros o por el manejo descuidado de los equipos. Es de suponer que las instalaciones modernas están proyectadas de acuerdo con las mejores normas de seguridad pero sigue siendo necesario manejar los equipos de manera responsable.

Finalmente, hay que comprender que la tecnología actual se basa generalmente en diseños de mediados de los años 40. Sólo algunas personas han mantenido un conocimiento práctico detallado del diseño, de la selección del material y de los sistemas de funcionamiento y mantenimiento. Muchos de los fabricantes actualmente en actividad no tienen acceso a la experiencia de tales personas y basan sus proyectos en la información disponible en la bibliografía y en experiencias recientes, comparativamente limitadas. Se han registrado algunas mejoras de la tecnología, por ejemplo en el diseño de los filtros, a base de nuevos materiales, pero la experiencia práctica operativa con estos sistemas perfeccionados es aún limitada. Una consecuencia de ello es que, durante el primer periodo de reintroducción de los gasificadores de madera, se producirán averías de los equipos, ocasionadas por errares de diseño, elección de materiales inapropiados o instrucciones incompletas para los usuarios sobre su funcionamiento y mantenimiento.

Los informes sobre dificultades operativas que se presentan en esta publicación y en otras fuentes, deben valorarse teniendo esto en cuenta. Es de suponer con cierta seguridad, que las instalaciones de la segunda generación ofrecerán mejores resultados.

Los interesados en esta tecnología deben aceptar que exige el trabajo duro de un operario responsable, que soporte tener las manos sucias, y que esta tecnología no es todavía perfecta. Pero, tal como se demuestra, es útil y económica en muchas aplicaciones, a pesar de sus inconvenientes.

Capítulo 2. Pequeños gasificadores de madera y carbón vegetal para el funcionamiento de motores de

combustión interna

2.1. Aprovisionamiento de motores con gas pobre2.2. Teoría de la gasificación2.3. Tipos de gasificadores2.4. Combustibles para gasificación2.5. Diseño de gasificadores de tiro invertido2.6. Depuración y refrigeración del gas2.7. Aplicaciones de la gasificación de la biomasa2.8. Riesgos sanitarios y ambientales derivados del empleo del gas pobre

La gasificación del carbón y de combustibles que contienen carbono y el uso del gas como combustible para motores de combustión interna, es una tecnología que se ha utilizado durante más de un siglo.

Recientemente se ha despertado de nuevo el interés por esta tecnología, especialmente como un medio de utilizar combustibles de biomasa, en vez de combustibles de petróleo importados, en países en desarrollo. Este interés procede de la evidencia bien documentada de que durante la Segunda Guerra Mundial más de 1 millón de vehículos -autobuses, camiones, automóviles, barcos y trenes- fueron propulsados por gasificadores alimentados a base de madera, carbón vegetal, turba o carbón mineral. No obstante, después de la guerra se produjo un retorno total a los combustibles líquidos, tan pronto como volvieron a estar disponibles, debido evidentemente a su comodidad, seguridad y ventajas económicas.

Por lo tanto, el impacto de la gasificación de la biomasa sobre los sistemas de suministro energético en los países en desarrollo, parece depender de la respuesta a una cuestión fundamental: ¿La moderna tecnología y el desarrollo de los gasificadores, han producido unos gasificadores mejor diseñados y unos sistemas de gasificación perfeccionados, capaces de trabajar con seguridad, eficacia y economía y en un nivel técnico apropiado en lugares en que pueden faltar ciertas capacidades?

Para responder a esta pregunta es necesario analizar una serie de aspectos de la tecnología de la gasificación. El tipo de sistema considerado se ilustra esquemáticamente en la Figura 2.1.

El motor de combustión interna emplea como combustible el gas generado por la gasificación de material vegetal con aire. El gas se limpia y refrigera antes de entrar en el motor. En la Figura 2.1. se muestra un motor que acciona un generador eléctrico pero puede, naturalmente, utilizarse para cualquier otra finalidad en las que se empleen tales motores.

Se analizan en primer término las posibilidades de utilizar diferentes tipos de motores con gas pobre, y la calidad necesaria del gas, para contar con los antecedentes necesarios que permitan comprender los efectos sobre el proyecto de instalación del gasificador.

A continuación se analiza la teoría de la gasificación, los diferentes tipos de gasificadores y los combustibles gasificados y se presentan las normas de diseño de los gasificadores de tiro invertido. Seguidamente se examinan las técnicas de depuración y refrigeración del gas. El capitulo termina con una discusión de las posibles aplicaciones y de los riesgos y consecuencias ambientales relacionadas con esta tecnología.

Figura 2.1. Esquema de un gasógeno de gas pobre

Al tratar estos temas resulta evidente ame existen todavía fuertes limitaciones para la introducción de los sistemas de gasificación. Sin embargo, se demuestra también que dentro del estado actual de la tecnología de gasificación existen varias posibilidades técnica y económicamente razonables.

Con el fin de ayudar a los usuarios y diseñadores de equipos de gasificación, se dan en el Apéndice I ejemplos de la potencia desarrollada por un motor de combustión interna alimentado con gas pobre; también se presenta en el Apéndice II el diseño de una instalación sencilla de gasificación de tiro invertido, alimentada con tarugos de madera.

2.1. Aprovisionamiento de motores con gas pobre

2.1.1. Posibilidades de utilización del gas pobre con diferentes tipos de motores2.1.2. Potencia del motor cuando se utiliza gas pobre2.1.3. Obtención del máximo de potencia cuando se funciona con gas pobre2.1.4. Potencia resultante2.1.5. Requisitos de calidad del gas para un funcionamiento sin averías2.1.6. Empleo de motores Stirling o de turbinas de gas con gas pobre

El gas pobre, que se produce al gasificar la madera, el carbón vegetal o el carbón mineral, con el aire, consiste en un 40% aproximadamente de gases combustibles, principalmente monóxido de carbono, hidrógeno y algo de metano. El resto no es combustible y consiste sobre todo en hidrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua.

El gas contiene también alquitrán condensable, ácidos y polvo. Estas impurezas pueden ocasionar problemas operativos y un desgaste anormal del motor. El principal problema del diseño de una instalación de gasificador es generar un gas con una elevada proporción de componentes combustibles y un mínimo de impurezas. Más adelante se verá cómo puede lograrse. En primer término, se van a discutir las peculiaridades de los motores de gas pobre desde un punto de vista teórico y operativo.

2.1.1. Posibilidades de utilización del gas pobre con diferentes tipos de motores

Los motores de encendido por chispa, normalmente utilizados con gasolina o queroseno, pueden funcionar con gas pobre únicamente. Los motores diesel se pueden adaptar para funcionar con gas pobre disminuyendo el índice de compresión e instalando un sistema de encendido por chispa. Otra posibilidad es hacer funcionar un motor diesel normal, sin transformar, con el sistema de "doble combustible", mediante el cual el motor proporciona del 0 al 90 por ciento de potencia, a base de gas pobre (17), siendo necesario el resto de gasoil para el encendido de la mezcla combustible gas/aire. La ventaja de este último sistema está en su flexibilidad: en caso de un niel funcionamiento del gasificador o de falta de combustible de biomasa, generalmente es posible un cambio inmediato, operando totalmente con diesel.

No obstante, no todos los tipos de motores diesel pueden adaptarse al sistema expuesto de funcionamiento. Los índices de compresión de los motores diesel con antecámara y cámara de turbulencia, son demasiado elevados para un funcionamiento adecuado con doble combustible y el empleo del gas pobre en tales motores origina detonaciones, ocasionadas por presiones demasiado altas y el retraso del encendido (20). Los motores diesel de inyección directa tienen menores índices de compresión y pueden generalmente transformarse con éxito.

2.1.2. Potencia del motor cuando se utiliza gas pobre

La potencia de un motor que funciona con gas pobre vendrá determinada por los mismos factores que en el caso de los motores que funcionan con combustibles líquidos, es decir:

- el valor calorífico de la mezcla combustible de gas pobre y aire que entra en el motor en cada golpe de combustión;

- la cantidad de mezcla combustible que entra en el motor durante cada golpe de combustión;

- la eficiencia con que el motor transforma la energía térmica de la mezcla combustible en energía mecánica (potencia en el eje);

- el número de golpes de combustión (número de revoluciones por minuto: rpm);

La adaptación de un motor para funcionar con gas pobre o con doble combustible lleva generalmente a una reducción de la potencia. A continuación se analizan las razones así como las posibilidades de reducir al mínimo la pérdida de potencia.

(a) Valor calorífico de la mezcla

El valor calorífico del gas pobre depende de las cantidades relativas de los diferentes componentes combustibles: monóxido de carbono, hidrógeno y metano.

El valor calorífico de estos tres gases se presenta en el Cuadro 2.1.

Sin embargo, a fin de conseguir la combustión, el gas pobre tiene que mezclarse con una cantidad apropiada de aire. La mezcla combustible tendrá un menor valor calorífico, por unidad de volumen, que el gas pobre solo.

Las cantidades de oxigeno necesarias para una combustión completa (combustión estequiométrica) de cada uno de los componentes del combustible, se presentan también en el cuadro 2.1.

Cuadro 2.1. Valores caloríficos y demandas estequiométricas de oxigeno de los componentes combustibles del gas pobre

Gas Valor calorífico efectivokJ/mol

ValorkJ/m³ 1/

Demanda estequiométrica de oxígeno(m³/m³)

monóxido de carbono 283 660 12 655 0,5

hidrógeno 241 300 10 770 0,5

metano 801 505 35 825 2,01/Si no se especifica lo contrario en toda la publicación el volumen del gas se da en m³ en estado normal.

El valor calorífico de tal mezcla estequiométrica puede calcularse mediante la fórmula siguiente:

donde:

Hig es el valor calorífico de una mezcla estequiométrica de gas pobre y aire en kJ/m³.

VCO fracción de volumen de monóxido de carbono en el gas (antes de mezclarlo con aire)

VH2 fracción de volumen de hidrógeno en el gas (antes de mezclarlo con aire)

VCH4 fracción de volumen de metano en el gas (antes de mezclarlo con aire).

Los valores caloríficos del gas pobre y de las mezclas con aire son alrededor de 2 500 kJ/m³. Cuando se compara este valor con el valor calorífico de una mezcla estequiométrica de gasolina y aire (alrededor de 3 800 kJ/m³), resulta evidente la diferencia de potencia de salida entre un motor determinado alimentado con gasolina y con gas pobre. Puede esperarse una pérdida de potencia de alrededor del 35% como resultado del menor valor calorífico de la mezcla de gas pobre y aire.

(b) Cantidad de mezcla combustible suministrada al cilindro

La cantidad de mezcla combustible que entra realmente en el cilindro de un motor viene determinada por el volumen del cilindro y la presión del gas en éste en el momento del cierre de la válvula de entrada.

El volumen del cilindro es una constante para un motor dado. La presión real de la mezcla combustible al comienzo de la carrera de compresión depende, sin embargo, de las características del motor (especialmente el diseño de la tubuladura de admisión y el paso de admisión de aire), de la velocidad del motor (mayores velocidades tienden a traducirse en menores presiones) y de la presión del gas que entra en la tubuladura de admisión de aire. Los dos primeros factores están incorporados en la denominada "eficiencia volumétrica" del motor, que se define como la relación entre la presión real del gas en el cilindro y la presión normal (1 atmósfera). Normalmente, cuando los motores funcionan a las velocidades de diseño, muestran eficiencias volumétricas que varían entre 0,7 y 0,9.

La presión del gas en la tubuladura de admisión de aire depende de la caída de presión en todo el sistema de gasificación, es decir, gasificador, refrigerador/depurador y carburador gas/aire. Esta caída reduce de nuevo la presión de entrada con un factor de 0,9.

En resumen, hay que llegar a la conclusión de que la cantidad real de gas combustible disponible en el cilindro será sólo del 0,65 al 0,80 del valor máximo teórico, debido a las pérdidas de presión en el recorrido hasta el cilindro. Esto reducirá lógicamente la potencia máxima de salida del motor.

(c) Eficiencia del motor

La eficiencia con que un motor puede transformar la energía térmica del combustible en potencia mecánica (eje) depende en primer lagar del índice de compresión del motor.

La influencia del incremento del índice de compresión de un motor se puede calcular mediante la siguiente fórmula.

En la cual:

1 = eficiencia térmica del motor con el índice de compresión en situación 1.

0 = eficiencia térmica del motor con el índice de compresión en situación 0.

1 = índice de compresión del motor en situación 1.

1 = índice de compresión del motor en situación 0.

k = constante igual a 1, 3 en el caso del gas pobre.

Figura 2.2. Relación entre el índice de compresión y la eficiencia térmica de un motor (7)

Figura 2.2. Relación entre el índice de compresión y la eficiencia térmica de un motor (34)

En el caso de los motores alimentados con gasolina, el índice posible de compresión está limitado por el numero de "octanos" del combustible, que es una medida del índice de compresión en que tiene lugar la detonación o "golpeteo" (que puede ocasionar serios daños al motor). Las mezclas de gas pobre y aire presentan unos números de octanos superiores a los de las mezclas de gasolina y aire.

Por este motivo, pueden emplearse unos índices de compresión superiores (hasta 1:11) con el gas pobre, lo que se traduce en una mejor eficiencia térmica del motor y en un aumento relativo de la potencia de salida en el eje del motor.

(d) Velocidad del motor

Como la potencia del motor se define por unidad de tiempo, dicha potencia depende de la velocidad.

Para motores diesel, la potencia de salida está en relación aproximadamente lineal con las rpm. Para motores con encendido de chispa el incremento de potencia es inferior al lineal debido a los cambios de los diferentes factores de eficiencia.

La Figura 2.2. muestra la influencia del índice de compresión sobre la máxima potencia de salida del motor.

Cuando se calcula la potencia de salida de un motor de 4 tiempos, hay que dejar un margen por el hecho de que sólo una de cada dos rotaciones representa un golpe o carrera de compresión y combustión.

La velocidad máxima de los motores alimentados con gas pobre viene limitada por la velocidad de combustión de la mezcla combustible de gas pobre y aire. Como esta velocidad es baja, en comparación con las mezclas combustibles de gasolina y aire, la eficiencia del motor puede caer muchísimo si la velocidad de combustión de la mezcla y la velocidad media del pistón se hacen del mismo orden de magnitud.

En los tipos de motores que se producen actualmente en serie, cabe esperar que este fenómeno se produzca a velocidades del motor de alrededor de 2 500 rpm. Los motores alimentados con gas pobre deben por tanto funcionar generalmente por debajo de esta velocidad.

2.1.3. Obtención del máximo de potencia cuando se funciona con gas pobre

Las posibilidades de lograr el máximo de potencia de salida dependen generalmente de las causas teóricas de pérdida de potencia analizadas en la sección precedente. Se van a tratar a continuación en el mismo orden.

(a) Valor calorífico de la mezcla

Es evidente que los máximos valores caloríficos de la mezcla combustible se logran para el máximo valor calorífico del propio gas pobre. Como se expondrá después, el valor calorífico depende del diseño del gasificador y de las características del combustible que alimenta el gasificador. Es importante reducir al mínimo las pérdidas de calor del gasificador a fin de lograr un alto valor calorífico del gas. El contenido de humedad y la distribución por tamaños son dos de las características más importantes del combustible.

Al mezclar el gas pobre con el aire de combustión, existe una razón adicional de pérdida de potencia, debido a los cambios en la composición del gas y también a las variaciones de la caída de presión en la instalación del gasificador, siendo muy difícil mantener continuamente una mezcla estequiométrica de gas pobre y aire.

Como tanto el exceso como la falta de aire ocasionan una disminución del valor calorífico de la mezcla (por unidad de volumen), ambos ocasionarán una disminución de la potencia tal como se ilustra en la Figura 2.3.

La única forma posible de ajustar la mezcla para su combustión estequiométrica consiste en instalar una válvula operada a mano en la entrada de aire de combustión del motor y hacerla funcionar de forma regular para obtener la máxima potencia de salida del motor.

Si no se necesita una potencia máxima de salida del motor, suele ser mejor hacer funcionar el motor con un ligero exceso de aire a fin de evitar el retroceso de la llama en el sistema de escape de gas del motor.

Figura 2.3. Disminución del valor calorífico de una mezcla de gas pobre y aire en función de la deficiencia o exceso de aire (34)

(b) Cuantía de la mezcla de combustible

Aparte de reducir al mínimo la caída de presión en el gasificador, el sistema de refrigeración y depuración y el carburador (aunque manteniendo, como se analizó anteriormente, una mezcla adecuada de gas y aire), puede maximizarse la cuantía de la mezcla de combustible por cada golpe de combustión del motor, de dos formas:

- aumentando la eficiencia volumétrica del motor mediante la introducción de una tubuladura más ancha de admisión de aire lo que se traduce en una menor resistencia a la circulación del gas y menores caídas de presión. Con frecuencia se subestima la influencia de una tubuladura de admisión de aire bien diseñada. Los experimentos de Finkbeiner (11) demuestran que una tubuladura de admisión de aire bien diseñada puede aumentar la potencia máxima del motor en un 25%.

- incremento de la presión de la mezcla en la admisión del motor aumenta la potencia máxima de este. El desarrollo reciente de los turbosobrealimentadores accionados por los gases de escape del motor, hace atrayente esta solución. Sin embargo, hay que

tener cuidado de enfriar con agua el turbosobrealimentador para evitar explosiones de la mezcla combustible.

(c) Eficiencia del motor

El aumento de la eficiencia del motor que puede lograrse aumentando el índice de compresión de los motores de gasolina (por ejemplo a 1:10 ó 1:11) se analizó anteriormente. Los motores de gas tienen índices normales de compresión de este orden y, por esta razón, son especialmente apropiados para funcionar con gas pobre.

La influencia de una mezcla correcta aire/gas ha sido descrita por Finkbeiner (11) y estudiada recientemente por Tiedema y van der Weide (42). La instalación de dispositivos adecuados de mezcla gas/aire (como el tipo de carburador desarrollado por TNO, Organización paraestatal holandesa de Investigación) puede aumentar la potencia máxima del motor entre un 10 y un 15%, en comparación con los carburadores de tipo normal de tubo de 2 válvulas y cámara.

(d) Velocidad del motor y avance del encendido

Debido a la baja velocidad de combustión de la mezcla de gas y aire, hay que cambiar generalmente el punto de encendido en los motores de gasolina alimentados con gas pobre.

El punto óptimo de encendido en los motores de gasolina depende de la carga y la velocidad del motor. Este es también el caso en el funcionamiento con gas pobre. Los experimentos realizados por Middleton y Bruce (29) indican que, en general, el punto de encendido debe adelantarse de 10 a 15° lo que lleva a avances del encendido de 35 a 40°, antes del punto muerto superior (PMS).

Si un motor diesel funciona con el sistema de doble combustible, también es conveniente avanzar el punto de inyección del combustible diesel. También aquí el avance necesario depende de la velocidad del motor, como lo demuestran Nordström (33), Tiedema et al. (42) quienes informan de los buenos resultados obtenidos con avances del punto de inyección de 10°, en comparación con el funcionamiento total a base de diesel.

Un problema que se presenta a veces en los motores alimentados con doble combustible es la detonación. Aparte de los motores con índices de compresión demasiado altos (superiores a 1:16), este fenómeno sucede sobre todo cuando se intenta solucionar la baja potencia del motor introduciendo mayores cantidades de gasoil.

Dependiendo de la composición del gas pobre y de la intensidad de la mezcla del combustible, un exceso de combustible auxiliar puede causar la detonación. Por esta razón, la cantidad de gasoil como combustible auxiliar, cuando se funciona con doble combustible, debe tener un limite máximo. Generalmente, una limitación Hasta del 30% del máximo de potencia del motor, evita la detonación.

La cantidad de gasoil como combustible auxiliar, en la operación con doble combustible, tiene también un límite inferior. Dependiendo de la velocidad del motor (30) habrá que inyectar cierta cantidad mínima de gasoil por ciclo, a fin de asegurar el encendido. Las cantidades mínimas varían de 3 a 5 mm³ por ciclo.

Sin embargo, en la práctica se inyecta por ciclo una cantidad de gasoil algo superior para tener una mayor seguridad. Se recomiendan inyecciones de gasoil de 8 a 9 mm³ por ciclo y cilindro.

2.1.4. Potencia resultante

Suponiendo que las modificaciones del motor antes descritas se lleven a cabo correctamente, la disminución de la potencia máxima de los motores de gasolina, sin sobrealimentación, pueden limitarse a un 30% aproximadamente. Los motores que funcionan con combustión sobrealimentada a base de gas pobre, pueden tener potencias iguales a los que funcionan con gasolina.

La reducción de capacidad de los motores diesel de inyección directa cuando funcionan con doble combustible, puede limitarse normalmente a un 15 ó 20% (80% de gas pobre - 20% de gasoil).

2.1.5. Requisitos de calidad del gas para un funcionamito sin averías

Cuando se emplea un sistema de gasificador junto con un motor de combustión interna, un requisito importante es que el motor se alimente con gas suficientemente libre de polvo, alquitranes y ácidos. Las cantidades tolerables de estas sustancias variarán dependiendo del tipo y del equipo del motor Tiedema y van der Weide (38) dan como cantidades medias tolerables, para los motores actualmente disponibles, los valores siguientes:

polvo: menos de 50 mg/m³ de gas.preferentemente 5 mg/m³ de gas.

alquitranes: menos de 500 mg/m³ de gas.

ácidos: menos de 50 mg/m³ de gas (medido como ácido acético).

2.1.6. Empleo de motores Stirling o de turbinas de gas con gas pobre

Además del empleo del gas pobre con los motores de combustión interna, otras posibilidades consisten en la combinación de los gasificadores con turbinas de gas o con motores Stirling. Debido a que las altas temperaturas de admisión del gas se suman a la eficiencia térmica de las turbinas de gas, éstas en principio representan una opción atractiva para transformar gas pobre caliente en potencia mecánica o eléctrica. Sin embargo, el estado actual de la técnica de los gasificadores y también de la tecnología de turbinas, no permiten su uso. Las turbinas de gas son muy sensibles al polvo, especialmente con altas temperaturas de admisión, por lo que es dudoso que puedan cumplirse los requisitos de calidad del gas con los sistemas de filtrado descritos en la Sección 2.6.

Otro problema procede de la sensibilidad de las paletas actuales de las turbinas a la corrosión por los vapores alcalinos (Na, K y Ca) que suelen estar presentes en pequeñas cantidades en el gas pobre. Un sistema óptimo exigiría un gasificador presurizado lo que aumentaría bastante su costo y complejidad y probablemente sólo sería económico para instalaciones muy grandes.

Beagle (6) menciona la posibilidad de emplear motores Stirling junto con los gasificadores especialmente en aplicaciones de pequeña dimensión. Los motores Stirling de esta escala de potencia están comenzando actualmente a comercializarse.

Debido a una serie de ventajas, en comparación con el uso de los motores de combustión interna (bajo mantenimiento, gran eficiencia, bajo consumo de lubricantes, etc.) este concepto se debería evaluar y comprobar más.

2.2. Teoría de la gasificación

2.2.1. Predicción de la composición del gas2.2.2. Eficiencia del gasificador

La materia de un combustible sólido suele componerse de los elementos carbono, hidrógeno y oxigeno. Además, puede haber nitrógeno y azufre pero como sólo están presentes en pequeñas cantidades, no van a ser considerados en el análisis siguiente.

En los tipos de gasificadores aquí considerados el combustible sólido se calienta por combustión de una parte del combustible. Los gases de la combustión se reducen seguidamente pasándolos a través de un lecho de combustible a alta temperatura.

En la combustión completa se obtiene dióxido de carbono, a partir del carbono y agua, del hidrógeno. El oxígeno procedente del combustible se incorpora naturalmente a los productos de la combustión, reduciendo con ello la cantidad necesaria de aire para la combustión.

La oxidación, o combustión, se describe por las siguientes fórmulas de reacción química:

C + O2 CO2401,9 kJ/mol H

N + ½ O2 H2O 241,1 kJ/mol

Estas fórmulas significan que en la combustión de un átomo gramo de carbono, es decir 12,00 g, a dióxido de carbono, se libera una cantidad de calor de 401,9 kJ y que se produce una cantidad de calor de 241,1 kJ en la oxidación de una molécula gramo, es decir, 2,016 g de hidrógeno, a vapor de agua.

En todos los tipos de gasificadores el dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua (H2O) se transforman (reducen) al máximo posible en monóxido de carbono, hidrógeno y metano, que son los principales componentes combustibles del gas pobre.

A continuación se dan las reacciones más importantes que tienen lugar en la zona de reducción de un gasificador, entre los diferentes reactivos gaseosos y sólidos. El signo negativo indica que se genera calor en la reacción y el signo positivo que la reacción requiere calor.

a) C + CO2 2 CO + 164,9 kJ/kmol

b) C + H2O CO + H2O + 122,6 kJ/kmol

c) CO + H2 CO + H2O + 42,3 kJ/kmol

d) C + 2 H2 CH40

e) CO + 3 H2 CH4 + H2O - 205,9 kJ/kmol

Las ecuaciones (a) y (b) que son las reacciones principales de reducción, demuestran que la reducción requiere calor. Por ello, la temperatura del gas disminuirá durante la reducción.

La reacción (c) describe el denominado equilibrio agua-gas. Para cada temperatura, en teoría, la relación entre el producto de la concentración de monóxido de carbono (CO) y el vapor de agua (H2O) y el producto de las concentraciones de dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno (H2) viene determinada por el valor de la constante de equilibrio agua-gas (kwe). En la práctica, la composición de equilibrio del gas sólo se logrará cuando la velocidad de la reacción y el tiempo de reacción sean suficientes.

La velocidad de la reacción disminuye al descender la temperatura. En el caso del equilibrio agua-gas, la velocidad de la reacción se reduce tanto por debajo de 700° C, que se dice que el equilibrio se ha "congelado". La composición del gas permanece entonces sin alterar. En el Cuadro 2.2. se dan los valores de kwe para distintas temperaturas.

Cuadro 2.2. Dependencia de la temperatura respecto a la constante de equilibrio agua-gas

Temperatura (°C) kwe

600 0,38

700 0,62

800 0,92

900 1,27

1 000 1,60

2.2.1. Predicción de la composición del gas

La introducción del concepto de equilibrio agua-gas, permite calcular teóricamente la composición del gas procedente de un gasificador que ha alcanzado el equilibrio a una temperatura dada, tal como demuestran Tobler y Schlaepfer (34).

El sistema consiste en deducir del balance de volúmenes de los cuatro principales elementos de entrada (carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno), un balance energético para todo el sistema y la relación dada por el equilibrio agua-gas. Suponiendo también que las cantidades de metano del gas pobre, por kg de combustible seco, son constantes (como sucede, más o menos, en el caso de los gasificadores en condiciones normales de funcionamiento), se dispone de una serie de relaciones que permiten el cálculo de las composiciones del gas para una amplia variedad de parámetros de entrada (contenido de humedad del combustible) y características del sistema (pérdidas de calor por convección, radiación y calor sensible del gas). En las Figuras 2.4. a 2.6. se dan las composiciones del gas calculadas teóricamente. Generalmente, se encuentra una concordancia bastante aceptable con los resultados experimentales.

En el Cuadro 2.3. se dan las composiciones normales de gas que se obtienen de gasificadores comerciales de tiro invertido, de madera y carbón vegetal, que operan con combustibles de contenido de humedad bajo a medio (madera 20%, carbón vegetal 7%).

Cuadro 2.3. Composición del gas procedente de gasificadores comerciales de madera y carbón vegetal

Componente Gas de Madera (% vol.) Gas de Carbón vegetal (% vol.)

Nitrógeno 50 - 54 55 - 65

Monóxido de carbono 17 - 22 28 - 32

Dióxido de carbono 9 - 15 1 - 3

Hidrógeno 12 - 20 4 - 10

Metano 2 - 3 0 - 2

Valor calorífico del gas kJ/m³ 5 000 - 5 900 4 500 - 5 600

2.2.2. Eficiencia del gasificador

Un factor importante que determina el funcionamiento técnico real y la viabilidad económica de utilizar un sistema de gasificador, es la eficiencia de la gasificación.

Una definición apropiada de la eficiencia de la gasificación si se emplea el gas para aplicaciones de motores es:

Donde:

m = eficiencia de la gasificación (%) (mecánica).

Hg = valor calorífico del gas (kJ/m³), (véase el Cuadro 2. 2.3.).

Qg = flujo en volumen de gas (m³/s).

Hs = valor calorífico inferior del combustible del gasificador (véase la Sección 2.6.).

Ms = consumo de combustible sólido del gasificador (kg/s).

Si se emplea el gas para combustión directa, la eficiencia de la gasificación se define a veces de la forma siguiente:

En la cual:

th = eficiencia de la gasificación (%) (térmica).

g = densidad del gas (kg/m³).

CP = calor específico del gas (kJ/kg°K).

T = diferencia de temperaturas entre el gas en la entrada del quemador y el combustible que entra al gasificador (°K).

Dependiendo del tipo y diseño del gasificador y también de las características del combustible nm puede variar entre el 60 y el 75%. En el caso de aplicaciones térmicas, el valor de nth puede llegar al 93%.

Figura 2.4. Composición del gas de madera en función del contenido de humedad de la madera (15% de pérdida de calor) Vol. de nitrógeno, %

Figura 2.5. Cambio calculado de la composición del gas de madera en función de las pérdidas por convección y radiación

Figura 2.6. Cambio estimado de la composición del gas de madera en función de la temperatura de salida del gas (pérdidas por calor sensible)

2.3. Tipos de gasificadores

2.3.1. Gasificador de corriente ascendente o tiro directo2.3.2. Gasificadores de corriente descendente o tiro invertido2.3.3. Gasificados de tiro transversal2.3.4. Gasificador de lecho fluidizado2.3.5. Otros tipos de gasificadores

2.3.1. Gasificador de corriente ascendente o tiro directo

El tipo de gasificador más antiguo y sencillo es el de tiro directo o gasificador ascendente que se presenta esquemáticamente en la Figura 2.7.

Figura 2.7. Gasificador de corriente ascendente o tiro directo

La toma de aire se encuentra en el fondo y los gases salen por arriba. Cerca de la parrilla, en el fondo, tienen lugar las reacciones de combustión, que van seguidas de reacciones de reducción algo más arriba, en el gasificador. En la parte alta del gasificador tiene lugar el calentamiento y pirólisis de la carga, como resultado de la transferencia de calor, por convección forzada y radiación, de las zonas inferiores. Los

alquitranes y productos volátiles producidos durante este proceso son transportados por la corriente de gas. Se remueven las cenizas del fondo del gasificador.

Las principales veo tejes de este tipo de gasificador consisten en su simplicidad, alta proporción de carbón vegetal quemado e intercambio interno de calor que motiva unas bajes temperaturas de salida del gas y alta eficiencia del equipo y también la posibilidad de funcionar con muchos tipos de carga (serrín, cascaras de cereales, etc.).

Los principales inconvenientes provienen de la posibilidad de que se produzcan "chimeneas" en el equipo, lo que puede motivar la salida de oxígeno y situaciones explosivas peligrosas y la necesidad de instalar parrillas de movimiento automático y también problemas relacionados con la eliminación de líquidos condensados que contienen alquitranes, resultantes de las operaciones de depuración del gas. Esto último tiene poca importancia si el gas se emplea para aplicaciones directas del calor, en cuyo caso los alquitranes simplemente se queman.

2.3.2. Gasificadores de corriente descendente o tiro invertido

Se ha encontrado una solución al problema del arrastre de alquitrán con la corriente de gas, diseñando gasificadores de tiro invertido o corriente descendente, en los cuales el aire de primera gasificación se introduce en la zona de oxidación del gasificador o por encima de ésta. El gas pobre sale por el fondo del aparato de modo que el combustible y el gas se mueven en la misma dirección, como se muestra esquemáticamente en la Figura 2.8.

Figura 2.8. Gasificador de corriente descendente o de tiro invertido

En su camino hacia abajo, los productos ácidos y alquitranes de la destilación procedentes del combustible deben pasar a través de un lecho incandescente de carbón vegetal y se transforman por ello en gases permanentes de hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y metano.

Dependiendo de la temperatura de la zona incandescente y del tiempo de paso de los vapores con alquitrán, se logra una descomposición más o menos completa de los alquitranes.

La principal ventaja de los gasificadores de tipo invertido radica en la posibilidad de producir un gas sin alquitrán apropiado para aplicarlo a motores.

Sin embargo, en la práctica es muy raro lograr un gas libre de alquitranes, en todo el funcionamiento del equipo: se considera normal un índice tres de relación entre los alquitranes existentes y los remanentes al final de la operación; se considera excelente un factor 5 a 6.

Debido al menor contenido de componentes orgánicos en el liquido condensado, los gasificadores de tiro invertido sufren menos objeciones ambientales que los gasificadores de tiro directo.

Un inconveniente importante de los equipos de tiro invertido es la imposibilidad de funcionar con una serie de combustibles no elaborados. En particular, los materiales blandos y de baja densidad ocasionan problemas de circulación y una caída excesiva de presión y, el combustible sólido hay que convertirlo en gránalos o briquetas antes de utilizarlo. Los gasificadores de tiro invertido sufren también los problemas relacionados con los combustibles de alto contenido de cenizas (formación de escoria), en mayor proporción que los gasificadores de tiro directo.

Un pequeño inconveniente del sistema de tiro invertido en comparación con el de tiro directo es su eficiencia algo inferior, debida a la falta de intercambio interno de calor y al menor valor calorífico del gas. Además de esto, la necesidad de mantener unas temperaturas altas uniformes en una sección transversal determinada, hace imposible el uso de los gasificadores de tiro invertido en una serie de potencias superior a los 350 kW (potencia en el eje).

2.3.3. Gasificados de tiro transversal

Los gasificadores de tiro transversal, que se ilustran esquemáticamente en la Figura 2.9. son una adaptación para el empleo de carbón vegetal. La gasificación del carbón vegetal produce temperaturas muy elevadas (1 500°C y mas) en la zona de oxidación que pueden producir problemas en los materiales. En los gasificadores de tiro transversal, el propio combustible (carbón vegetal) sirve de aislamiento contra estas altas temperaturas.

Las ventajas del sistema están en poder funcionar en muy pequeña escala, pudiendo resultar económicamente viables, en ciertas condiciones, instalaciones inferiores a 10 kW (potencia en el eje). La razón está en la gran sencillez del conjunto de depuración del gas (sólo un quemador de ciclón y un filtro caliente) que se puede emplear cuando se utiliza este tipo de gasificador junto con motores pequeños.

Un inconveniente de los gasificadores de tiro transversal es su capacidad mínima de transformación del alquitrán y la necesidad consiguiente de emplear carbón vegetal de alta calidad (bajo contenido de productos volátiles).

Debido a la incertidumbre sobre la calidad del carbón, cierto numero de gasificadores de carbón vegetal emplean el sistema de corriente descendente para mantener al menos una capacidad mínima de cracking del alquitrán.

2.3.4. Gasificador de lecho fluidizado

El funcionamiento de los gasificadores de tiro directo y de tiro invertido se ve afectado por las propiedades morfológicas, físicas y químicas del combustible. Los problemas que se encuentran corrientemente son: la falta de tiro en el depósito, la formación de escoria y la excesiva caída de presión en el gasificador.

Figura 2.9. Gasificador de tiro transversal

Un sistema de diseño que pretende eliminar tales dificultades es el gasificador de lecho fluidizado, que se ilustra esquemáticamente en la Figura 2.10.

Se sopla aire a través de un lecho de partículas sólidas a velocidad suficiente para mantenerlas en estado de suspensión. Se comienza por calentar externamente el lecho y el material de alimentación se introduce tan pronto como se alcanza una temperatura suficientemente elevada. Las partículas del combustible se introducen por el fondo del reactor, se mezclan muy rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente alcanzando la temperatura del lecho. Como resultado de este tratamiento, el combustible se piroliza muy rápidamente, dando como resultado una mezcla de componentes, con una cantidad relativamente elevada de materiales gaseosos. En la fase de gas, se produce una nueva gasificación y reacciones de transformación de los alquitranes. La mayoría de los sistemas van

equipados con un ciclón interno, a fin de reducir al mínimo el escape de alquitrán por soplado. Las partículas de ceniza se transportan también por la parte superior del reactor, debiendo extraerse de la corriente de gas si este se emplea en aplicaciones para motores.

Figura 2.10. Gasificador de lecho fluidizado

Las principales ventajas de los gasificadores de lecho fluidizado, tal como lo indican Van der Aarsen (44) y otros, proceden de su flexibilidad en cuanto al material de alimentación debida al fácil control de la temperatura que puede mantenerse por debajo del punto de fusión de las cenizas (cáscaras de arroz) y a su capacidad de funcionar con materiales blandos y de grano fino (serrín, etc.) sin necesidad de un proceso previo. Con algunos combustibles de biomasa pueden producirse problemas en cuanto a alimentación, inestabilidad del lecho y entrada de cenizas volantes en los conductos de gas.

Otros inconvenientes del gasificador de lecho fluidizado están en el contenido bastante alto de alquitrán del gas producido (hasta 500 mg/m³ de gas), la combustión incompleta del carbono y lo mal que responde a los cambios de carga.

Debido especialmente al equipo de control necesario para hacer frente a este último inconveniente, no se prevén gasificadores muy pequeños de lecho fluidizado, debiendo establecerse su campo de aplicación, en principio, por encima de los 500 kW (potencia en el eje).

Los gasificadores de lecho fluidizado están actualmente disponibles, con carácter semicomercial, en varios fabricantes de Europa y EE.UU.

2.3.5. Otros tipos de gasificadores

Actualmente se están desarrollando otros sistemas de gasificadores de biomasa (de doble fuego, de lecho retenido, de baño fundido), que son en parte subproductos de la tecnología de gasificación de carbón mineral. En algunos casos estos sistemas incorporan refinamientos y complicaciones innecesarios; en otros, tanto el tamaño como la complicación del equipo hacen casi imposible su aplicación en países en desarrollo. Por estas razones, se omiten en esta relación.

2.4. Combustibles para gasificación

2.4.1. Necesidad de seleccionar el gasificador apropiado para cada combustible2.4.2. Contenido energético del combustible2.4.3. Contenido de humedad del combustible2.4.4. Contenido de materias volátiles del combustible2.4.5. Contenido de cenizas y composición química de las cenizas2.4.6. Reactividad del combustible2.4.7. Tamaño de las partículas y distribución por tamaño2.4.8. Densidad aparente del combustible2.4.9. Características de carbonización del combustible2.4.10. Evaluación de la conveniencia de diversos tipos de biomasa como combustible para gasificadores

2.4.1. Necesidad de seleccionar el gasificador apropiado para cada combustible

Los combustibles de biomasa asequibles para gasificación incluyen el carbón vegetal, la madera y los residuos de madera (ramas, ramillas, raíces, corteza, recortes de madera y serrín) y también múltiples residuos agrícolas (mazorcas de maíz, cascarones y desperdicios de coco, pajas de cereales, cáscaras de arroz, etc.) y turba.

Como estos combustibles difieren mucho en sus propiedades químicas, físicas y morfológicas, tienen diferentes exigencias en cuanto al método de gasificación y, en consecuencia, requieren diferentes diseños del reactor e incluso distintas tecnologías de gasificación. Por esta razón, a lo largo de un siglo de experiencias sobre gasificación, se han desarrollado y comercializado gran número de gasificadores diferentes, todos ellos orientados a manejar las propiedades específicas de un combustible determinado o de una variedad de combustibles.

Se deduce, en consecuencia, que no existe un gasificador "universal" capaz de manejar la totalidad o la mayoría de los tipos de combustibles y es muy probable que no exista en un futuro previsible.

La variedad de diseños incluye los de tiro directo, tiro invertido, tiro transversal, lecho fluidizado y otros sistemas de gasificación de biomasa de menor importancia (véase la Sección 2.3.). Todos los sistemas presentan ventajas e inconvenientes respecto al tipo de combustible, aplicación y sencillez de funcionamiento y, por ello, cada uno tendrá

sus propias ventajas técnicas o económicas en una serie determinada de circunstancias.

Cada tipo de gasificador funcionará satisfactoriamente respecto a estabilidad, calidad del gas, eficiencia y pérdidas de presión, sólo dentro de ciertos limites de las propiedades del combustible, de las cuales las más importantes son:

- contenido energético- contenido de humedad- materias volátiles- contenido de cenizas y composición química de éstas- reactividad- tamaño y distribución por tamaño- densidad aparente- propiedades de carbonización

Antes de elegir un gasificador para cualquier combustible en particular es importante asegurarse de que el combustible cumple los requisitos del gasificador o que puede ser tratado para cumplirlos. Si el combustible no ha sido gasificado anteriormente con éxito, habrá que realizar ensayos prácticos.

En las próximas secciones se analizan las propiedades más importantes de los combustibles y los combustibles de interés actual.

2.4.2. Contenido energético del combustible

La elección de un combustible para gasificación se decidirá, en parte, por su valor calorífico. El método de medición del contenido energético del combustible influirá en el cálcalo de la eficiencia de un sistema determinado de gasificación. La información sobre los valores caloríficos de los combustibles suele ser confusa porque se emplean al menos tres bases diferentes:

- los valores caloríficos superiores del combustible, obtenidos en un calorímetro adiabático de bomba. Estos valores incluyen el calor de condensación del agua que se produce en la combustión. Como es muy difícil recuperar el calor de condensación en operaciones reales de gasificación estos valores presentan una visión demasiado optimista sobre el contenido energético del combustible;

- los valores caloríficos superiores del combustible, con humedad cero, que ignoran el contenido real de humedad del combustible y dan por tanto estimaciones aún más optimistas del contenido energético;

- los valores caloríficos superiores del combustible, con cero de humedad y de cenizas, que ignoran los componentes incombustibles y dan por tanto estimaciones del contenido energético demasiado elevadas para un peso determinado de combustible, especialmente en el caso de algunos residuos agrícolas (cáscara de arroz).

Por lo tanto, la única forma realista de presentar los valores caloríficos de un combustible, para fines de gasificación, es dar los valores caloríficos inferiores (excluyendo el calor de condensación del agua producida) sobre la base de incluir las cenizas y con referencia específica al contenido real de humedad del combustible. En el Cuadro 2.4. se dan los promedios de los valores caloríficos inferiores, de la madera, el carbón vegetal y la turba.

Cuadro 2.4. Promedios de los valores caloríficos inferiores

Combustible Contenido de humedad (%) 1/ Valor calorífico inferior (kJ/kg)

Madera 20 - 25 13 - 15 000

Carbón vegetal 2 - 7 29 - 30 000

Turba 35 - 50 12 - 14 0001/porcentaje de peso seco.

2.4.3. Contenido de humedad del combustible

El valor calorífico del gas producido por cualquier tipo de gasificador depende, al menos en parte, del contenido de humedad del combustible.

El contenido de humedad se puede determinar sobre base seca o sobre base húmeda. En este capitulo se empleará el contenido de humedad (C.H.) sobre base seca.

El contenido de humedad se define del modo siguiente:

Por otra parte, el contenido de humedad sobre base húmeda se define del modo siguiente:

Las transformaciones de uno a otro se pueden obtener del modo siguiente:

Un alto contenido de humedad reduce la eficiencia térmica porque el calor se emplea para eliminar el agua y, en consecuencia, esta energía no está disponible para las reacciones de reducción y para la transformación de la energía térmica en energía química del gas. Por lo tanto, un alto contenido de humedad se traduce en valores caloríficos bajos del gas.

Cuando el gas se emplea para fines de combustión directa, unos valores caloríficos bajos pueden ser tolerables y el uso de combustibles con contenidos de humedad

(base seca) hasta de un 40 a un 50%, es viable, especialmente cuando se emplean gasificadores de tiro directo.

En los gasificadores de tiro invertido, un alto contenido de humedad da lugar no sólo a unos bajos valores caloríficos del gas, sino también a unas bajes temperaturas en la zona de oxidación, lo que puede ocasionar una capacidad insuficiente de transformación de los alquitranes, si el gas se emplea para motores.

Debido, de una parte, al valor calorífico del gas (los motores necesitan gas de 4 200 kJ/m³ como mínimo para mantener una eficiencia razonable) y, de otra, al problema del arrastre de alquitranes, los gasificadores de tiro directo necesitan combustibles bastante secos (menos del 25 por ciento de humedad, de base seca).

2.4.4. Contenido de materias volátiles del combustible

La cantidad de volátiles en el material de alimentación determina la necesidad de medidas especiales (ya sea en el diseño del gasificador o en el proyecto del conjunto de depuración del gas) a fin de extraer los alquitranes del gas producido, en aplicaciones para motores.

En la práctica, el único combustible de biomasa que no necesita esta atención especial es el carbón vegetal de buena calidad.

Sin embargo, se subestima con frecuencia el contenido de materias volátiles del carbón vegetal que puede ser en la práctica del 3% al 30% o más. Como norma general, si el combustible contiene más del 10% de materias volátiles, debe emplearse en gasógenos de tiro invertido pero, incluso en este caso, hay que tener en cuenta el método de producción del carbón vegetal. El carbón vegetal producido en grandes retortas suele ser bastante constante respecto al contenido de materias volátiles, pero se pueden observar grandes diferencias en el carbón vegetal producido en pozos abiertos de pequeña dimensión o en hornos metálicos portátiles, que son corrientes en muchos países en desarrollo.

2.4.5. Contenido de cenizas y composición química de las cenizas

Las cenizas pueden causar diversos problemas, sobre todo en los gasificadores de tiro directo o de tiro invertido. La formación de escoria o de clinker en el reactor, ocasionada por la fusión y aglomeración de cenizas, en el mejor de los casos representará un aumento importante de la mano de obra necesaria para el funcionamiento del gasificador. Si no se adoptan medidas especiales, la acumulación de escoria puede ocasionar la formación excesiva de alquitrán y el bloqueo total del reactor. En el caso peor, existe la posibilidad de que se produzcan fugas de aire con el consiguiente riesgo de explosión, especialmente en los gasificadores de tiro directo.

El que se produzca o no la formación de escoria, depende del contenido de cenizas del combustible, de las características de fusión de las cenizas y de la distribución de la temperatura en el gasificador. Unas elevadas temperaturas localizadas en los huecos del lecho de combustible en la zona de oxidación, ocasionados por la formación de cavidades en el lecho, pueden causar la formación de escoria, incluso empleando combustibles con una elevada temperatura de fusión de las cenizas.

En general, no se observa formación de escoria con combustibles que poseen un contenido de cenizas inferior al 5 ó 6%. Cabe esperar una importante formación de

escoria en el caso de combustibles que posean un contenido de cenizas del 12 por ciento y más. Para combustibles con contenido de cenizas entre el 6 y el 12 por ciento, el resultado en cuanto a formación de escoria depende en gran medida de la temperatura de fusión de las cenizas, que viene influida por la presencia de oligoelementos que da lugar a la formación de mezclas eutécticas con un bajo punto de fusión.

Para fines de gasificación, el resultado en cuanto a la fusión de las cenizas del combustible se debe determinar en atmósferas de oxidación y de reducción.

En lo que se refiere al contenido de cenizas, la madera en bruto y los carbones de madera rara vez presentan problemas, siendo su contenido de cenizas normalmente del 0,72 al 2,5 por ciento. Sin embargo, en una serie de maderas tropicales (22) el contenido de cenizas del carbón vegetal puede ser mucho mayor, no siendo adecuados estos tipos de carbones para fines de gasificación. El Cuadro 2.5. enumera una serie de residuos agrícolas que han sido ensayados, respecto a sus propiedades de formación de escoria, en un pequeño gasógeno de laboratorio de tiro invertido (19).

Los gasificadores de tiro directo y de tiro invertido pueden funcionar con combustibles que producen escoria, si se modifican especialmente (parrillas de movimiento continuo y combustión del gas de pirólisis externa). Los gasificadores de tiro transversal que trabajan a temperaturas muy elevadas, de 1 500 °C y más, necesitan precauciones especiales respecto al contenido de cenizas del combustible. Los reactores de lecho fluidizado, debido a su capacidad intrínseca de controlar la temperatura de funcionamiento, sufren menos problemas de derretimiento y fusión de las cenizas.

2.4.6. Reactividad del combustible

La reactividad es un factor importante que determina el coeficiente de reducción, en un gasificador, del dióxido de carbono en monóxido de carbono. La reactividad influye en el diseño del reactor porque impone la altura necesaria de la zona de reducción.

Además, ciertas características operativas del sistema de gasificación (respuesta consiguiente a la carga, nueva puesta en marcha después de una parada temporal) se ven afectadas por la reactividad de la escoria producida en el gasificador. La reactividad depende, en primer lugar, del tipo de combustible. Por ejemplo, se ha observado que combustibles como la madera, el carbón vegetal y la turba, son mucho más reactivos que el carbón mineral.

Indudablemente existe una relación entre la reactividad y el número de puntos activos en la superficie del carbón, lo que depende de las características morfológicas y de la era geológica del combustible. El tamaño del grano y la porosidad del carbón producido en la zona de reducción, influyen en la superficie disponible para la reducción y por ello, en la intensidad de las reacciones de reducción.

Es bien conocido que la reactividad del carbón se puede mejorar mediante diversos procesos, como el tratamiento con vapor (carbón activado) o el tratamiento con cal o con carbonato sódico.

Cuadro 2.5. Formación de escoria de residuos agrícolas en un pequeño gasificador de laboratorio de tiro invertido (Jenkins, (19))

Combustibles que dan escoria Tanto por ciento de contenido de cenizas

Grado de formación de escoria

Mezcla de paja de cebada 10,3 fuerte

Paja de fríjoles 10,2 fuerte

Tallos de maíz 6,4 moderado

Restos de desmotado del algadón 17,6 fuerte

Tallos de algodón prensados 17,2 fuerte

Gránulos de combustible obtenido de desechos

10,4 fuerte

Cáscaras de arroz en gránulos 14,9 fuerte

Paja de cárcamo 6,0 pequeño

Mezcla de cáscaras de nueces, en gránulos

5,8 moderado

Paja de trigo y tallos de maíz 7,4 fuerte

Combustibles que no forman escoria

Paja de alfalfa prensada 6,0

Cáscaras de almendra 4,8

Mazorcas de maíz 1,5

Huesos de aceituna 3,2

Huesos de melocotón 0,9

Huesos de ciruela 0,5

Cáscaras de nuez (prensadas) 1,1

Bloques de madera de abeto Douglas

0,2

Podas municipales de árboles 3,0

Residuos de fabricación de productos de madera

0,3

Astillas de madera de trozas enteras 0,1

Otro punto interesante es el efecto supuestamente positivo sobre la intensidad del gasificación de una serie de elementos que actúan como catalizadores. Pequeñas cantidades de potasio, sodio y zinc pueden tener un gran efecto sobre la reactividad del combustible.

2.4.7. Tamaño de las partículas y distribución por tamaño

Los gasificadores de tiro directo y de tiro invertido tienen limitaciones en cuanto al rango aceptable del tamaño del combustible contenido en el material de alimentación. Un material de alimentación de grano fino o blando, puede ocasionar problemas de circulación en la sección del depósito del gasificador y también por una caída inadmisible de presión encima de la zona de reducción y por una alta proporción de polvo en el gas. Las fuertes caídas de presión motivan la reducción de la carga de gas del equipo de tiro invertido lo que origina unas bajas temperaturas y la producción de alquitrán.

Un tamaño excesivo de las partículas o trozas, da lugar a una menor reactividad del combustible, lo que se traduce en problemas de arranque, mala calidad del gas y problemas de transporte a través del equipo. Una gran variedad de la distribución por tamaño del material de alimentación, agrava generalmente los fenómenos anteriores. Los tamaños excesivamente grandes de las partículas pueden ocasionar problemas de canalización del gas, especialmente en los gasificadores de tiro directo.

El tamaño aceptable del combustible para los sistemas de gasificación, depende en cierta medida del diseño de las instalaciones. En general, los gasificadores de madera funcionan con tarugos de madera y astillas cuya dimensión varia de 8 x 4 x 4 cm a 1 x 0,5 x 0,5 cm Los gasificadores de carbón vegetal generalmente se abastecen con pedazos de carbón cuya dimensión vería entre 1 x 1 x 1 cm y 3 x 3 x 3 cm. Los gasificadores de lecho fluidizado normalmente pueden funcionar con combustibles cuyos diámetros de partículas varían entre 0,1 y 20 mm.

2.4.8. Densidad aparente del combustible

La densidad aparente se define como el peso por unidad de volumen de combustible simplemente apilado. 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 dan lugar a veces a un caudal insuficiente de gas lo que se traduce en valores caloríficos del gas reducidos y finalmente en la combustión del carbón en la zona de reducción. Las densidades medias aparentes de la madera, el carbón vegetal y la turba se dan en el Cuadro 2.6. Unas densidades aparentes inadecuadas se pueden mejorar mediante elaboración de briquetas o gránulos.

Cuadro 2.6. Densidades aparentes de tipo medio

Combustible Densidades aparentes 1/(kg/m³)

Madera 300 - 550

Carbón vegetal 200 - 300

Turba 300 - 4001/La densidad aparente varia de forma importante con el contenido de humedad y con el tamaño de las partículas del combustible.

2.4.9. Características de carbonización del combustible

La existencia de dificultades técnicas y morfológicas con el carbón producido en la zona de oxidación ya han sido referidas. Algunos materiales de alimentación, (especialmente las coníferas) producen carbón que muestra una tendencia a desintegrarse. En casos extremos, esto puede ocasionar una caída inadmisible de presión.

Según la información disponible (38), una serie de maderas frondosas tropicales (notablemente la teca) exigen tiempos prolongados de permanencia en la zona de pirólisis, lo que produce problemas de circulación en el depósito, una baja calidad del gas y el arrastre de alquitrán.

2.4.10. Evaluación de la conveniencia de diversos tipos de biomasa como combustible para gasificadores

Carbón vegetal

Como el carbón vegetal de buena calidad casi no contiene alquitranes, es un combustible conveniente para todo tipo de gasificadores Un buen carbón vegetal para gasificadores contiene pocas materias minerales y no se desmenuza o desintegra fácilmente.

Las principales desventajas son el coste relativamente elevado del carbón vegetal, lo que reduce su competitividad en comparación con los combustibles líquidos, y las pérdidas energéticas que tienen lugar en la fabricación del carbón (puede perderse hasta el 70% de la energía presente originalmente en el carbón). Este último factor puede tener especial importancia para aquellos países en desarrollo que sufren ya una existencia insuficiente de energía de biomasa para atender sus necesidades nacionales de energía.

La experiencia ha demostrado que muchos tipos de madera y también algunos residuos agrícolas (por ejemplo, la cáscara del coco) pueden dar carbón vegetal de primera clase para gasificación.

Madera

La mayoría de las especies de madera tienen contenidos de ceniza inferiores al 2 por ciento, siendo, por lo tanto, combustibles apropiados para los gasificadores de lecho fijo.

Debido al alto contenido de sustancias de la madera, los sistemas de tiro directo producen gas que contiene alquitrán, apropiado sobre todo para combustión directa. La depuración del gas para Hacerlo apropiado para motores, es bastante difícil y requiere un esfuerzo importante de capital y mano de obra. Se pueden diseñar sistemas de tiro invertido para conseguir un gas prácticamente libre de alquitrán, dentro de ciertos limites de capacidad, cuando se alimentan con bloques de madera o astillas de madera, de bajo contenido de humedad. Después de pasar por un conjunto relativamente sencillo de depuración, el gas se puede utilizar para motores de combustión interna.

Serrín

La mayoría de los gasificadores de tiro invertido actualmente disponibles no son apropiados para serrín que no esté granulado. Los problemas que se presentan son: producción excesiva de alquitrán, caída inadmisible de presión y falta de circulación en el depósito de combustible.

Los gasificadores de lecho fluidizado pueden aceptar pequeñas partículas de serrín y producir un gas de buena calidad para hornos. Para su empleo en motores es necesario un sistema de depuración bastante complicado.

Turba

El mayor problema de la gasificación de la turba obedece a su alto contenido de humedad y con frecuencia también a su contenido, bastante alto, de cenizas. En Finlandia se han instalado gasificadores de tiro directo alimentados con tepes de turba, con un contenido de humedad próximo al 30 ó 40%, para fines de calefacción de barrios, habiéndose ensayado con éxito pequeños gasificadores de tiro invertido, alimentados con gránulos de turba bastante secos, en aplicaciones para motores de gas (25). Durante la Segunda Guerra Mundial, muchos vehículos de transporte se adaptaron para funcionar con gas de madera o de turba, tanto en Finlandia como en Suecia.

Residuos agrícolas

En principio, los países en desarrollo tienen una extensa variedad de residuos agrícolas aptos para gasificación.

Sin embargo, en la práctica es muy limitada la experiencia con la mayoría de los tipos de desechos. Gran parte de lo publicado al respecto se refiere a la cáscara de coco (10) y a las mazorcas de maíz (39), siendo poco probable según parece que creen problemas serios en los gasificadores de lecho fijo. Los residuos de coco (35), de acuerdo con la información disponible, presentan problemas de formación de aglomerados en la zona del depósito pero el material se puede gasificar cuando se mezcla con cierta cantidad de madera. La mayoría de las pujas de cereales tienen contenidos de cenizas superiores al diez por ciento, presentando problemas de formación de escorias en los gasificadores de tiro invertido (18). La cáscara de arroz puede tener contenidos de cenizas del veinte por ciento y más, por lo que probablemente es el combustible existente de mayor dificultad. Continúan las investigaciones sobre el diseño de gasificadores de tiro invertido para este tipo de material (21) aunque la información publicada indica que los gasificadores italianos de tiro directo han venido accionando pequeños molinos de arroz durante décadas (5). El sistema parece haberse reanimado en China, donde, según se informa están funcionando una serie de gasificadores de tiro directo (28).

Es posible gasificar la mayoría de los tipos de residuos agrícolas en los gasificadores de tiro directo diseñados antes de la guerra. Sin embargo, los costes de capital, mantenimiento y mano de obra y las consecuencias ambientales (eliminación de condensados de alquitrán) que representa la depuración del gas, impiden las aplicaciones para motores en la mayoría de las circunstancias. Los equipos de tiro invertido son más baratos de instalación y funcionamiento originando menores dificultades ambientales pero la tecnología actual es inapropiada para manipular los residuos agrícolas (con la posible excepción de las mazorcas de maíz y la cáscara de coco) sin instalar costosos dispositivos adicionales (y en parte no comprobados).

Incluso para la cáscara de coco y las mazorcas de maíz, la información disponible se basa en un número limitado de horas de funcionamiento, debiéndose hacer nuevas comprobaciones mediante ensayos prolongados (digamos 10 000 horas) en condiciones reales. Los gasificadores de lecho fluidizado parecen ser una gran promesa para la gasificación de una serie de residuos agrícolas "difíciles". Actualmente sólo se dispone de instalaciones semicomerciales, siendo muy limitada la experiencia sobre su funcionamiento. Por esta razón, no se prevé su aplicación inmediata en los países en desarrollo.

2.5. Diseño de gasificadores de tiro invertido

2.5.1. Procesos que tienen lugar en el gasificador de tiro invertido2.5.2. Normas de diseño para gasificadores de tiro invertido

El gasificador de tiro invertido permite emplear la madera como combustible y producir un gas con un contenido de alquitrán suficientemente reducido para hacer funcionar un motor de combustión interna. Hay otros medios de tratar el problema del alquitrán pero pueden crear sus propios problemas. Por ejemplo, el empleo del carbón vegetal como combustible representa una pérdida de energía y aumenta el riesgo de agotamiento de los recursos madereros. El uso de sistemas de depuración después del gasificador, implica difíciles problemas de eliminación de desechos.

Los gasificadores de tiro invertido, al ser comparativamente fáciles de fabricar y funcionar, son probablemente los más apropiados para los países en desarrollo, como fuente de suministro descentralizado de energía para comunidades e industrias rurales.

La transformación del combustible sólido en gas, en un gasificador de tiro invertido y las bases de diseño para estos gasificadores se van a examinar por lo tanto, con mas detalle.

2.5.1. Procesos que tienen lugar en el gasificador de tiro invertido

En el gasificador de tiro invertido, que se presenta esquemáticamente en la Figura 2.8., el combustible se introduce por la parte superior, el aire normalmente se introduce en un nivel intermedio y el gas se extrae por el fondo.

En el gasificador es posible distinguir cuatro zonas independientes, cada una de ellas caracterizada por un paso importante en el proceso de transformación del combustible

en gas combustible. A continuación se examinan los procesos de las cuatro zonas y en la sección siguiente se discutirán las bases de diseño.

a) Sección del depósito (zona de secado)

El combustible sólido se introduce en el gasificador por la parte superior. No es necesario utilizar un equipo complicado de alimentación de combustible porque en este lugar se puede tolerar una pequeña cantidad de escape de aire. Como resultado de la transferencia de calor procedente de las partes inferiores del gasificador se produce un secado de la madera, o combustible de biomasa, en la sección del depósito.

El vapor de agua circulará hacia abajo y se añadirá al vapor de agua formado en la zona de oxidación. Parte de ella puede reducirse a hidrógeno (véase la ecuación del párrafo 2.2.) y el resto acabará como humedad en el gas.

b) Zona de pirólisis

A temperaturas superiores a los 250°C, el combustible de biomasa comienza a pirolizarse. Los detalles de estas reacciones de pirólisis no son bien conocidos, pero se puede suponer que las grandes moléculas (como la celulosa, la hemicelulosa y la lignina) se descomponen en moléculas de tamaño medio y carbono durante el calentamiento del material de alimentación. Los productos de la pirólisis caen hacia abajo, a las zonas más calientes del gasificador. Parte de ellos se queman en la zona de oxidación y el resto se descompone en moléculas aún menores de hidrógeno, metano, monóxido de carbono, etano, etileno, etc. si permanecen suficiente tiempo en la zona caliente.

Si el tiempo de estancia en la zona caliente es demasiado corto o la temperatura demasiado baja, las moléculas de tamaño medio pueden escapar y condensarse en forma de alquitranes y aceites, en las partes de menor temperatura del sistema.

c) Zona de oxidación

Una zona de combustión (oxidación) se forma en el nivel en que se introduce el oxigeno (aire). Las reacciones con el oxigeno son muy exotérmicas, traduciéndose en una rápida elevación de la temperatura hasta 1 200 a 1 500°C.

Como se mencionó anteriormente, una función importante de la zona de oxidación, aparte de la generación de calor, es transformar y oxidar prácticamente todos los productos condensables procedentes de la zona de pirólisis. A fin de evitar puntos fríos en la zona de oxidación, hay que elegir bien las velocidades de admisión de aire y la geometría del reactor.

Generalmente se emplean dos métodos para obtener una distribución uniforme de la temperatura:

- reducción de la superficie de la sección transversal a una cierta altura del reactor (concepto "garganta"),

- distribución de las toberas de entrada de aire a lo largo de la circunferencia de la superficie transversal reducida, o utilización alternativa de una entrada central de aire, con un dispositivo apropiado de pulverización.

En la próxima sección se dan normas para el diseño de la garganta.

d) Zona de reducción

Los productos de reacción de la zona de oxidación (gases calientes y carbón vegetal incandescente) se desplazan en sentido descendente hacia la zona de reducción.

En esta zona, el calor sensible de los gases y el carbón vegetal se transforma al máximo posible en energía química del gas pobre (véase las ecuaciones (a) (b) de la sección 2.2.).

El producto final de las reacciones químicas que tienen lugar en la zona de reducción es un gas combustible que puede emplearse como combustible en quemadores y después de quitarle el polvo y refrigerarlo, es apropiado para motores de combustión interna.

Las cenizas que resultan de la gasificación de la biomasa deben extraerse de vez en cuando del gasificador. Normalmente se considera necesaria una parrilla móvil en la parte inferior del equipo. Esto permite batir el lecho de carbón vegetal, en la zona de reducción, ayudando de este modo a evitar los bloqueos que pueden motivar la obstrucción de la corriente de gas.

2.5.2. Normas de diseño para gasificadores de tiro invertido

Se ha realizado un análisis de las características de diseño del gasificador de Imbert (Figura 2.11.) basándose en la experiencia sueca (43).

El dimensionamiento del gasificador Imbert está estrechamente relacionado con el concepto de "carga del hogar". La carga del hogar Bg de define como la cantidad de gas pobre reducida a condiciones normales (p, T), dividida por el área de la superficie de la "garganta" en la circunferencia mínima, y se suele expresar en m³/cm²/h. Por otra parte, la carga del hogar puede expresarse como la cantidad de combustible seco consumido, dividida por el área de la superficie del estrechamiento más angosto (Bs), en cuyo caso, la carga del hogar se expresa en kg/cm²/h. Como un kilogramo de combustible seco, en circunstancias normales, produce alrededor de 2,5 m³ de gas pobre, la relación en Bg y Bg viene dada por:

Bg = 2,5 Bs

De acuerdo con la información dada en (8) Bg puede alcanzar un valor máximo próximo a unos 0,9 (Bs = 0,36) en funcionamiento continuo en buenos gasificadores de tipo "Imbert". Valores superiores de Bg dan lugar a unas caídas extremas de presión en la zona de reducción del equipo.

Figura 2.11. Esquema de un gasificador de tipo Imbert

Los valores mínimos de Bg dependen fundamentalmente del termoaislamiento de la zona caliente. Por debajo de una cierta carga del hogar la temperatura en la zona caliente se reduce tanto que resulta inevitable la producción de alquitrán.

Los generadores normales de tipo "Imbert" presentan valores mínimos de Bg, del orden de 0,30 a 0,35, lo que se traduce en índices de reducción de potencia, con un factor de 2,5 a 3. Los gasógenos modernos están mejor aislados y pueden funcionar sin alquitranes con valores de Bg de 0,15 a 0,18.

El diseño de un gasificador de tipo "Imbert" se reduce en la actualidad a calcular la cantidad máxima de gas necesaria. Esto se hace fácilmente teniendo en cuenta el volumen del cilindro y el número de revoluciones y también la eficiencia volumétrica de un motor de combustión interna acoplado al sistema (véase la sección 2.1. y el Apéndice 1). Partiendo de esta cantidad de gas y también del valor máximo de Bg (0,9)

se puede calcular la superficie del estrechamiento mínimo y el diámetro de la garganta.

La Academia Sueca de Ciencias Técnicas (43) presenta también datos empíricos respecto a la altura de las toberas sobre el estrechamiento mínimo, el diámetro del anillo de abertura de las toberas y también las toberas apropiadas para distintas capacidades.

En las Figuras de 2.12. a 2.14. se reproducen estos datos y también en el Cuadro 2.7.

Figura 2.12. Altura del plano de las toberas sobre el estrechamiento del hogar, para diversos tamaños de generador

Cuadro 2.7. Toberas apropiadas para gasógenos de madera que funcionan con motores de cuatro tiempos (43)

dt

mmdn

mmn

70 10,5 3

80 9 5

90 10 5

100 11 5

120 12,7 5

130 13,5 5

150 15 5

170 14,3 7

190 16 7

220 18 7

270 22 7

300 24 7

dt = diámetro de la garganta en la zona de sección transversal mínimadn = diámetro de las toberasn = número de toberas a instalar

Figura 2.13. Gráfico de toberas apropiadas para el funcionamiento de motores de cuatro tiempos con varios cilindros

Figura 2.14. Diámetro del anillo de las toberas y apertura de éstas, en relación con el estrechamiento del hogar y en función del diámetro del hogar, para

diversos modelos de generadores

Venselaar (46) compara las características de diseño de una serie de gasificadores que se podían obtener comercialmente durante la Segunda Guerra Mundial. Hace una distinción entre los diseños "sin garganta", de "una sola garganta" y de "doble garganta" (tipo Imbert) (véase la Figura 2.15.). Llega a la conclusión de que los tres tipos difieren sobre todo en la carga máxima admisible del hogar, dando valores de Bs máximo de 0,03, 0,11 y 0,4 respectivamente para los gasificadores "sin garganta", "de una sola garganta" y "de garganta doble".

De esta comparación se obtienen otras conclusiones:

- las velocidades de entrada de aire por las toberas debe ser del orden de 30 a 35 m/s;

- la inclinación de la garganta debe estar entre los 45° y 60°;

- el diámetro del hogar a la altura de la entrada de aire debe ser 10 cm mayor que el diámetro de la garganta en el caso del modelo de garganta simple y unos 20 cm mayor que el diámetro del estrechamiento, máximo en el caso del modelo "de doble garganta";

- la altura de la zona de reducción debe ser superior a 20 cm (la altura media de la zona de reducción para los gasificadores analizados era de 32 cm);

- la altura del plano de las toberas de entrada de aire debe ser de 10 cm sobre el estrechamiento máximo.

En lo que se refiere a los gasificadores de "doble garganta" o de "tipo Imbert", son bastante concordantes las normas de diseño presentadas por los autores de (43) y (46).

Debe destacarse que las anteriores normas empíricas de diseño están basadas en experiencias con gasógenos alimentados con tacos de madera cuyo tamaño varía entre 3 a 5 x 6 a 8 cm.

Figura 2.15. Clasificación de los gasificadores de tiro invertido, según Venselaar (46)

Groeneveld hace un enfoque más teórico (17), subrayando la importancia del tamaño del combustible. Propone que el factor determinante de la carga máxima de cualquier

gasificador es el tiempo de permanencia del combustible en la zona de pirólisis. Si este tiempo es demasiado corto, la penetración del calor en una partícula dada de combustible es insuficiente para ocasionar una desvolatilización completa. En consecuencia, tendrá lugar una producción adicional de elementos volátiles en la zona de reducción, lo que ocasiona el desarrollo de alquitranes y su arrastre por el gas producido.

Groeneveld (17) considera que el tiempo necesario para una desvolatilización completa es igual o mayor que el tiempo de calentamiento de Fourier. Haciendo algunas hipótesis sobre la extensión y geometría de la zona de pirólisis, se puede calcular la carga máxima del gasificador, independientemente del tamaño de las partículas del combustible.

Comparando los cálculos de Groeneveld con las cargas máximas del gasificador realmente medidas, las cargas calculadas parecen ser demasiado elevadas, con un factor de 1,5 a 2. Las razones de esta discrepancia no están totalmente claras. Venselaar propone un espacio de tiempo entre el calentamiento completo y la desvolatilización completa. Por otra parte, probablemente hay que tener en cuenta la influencia de la distribución del tamaño de las partículas sobre los resultados de los cálculos de la carga máxima (ver los Apéndices 1 y 2).

2.6. Depuración y refrigeración del gas

2.6.1. Limpieza del polvo del gas2.6.2. Refrigeración del gas

El funcionamiento sin contratiempos de un motor de combustión interna que utiliza gas pobre como combustible, exige un gas bastante limpio (véase la sección 2.1.3.).

Como se ha mencionado en las secciones 2.3. y 2.5. los gasificadores de tiro invertido bien diseñados, pueden cumplir los criterios de limpieza, al menos para una variedad bastante amplia de capacidades (es decir, del 20% al 100% de carga completa). Los gasificadores de tiro directo en aplicaciones para motores tienen que estar dotados de equipos de separación de alquitranes, voluminosos y caros. Sin embargo, es posible obtener gas de gasificadores de tiro directo con ciertas especificaciones según informa Leuchs (26). Se están desarrollando actualmente métodos para reformar el gas en una zona de altas temperaturas (gasificación secundaria) a fin de quemar o craquear los alquitranes.

Cuando se emplean combustibles apropiados, el gasificador y el depurador están bien diseñados y funciona el gasificador por encima de su capacidad mínima, la contaminación del gas por alquitrán no representa un problema importante.

La refrigeración del gas sirve sobre todo aura aumentar la densidad del gas con el fin de que entre el máximo de gas combustible en el cilindro del motor, en cada carrera del pistón. Una reducción del 10 por ciento de la temperatura del gas aumenta la producción máxima del motor casi en un dos por ciento. La refrigeración contribuye también a la depuración del gas y permite evitar la condensación de la humedad del gas después de mezclarse con el aire y antes de entrar en el motor.

2.6.1. Limpieza del polvo del gas

El problema principal de la producción de un gas de calidad para motores es la eliminación del polvo.

La cantidad de polvo existente en el gas pobre a la salida del gasificador depende del diseño del equipo, de la carga del gasificador y del tipo de combustible empleado.

En la mayoría de los gasificadores la dirección de la corriente de gas se invierte ya más de 180° en el interior del aparato y esta simple medida extrae el polvo más grueso.

La cantidad de polvo por m³ existente en el gas aumenta generalmente con la carga del gasificador, por la simple razón de que a mayores cargas se producen mayores velocidades del gas y, con ello, un mayor arrastre de polvo.

Las partículas de combustible pequeñas generalmente ocasionan mayores concentraciones de polvo en el gas, que cuando se emplean tacos de madera.

El tipo de combustible tiene también su influencia: las frondosas generalmente producen menos polvo que las resinosas. La gasificación de mazorcas de maíz produce una seria contaminación de polvo, tal como informan Zijp et al. (48).

Para gasificadores normales de tiro invertido tipo "Imbert", se produce polvo, cuando se emplean tacos de madera de alrededor de 4 x 4 x 4 cm, en cantidades que varían, según la información disponible, entre 0,5 y 5 gr/m³ de gas (34).

Nordström (33) realizó investigaciones sobre la dimensión y distribución por tamaño del polvo del gas del generador, cuyos resultados se reproducen en el Cuadro 2.8. Es posible separar alrededor del 60% al 70% de este polvo, de la corriente de gas, por medio de un ciclón bien diseñado.

El resto (partículas de polvo de diámetro menor) tiene que eliminarse por otros medios.

Cuadro 2.8. Distribución por tamaños del polvo del gas Pobre (33)

Tamaño de las partículas de polvo m 10-6 Porcentaje en el gas %

más de 1 000 1,7

1 000 - 250 24,7

250 - 102 23,7

102 - 75 7,1

75 - 60 8,3

menos de 60 30,3

pérdidas 4,2

Durante la Segunda Guerra Mundial se empleó una multitud de filtros secos, con lana de madera, fibra de sisal, lana de vidrio, astillas de madera empapadas de aceite y otros tipos de material fibroso o granular, para la extracción del polvo fino (tamaño medio de partículas inferior a 60 micrones), pero su éxito fue muy limitado.

Los purificadores húmedos como las depuradoras de agua y aceite y las burbujeadoras son también eficaces pero sólo dentro de ciertos límites.

El mejor efecto de depuración se obtiene utilizando filtros de tela. Sin embargo, los filtros normales de tela son muy sensibles a la temperatura del gas. En el caso de la gasificación de madera o residuos agrícolas, el punto de condensación del gas está alrededor de los 70°C. Por debajo de esta temperatura el agua se condensa en los filtros, ocasionando la obstrucción de la corriente de gas y una caída inaceptable de presión en la sección de filtrado del sistema de gasificación.

A temperaturas superiores, los filtros normales de tela tienden a carbonizarse y a descomponerse en la corriente de gas caliente. Otro de sus inconvenientes es que están sujetos a una acumulación rápida de polvo, por lo que necesitan una limpieza frecuente si no se utilizan junto con un proceso previo de filtrado.

Los inconvenientes de los filtros de tela se puede resolver en parte utilizando bolsas de filtro de lana de vidrio tejida, tal como propone Nordström (33). Este material se puede utilizar con temperaturas hasta de 300°C. Calentando (con aislamiento) la envoltura del filtro por medio de una corriente de gas caliente procedente del gasificador, se puede mantener en el filtro temperaturas superiores a 100°C, evitando de este modo la condensación y la caída de presión. Si se emplea un proceso de filtrado previo consistente en un ciclón y/o un filtro de choque, es posible mantener los intervalos de servicio y mantenimiento dentro de limites razonables, o sea una limpieza cada 100 a 150 h. Esta combinación es probablemente la más apropiada para sistemas de tamaño pequeño y mediano (hasta una potencia eléctrica de 150 kW), habiendo demostrado la experiencia que el desgaste del motor no es mayor que con combustibles líquidos (33).

También es conocido que los filtros electrostáticos tienen excelentes propiedades para la separación de partículas y que muy probablemente se podrían emplear también para producir un gas de calidad aceptable. Sin embargo, estos filtros son caros y por esta razón sólo se prevé su empleo en instalaciones grandes, es decir, equipos que producen 500 kW o más de potencia eléctrica.

2.6.2. Refrigeración del gas

Una excelente presentación de la teoría de refrigeración del gas pobre puede encontrarse en (43). Los principales factores a tener en cuenta son el calor perceptible del gas, el contenido de vapor de agua y su calor de condensación y los efectos de incrustación del refrigerador.

Los refrigeradores del gas del generador corresponden a tres grandes categorías: refrigeradores de convección natural, de convección forzada y de agua.

Los refrigeradores de convección natural consisten simplemente en una cierta longitud de tubo. Son sencillos de emplear y limpiar y no requieren aporte adicional de energía. Pueden ser bastante voluminosos aunque este problema se puede resolver en parte utilizando tubo delgado a fin de incrementar la superficie de conducción. Los refrigeradores de convección forzada van equipados con un ventilador que fuerza la circulación del aire refrigerado alrededor de los tubos de gas. Este tipo de refrigerador puede ser mucho más pequeño que los refrigeradores de convección natural. Sus inconvenientes son: el aporte adicional de energía para el ventilador y la necesidad de utilizar tubos de refrigeración del gas de pequeño diámetro que pueden producir problemas de incrustación. El primero se puede resolver en algunos casos utilizando el aire de refrigeración suministrado por el ventilador del motor.

Hay refrigeradores de agua de dos tipos, el lavador de gases y el intercambiador de calor; independientemente de que se utilice uno u otro, el objetivo es generalmente enfriar y limpiar el gas en una sola operación.

Existen lavadores de gases de tipos muy diferentes, pero el principio siempre es el mismo: se lleva el gas en contacto directo con un medio fluido (generalmente agua) que se rocía en la corriente de gas por medio de un dispositivo de inyección apropiado. La ventaja de este sistema es su pequeño tamaño. Los inconvenientes son la necesidad de agua dulce, la mayor complicación del mantenimiento y cierto consumo de energía resultante de la utilización de una bomba hidráulica.

La depuración del agua de refrigeración de fenoles y otros componentes de alquitrán será necesaria también, con toda probabilidad, lo que constituye una operación engorrosa. Pero hasta ahora sólo se dispone de muy pocas experiencias y de cálculos de costes del tratamiento del agua de desecho.

Es posible también enfriar el gas por medio de un intercambiador de calor de agua refrigerada. Este es un método apropiado cuando se dispone de forma continua de una fuente de agua dulce y se puede justificar la inversión adicional y el consumo energético de una bomba hidráulica apropiada.

2.7. Aplicaciones de la gasificación de la biomasa

2.7.1. Producción de gas combustible2.7.2. Producción de energía mecánica o eléctrica en instalaciones fijes2.7.3. Aplicaciones móviles

Foley y Barnard han publicado un análisis de las aplicaciones de los gasificadores (12) en el que se expone el uso de los gasificadores para la producción de gas combustible, para la generación de calor y el empleo de los gasificadores en combinación con los motores.

2.7.1. Producción de gas combustible

La mayoría de los gasificadores que funcionan comercialmente en la actualidad se utilizan para la producción de calor, más que para combustible de motores de combustión interna, debido a sus menores exigencias en cuanto al valor calorífico del gas y al contenido de alquitrán. La ventaja fundamental de un gasificador acoplado de

forma compacta con un sistema de combustión, es su capacidad para producir mayores temperaturas que las que se pueden lograr con una combustión convencional en parrilla, sujeta a problemas de formación de escoria a tales temperaturas, y en consecuencia el aumento de la eficiencia y producción de la caldera.

Todos los tipos de gasificadores descritos en la sección 2.3. pueden producir gas pobre para combustión pero por razón de sencillez se prefieren los gasificadores de tiro directo en los pequeños sistemas (por debajo de una potencia térmica de 1 MW), mientras que los gasificadores de lecho fluidizado son apropiados para potencias superiores.

Las instalaciones más convencionales alimentadas con petróleo, se pueden transformar para gas pobre.

Los usuarios con mayor potencial de utilización futura del gas combustible de bajo poder calorífico, se encontrarán sin duda entre las siguientes industrias: metalurgia, cerámica, cemento, cal y pasta de celulosa. En estas ramas industriales, la transformación de hornos, calderas y secadores, del petróleo a su funcionamiento con gas combustible, es en gran parte una operación bastante sencilla.

2.7.2. Producción de energía mecánica o eléctrica en instalaciones fijes

Los gasificadores conectados a motores fijos, ofrecen la posibilidad de utilizar la biomasa para producir energía mecánica o eléctrica, con un campo de aplicación desde unos pocos kW hasta algunos MW.

El gas pobre de calidad para motor necesita un valor calorífico suficientemente elevado (superior a 4 200 kJ/m³), debe estar libre prácticamente de alquitrán y de polvo, para reducir al mínimo el desgaste del motor y debe estar lo más frío posible a fin de lograr el máximo de admisión de gas en el motor y la mayor potencia de salida.

Es conveniente distinguir entre unas y otras aplicaciones, en cuanto a potencia de salida. La Figura 2.16. muestra la gama de potencias de diversos sistemas (36)

Figura 2.16. Aplicación de los procesos de gasificación de biomasa

a) Aplicaciones de gran dimensión (500 kW y superiores)

Este es el dominio de las instalaciones especializadas de lecho fluidizado o de lecho fijo.

El equipo se hace de encargo y completamente automatizado. El diseño y la fabricación deben estar a cargo de empresas especializadas de mecánica y construcción.

Los costes de los equipos serán probablemente del orden de 1 000 US$ por kW instalado o superiores.

b) Aplicaciones de dimensión intermedia (30-500 kW)

El equipo de lecho fijo, alimentado por madera, carbón vegetal y algunos tipos de residuos agrícolas (mazorcas de maíz, cáscaras de coco), lo ofrecen una serie de fabricantes europeos y de los EE.UU.

Una demanda adecuada y continuada de este tipo de equipos, podría llevar a la normalización de componentes y diseños, reduciéndose de esta forma los costes de producción. Por el momento, los costes que se cotizan son del orden de los 300-800 US$/kW (sólo el gasificador) dependiendo del tipo y capacidad, del nivel de automatización y del equipo auxiliar.

Se considera posible una fabricación totalmente nacional en países que cuentan con una industria del metal bien desarrollada. Las partes principales de las instalaciones se podrían fabricar en la mayoría de los países.

Se prevén aplicaciones en industrias pequeñas a medianas de carácter forestal y agrícola (industrias secundarias de la madera, aserraderos, fábricas de desecación del coco, etc,) y también en el suministro de energía a comunidades apartadas.

c) Aplicaciones de pequeña dimensión (7-30 kW)

Esta dimensión podría ser adecuada en multitud de aplicaciones para pequeños poblados de países en desarrollo (p. ej. industrias locales de maíz y cereales, pequeños ingenios azucareros, telares, etc.).

El equipo debe ser barato (menos de 150 US$/kW), de gran confianza y no debe exigir habilidades especiales para su funcionamiento y mantenimiento.

Diseños adecuados para fabricación local se ensayan y producen en Las Filipinas (13), Tanzania (48) y en otra serie de países. Por el momento, son limitadas las pruebas documentales de su éxito, debiendo destacarse la importancia fundamental de los programas de formación para los usuarios y la organización de un cierto tipo de servicio de mantenimiento.

Según parece, los gasificadores de carbón vegetal tienden a producir menos problemas operativos en este nivel energético que los gasificadores alimentados con madera o residuos agrícolas. A veces se piensa también que los sistemas a base de gasificadores de carbón vegetal pueden fabricarse más baratos que los de gasificadores de madera en el nivel energético de 7 a 30 kW de potencia. Esto está justificado en parte por los precios facturados para los sistemas de gasificadores para vehículos durante la Segunda Guerra Mundial (43). No está claro, sin embargo, que la diferencia de alrededor de un 20 por ciento fuera motivada por la diferencia de

tecnología o como resultado de una producción mejor organizada o simplemente un asunto de diferentes márgenes de beneficios.

d) Aplicaciones en microescala (1-7 kW)

Esta es una dimensión utilizada por pequeños y medianos agricultores de los países en desarrollo para dotar de energía a los sistemas de riego.

El equipo debe ser transportable, barato, sencillo y ligero de peso. Es muy posible que sólo los gasificadores pequeños, de carbón vegetal y fabricados localmente, puedan cumplir los requisitos anteriores.

2.7.3. Aplicaciones móviles

El uso de los gasificadores de tiro invertido, alimentados con madera o carbón vegetal para accionar automóviles, camiones, autobuses, trenes, barcas y barcos, ha demostrado su valor, manteniendo al menos un país europeo (Suecia) sus planes de producción en gran escala en caso de emergencia (véase el Capitulo 3). Se está estudiando actualmente esta técnica para impulsar tractores (Suiza, Francia, Finlandia, Países Bajos) y también para pequeños vagones y barcas (Filipinas) y camiones (Sri Lanka).

No obstante, las aplicaciones móviles presentan una serie de dificultades adicionales, en comparación con las instalaciones fijes.

En primer lugar la construcción tiene que ser lo más ligera posible a fin de no reducir excesivamente la capacidad de transporte del vehículo. Como las instalaciones de filtrado descritas en el Capítulo 3 tienden a ser bastante pesadas y voluminosas, se plantean unas demandas exigentes a las habilidades técnicas de los diseñadores de los equipos móviles y también sobre la elección de materiales.

En segundo lugar, las aplicaciones móviles tienden a funcionar con márgenes bastante amplios en cuanto a la carga del motor (y gasificador). Bajo una serie de circunstancias (especialmente largos períodos de inactividad) esto puede originar la formación de alquitranes y la obturación de los refrigeradores, depuradores y motores, como sucedió corrientemente durante la Segunda Guerra Mundial.

Las aplicaciones en trenes y lanchas sufren menos limitaciones en cuanto a peso y carga y, por ello, dan mejores resultados.

Los motores readaptados con gasógeno presentan una pérdida apreciable de potencia máxima, y dependerá mucho de las condiciones topográficas (terreno llano o montañoso) y de la destreza del conductor el que el vehículo pueda funcionar satisfactoriamente.

El que estos inconvenientes se vean compensados por una mejor economía de los vehículos de transporte alimentados con gasificador, dependerá enteramente de la situación del país, sobre todo del coste y disponibilidad de gasolina y gasoil.

2.8. Riesgos sanitarios y ambientales derivados del empleo del gas pobre

2.8.1. Riesgos tóxicos2.8.2. Riesgos de incendio2.8.3. Riesgos de explosión2.8.4. Riesgos ambientales

Un análisis de los diferentes tipos de peligros y efectos ambientales de la utilización del gas pobre, ha sido publicado por Kjerllström (23).

Sus principales clases son los riesgos tóxicos, los de incendio y de explosión.

2.8.1. Riesgos tóxicos

Un componente importante del gas pobre es el monóxido de carbono, gas extremadamente tóxico y peligroso debido a su tendencia a combinarse con la hemoglobina de la sangre, lo que evita la absorción y distribución del oxígeno. En el Cuadro 2.9. se presenta un resumen de los efectos ocasionados por diferentes concentraciones de monóxido de carbono en el aire.

Afortunadamente las instalaciones normales de gas pobre trabajan por succión, de modo que aunque se produzca una pequeña fuga en la instalación, no se escapan del equipo gases peligrosos durante su funcionamiento. Sin embargo, la situación es distinta durante la puesta en marcha y en el cierre de la instalación.

Durante la puesta en marcha generalmente se da salida al gas, siendo necesario garantizar que los gases producidos no se retienen en una habitación cerrada. Como norma, una chimenea apropiada proporciona suficiente seguridad.

Durante el cierre de la instalación se produce un aumento de presión en el gasificador, ocasionado por el combustible todavía caliente y en fase de pirólisis. Como resultado de ello, se liberan de la instalación gases que contienen monóxido de carbono, durante un período relativamente corto. Debido al peligro de estos gases, generalmente se recomienda que la instalación del gasificador se sitúe al aire libre, si es necesario protegida con un techo.

Ha habido algunas discusiones, resultantes de la experiencia sueca, sobre la posibilidad de que se produzca un envenenamiento crónico como consecuencia de la inhalación prolongada de cantidades relativamente pequeñas de monóxido de carbono, que no producen efectos agudos. Parece que este tema ya ha sido resuelto: no se pueden producir síntomas crónicos por envenenamiento de monóxido de carbono.

No obstante, esto no significa que los síntomas mencionados en la bibliografía sueca (cansancio, irritabilidad y susceptibilidad, dificultad de sueño) no fueran resultado de una exposición prolongada al gas pobre. Existe la posibilidad de que algunos otros componentes del gas sean responsables de tales síntomas.

Lo anterior subraya de nuevo la importancia de situar las instalaciones fijas al aire libre y también de tener cuidado de evitar un contacto directo con los gases durante las fases de arranque y cierre.

Cuadro 2.9. Efectos tóxicos de diferentes concentraciones de monóxido de carbono en el aire

Porcentaje de CO en el aire

ppm efectos

0,005 50 sin efectos importantes

0,02 200 posiblemente dolor de cabeza, en la frente y ligero durante 2 ó 3 horas

0,04 400 dolor en la frente y náuseas, después de 1 a 2 horas; en la parte posterior de la cabeza, después de 2,5 a 3,5 horas

0,08 800 dolor de cabeza, mareos y náuseas en 45 minutos; colapso y posiblemente inconsciencia, en 2 horas

0,16 1 600 dolor de cabeza, mareos y náuseas en 20 minutos; colapso e inconsciencia y posible fallecimiento, en 2 horas

0,32 3 200 dolor de cabeza y mareos en 5 a 10 minutos; inconsciencia y peligro de muerte, en 30 minutos

0,64 6 400 dolor de cabeza y mareos, en 1 a 2 minutos, inconsciencia y peligro de muerte, en 10 a 15 minutos

1,28 12 800

efecto inmediato; inconsciencia y peligro de muerte en 1 a 3 minutos

2.8.2. Riesgos de incendio

Los riesgos de incendio pueden provenir de las siguientes causas:

- elevada temperatura exterior del equipo;- riesgos de chispas al recargar el combustible;- llamas en la entrada de aire del gasificador o en la tapa de recarga.

Los riesgos se pueden reducir considerablemente adoptando las siguientes precauciones:

- aislamiento de las partes más calientes del sistema;- instalación de un dispositivo de llenado de doble compuerta;- instalación de una válvula de retorno de la llama en la entrada del gasificador.

2.8.3. Riesgos de explosión

Se pueden producir explosiones si el gas está mezclado con suficiente aire para formar una mezcla explosiva. Esto puede producirse por varias razones:

- filtración de aire en el sistema de gas;

- penetración de aire al repostar combustible;

- filtración de aire en un gasificador frío que contiene todavía gas que, en consecuencia, se quema;

- retroceso de la llama desde el quemador de gases de escape, cuando el sistema se carga con una mezcla combustible de aire y gas durante el arranque.

La filtración de aire en el sistema de gas no da lugar generalmente a explosiones. Si se produce una filtración de aire en la parte inferior del gasificador (suele ser el caso) se produce una combustión parcial del gas, lo que eleva las temperaturas de salida del gas, disminuyendo su calidad.

Cuando los gases pirolíticos de la sección del depósito se mezclan con aire (lo que suele suceder durante el repuesto de combustible) se puede formar una mezcla explosiva. No es infrecuente que esto produzca pequeñas explosiones, relativamente inofensivas, especialmente cuando el nivel de combustible del depósito es relativamente bajo.

Se pueden evitar los riesgos para el operario si se queman los gases en la sección del depósito introduciendo un trozo de papel encendido o algo similar, inmediatamente después de abrir la compuerta del combustible. Otra posibilidad es instalar un sistema de relleno de doble compuerta.

La filtración de aire en un gasificador frío y el encendido inmediato producirá una explosión. Los sistemas cuando están fríos deben ventilarse siempre cuidadosamente, antes de encender el combustible.

Durante el arranque de una instalación, los gases como norma no se pasan por toda la sección de filtrado, a fin de evitar la obturación de los filtros por los alquitranes producidos durante el arranque. El filtro puede contener todavía aire y al producirse un gas inflamable y conducirlo a través de la sección de filtrado -a veces muy voluminosa- se puede producir una mezcla explosiva. Si en este momento se prende el gas en la salida del ventilador puede producirse un retroceso de la llama, dando lugar a una violenta explosión en la sección de filtrado. Por esta razón, es aconsejable equipar la salida del ventilador con un cierre hidráulico.

2.8.4. Riesgos ambientales

Durante la gasificación de la madera o de los residuos agrícolas, se producen cenizas (en el gasificador y en la sección de depuración) y líquido condensado (principalmente agua). Este último puede estar contaminado por resinas fenólicas y alquitrán.

Las cenizas no constituyen un riesgo ambiental y pueden eliminarse de forma normal. Para el líquido condensado que contiene alquitrán la situación es diferente y su eliminación en gran número de gasificadores puede tener efectos ambientales perturbadores. No se dispone de datos definitivos sobre biodegradación de los componentes fenólicos y los alquitranes de los líquidos condensados, siendo necesario estudiar cuidadosamente su eliminación.

Las propiedades de las emisiones de escape de los motores que funcionan con gas pobre se consideran generalmente aceptables, comparables a las de los motores diesel.

Capítulo 3. Experiencias suecas recientes sobre el funcionamiento de vehículos con gas de madera y

carbón vegetal

3.1. Resumen de los trabajos de desarrollo y ensayos realizados en el Instituto Nacional de Ensayos de Maquinaria3.2. Experiencias obtenidas de la adaptación y funcionamiento de vehículos modernos3.3. Vehículos que han funcionado recientemente con gas pobre en otros países3.4. Evaluación económica del funcionamiento de vehículos con gas de madera3.5. Viabilidad del empleo de la tecnología del gasificador de vehículos para instalaciones fijas3.6. Riesgos operativos

Suecia tiene actualmente una gran dependencia de los vehículos de carretera que utilizan combustibles de petróleo importados, para el transporte de mercancías y personas dentro del país. Aproximadamente el 90 por ciento de los viajeros y el 50 por ciento del transporte de mercancías están basados en el empleo de vehículos de carretera.

Es de esperar que continúe esta dependencia de los vehículos de carretera. Como no se han descubierto yacimientos importantes de petróleo en Suecia, seguirá la dependencia de los combustibles importados en el sector del transporte. Suecia está, a este respecto, en situación semejante a la de muchos países en desarrollo importadores de petróleo.

Es indudable que una dependencia tan grande de los combustibles importados de petróleo para una función muy importante en una sociedad moderna, coloca a una nación en una posición muy vulnerable frente al aumento de los precios del petróleo y a los bloqueos de abastecimiento. La necesidad de contar con una alternativa de suministro nacional de combustible para los vehículos de carretera y los tractores agrícolas, ya se reconoció en Suecia a finales de los años 30 y desde entonces ha constituido una política oficial para situaciones de emergencia el utilizar los

gasificadores de madera y de carbón vegetal, en caso de una grave crisis de suministro de combustibles de petróleo.

Esta política fue aplicada con éxito durante la Segunda Guerra Mundial. La mayoría de los vehículos de carretera y tractores agrícolas, funcionaron entonces con gasificadores de madera o de carbón vegetal. Como se muestra en el Cuadro 3.1., la introducción práctica de los gasificadores fue muy rápida. Partiendo de menos de 1 000 vehículos que funcionaban con gas en 1939, su número aumentó a mas de 70 000 en 1942. Esta rápida introducción no habría sido posible probablemente si no hubiera existido un vivo interés por la tecnología a partir de los años 20, con algunos centenares de vehículos funcionando en los años 30.

El Consejo Nacional de Defensa Económica (National Board for Economic Defence) que es el órgano responsable de la planificación de situaciones de emergencia de abastecimiento de energía, considera todavía que la adaptación de los tractores agrícolas, autobuses, camiones y vehículos de pasajeros, para su funcionamiento con gasificadores, es la única alternativa realista en una crisis prolongada de abastecimiento de combustibles de petróleo. Se considera que la utilización de las astillas de madera como combustible es preferible a la de los tacos de madera y el carbón vegetal que se utilizaron en la Segunda Guerra Mundial. Las razones en su favor están en la posibilidad de preparar el combustible con equipo ya existente en la industria de celulosa y papel y que se evitan grandes pérdidas de energía. La utilización de bloques de madera y carbón vegetal exigiría inversiones en nuevos equipos para la preparación del combustible. Esto traería consigo inconvenientes económicos y retrasos en la introducción de un abastecimiento alternativo de combustible. El uso del carbón vegetal llevaría inevitablemente a la pérdida de más del 50 por ciento de la energía disponible en la biomasa.

Teniendo en cuenta que los recursos de biomasa son limitados (la utilización máxima de combustibles de biomasa que puede sostenerse por varios años con la estructura actual de la silvicultura y la agricultura, puede calcularse en unas 150 TWh) y que el combustible de biomasa se necesitará también para otros fines, en el caso de una crisis de abastecimiento de petróleo, se evitará la utilización del carbón vegetal para gasificadores de vehículos.

El interés sueco por los gasificadores de madera está, estrechamente relacionado, por lo tanto, con la necesidad que siente el gobierno de mantener una solución de emergencia para el abastecimiento de combustible al sector de transporte. Es evidente que los gasificadores de madera constituyen una alternativa real para los combustibles de petróleo, de introducción rápida, sólo si existe un desarrollo continuado de la tecnología, seguido de ensayos en el terreno con los tipos de vehículos que reciban mayor prioridad para su adaptación al gas de madera, en el caso de una crisis de abastecimiento de combustibles de petróleo.

A continuación se resumen los resultados de estos trabajos de investigación y desarrollo y algunos ensayos en el terreno.

En la última parte de este capítulo se analiza la economía del empleo de los gasificadores de madera o de carbón vegetal para vehículos, con los precios actuales de la gasolina y del gasoil, y la posibilidad de utilizar este tipo de tecnología en aplicaciones fijes. No obstante, debe destacarse que la economía actual no es realmente un tema de este trabajo y que la utilidad de esta tecnología para aplicaciones fijas probablemente se limite a aplicaciones cuyos requisitos sobre el carácter compacto y ligero de las instalaciones sean tan importantes que se puedan

aceptar sacrificios en lo relativo a la corta duración de los equipos y al tiempo adicional de operario que se necesita para el repuesto de combustible y la extracción de ceniza y polvo.

3.1. Resumen de los trabajos de desarrollo y ensayos realizados en el Instituto Nacional de Ensayos de Maquinaria

3.1.1. Alcance de los trabajos3.1.2. Gasificador de astillas de madera3.1.3. Sistema de filtro de tela de fibra de vidrio3.1.4. Adaptación de motores diesel para su funcionamiento con gas pobre3.1.5. Ensayos con diferentes combustibles

3.1.1. Alcance de los trabajos

El objetivo de estos trabajos de desarrollo, que comenzaron en 1957, ha sido desarrollar un modelo de sistema de gasificador de madera que pudiera fabricarse en una variedad limitada de tamaños y emplearse para los vehículos que funcionan corrientemente en Suecia. Posteriormente, se enfocó a la utilización de astillas de madera como combustible, por las razones explicadas anteriormente.

Cuadro 3.1. Desarrollo en Suecia de una flota de vehículos con gas pobre de 1933 a 1945

El desarrollo de un sistema con gasificador para vehículos de pasajeros fue realizado por el fabricante sueco de vehículos Volvo. Los resultados de este trabajo están patentados.

El desarrollo de sistemas con gasificador adaptados para tractores agrícolas, autobuses y camiones, fue realizado por el Instituto Nacional Sueco de Ensayos de Maquinaria Agrícola.

Este trabajo incluyó los elementos siguientes:

1. Desarrollo de un gasificador de tiro invertido adecuado para astillas de madera y establecimiento de normas de diseño para este tipo de gasificadores.

2. Desarrollo de un sistema de filtro de tela de fibra de vidrio, para el gas de madera.

3. Estudios sobre la adaptación de motores diesel de inyección directa, para funcionamiento con doble combustible y preparación de normas de adaptación.

4. Ensayos en el terreno de un número limitado de vehículos.

Los resultados de los trabajos realizados hasta 1962 han sido publicados (en sueco) por Nordström (33). No existe informe oficial de los trabajos realizados posteriormente. En la última parte de esta sección se resumen los resultados de los trabajos de desarrollo de los equipos. En la sección 3.2. se resumen los resultados de los ensayos en el terreno.

3.1.2. Gasificador de astillas de madera

Hacia el final de la Segunda Guerra Mundial, se habían desarrollado gasificadores para vehículos a base de tacos de madera a tal nivel que parecía demostrar una seguridad aceptable de la tecnología. Las normas de diseño para acoplar las dimensiones del gasificador al tamaño y condiciones de funcionamiento del motor, estaban bastante bien establecidas. En (43) se resumen las normas de diseño empleadas en aquel momento en Suecia.

Los primeros ensayos con astillas de madera, publicados por Nordström (33) en 1963, fueron realizados en un gasificador de tiro invertido tipo Imbert, modificado, con un hogar en V, (véase la Figura 3.1.) y con parrilla fija. Las experiencias fueron bastante desalentadoras. La aglutinación en el depósito de combustible día lugar a un flujo irregular de combustible en el gasificador. Se producía una obstrucción de la zona de reducción que daba lugar a una fuerte caída de presión del gasificador, cuando había transcurrido menos de una hora de funcionamiento. En algunos ensayos se observó un alto contenido de alquitrán.

Pronto se llegó a la conclusión de que se necesitaba una parrilla móvil cuando se empleaban como combustible astillas de madera. Se descubrió que el problema de aglutinación estaba relacionado con la adhesión del combustible a la pared, en la zona de pirólisis, donde algunos de los alquitranes arrastrados del combustible se condensaban y deban lugar a una superficie pegajosa. El problema se redujo a una dimensión aceptable introduciendo una pantalla en el depósito de combustible, con el fin de evitar el contacto entre el combustible y las paredes, en la zona de pirólisis. Véase la Figura 3.2.

En el cuadro 3.2. y en la Fig. 3.3. se presentan las principales dimensiones de los tres tamaños normales de gasificadores, cada uno de ellos para cuatro combinaciones de tamaño de la placa de cierre y de las toberas.

En comparación con las normas de diseño de los gasificadores para tacos de madera, presentadas en el Capítulo 2, la máxima "carga del hogar" Bg, definida como la velocidad superficial del gas al pasar por la sección más estrecha del gasificador, es generalmente algo superior, es decir, alrededor de 1,0 m³/cm² h, y la relación de reducción, superior, es decir alrededor de 6 a 9. Las dimensiones de los diseños normales de gasificadores de astillas de madera, muestran las siguientes diferencias respecto a las recomendaciones del Capítulo 2.

- El número de toberas de aire es generalmente mayor.

- La relación entre la superficie de las toberas y la superficie de la garganta varia de forma algo distinta para los tres tamaños normales de hogar; véase la Figura 3.4.a.

- La relación entre el diámetro del hogar y el diámetro de la garganta dr/dt es generalmente superior a la recomendada para el caso de tacos de madera.

- La relación entre el diámetro en la punta de la tobera y el diámetro de la garganta dnt/dt es generalmente superior a la recomendada para el caso de tacos de madera.

- La altura de la zona de reducción es mucho menor que el promedio de 32 cm, de los gasificadores de tacos de madera, y para los tamaños más pequeños, incluso inferior a la altura mínima de 20 cm recomendada en el Capitulo 2 para el caso de tacos de madera.

Figura 3.1. Gasificador de tiro invertido, tipo Imbert modificado, con el hogar en V, ensayado por Nordström (33)

Figura 3.2. Esquemas de gasificadores de tipo normal para astillas de madera y tacos de madera: a. Diseño para astillas de madera

Figura 3.2. Esquemas de gasificadores de tipo normal para astillas de madera y tacos de madera: b. Adaptación para tacos de madera

Cuadro 3.2. Principales dimensiones de los gasificadores de tipo normal para astillas de madera

Dimensiones del depósito de combustible (mm)

dB 627 627 627 720

hB 790 930 1 270 1 450

h1 340 480 820 900

h2 220 360 700 610

Volumen total dm³ 155 199 304 401

Figura 3.3. Principales dimensiones de los gasificadores de tipo normal para astillas de madera

Figura 3.4. Normas de diseño para gasificadores de tiro invertido: a. Relación entre la superficie de salida de la tobera, An, y la superficie de la garganta, At, en función del diámetro de la garganta.

Figura 3.4. Normas de diseño para gasificadores de tiro invertido: b. Diámetro del hogar dr, en función del diámetro de la garganta, dt.

Figura 3.4. Normas de diseño para gasificadores de tiro invertido: c. Diámetro del anillo de las puntas de las toberas, ddn, en función del diámetro de la garganta.

Figura 3.4. Normas de diseño para gasificadores de tiro invertido: d. Altura del plano de los inyectores sobre la garganta, hnt, en función del diámetro de la garganta.

Otras características de los gasificadores normales de astillas de madera, consisten en que el gas sale del gasificador aproximadamente al nivel de la garganta y que la superficie exterior de la parte alta del gasificador actúa como superficie de refrigeración para la condensación de agua y alquitranes. El liquido de condensación se desagua en un recipiente independiente, situado cerca del gasificador.

La principal ventaja de este sistema es que es posible desaguar los líquidos de condensación que se forman después de la operación de parada, cuando el gasificador se enfría. De no ser así, el líquido condensado podría humedecer el lecho de carbón vegetal en la zona del hogar y ocasionar dificultades para encender de nuevo el gasificador. Se producirá también un cierto secado del combustible, tal como indican los ensayos publicados por Nordström (33). De acuerdo con ello, puede desaguarse del 60 al 80 por ciento de la humedad de la madera de alimentación del gasificador por el recipiente de liquido condensado.

La sección de la garganta se obtiene mediante un anillo postizo, que descansa sobre otro anillo de apoyo que puede colocarse a distintos niveles, por debajo del plano de las puntas de las toberas, variando el número de anillos de distanciamiento entre el anillo de apoyo y los soportes soldados a la pared del hogar. Este anillo de la garganta puede cambiarse fácilmente para adaptar el gasificador a unas nuevas condiciones de funcionamiento y se puede sustituir también con facilidad si se daña por calentamiento excesivo.

La eficiencia global, con gas frío, de este tipo de gasificador, viene definida por:

donde:

g = eficiencia global con gas frío.qVg = flujo de gas, en volumen.qMg = flujo de combustible, en peso.Hig = valor calorífico inferior del gas.Hif = valor calorífico inferior del combustible.

se ha calculado que es del orden del 70 por ciento para una amplitud de carga entre el 100 y el 20 por ciento. Se ha determinado que el contenido de alquitrán en el gas está entre 0,04 y 0,20 g/m³ para la variación real de cargas. El contenido de alquitrán puede compararse con las normas dadas por Tiedema et al (42), según las cuales, el contenido de alquitrán debe ser inferior a 0,5 g/m³, si el gas tiene que servir como combustible para un motor de combustión interna.

3.1.3. Sistema de filtro de tela de fibra de vidrio

La depuración del gas para un sistema típica de gasificador de madera empleado en la Segunda Guerra Mundial, se lograba mediante un ciclón, un refrigerador de gas con cierta acción depuradora y un filtro de lecho compacto; véase la Figura 3.5.a.

Nordström ha publicado los ensayos sistemáticos realizados con este tipo de sistema de depuración de gas (33), según los cuales se acumulaban sedimentos en el mezclador gas-aire y en la tubuladura de admisión, a una velocidad de 1-2 g/h. El desgaste del motor y la contaminación del aceite lubricante, excedían notablemente a los observados en el funcionamiento con gasoil.

Después de considerar varias posibilidades de sistemas perfeccionados de depuración del gas, como filtros de tela, filtros electrostáticos, y depuradores húmedos, se eligieron como mas apropiados para aplicaciones a vehículos, los filtros de tela que utilizan una tela de fibra de vidrio, como material filtrante.

La tela de fibra de vidrio tiene como temperatura máxima de funcionamiento los 300°C lo que significa que es posible que el filtro funcione a una temperatura con un gran margen sobre el punto de condensación del gas. Esta es de 45-60°C cuando se emplea como combustible la madera, con un contenido de humedad del 20 al 35 por ciento. El funcionamiento de un filtro de tela con condensación en el mismo, da lugar a una caída muy fuerte de presión a través del filtro y, en consecuencia, a una menor potencia de salida del motor.

A fin de estudiar el desgaste del motor y la contaminación del aceite lubricante, se realizaron ensayos comparativos de funcionamiento con gas de madera, empleando un sistema de depuración con filtro de tela, Figura 3.5.b. y de funcionamiento con gasoil, de tres tractores agrícolas en las condiciones del campo. Se encontró (véase el Cuadro 3.3.) que el desgaste de los cilindros era considerablemente inferior que con el antiguo sistema de depuración y, en algunos casos, incluso inferior que cuando se funciona con gasoil. Se obtuvo un resultado semejante en cuanto a la contaminación del aceite lubricante. Las concentraciones de polvo después de la depuración eran de 0,3 mg/m³ con el sistema de filtro de tela, en comparación con 200-400 mg/m³ para el sistema de depuración en húmedo. Como puede observarse, Tiedema et al. (42) consideran que es aceptable menos de 50 mg/m³ y que es preferible que sea inferior a 5 mg/m³.

Después de realizar ensayos con filtros de distintas configuraciones, se diseñó una caja normal de filtros, véase Figura 3.6., en la que se colocan ocho bolsas de filtro que dan una superficie total de filtrado de 3,0 m². La caja se aisla con una capa de 10 mm de espesor de lana mineral. El peso de una caja completa de filtros es de 65,5 kg.

Figura 3.5. Sistemas de depuración de gas, para vehículos, ensayados por Nordström (33) a. Sistema tradicional de depuración en húmedo

Figura 3.5. Sistemas de depuración de gas, para vehículos, ensayados por Nordström (33) b. Sistema de depuración de filtro de tela con ciclón

Se recomienda que el máximo flujo de gas que pase por una caja de filtros sea inferior a 65 m³/h, con una velocidad equivalente a través del filtro de tela de 0,01 m/s, con una temperatura de funcionamiento de 200°C.

La pérdida de presión por el filtro depende de la carga y de la cantidad de polvo existente en el filtro. Si se produce condensación en el filtro y la tela se humedece, la pérdida de presión aumenta considerablemente.

Para tela seca, con una capa normal de polvo, la pérdida de presión varía con la carga, aproximadamente como se indica en el Cuadro 3.4.

Los ensayos prácticos realizados con un camión (Scania Vabis L75, véase el Cuadro 3.11.), para estudiar el incremento de la pérdida de presión con la acumulación de polvo, demuestran que circulando a una velocidad de 60 km/h en carretera llana, con bolsas de filtro limpias, la pérdida de presión fue alrededor de 150-200 mm Wg hasta 500-750 km (es decir, 8-12 h). La pérdida de presión se incrementó después en 6075 mm Wg para 1 000 km y después de 3 000 km (es decir, 50 h) la pérdida de presión se había incrementado al doble del valor correspondiente al de bolsas de filtro limpias.

El intervalo de depuración en la práctica, viene determinado por la pérdida de potencia que esté dispuesto a aceptar el conductor resultante de la caída de presión en el filtro. Los intervalos normales de limpieza varían entre 1 500 y 3 000 km.

Las mediciones de las pérdidas de presión ocasionadas por la condensación en las bolsas de filtro, véase Nordström (33), demuestran que la humedad puede incrementar la caída de presión por un factor superior a 6. A fin de evitar la condensación, debe hacerse funcionar el gasificador con el ventilador de arranque hasta que la temperatura del gas en la salida del gasificador sea de unos 250°C. Esto puede exigir el funcionamiento del ventilador de 15 a 20 minutos, dependiendo de la temperatura ambiental.

Cuadro 3.3. Experiencias con diferentes sistemas de depuración de gas, publicadas por Nordström (33)

Número del tractor 01 02 03 06 08

Ensayos de desgaste de los cilindros

Funcionamiento exclusivo con diesel (tipo similar de tractor) mm/1 000 h

0,016 0,028 0,031 0,005-0,010

0,020

Funcionamiento con gas pobre/diesel

Sistema antiguo de depuración (Fig. 3.5.a.)

Periodo de ensayo, h 910 1 540 420

Desgaste mm/1 000 h 0,05 0,05 0,06

Funcionamiento con gas pobre/diesel

Sistema de depuración con filtro de tela (Figura 3.5.b.)

Periodo de ensayo, h 1440 1860 1860

Desgaste mm/1 000 h 0,007 0,019 0,011

Contaminación del aceite(expresado en cantidad de productos insolubles en benceno después de 100 h)

Funcionamiento exclusivo con diesel 0, 2 - 0,3%

Funcionamiento con gas pobre/diesel, sistema antiguo de depuración

0,54 - 1,97%

Funcionamiento con gas pobre/diesel, sistema de depuración con filtro de tela

promedio 0,75%

0,12%

Cuadro 3.4. Pérdida de presión en el filtro de tela

Flujo de gasm³/hm²

Pérdida de presiónmm Wg 1/

10 130

20 250

30 380

40 5001/mm de H2O medidos con un manómetro de agua.

3.1.4. Adaptación de motores diesel para su funcionamiento con gas pobre

a) Transformación para encendido de chispa

Entre 1957 y 1963 se realizaron estudios detallados sobre la adaptación de dos motores diesel de fabricantes suecos, Volvo y Bolinder-Munktell, a encendido por chispa, a fin de funcionar sólo con gas pobre, estudios que han sido publicados por Nordström (33).

Las modificaciones incluyeron la sustitución de la tapa de los cilindros para poder acoplar las bujías, la sustitución de la bomba de inyección por un distribuidor, y el uso de pistones especiales para gas pobre que dan un índice menor de compresión. En uno de los motores se ensayaron distintas formas de la cámara de combustión.

El Cuadro 3.5. presenta un resumen de los principales datos y resultados de los dos motores estudiados. El coste de adaptación, sólo del motor, calculado para la cotización del dólar EE.UU. de 1984, resultó ser del orden de 40 a 50 $/kW.

b) Utilización de doble combustible en motores diesel con antecámara y cámara de turbulencia

Nordström (33) relata los ensayos realizados de funcionamiento con doble combustible de un motor diesel con antecámara y cámara de turbulencia. Los ensayos indican que estos motores no son adecuados para funcionar con doble combustible porque se produce un encendido demasiado avanzado de la mezcla de gas y aire, lo que origina el golpeteo diesel, a menos que la carga sea bastante reducida o que la mezcla de gas y aire esté limpia, lo que lleva a una sustitución moderada del gasoil.

c) Utilización de doble combustible en motores de inyección directa

En el Instituto Nacional Sueco de Ensayos de Maquinaria Agrícola se han realizado estudios sobre el rendimiento de motores diesel de inyección directa, funcionando con el sistema de doble combustible con una inyección mínima de gasoil. Los ensayos continúan. En los Cuadros 3.10. y 3.11. se da una lista de los vehículos ensayados.

Cuadro 3.5. Datos y resultados de dos motores diesel adaptados para encendido por chispa y funcionamiento exclusivo con gas pobre

Tipo de motor Volvo D47

Bolinder-Munktell BM 1113

No de cilindros 6 3

Volumen de cilindrada dm³ 4,7 3,78

Diámetro de los cilindros mm 95 111

Longitud de carrera mm 110 130

Funcionamiento con diesel

Indice de compresión 17,1 16,5:1

Potencia máxima kW 71 42

rpm a la potencia máxima 2 800 2 200

Funcionamiento con gas pobre

Indice de compresión 7,6:1 10:1

Potencia máxima kW 34 19,6

rpm a la potencia máxima 2 200 2 200

Potencia de salida correspondiente al funcionamiento exclusivo con diesel, para diferentes velocidades

rpm

800 20% 12%

1 500 31 18

2 000 38 21 1/

2 500 451/La eficiencia es sorprendentemente baja, comparada con la potencia máxima de salida, registrada a 2 200 rpm.

Figura 3.6. Diseños de filtros de tela de tipo normal

La experiencia indica que las modificaciones necesarias suelen ser sencillas, y se limitan a:

- la instalación de una palanca de maniobra para obtener cantidades de inyección reducidas y mantener la posibilidad de inyección normal funcionando sólo con diesel;

- modificación de la bomba de inyección para obtener unas características adecuadas de inyección (inyección constante por carrera del cilindro para velocidad variable del motor);

- avance del punto de inyección.

Los motores de inyección directa funcionan normalmente bien con el sistema de doble combustible, con un índice de compresión de 1:16 a 1:16,5. En algunos casos puede producirse el golpeteo diesel. El índice de compresión debe reducirse en este caso, utilizando juntas dobles en las tapas de los cilindros. La reducción del volumen de inyección se consigue para las bombas en línea, limitando mecánicamente el movimiento de la barra reguladora.

Para estas bombas, se consiguen unas características de inyección apropiadas empleando una válvula de salida especialmente diseñada, véase Nordström (33). Para las bombas rotativas de inyección, el flujo se reduce ajustando la válvula dosificadora. Las bombas rotativas pueden sufrir, por enfriamiento y lubricación inadecuados si el flujo de inyección se reduce, porque habrá un abastecimiento muy escaso de combustible frío a la bomba. Esto se puede solucionar llevando el exceso de flujo de la bomba al tanque de combustible, en lugar de volverlo a circular hacia el filtro; véase la Figura 3.7. Dependiendo del diseño del inyector, puede ser necesario modificar el montaje de los inyectores o colocarlos de nuevo para evitar la carbonización resultante de la elevada temperatura del inyector ocasionada por el escaso flujo de inyección. Un ejemplo de tal modificación se presenta en la sección 3.2.2.

Los estudios de los efectos del punto de inyección sobre la potencia de salida, indican que el punto de inyección no es muy importante para velocidades del motor inferiores a 1 200 rpm, y que el avance del punto de inyección es más importante al aumentar la velocidad. Un avance de la inyección superior a 35-40°, se observó que produce fluctuaciones de presión. Puede ser necesario conseguir un equilibrio entre una potencia máxima para altas revoluciones por minuto y una combustión sin perturbaciones para bajas rpm. Se recomienda que el establecimiento del punto de inyección para operar con doble combustible se determine mediante ensayos en banco de prueba para cada tipo de motor.

El Cuadro 3.6. muestra ejemplos de los datos de rendimiento obtenidos en ensayos de laboratorio, para dos motores de inyección directa que funcionan con doble combustible. La eficiencia total en cuanto a potencia de los motores, es alrededor del 35 por ciento. La sustitución de gasoil está entre el 80 y el 90 por ciento.

La pérdida de potencia cuando se opera con doble combustible, se determinó entre un 10 a un 38 por ciento; véase los Cuadros 3.10. y 3.11.

3.1.5. Ensayos con diferentes combustibles

a) especificaciones de los combustibles

Se realizaron ensayos prácticos con gasificadores para astillas de madera, desarrollados en el Instituto Nacional Sueco de Ensayos de Maquinaria Agrícola, con contenidos de humedad del combustible (base húmeda) de un 10 a un 20 por ciento.

El limite máximo de contenido de humedad, para una calidad aceptable de gas, se ha establecido en el 30 por ciento. Si excede del 40 por ciento el gas no es combustible.

La distribución por tamaños de las astillas de madera puede variar, dependiendo de las características de la astilladora. Unas astillas largas pueden ocasionar problemas de flujo en el depósito de combustible. Se recomienda cribar las astillas para quitar los elementos finos (inferiores a 10 x 10 mm) y los trozos grandes (tamaño máximo, unos 60 mm). En el Cuadro 3.7. se presenta una distribución normal por tamaños, de astillas de madera adecuadas.

Se han realizado ensayos con un tipo de gasificador F5 montado sobre un tractor, a fin de estudiar el efecto de la distribución por tamaños, sobre la potencia máxima de salida. Los resultados se resumen en el Cuadro 3.8.

El aumento de potencia puede explicarse en parte por la reducción de las pérdidas de presión en el gasificador. Parece que en estos ensayos se mejoró también la calidad del gas cuando se eliminaron los elementos finos, ya que menos del 50 por ciento del aumento de potencia puede explicarse por la menor pérdida de presión.

De acuerdo con estos ensayos, la extracción de los elementos finos (por debajo de 5 mm) produce un aumento sustancial, de potencia, con un costo relativamente bajo, del orden del 3 por ciento de aumento del coste de combustible. El cribado para extraer el material de 5 a 10 mm puede considerarse también justificado, pero otro nuevo cribado no parece dar aumento ninguno de potencia.

b) Utilización de tacos de madera

El gasificador para astillas de madera puede convertirse fácilmente para utilizar tacos de madera, sustituyendo la pantalla cónica por un cilindro perforado; véase la Figura 3.2. La potencia de salida se mejorará por lo menos en un 10 por ciento cuando se emplean tacos de madera, como resultado de la reducción de pérdidas de presión en el gasificador.

Cuadro 3.6. Resultados de los ensayos de rendimiento de motores de inyección directa funcionando con el sistema de doble combustible

Velocidad del motorrpm

Potencia de salida

kW

Consumo específico de combustible

Eficiencia%

Fracción de gasoil del Combustible

% Gas pobrem³/kWh

Gasoil g/kWh

Camión, Scania Vabis L5150Volumen de los cilindros 6,2 dm³, índice de compresión 16:1

Ensayo de potencia total

1 000 36,7 1,63 19,1 36,0 8,3

1 200 43,2 1,63 23,2 35,6 10,0

1 400 49,6 1,63 26,3 35,0 11,1

1 600 55,5 1,61 28,8 34,9 12,2

1 800 60,2 1,65 30,8 33,8 12,7

2 000 62,8 1,75 32,5 32,0 12,6

2 200 64,6 1,84 34,0 30,5 12,6

Tractor, Fordson Power MajorVolumen de los cilindros 3,6 dm³

Ensayo con cargo parcial

1 600 29,6 1,64 48,0 32,5 19,0

1 800 25,1 1,67 57,3 30,8 21,6

1 840 22,2 1,80 64,0 28,3 22,1

1 890 14,8 2,40 84,0 21,2 21,8

1 920 7,4 4,00 183,0 12,0 26,8

Figura 3.7. Modificación del sistema de combustible para funcionamiento con doble combustible

Cuadro 3.7. Distribución característica de tamaños para astillas de madera apropiadas para gasificadores de vehículos

Escalas de tamaño % de peso

Inferior a 5 x 5 mm 2 - 3

5 x 5 - 10 x 10 6 - 11

10 x 10 - 15 x 15 12 - 19

15 x 15 - 20 x 20 20 - 24

20 x 20 - 25 x 25 25 - 30

25 x 25 - 30 x 30 9 - 20

30 x 30 - 35 x 35 alrededor de 5

35 x 35 y superior alrededor de 3

Cuadro 3.8. Mejora de la potencia máxima de salida mediante cribado de las astillas de madera

Escalas de tamaño Astillas sin cribar 5-40mm

10-40mm

15-40mm

Pérdida de cribado % - 3 14 34

Caída de presión en la barra del gasificador 0,18 0,13 0,09 0,08

Potencia de salida a 1 800 rpm kW 16,8 18,1 21,1 21,0

Aumento de potencia por cribado % 0 7,7 25,5 25,5

c) Utilización de otros combustibles

Se han realizado ensayos de distancia recorrida con combustibles de biomasa distintos de los tacos y astillas de madera, en estos tipos de gasificadores, para servir como base de evaluación de las necesidades de nueva investigación y desarrollo, en el caso de que haya que emplear tales combustibles en ciertas aplicaciones.

El Cuadro 3.9. resume los resultados de estos ensayos, algunos de los cuales han sido publicados en detalle por Höglund (18). De los combustibles ensayados, sólo la cáscara de coco mostró un rendimiento similar o superior al de las astillas de madera. La turba molida, las pacas de paja de trigo y la caña de azúcar prensada, resultaron ser inapropiadas.

Parece que con gránulos de paja prensada, gránulos de turba húmeda carbonizada, tepes de turba y probablemente también desperdicios de coco, puede ser necesario abrir el gasificador cada 6 a 8 horas de funcionamiento para extraer la escoria. Esto puede hacerse en 30 a 45 minutos y esta limpieza frecuente puede ser aceptable en algunas aplicaciones. De ser así, parece posible utilizar estos combustibles si se acepta una cierta pérdida de potencia. Si no es aceptable la limpieza frecuente del gasificador, el diseño de éste debe modificarse para eliminar el problema de formación de escoria. En la actualidad se están realizando estudios en este sentido en el Instituto de Beijer.

3.2. Experiencias obtenidas de la adaptación y funcionamiento de vehículos modernos

3.2.1. Necesidad de ensayos prácticos continuados3.2.2. Adaptación y funcionamiento de un tractor agrícola Massey Ferguson 11003.2.3. Adaptación y funcionamiento de un camión Scania3.2.4. Experiencias sobre el servicio, mantenimiento y averías de los equipos

3.2.1. Necesidad de ensayos prácticos continuados

El gas pobre se empleó como combustible sustitutivo para casi todos los vehículos que funcionaban en Suecia durante la Segunda Guerra Mundial. Desde entonces se han hecho algunas mejoras del gasificador y de la tecnología de depuración del gas. Esto no significa necesariamente que el gas pobre sea todavía una opción realista para la sustitución de los combustibles de petróleo en caso de una crisis de abastecimiento. Los motores actuales son diferentes de los empleados en los años 40 e igual sucede con los vehículos. Para evaluar las posibilidades actuales del gas pobre, es importante por tanto recoger y evaluar las experiencias obtenidas del funcionamiento de vehículos modernos con este combustible. Los Cuadros 3.10. y 3.11. enumeran los tractores y camiones adaptados en Suecia para gas pobre después de la Segunda Guerra Mundial. La mayoría de ellos han sido adaptados y ensayados por el Instituto Nacional Sueco de Ensayos de Maquinaria Agrícola y se han utilizado en funcionamiento real durante varios años, con seguimiento por parte del Instituto. Estos ensayos se han concentrado en el empleo de doble combustible, en motores de compresión-encendido. La experiencia de funcionamiento abarca actualmente más de 65 000 km para los camiones y 15 000 para los tractores.

Cuadro 3.9. Resultados de ensayos de distancia recorrida con diferentes combustibles de biomasa en el gasificador normal para astillas de madera

Combustible ensayado

Vehículo ensayado

Experiencias Conclusiones

Turba

Gránulos de turba húmeda carbonizada

Scania L80Gasificador F500

Distancia recorrida 224 km. Fuerte caída de presión en el gasificador. Formación de escoria en las toberas de aire, obstrucciones de alquitrán del filtro de tela.

El problema del alquitrán se puede eliminar eligiendo otra solución en cuanto a las toberas y a la placa obturadora

Tepes de turba Scania L80Gasificador F500 (configuración para tacos de madera)

Distancia recorrida 735 km. Formación de escoria, obstrucción de la envoltura perforada de combustible y de la cobertura de los líquidos de condensación. El filtro de tela necesita una limpieza más

Si es aceptable una limpieza frecuente del gasificador y los filtros, puede utilizarse el combustible.

frecuente que con las astillas de madera.

Turba molida Scania L80Gasificador F500

Gas difícilmente combustible. Gran pérdida de presión después de unos pocos km. Motor muy débil.

No es posible utilizar este combustible en el presente gasificador.

Residuos agrícolas

Gránulos de paja comprimidos

Scania L80Gasificador F500

Distancia recorrida 445 km. (8,5 h). Formación de una gran torta de escoria.

Si es aceptable una limpieza frecuente del gasificador, puede utilizarse el combustible.

Pacas de paja de trigo Tractor: Bolinder-

Munktell, BM650Gasificador F300 (configuración original)

4,5 h de funcionamiento. Aglutinamiento y fuerte formación de escoria. Potencia de salida 66 a 82% de la correspondiente a astillas de madera.

Este combustible no es apropiado para el presente gasificador.

Tractor: Bolinder-Munktell, BM650.Gasificador F300 (configuración para tacos de madera)

4 h de funcionamiento. Cierta aglutinación y fuerte formación de escoria. Potencia de salida 76 a 90% de la correspondiente a astillas de madera.

Caña de azúcar prensada y cortada.

Tractor: Bolinder-MunktellBM650.Gasificador F300.

3 h de funcionamiento. La aglutinación ocasiona una producción irregular de gas. Algo de formación de escorias. Potencia de salida 97% de la correspondiente a astillas de madera.

El combustible no es apropiado, en esta torea, para el presente gasificador.

Cáscara de coco triturada

Tractor: Bolinder-Munktell, BM650Gasificador F300.

7 h de funcionamiento. Excelente resultado. La potencia de salida es el 103% de la correspondiente a astillas de madera.

Buen combustible para el presente gasificados.

Desperdicios de coco, cortados

Tractor: Bolinder-Munktell, BM650.Gasificador F300 (configuración para tacos de madera)

2,5 h de funcionamiento. No hay aglutinación pero se observa cierta formación de escorias. Potencia de salida 102% de la correspondiente a astillas de madera.

Ensayos demasiado breves para obtener conclusiones. La ausencia de aglutinación es prometedora. Los indicios de formación de escoria demuestran que puede necesitarse una limpieza más frecuente del gasificados.

Cuadro 3.10. Tractores adaptados en Suecia para funcionar con gas pobre, después de la Segunda Guerra Mundial

Cuadro 3.11. Camiones adaptados en Suecia para funcionar con gas pobre después de la Segunda Guerra Mundial

Además, el Instituto ha adaptado y ha tenido en funcionamiento un coche de viajero, un Opel Rekord 1 700, que ha circulado mas de 47 000 km con un gesificador de astillas de madera. El fabricante sueco de automóviles Volvo ha adaptado y mantenido en funcionamiento tres vehículos de pasajeros, un Volvo 142 y dos Volvos 144, con motores del tipo B20.

El Instituto Beijer ha realizado adaptaciones recientes de camiones para ensayos de campo en países en desarrollo y también una empresa privada.

Los registros más completos sobre el funcionamiento de tractores y camiones modernos, se han recogido dentro del Programa dirigido por el Instituto Nacional Sueco de Ensayo de Maquinaria Agrícola. Más adelante se presentan las experiencias con dos de estos vehículos, un camión y un tractor agrícola.

Es indudable la necesidad de realizar ensayos en el terreno con cada modelo específico de vehículo y para todas las condiciones de funcionamiento, a fin de conseguir una evaluación completa del gas pobre como combustible para vehículos. Las experiencias descritas pueden servir únicamente para dar una cierta orientación en lo referente a su comportamiento técnico, necesidades de servicio y mantenimiento y duración del equipo.

Las experiencias no se refieren a los modelos de vehículos más recientes y no son necesariamente transferibles a las condiciones de funcionamiento de otros países. Los ensayos en el terreno en países en desarrollo, programados por la Dirección Sueca para el Desarrollo Internacional y otras Organizaciones Internacionales de Asistencia al Desarrollo, darán una valiosa información complementaria.

3.2.2. Adaptación y funcionamiento de un tractor agrícola Massey Ferguson 1100

a) Descripción general del tractor adaptado

Las experiencias procedentes de la adaptación de este tractor han sido publicadas (en sueco) por Axelsson (1).

El Cuadro 3.12. presenta los principales datos para el tractor transformado. En la Figura 3.8. se muestra el sistema de gasificador y en la Figura 3.9. una fotografía del tractor transformado.

El gasificador y el filtro del gas van montados en ménsulas atornilladas al cuerpo principal, en el lado izquierdo del tractor. La altura libre del gasificador sobre el terreno es de 500 mm. El refrigerador del gas va montado sobre ménsulas en la parte delantera del refrigerador del motor.

Figura 3.8. Diagrama esquemático del sistema de gasificador empleado para un tractor agrícola Massey Ferguson

Figura 3.9. Fotografía de un tractor agrícola Massey Ferguson 1100 adaptado para funcionar con gas de madera

Cuadro 3.12. Especificaciones del tractor Massey Ferguson adaptado para gas pobre

Tractor

Modelo y número Massey Ferguson 110 nr 915 12765

Peso total en la versión para gas pobre

5 090 kg.

Motor

Tipo y número Motor diesel Perkins, inyección directa nr VA 5143

Volumen de los cilindros 5,8 dm³

Número de cilindros 6

Indice de compresión 16:1

Bomba de inyección Tipo de distribuidor con un regulador centrífugo tipo CAV, DPA 326 2948

Inyectores Tipo CAV BDLL 150 S 6472

Sistema del gasificador

Gasificador Tipo E 5/80-150

Volumen del depósito de combustible

0,2 m³

Diámetro de la garganta 120 mm

Diámetro de las toberas 12 mm

Filtro de gas Filtro industrial AB

Superficie de filtrado 4,9 m² 1/

Refrigerador de gas Tipo D

Superficie de refrigerador 5,8 m²

Peso total 450 kg1/Originalmente 2,5 m². Este exigía una limpieza cada 20 horas, que no se consideró aceptable.

Sólo se necesitaban pequeños cambios del tractor original. Los faros delanteros fueron trasladados a la parte superior del techo, porque, de no ser así, la luz izquierda habría sido obstruida por el gasificador. El filtro de aire se ha girado de tal modo que el elemento añadido se pueda extraer desde el lado derecho del tractor, porque la caja de filtros de gas del lado izquierdo del tractor impediría el servicio del filtro de aire, en su posición original. Se ha hecho una nueva abertura en el capó del motor para el tubo de entrada de aire en el filtro de aire. Se han suprimido los elementos innecesarios de la parte delantera del tractor para dejar sitio al refrigerador de gas. El motor se ha equipado con un regulador adicional de velocidad, que actúa sobre el regulador de gas, en el mezclador gas/aire. Este regulador se acciona mediante una correa en V desde una polea adicional montada sobre el eje del ventilador. El sistema de inyección diesel fue el que necesitó los cambios más importantes. La bomba de inyección era del tipo de distribuidor, con un regulador centrífugo. El sistema original de inyección deba inyección a pequeñas velocidades del motor, sobrepasando las cantidades que se necesitan para la alimentación de doble combustible. El resultado de ello es que la inyección será innecesariamente grande para bajes velocidades.

Se obtuvo un volumen constante de inyección montando un dispositivo de ajuste para la presión de combustible normalmente utilizada en bombas con regulador hidráulico de velocidad. La Figura 3.10. muestra las características de inyección del sistema original y del modificado.

El calentamiento excesivo de la bomba se evitó llevando el caudal de exceso al tanque de combustible, tal como se describió en la sección 3.1.4. También se montó una pantalla de radiación para proteger la bomba y el filtro de combustible del calentamiento ocasionado por el gasificador caliente que va montado en el mismo lado que la bomba1. La bomba de inyección fue equipada con un tope graduable para la palanca de paro del motor, cerca de la posición cero de inyección. Con la palanca en este punto de parada, el flujo de la inyección es menor del necesario para la marcha en vacío, lo que significa que se puede parar el motor simplemente cerrando la garganta de gas, aunque el flujo de diesel no pueda cerrarse por completo. La palanca de paro la puede ajustar también el conductor, en una posición de diesel puro, lo que permite arrancar y funcionar a base de gasoil, si es necesario.

1 Estos cambios no se hicieron originalmente. Después de 25 horas de funcionamiento, la bomba se agarrotó, lo que fue atribuido a la insuficiente refrigeración y lubricación. Después de los cambios descritos, la bomba funcionó satisfactoriamente.

Figura 3.10. Características de la inyección del sistema de inyección de combustible original y modificado, para el tractor agrícola Massey Ferguson 1100

También se modificó el montaje de los inyectores porque después de funcionar algunas horas con el diseño original, los inyectores se calentaban y se producían depósitos de cok en los orificios de las toberas. Esto se debió al efecto combinado del escaso flujo de inyección en el sistema de doble combustible y de la forma en que iban montados los inyectores en la tapa de los cilindros. El motor está equipado con una tapa o culata que cubre los seis cilindros. Los orificios para los inyectores se hacen en el material de fundición. Esto da lugar a una mala refrigeración de los inyectores, debido en parte a la baja conductividad térmica del hierro colado, y en parte al excesivo grueso de la pared.

Para mejorar la refrigeración del inyector se acopló en el inyector un manguito de cobre y se abrió una conexión entre el espacio en que se colocan los inyectores y los canales de agua de refrigeración de la culata de los cilindros. Este cambio fue bastante sencillo de realizar. Después de esta modificación, fue necesario dar salida al agua de refrigeración del motor antes de quitar los inyectores.

La altura total del gasificador sobre el suelo es de 222 cm. La altura del ojo del conductor es de 225 a 240 cm, dependiendo de la forma en que se ajuste el asiento. El campo de visión en la dirección delantera izquierda está, en parte, obstruido por el gasificador y la caja de filtros. Hacia la derecha y hacia atrás el campo de visión no se ve afectado.

b) Ensayos de rendimiento en laboratorio

Se realizaron ensayos de laboratorio para establecer el rendimiento del sistema del gasificador y el motor transformado.

En el Cuadro 3.13. y en la Fig. 3.11. se da un resumen de los resultados de los ensayos. Se determinó que la potencia máxima en el sistema de doble combustible, es de 51 kW a unas 2 170 rpm (punto de inyección 30° antes de TDC). Esto es el 79% de la potencia máxima para funcionamiento exclusivo con diesel, con el punto de inyección recomendado (22° antes de TDC) y el 76% de la potencia diesel con el mismo punto de inyección que con el sistema de doble combustible. Como puede verse en el Cuadro 3.13. se determinó que la sustitución de gasoil, es del 80 al 85% y la eficiencia del sistema del gasificador, alrededor del 70%. Se encontró que los residuos sólidos en el cenicero representan hasta el 3,5% del consumo de combustible. Esto representaría una pérdida de alrededor del 5%, a plena potencia.

Se hicieron también ensayos con inyectores diferentes del tipo original, de cuatro orificios. Los inyectores del tipo de aguja en la culata original de los cilindros, no mostraron tendencia a la formación de cok -los inyectores se limpian por sí mismos- pero la potencia máxima en la operación con doble combustible resultó ser un 19% inferior que en el tipo de cuatro orificios. No se consideró posible, el funcionamiento exclusivo con diesel, con este inyector, porque se obtenían gases de escape con mucho humo, desde potencias reducidas. Los inyectores de dos orificios dieron la misma potencia, en el sistema de doble combustible, que los inyectores de cuatro orificios, para velocidades del motor hasta de 1.900 rpm y una potencia algo inferior para velocidades superiores. Para funcionamiento exclusivo con diesel, la potencia disponible fue generalmente inferior que para los inyectores de cuatro orificios, en toda la escala de velocidades.

c) Experiencias de funcionamiento práctico

El tractor se utilizó en funcionamiento práctico durante más de 2 500 horas, en un período de seis años en dos grandes fincas agrícolas del sur de Suecia. El tractor lo manejaban sobre todo estudiantes de agricultura, porque los conductores normales de tractores no tenían interés en utilizarlo. La principal razón aducida es que el servicio diario ocupa mucho tiempo, es sucio y pesado. Los preparativos para el funcionamiento requieren de 30 a 45 minutos. Hay que cargar grandes cantidades de astillas de madera en el techo, para funcionar un turno completo de trabajo.

La formación de un nuevo conductor exigió de una a dos semanas. Cada estudiante fue responsable del tractor por un período de seis meses.

El tractor se ha utilizado para los siguientes tipos de trabajo:

Tratamiento del suelo con desterronados 4 m de anchura

Tratamiento del suelo con grada de paras 5 m de anchura

Tratamiento del suelo con grada de discos 2 m de anchura

Tratamiento del suelo con apisonador de tierra 6-10 m de anchura

Transporte de remolacha, granos y fertilizantes.

El sistema del gasificador ha funcionado satisfactoriamente. Los tiempos promedios entre limpiezas sucesivas de las distintas partes del sistema y otras medidas de mantenimiento y lo referente a averías, se analizan en la sección 3.2.4. Los inyectores, que se creía eran problemáticos en cuanto a seguridad, no han ocasionado ningún problema. Se experimentó una avería importante del motor. Esta se debió probablemente al agua absorbida por el gas de un recipiente de líquidos condensados, demasiado lleno, del refrigerador del gas.

3.2.3. Adaptación y funcionamiento de un camión Scania

a) descripción general del camión transformado

Las experiencias de la adaptación de este camión han sido publicadas (en sueco) por Axelsson (2). El sistema de gasificador, que era originalmente del prototipo F5, se sustituyó después por el F500, de producción en serie. Este cambio se hizo en 1979, después de 45 000 km aproximadamente. El Cuadro 3.14. muestra los datos principales del vehículo adaptado. En la Figura 3.12. se presenta el sistema de gasificador y en la Figura 3.13. una fotografía del camión transformado.

Figura 3.11. Eficiencia total, con cargas parciales, de un sistema de gasificador F-5/80-150 montado sobre un tractor Massey Ferguson

Cuadro 3.13. Resultados de los ensayes de laboratorio con un sistema de gasificador F-5/80-150 montado sobre un tractor Massey-Ferguson 110

Combustible Astillas de madera, contenido de humedad 8%, densidad aparente 152 kg/m³

Potencia de régimen Máx. Parcial En vacío

Velocidad del motor (rpm) 1 855 1 440 1 015

Potencia de salida 40 29 -

Consumo de combustible

Astillas de madera (kg/h) 41 27 8,5

Gasoil (kg/h) 2,2 1,9 1,2

Balance energético

Valor calorífico del gas (MJ/Nm³) 5,60 5,56 5,54

Fracción del gasoil de la energía del combustible (%)

18,9 15,0 26,2

Eficiencia total 18,0 5,3 0

Eficiencia del gas frío del gasificador (%.)

71,1 66,5 73,1

Pérdidas totales de energía (kW) 181,5 143,3 54,8

Pérdidas de energía del gasificador (kW)

56,3 43,0 10,1

Carga del hogar

Bg (Nm³/cm², h) 0,79 0,49 0,17

Contenido de alquitrán

g/Nm³ 0,13 0,04 0,17

Todo el sistema, incluyendo el refrigerador de gas, va montado sobre un bastidor que se atornilla al chasis, situado detrás de la cabina del conductor. Para dejar espacio a la instalación del gasificador, se acortó la plataforma. La distancia entre la cabina y la plataforma queda así en 108 cm. Esto redujo la superficie de la plataforma a un 80 por ciento aproximadamente de la superficie original.

La bomba de inyección es de tipo alineado y va equipada con un regulador de vacío. Las válvulas de impulsión tienen orificios inactivos. No se hicieron modificaciones en la bomba de inyección. El registro del regulador se ajustó para evitar la tendencia a sufrir oscilaciones, de la barra de regulación.

La bomba de inyección se coloca para funcionar con doble combustible, moviendo la palanca de parada, de la posición de alimentación total a un punto de parada ajustable, cerca de la posición de alimentación cero. Esto da un flujo de combustible inferior al necesario para funcionar en vacío.

Por lo tanto, es posible parar el motor moviendo la palanca a esta posición, cuando el motor está funcionando sólo con gasoil o cerrando el regulador de gas, cuando el motor funciona con doble combustible. La palanca puede manejarse desde la cabina del conductor utilizando el control normal de parada. Los inyectores van montados en manguitos de acero en la culata de los cilindros. Los manguitos de acero están directamente rodeados de agua de refrigeración. No se hicieron modificaciones para evitar el calentamiento excesivo de los inyectores pues se supuso que no era necesario.

Se conectó un mezclador gas/aire, Figura 3.14., a la tubuladura de admisión del motor. El regulador de gas se maniobra mediante un pedal de gas y el regulador secundario de aire, mediante un control manual en la cabina del conductor. El compartimento entre los dos reguladores en la línea de aire secundaria está conectado con la cámara de vacío del regulador de la bomba de inyección. Esto posibilita usar el regulador para limitar la velocidad de embalamiento del motor. El filtro de aire se trasladó para dejar sitio al mezclador gas/aire. La ventilación del cárter se cambió por un sistema cerrado, a fin de evitar la salida de gas venenoso. El tubo de ventilación, que originalmente salía al aire por debajo del motor, está ahora conectado a la manguera situada entre el depurador de aire y la válvula de mezcla gas/aire.

El camión se ensayó utilizando distintos índices de compresión y puntos de inyección, a fin de encontrar la combinación más apropiada. En el Cuadro 3.15. se resumen los resultados de estos ensayos.

Se encontró que el mejor rendimiento, funcionando con doble combustible, se obtenía con un índice de compresión reducido, de 1:16,5 a 1:15,9 y la inyección a 35° antes del TDC. El índice reducido de compresión se logró, utilizando una de las chapas de cobre de una junta de culata como espaciador adicional entre la culata de los cilindros y el bloque del motor.

Figura 3.12. Diagrama esquemático del sistema de gasificador empleado para un camión Scania L8050

Figura 3.13. Fotografía de un camión Scania L8050 adaptado para funcionar con gas de madera

Cuadro 3.14. Especificaciones de un camión Scania adaptado para gas pobre

Camión

Modelo y número Scania L8050 no 365 472

Peso total de la versión para gas pobre

8 350 kg

Capacidad de carga 7 600 kg

Motor

Tipo y número Diesel Scania motor no 735 145

Volumen de cilindros 7,8 dm³

Número de cilindros 6

Indice de compresión 15,9 : 1

Bomba de inyección Tipo: en línea, con regulador de vacio CAV NR6H80/338 GLPE 34

Inyectores Tipo CAV BDLL 150S 6403

Sistema de gasificador

Tipo de gasificados F-5/80-150 2/

Volumen del depósito de combustible

0,031 m³

Diámetro de la garganta 150 mm 1/

Diámetro de toberas 12 mm 1/

Filtro del gas Filtro industrial ABDos cajas normales en paraleloSuperficie de filtro: 6 m²

Refrigerador de gas Tipo DSuperficie de refrigeración 5,8 m²

Peso total 456 kg1/Se hicieron también ensayos con garganta de 165 mm y toberas de 14,5 mm. Esto dio un aumento de la potencia máxima del 1%.

2/Posteriormente sustituido por el tipo F500.

b) Ensayos de rendimiento en laboratorio

Se realizaron ensayos de rendimiento en laboratorio a fin de establecer el rendimiento con distintos índices de compresión, puntos de inyección, diámetros de garganta y de toberas de aire y diseños de la válvula de mezcla gas/aire.

Las conclusiones de estos ensayos se han resumido en la sección precedente.

Se encontró que la potencia máxima para funcionamiento exclusivo con diesel era de 70,5 kW (a 2 090 rpm) con un índice de compresión reducido. Después de montar y ajustar el mezclador gas/aire y de ajustar también el punto de inyección en 35° antes del TDC, la potencia se redujo a 60,2 kW (a 1 720 rpm). La máxima potencia de salida del motor, para funcionamiento con doble combustible, se encontró que era 49,8 kW (a 2 230 rpm), es decir, el 71 por ciento de la potencia con funcionamiento exclusivo con diesel, con un índice de compresión reducido.

Se averiguó que la inyección de gasoil es alrededor del 15 por ciento de la correspondiente al funcionamiento con gasoil nada más.

c) Experiencias resultantes del funcionamiento práctico

El camión ha funcionado desde marzo de 1969 y ha recorrido más de 91 500 km funcionando con doble combustible y 28 000 km empleando sólo gasoil. Todavía está funcionando. El camión se ha empleado para diversos tipos de transporte, para formar conductores, para ensayos con diferentes tipos de combustible y para fines demostrativos.

El Cuadro 3.16. muestra el consumo de combustible, en funcionamiento práctico con distintas cargas. La sustitución de gasoil es del orden del 80 por ciento, en comparación con la operación sólo con gasoil, del camión en su versión transformada. El consumo de astillas de madera para sustituir un 1 kg de gasoil es alrededor de 3,6 kg lo que indica una eficiencia práctica del sistema de gasificador de alrededor del 71 por ciento.

La formación de un conductor, para trabajar con doble combustible, con experiencia previa en el manejo de un camión diesel, exige sólo unas 5 horas, tres de ellas de preparación teórica y dos de formación práctica. Algunos conductores de formación tan rápida, han utilizado el camión en diversas ocasiones, para viajes de ida y vuelta de varios miles de kilómetros, sin problemas importantes. Sin embargo, los conductores han subrayado que el conducir en ciudad -en particular en Estocolmo- con doble combustible, es mucho más incómodo que en carretera. En la ciudad hay que programar mejor la recarga de combustible en lugares apropiados. Las grandes nubes de humo que se producen al atizar el fuego se consideran un problema. Las aceleraciones indebidas después de las paradas en los semáforos, también son un inconveniente.

Figura 3.14. Mezcladores gas/aire ensayados con el camión Scania L8050 - a. Mezclador gas/aire del diseño Scania Vabis.

Figura 3.14. Mezcladores gas/aire ensayados con el camión Scania L8050 - b. Mezclador gas/aire diseñado por el Instituto Nacional de Ensayos de Maquinaria

Agrícola.

Cuadro 3.15. Experiencias de los ensayos realizados con diferentes índices de compresión y puntos de inyección, para funcionamiento con dable combustible, de un motor Scania D8

Indice de compresión

Medidas adoptadas para cambiar el índice

de compresión

Punto de inyección °

antes del TDC

Experiencias

16,5:1 Motor original 30 Golpeteo

25 Sin golpeteo, potencia reducida

13,9:1 Dobles juntas en la culata de los cilindros

25 - 39 Sin golpeteo, pero con dificultades de arranque y menor potencia

15,9:1 Una sola junta, con una lámina fina de cobre procedente de otra junta

36 Golpeteo para bajas velocidades del motor (de importancia práctica limitada, si se emplea correctamente el cambio)

32 Sin golpeteo, incluso a bajas velocidades, pero alguna pérdida de potencia a altas velocidades

Cuadro 3.16. Consumo registrado de combustible en el funcionamiento real de un camión Scania L8050, con dable combustible o sólo con diesel

Carga Funcionamiento silo con diesel

Funcionamiento con doble combustible 1/

Gasoilkg/10

Gasoilkg/10

Astillas de madera 2/

kg/10

Sustitución de gasoil

%

Eficiencia del sistema de gasificador

%

Vacio 2,44 0,50 7,2 80 69

5 000 kg

2,61 0,50 7,6 81 71

8 000 kg

2,87 0,55 7,8 81 76

1/Velocidad media unos 60 km/h

2/Astillas de madera de 10 x 10 - 40 x 40 mm, contenido de humedad 8 - 10%.

En los ensayos prácticos se tomo nota del consumo de combustible, intervalos de servicio y mantenimiento y averías de los equipos. En la sección 3.2.4. se presenta un resumen de las anotaciones realizadas.

3.2.4. Experiencias sobre el servicio, mantenimiento y averías de los equipos

Para una evaluación económica del funcionamiento de los tractores agrícolas y otros vehículos sólo con gas de madera o con doble combustible, tienen una gran importancia los datos sobre el tiempo adicional de servicio y los costes y tiempos necesarios de mantenimiento y reparaciones.

En cuando a los vehículos ensayados por el Instituto Nacional Sueco de Ensayos de Maquinaria Agrícola, se han registrado los intervalos de servicio y mantenimiento y las averías de los equipos; véanse los Cuadros 3.17. y 3.18. Hay variaciones entre distintos vehículos, habiendo preferido presentar aquí las experiencias derivadas del funcionamiento de un conjunto de vehículos, en lagar de presentar sólo las de los dos vehículos analizados con más detalle. El Cuadro 3.18. presenta los intervalos aproximados de servicio y el tiempo aproximado que se necesita para los trabajos de servicio.

Suponiendo que el vehículo se emplea ocho horas al día, puede estimarse que el tiempo de servicio necesario para el sistema de gasificador es de 15 a 25 minutos por hora de funcionamiento, incluyendo las paradas para repostar.

En el Cuadro 3.18. se indican los intervalos aproximados de reparación de los componentes más importantes, basados en la experiencia del funcionamiento práctico de varios vehículos. Estas experiencias no representan necesariamente lo que sucedería si la tecnología se utilizase de forma más generalizada. Las experiencias que se presentan pueden estar sesgadas en sentido negativo, porque los sistemas ensayados correspondían en gran parte a prototipos de primera o segunda generación y estaban también fabricados con los materiales más económicos que podían utilizarse razonablemente. Cabe esperar que unos productos comerciales de uso regular tendrían una mayor duración si se mantienen y manejan igual que los prototipos.

Sin embargo, las experiencias pueden estar sesgadas en sentido positivo porque los operarios de los vehículos ensayados son más cuidadosos y están más interesados en el funcionamiento del sistema, que un operario medio si la tecnología fuera de uso generalizado. La mayoría de las tareas de servicio y mantenimiento son sucias, lo que puede originar que algunos operarios las descuiden. Hay también algunas dificultades relacionadas con la evaluación de los porcentajes de averías que cabria esperar en otras condiciones de funcionamiento. Algunas de las averías, como el desgaste de los filtros y el "craking" de las placas de la garganta, están evidentemente relacionadas con el número de horas de funcionamiento. Otras como los danos de corrosión, pueden depender más de la antigüedad real del componente.

Cuadro 3.17. Intervalos de servicio y mantenimiento de sistemas de gasificadores de vehículos en funcionamiento práctico

Intervalo Tiempo necesario

Preparativos diarios para el funcionamiento Todos los días de funcionamiento

30-45 min

Carga de combustible Cada 40-50 min Menos de 5 min

Desagüe del tanque de líquidos condensados en el refrigerador de gas

Cada 2-3 h Menos de 5 min

Extracción de cenizas del cenicero del gasificador Cada 8-15 h 15-30 min 1/

Desagüe del tanque de productos condensados en el gasificador

Cada 8-10 h Menos de 5 min 2/

Limpieza de la manguera situada entre la toma primera de aire y el ventilador de arranque

Cada 55 h Alrededor de 1 h

Limpieza del filtro de tela Cada 25-100 h 3/ 30-60 min

Limpieza de la envoltura de líquidos de condensación Cada 75-135 h 1-2 h

Sustitución de diversas juntas Cada 500 h Alrededor de 1

h

Limpieza del refrigerador de gas y de la tubuladura de admisión

Cada 500 h 4/ 1-2 h

1/Se realiza durante la parada para repostar.

2/Puede hacerse normalmente como parte de los preparativos diarios. El tiempo considerado incluye estas tareas.

3/El intervalo de limpieza depende de la pérdida de presión aceptada y del tamaño de la superficie de filtro en relación con el flujo de gas.

4/Limpieza necesaria después de las averías del filtro de gas. La frecuencia estimada se basa en los porcentajes de averías observados en las bolsas de los filtros.

Cuadro 3.18. Tiempos de duración de algunos componentes importantes, entre reparaciones o sustituciones, de acuerdo a experiencias reales de funcionamiento

Componente o parte del sistema

Tiempo de funcionamiento

entre averías

Tipo de avería y reparación

Comentarios

Gasificador

Tapa del combustible y parte superior del gasificador

Más de 4 000 Antigüedad de seis anos o más.

Parte inferior, incluyendo la envoltura de líquidos condensados y el cenicero

2 000-4 000 Corrosión - parcheo o sustitución de la parte dañada.

Los gasificadores de ensayo han empleado acero bajo en carbono, para estas partes. El empleo de una aleación resistente a la corrosión aumentará la duración.

Hogar de la caldera 600-1 000 Grietas, deformación - soldadura o sustitución.

Anillo de la garganta Alrededor de 700 Grietas, deformación - soldadura o sustitución.

Parrilla y mecanismo de la parrilla

400-700 Grietas, deformación - soldadura o sustitución.

Filtro de tela

Bolsas del filtro 500-1 000 Rozaduras, agujeros de quemaduras - sustitución.

Caja de filtros Más de 4 000

Refrigerador de gas

Elementos de refrigeración y tanque de líquidos condensados

1 500-2 000 Corrosión - parcheo.

4 000 Corrosión general - sustitución.

Motor Más de 4 000 La inspección del autor del camión Scania LBS 110 después de 190 000 Km (unas 4 000 h) mostró un desgaste de los cilindros ligeramente mayor que en el funcionamiento exclusivo con diesel.

Los costes de reparación de los sistemas de prototipos, no son probablemente representativos de los costes que podrían experimentarse en un funcionamiento práctico. Los repuestos producidos en serie serían mucho más baratos que los fabricados especialmente para los prototipos.

Parece razonable suponer una duración de unos seis anos para el sistema del gasificador en general, y un coste de reparación del cinco por ciento de la inversión de capital, por cada 1 000 horas de funcionamiento. El coste de reparación se estima suponiendo que las bolsas de los filtros deban sustituirse cada 500 a 1 000 horas y que de las partes del sistema expuestas a altas temperaturas o a productos condensados corrosivos, necesitan reparaciones con una frecuencia similar.

3.3. Vehículos que han funcionado recientemente con gas pobre en otros países

La experiencia reciente sobre adaptación y funcionamiento de vehículos a base de gas pobre no se limita a Suecia. El alcance de este capítulo no permite analizar y evaluar las experiencias de otros países, pero es interesante al menos identificar las posibles fuentes adicionales de información sobre esta aplicación de los gasificadores.

Se sabe que en los países que se enumeran a continuación, han funcionado durante el ultimo decenio vehículos con gas pobre. No se pretende que la lista sea completa pero, aun así, demuestra que existe cierto interés por los vehículos de gas pobre,

fuera de Suecia, aunque sólo dos países, Filipinas y Brasil, parecen tener en funcionamiento algo más que unas pocas unidades prototipo.

En (30) hay breves informes sobre los vehículos que funcionan con gas pobre en los países siguientes:

Australia Una pequeña camioneta (pick-up) utiliza astillas de madera como combustible.

Bélgica Dos camiones, uno emplea carbón vegetal como combustible y el otro, madera o residuos de biomasa.

China Un tractor de madereo emplea madera como combustible.

Finlandia Un tractor agrícola emplea madera como combustible.

Francia Seis grandes camiones emplean madera como combustible; véase también (45).

Alemania Por lo menos dos tractores agrícolas han sido adaptados para gas de madera, por dos fabricantes distintos de gasificadores.

Laos Un jeep, que emplea un gasificador de carbón vegetal, ha venido funcionando desde 1981.

Sudáfrica Según se informa, el Gobierno esta haciendo un cambio importante para utilizar gasificadores alimentados con madera, para pequeños motores. Han estado funcionando dos vehículos, por lo menos, que utilizan probablemente carbón vegetal como combustible; véase Gore (15).

EE.UU. Han estado circulando por el país al menos tres automóviles accionados a base de madera. Hay también una motocicleta y un tractor agrícola accionados a base de madera.

Se han recibido también informes sobre el funcionamiento de un solo vehículo, de Kenia, Sri Lanka (véase 24), la Seychelles y Tanzania. Estos vehículos, a excepción del de Seychelles, emplean carbón vegetal como combustible. Los ensayos publicados por Kulasingue (24) son especialmente interesantes, ya que el equipo se diseñó y fabricó localmente.

Finalmente, en Brasil y Filipinas ha comenzado la producción comercial de sistemas de gasificadores para vehículos. El carbón vegetal es el principal combustible utilizado. En el punto (12) se indica el numero de vehículos en funcionamiento, con unos 300 en Brasil y 200 en Filipinas. Brandini (8) ha publicado más detalles del programa de Brasil.

3.4. Evaluación económica del funcionamiento de vehículos con gas de madera

3.4.1. Razones en favor de los gasificadores de madera3.4.2. Método empleado para la evaluación económica3.4.3. Supuestos económicos básicos3.4.4. Costes marginales del sistema de gasificador de madera3.4.5. Economía de un tractor con gas pobre3.4.6. Economía de un camión con gas de madera

3.4.1. Razones en favor de los gasificadores de madera

La instalación de un sistema de gasificador en un vehículo, representa una cierta inversión, da un rendimiento algo peor y aumenta el tiempo necesario de servicio, mantenimiento y reparaciones. Todo ello puede traducirse en mayores costes del vehículo. El funcionamiento con gas de madera sólo es viable económicamente si estos costes se ven compensados por los ahorros realizados en los costes de combustible.

Puede deducirse de ello que el funcionamiento con gas de madera será más competitivo en aquellas situaciones en que la utilización anual del vehículo sea intensa, los costes de mano de obra sean reducidos y la diferencia de precios entre los combustibles de petróleo y la madera, sea grande.

A continuación se trata de determinar los intervalos de estos parámetros, dentro de los cuales el funcionamiento con gas de madera puede constituir una solución competitiva.

3.4.2. Método empleado para la evaluación económica

La finalidad de la evaluación económica que aquí se presenta, es aclarar en qué circunstancias el funcionamiento de un vehículo con gas de madera puede competir con el funcionamiento exclusivo a base de gasoil. Esto se hace mediante comparación de los costes marginales del sistema de gasificador y los ahorros en los costes de combustible de las dos aplicaciones, un tractor agrícola y un camión, del mismo tamaño que los descritos en la sección 3.2.

Se analizan tres niveles de costes para el sistema de gasificador: Un nivel alto, representativo de la adaptación de vehículos individuales en Suecia, y dos niveles bajos, que se suponen representan la transformación de vehículos individuales en países con costes de mano de obra mucho menores.

Se analiza una serie de costes de mano de obra y otra de costes de combustible, que se cree representan la situación actual en Suecia y en el Tercer Mundo. Los costes de capital se calculan mediante el método de anualidades, suponiendo una tasa real de interés fijo1. Todos los costes se evalúan en dólares EE.UU., con la cotización correspondiente a mediados del año 1984.

1 La tasa real de interés es igual a la tasa actual de interés menos el índice de inflación.

3. 4. 3. Supuestos económicos básicos

La evaluación económica se hace suponiendo un tasa real de interés del ocho por ciento con salarios para la mano de obra del orden de 0,5 a 16 US$/hora con un precio para el gasoil de 8 a 16 US$/GJ y para el combustible de madera de 0,1 a 3,5 US$/GJ. Debe mencionarse que en Suecia los salarios de la mano de obra son alrededor de los 16 US$/h. El gasoil se vende aproximadamente a 0,3 US$/l, es decir, 8,5 US$/GJ y las astillas de madera, como combustible comercial, a 3,4 US$/GJ.

En el capítulo 4, el coste de preparación del combustible del gasificador se estima que es 0,11 h+0,04 US$/GJ, lo que da un coste de 0,1 a 1,8 US$/GJ para la gama de salarios considerados aquí. El gasoil en lugares remotos se calcula que cuesta 12,6 US$/GJ.

Finalmente, en el Capítulo 5 se calcula que el coste de la cáscara de coco, como combustible, es de 0,8 US$/GJ.

3.4.4. Costes marginales del sistema de gasificador de madera

a) coste de capital

El coste marginal de capital se puede calcular mediante el método de anualidades, si se puede establecer la inversión de capital y la duración económica del sistema de gasificador.

La inversión de capital se puede calcular partiendo de un camión Ford-D, recientemente adaptado para realizar ensayos en Sri Lanka, que ha sido equipado con un sistema de gasificador similar en tamaño al gasificador normal F-5/80-150.

El Cuadro 3.19. muestra cómo las diferentes partidas de gastos, sumadas al coste total de adaptación, ascienden a 11 000 US$. Este es, indudablemente, el coste de adaptación para un solo vehículo transformado en Suecia, con un coste elevado de mano de obra (14,8 US$/h). Es evidente que el coste de mano de obra es importante, ya que la mano de obra de fabricación y los costes de montaje representan más del 70 por ciento del coste de adaptación. Para demostrar el efecto de un bajo coste de mano de obra, el Cuadro 3.19. muestra también el coste estimado de adaptación en un país en desarrollo, con costes de mano de obra de 2 y 0,5 US$/h. En estos cálculos se supone que el tiempo necesario es el doble, como resultado de instalaciones de talleres peor equipadas y que los costes de los materiales son un 10 por ciento superiores. El coste de adaptación en estas condiciones sería de unos de 5 300 US$ y 3 600 US$ respectivamente.

Con una duración económica supuesta de seis años y una tasa real de interés del ocho por ciento, el coste anual de capital para el sistema de gasificador será el 21,6 por ciento de la inversión de capital.

b) Costes de servicio y mantenimiento

Basándose en las experiencias presentadas en la Sección 3.2.4., el trabajo adicional para mantener en funcionamiento la instalación del gasificador puede calcularse en 0,3 h/hora de funcionamiento. El coste resultante dependerá indudablemente del nivel de la mano de obra; véase los Cuadros 3.20. y 3.21. Se ha supuesto que el coste de mantenimiento es el cinco por ciento de la inversión de capital, para cada mil horas de

funcionamiento. Esto lleva a un coste estimado de mantenimiento, en el caso de Suecia, de 0,55 US$/hora de funcionamiento, y de 0,18 US$/hora de funcionamiento en un país con un coste reducido de mano de obra.

Para la evaluación económica del camión con gas de madera, será necesario considerar la menor capacidad de carga y la mayor distancia recorrida, para una carga dada. Los costes de servicio y mantenimiento del camión y el motor se supone que dependen de la distancia anual recorrida, de acuerdo con las experiencias suecas. Para 60 000 km/año será de 0,66 US$/km; para 30 000 km/año, 0,80 US$/km y para 1 500 km/año, 1,40 US$/km.

c) Costes de combustible

Los costes de combustible se calculan suponiendo que se funciona con doble combustible y un consumo de combustible para el tractor de acuerdo con el Cuadro 3.16.

Cuadro 3.19. Coste de adaptación de un vehículo para funcionamiento con gas de madera

Partida del coste

Coste real de adaptación

de un camión en Suecia

US$

Adaptación en países con costes reducidos de mano de obra

Comentarios Coste estimado de

transformación, salarios 2 US$/h

US$

Coste estimado de transformación,

salarios 0,5 US$/h $EUA

Motor 753 1/ 753 753 Este es el coste de sustitución de un motor diesel por un motor de gasolina usado y reparado. Se supone que representa el coste de los ajustes necesarios de un motor diesel para funcionar con doble combustible.

Gasificador y refrigerador de gas

652 391 313 Coste material aumentado en un 10%; tiempo de mano de obra incrementado por el factor 2.

Filtros de gas 1 600 960 769 "

Ventilador de arranque

244 268 268 Coste incrementado en el 10%.

Accesorios, 997 1 086 1 086 "

válvulas, juntas, elementos auxiliares, controles

Montaje 6 782 1 809 452 Tiempo de mano de obra incrementado por el factor 2.

Total 11 019 5 266 2/ 3 640 2/ 1/Con salarios de mano de obra de 15 US$/h.

2/Estos cálculos parecen razonables, en comparación con los costes publicados para sistemas algo más sencillos, fabricados en Brasil (750-2 000 US$) y Sri Lanka (1 000 US$).

3.4.5. Economía de un tractor con gas pobre

La diferencia anual de coste entre un tractor diesel y un tractor con gas de madera, se calcula en tres situaciones económicas, que son las siguientes:

Condiciones europeas (Suecia)

Salarios 16 US$/h

Combustible madera 3,5 US$/GJ

Gasoil 8,5 US$/GJ

Condiciones intermedias

Salarios 2 US$/h

Combustible madera 2 US$/GJ

Gasoil 8,5 US$/GJ

Condiciones favorables para el gas pobre

Salarios 0,5 US$/h

Combustible madera 0,5 US$/GJ

Gasoil 16 US$/GJ

Se supone que la utilización anual es de 500, 1 000 y 2 000 horas. Se cree que este margen incluye lo que puede hallarse en la práctica. Para simplificar la comparación, se supone que se puede contar con una pérdida de potencia del 20 por ciento, añadiendo una inversión a la alternativa del gas pobre, equivalente a la diferencia de coste para tractores nuevos con aquella diferencia de potencia. La diferencia de coste se puede calcular en unos 2 500 US$ y se supone que debe depreciarse en 10 000 horas de funcionamiento. En el Cuadro 3.20. se hace la comparación, mostrándose también los costes de indiferencia para el combustible madera y de gasoil para cada caso.

Es perfectamente comprensible que los tractores con gasificador de madera no sean de uso normal en Suecia. La operación significa una pérdida, incluso aunque el combustible madera sea gratuito. Sólo cuando el precio del gasoil aumentase en el 100 a 200 por ciento, resultaría económico un tractor con gas de madera.

La situación es muy distinta si los salarios y el coste del combustible de madera son bajos. Para el caso intermedio analizado, el tractor con gas de madera será económico si las horas de funcionamiento anual pasan de 700. Para costes muy bajos de los salarios y del combustible madera y con costes de gasoil elevados, el tractor con gas pobre parece ser muy atractivo. El tiempo de reintegro del sistema de gasificador es del orden de 13 a 36 meses en las condiciones analizadas para esta situación. Es una observación interesante que el uso de sistemas costosos fabricados en Europa no eliminaría completamente las posibilidades económicas de los gasificadores en el Tercer Mundo. El tractor con gas de madera seria económico todavía en el caso de salarios y costes de madera muy bajos y con un precio elevado del gasoil. En el caso intermedio seria aun económico para largos períodos anuales de funcionamiento. También es cierto que incluso un sistema de gasificador muy barato, no seria económico en Europa. Aunque el gasificador no costase nada, los costes adicionales de mano de obra sobrepasarían los ahorros de combustible, lo que elimina cualquier posibilidad de funcionamiento económico con gas pobre, con la probable excepción de aquellos casos en que el sistema fiscal sea tal que la mano de obra propia cueste efectivamente mucho menos que el de la mano de obra contratada.1

1 La situación podría ser aplicable en determinadas circunstancias en Suecia.

Cuadro 3.20. Comparación económica entre un tractor con gas de madera y un tractor con diesel ($EUA de 1984)

Cuadro 3.21. Comparación económica entre un camión con gas de madera y un camión diesel (US$ de 1984)

Cuadro 3.21. Comparación económica entre un camión con gas de madera y un camión diesel (US$ de 1984) (cont.)

3.4.6. Economía de un camión con gas de madera

La diferencia de costo anual entre un camión diesel y un camión con gas de madera, se evalúa para las mismas situaciones económicas que las consideradas para el tractor. El coste inicial del camión se supone que es de 28 000 US$, con un diez por ciento adicional por costes de flete a un país del Tercer Mundo.

En el Cuadro 3.21. se presenta la diferencia de coste para tres niveles de utilización, es decir 60 000, 120 000 y 240 000 toneladas y kilómetros por año.

La velocidad media se supone que es un diez por ciento inferior para el funcionamiento con gas de madera, debido sobre todo a las paradas para cargar combustible. En condiciones europeas se supone que la velocidad media es de 60 Km/h para el vehículo diesel. En otros casos, en que las condiciones de las carreteras son menos favorables, se supone que la velocidad media es de 25 km/h.

Como es de esperar, los resultados de la comparación son cuantitativamente similares a los presentados por el tractor agrícola. El funcionamiento con gas de madera no será económico en Suecia hasta que el precio del diesel haya aumentado considerablemente, más del 200 por ciento.

En las condiciones intermedias en que los salarios y el precio de la madera combustible son inferiores, el funcionamiento con gas de madera tampoco parece ser económico. Esta es una conclusión diferente de la del caso del tractor y puede explicarse por las diferencias en el modelo de uso. Si no hubiera sido necesario recorrer con el vehículo de gas de madera una distancia mayor para transportar la misma carga, el camión con gas de madera habría sido económico marginalmente, para el caso de 240 000 t km/año. El aumento necesario del precio del gasoil para que sea económico el gas de madera, está entre el 100 por ciento y el 25 por ciento. Para largas distancias de recorrido anual, puede ser económico con el precio actual del petróleo si la madera fuera extraordinariamente barata.

Para el caso extremo de salarios bajos, bajo precio del combustible madera y alto precio del gasoil, el camión con gas de madera parece ser extraordinariamente

ventajoso, con un tiempo de reintegro del capital de dos años o menos, para el equipo de gasificación.

3.5. Viabilidad del empleo de la tecnología del gasificador de vehículos para instalaciones fijas

Los sistemas de gasificador de vehículos deben ser de diseño compacto y de poco peso. Para lograrlo, pueden ser necesarios algunos sacrificios en cuanto a eficiencia. También puede exigir un servicio más frecuente. Por ejemplo, los sistemas de gasificador de vehículos se aprovisionan de combustible casi exclusivamente a mano. Los diseños compactos de ceniceros y filtros imponen una limpieza bastante frecuente.

El diseño de poco peso implica el uso mínimo de material, lo que lleva consigo una duración más corta de las partes expuestas a corrosión. Esto puede parecer un grave inconveniente para emplearlo en aplicaciones fijas, pero debe entenderse también que los diseños de poco peso y compactos tiene ciertas ventajas que, para algunas aplicaciones fijas, compensan sus consecuencias negativas. Los diseños de poco peso y compactos pueden fabricarse de forma más barata y en instalaciones con talleres no muy bien equipados. El transporte al lunar de emplazamiento será más sencillo y económico. El trabajo de montaje puede eliminarse prácticamente porque la planta energética se puede construir y transportar como una unidad. Todo esto se traducirá en menores costes de capital.

Finalmente, la elección de la tecnología dependerá de una evaluación económica. Es muy posible entonces que los sistemas para vehículos se conviertan en la elección más económica para ciertas aplicaciones. Teniendo en cuenta las características especiales de tales sistemas, parece razonable suponer que serán competitivos en las siguientes circunstancias:

- bajo coste de mano de obra (la necesidad de más tiempo para su funcionamiento y servicio, no es entonces tan importante);

- tiempo de funcionamiento anual entre bajo y medio (un coste reducido de capital es importante en este caso, y el servicio y mantenimiento frecuentes son menos importante);

- es conveniente la fabricación local (los sistemas para vehículos exigen talleres no tan bien equipados);

- emplazamientos remotos (los costes de transporte y de montaje en destino pueden reducirse con sistemas compactos y de poco peso);

- se necesita una planta móvil (las plantas compactas y de poco peso pueden montarse sobre un remolque).

Recientemente, se han fabricado y han funcionado en Suecia dos plantas energéticas fijas que utilizan sistemas del tipo de vehículo similares a los diseños descritos en la sección 3.2.

Una de ellas, con una potencia de unos 30 kW, ha sido fabricada por "Gotland Gengas" y la utiliza, en el Instituto Real de Tecnología de Estocolmo, el Instituto Beijer

para ensayos con diferentes combustibles. No se han encontrado problemas operativos empleando madera como combustible.

La otra planta fija es un prototipo de planta comercial con una potencia energética de 40 kW, fabricada por Elektromatic Power Generation AB. Ha funcionado durante varios centenares de horas en un aserradero, empleando como combustible astillas de madera. En la actualidad se están considerando modificaciones dirigidas principalmente a un sistema de control más sencillo.

La experiencia obtenido con el funcionamiento de estas dos plantas, parece confirmar que los sistemas para vehículos pueden funcionar también satisfactoriamente en aplicaciones fijas. El que tales sistemas sean más o menos económicos que los diseñados especialmente para instalaciones fijas, como los descritos en los Capítulos 4 y 5, sólo puede establecerse con un funcionamiento más extenso, en las condiciones del terreno y dependerá probablemente de las circunstancias particulares de cada caso.

3.6. Riesgos operativos

En este Capítulo se han explicado las razones del interés sueco por los sistemas de gasificadores de madera para vehículos y se han resumido las recientes experiencias de utilización práctica de vehículos que han funcionado a base de gas de madera. Se cree que estas experiencias podrían ser interesantes para la planificación energética en otros países que tienen también una fuerte dependencia de los combustibles importados para el sector del transporte y que la tecnología podría ser interesante económicamente para su uso normal en alguna de las circunstancias descritas en la Sección 3.4.

Sin embargo, hay que comprender también que el uso de vehículos con gas pobre representa ciertos riesgos. Estos han sido descritos en el Capitulo 2 pero hay que mencionar en este contexto que las experiencias en Suecia de una rápida introducción de vehículos con gas pobre, a principios de la Segunda Guerra Mundial, fueron bastante desfavorables. Se produjeron varias desgracias, ocasionadas por envenenamiento de monóxido de carbono y un aumento notable de la frecuencia de incendios de automóviles. Tras la puesta en vigor de unas normas estrictas de seguridad y de unos vigorosos esfuerzos para formar a los conductores, estos tipos de accidentes se hicieron menos frecuentes. A pesar de ello, aumentó el numero de personas diagnosticadas anualmente de sufrir "efectos crónicos" de envenenamiento con gas pobre. En total se registraron en Suecia unas 10 000 personas, como casos de envenenamiento crónico, en el período de 1941-1945. No obstante, debe saberse que los síntomas desaparecen después de cierto tiempo, si la persona que sufre el envenenamiento no se expone más al gas. Parece que no existen daños permanentes pero el envenenamiento continua siendo un problema por la pérdida de días de trabajo.

Es posible que esta experiencia fuera resultado de la costumbre de colocar los vehículos a cubierto en el invierno, para facilitar el arranque, y que los riesgos sean menores en un clima cálido, pero parece ser muy importante reducir al mínimo la exposición al gas de los conductores, pasajeros y personas que trabajan en garages y talleres de servicio. Lo menos que puede hacerse, para evitar experiencias desfavorables similares, es seguir las normas de seguridad desarrolladas en Suecia para la instalación de sistemas de gas pobre en los vehículos. En (23) se incluye una traducción de las mismas. Si se introducen en gran escala los gasificadores de vehículos, sin precauciones adecuadas, existe la posibilidad real de un sufrimiento

humano innecesario y de pérdidas económicas. Por ello, parece necesario el control gubernamental de cualquier programa de vehículos con gas pobre.

Capitulo 4. Pequeño grupo electrógeno de gas de madera en un aserradero de Paraguay

4.1. Descripción del grupo electrógeno de gas de madera4.2. Experiencia de servicio4.3. Evaluación económica

Como resultado de la fuerte elevación de los precios del petróleo durante los años 70, grandes áreas de Paraguay, situadas lejos de la red de fluido eléctrico, se encontraron en situación comprometida. Los precios del transporte aumentaron considerablemente viniendo a añadirse al elevado coste de la electricidad generada por pequeñas plantas alimentadas con gasolina o gasoil.

La industria de aserrío tiene la suerte de disponer de la opción de reducir sus costes mediante una mayor dependencia de la energía basada en la madera. En 1978 los directivos del aserradero Sapire, situado en el sur de Paraguay, decidieron instalar un gasificador de desperdicios de madera para la producción de energía eléctrica. Fue necesario acertar con un gasógeno flexible en cuanto a potencia y adecuado para que lo hiciera funcionar el personal del aserradero y la mano de obra ya empleada.

Las especificaciones para la compra del equipo fueron las siguientes:

1. Un motor muy fuerte, de baja velocidad y de mecánica sencilla.

2. Un gasificador que pudiera emplear desperdicios del aserradero de tamaño y contenido de humedad variables pero al mismo tiempo, capaz de producir gas de buena calidad para el motor.

3. Equipo con exceso de capacidad que permitiera una flexibilidad de funcionamiento y la futura expansión de la capacidad de producción de energía.

4. Dotado de regulación del consumo de combustible.

5. Diseño del generador de gas de madera adecuado para su manejo con obreros locales y las reparaciones, en caso necesario, en talleres mecánicos rurales.

6. El equipo debe cumplir las normas de seguridad industrial y no ocasionar problemas de contaminación ambiental.

7. Facilidad de obtención de piezas de repuesto, preferentemente de suministradores locales.

En este capítulo se resumen las experiencias de los cuatro primeros años de funcionamiento (hasta febrero de 1983) del grupo instalado en el aserradero de Sapire.

La experiencia ha sido muy favorable. Después de cuatro anos de funcionamiento, el propietario del aserradero de Sapire ha registrado un rendimiento financiero satisfactorio, ya que los ahorros en productos del petróleo le permitieron recuperar la inversión (equivalente a 16 900 US$) en un año y medio. Según su información, otros aserraderos le han imitado. El manejo del equipo y su mantenimiento no han presentado problemas insuperables.

4.1. Descripción del grupo electrógeno de gas de madera

4.1.1. Suministro de combustible4.1.2. Gasificador de madera4.1.3. Instalaciones de refrigeración y depuración del gas de madera4.1.4. Filtro del gas de madera4.1.5. Motor y generador electrice

La Figura 4.1. presenta un diagrama esquemático de flujos para el proceso de generación de electricidad. En la Figura 4.2. se presenta un diagrama de flujos más detallado para el sistema del gasificador

El Cuadro 4.1. resume los datos técnicos de la planta.

Cuadro 4.1. Datos técnicos del gasógeno con gasificador de madera de tiro invertido del aserradero de Sapire

Capacidad del generador eléctrico 40 kW

Potencia del motor 90 HP

Horas de trabajo diario del generador eléctrico 14

Consumo diario de energía del aserradero 463 kWh

Consumo de desperdicios de madera por kWh 4,1 kg

Contenido máximo de humedad de los desperdicios de madera 37% (seco)

4.1.1. Suministro de combustible

El aserradero está situado en una zona forestal con madera abundante. Las carreteras de esta zona están sin afirmar, por lo que el aserradero mantiene existencias de madera en un patio de trozas, a fin de mantener el suministro de materia prima durante los perlados de lluvia.

El suministro de madera para el gasificador está totalmente cubierto porque procede de los desechos del aserradero. Como promedio, estos desechos representan el 35% del consumo de trozas, cantidad que sobrepasa las necesidades del gasificador de madera (alrededor de 570 t/año). No hay por lo tanto necesidad de economizar combustible y, en realidad, se utiliza el máximo posible a fin de reducir la superficie necesaria para su almacenamiento.

El Cuadro 4.2. muestra las especies de maderas empleadas como combustible del gasificador y las densidades aparentes de las correspondientes astillas de madera.

Figura 4.1. Diagrama de flujos del sistema de gasificador del gasógeno del aserradero de Sapire

Cuadro 4.2. Astillas de madera utilizadas para el gasógeno

Nombre de la madera Densidad aparente (kg/m³)

Nombre común Nombre botánico

Palo rosa Aspidosperma peroba 861

Peterebí Cordia mellea 543

Lapacho Tecoma ipe 993

Cedro Cedrella fissilis 554

Guacá Ocotea puberula 448

Guatambú Aspidosperma Austr. 883

Las dimensiones máximas del combustible de madera son 40 x 40 x 5 cm es decir, lo máximo que puede introducirse en la entrada de carga del gasificador, y trozos menores, hasta el tamaño de una caja de cerillas, todos ellos son aceptables. En teoría, puede incluirse alrededor del 10% de las virutas y el serrín pero, en la práctica, esto ha dado malos resultados porque el aserradero tiene suelo de tierra y se tiende a recoger el polvo con los desechos de madera.

El máximo contenido de humedad que se registró fue del 37 por ciento, disminuyendo con el tamaño y con el tiempo de almacenamiento de las trozas antes de su transformación. Por ello, el contenido de humedad vería con las operaciones del aserradero y con las estaciones.

Las variaciones del contenido de humedad de la madera por debajo del máximo, no afectan a la calidad del gas combustible porque el material de alimentación se seca en la sección del depósito del gasificador, antes de llegar a la zona de pirólisis.

4.1.2. Gasificador de madera

El generador de gas de madera consiste en un conjunto con paredes de chapa de hierro de 6 mm de espesor, revestidas por el interior con ladrillos que tienen el 50 por ciento de contenido de alumina (Al2O3). Tiene una altura total de 3 600 mm y su diámetro exterior es de 1 400 mm. La entrada para la carga de combustible (madera) tiene un diámetro de 400 mm. El reactor tiene parrillas de hierro fundido, instaladas a 300 mm del fondo. Estas parrillas están colocadas a 20 mm de distancia y tienen un sistema de movimiento con palanca para extraer las cenizas. Bajo las parrillas, a 150 mm de la base, existe un sistema de refrigeración de agua con la triple función siguiente:

1. Aislar hidráulicamente la superficie donde caen las cenizas, para evitar que se salga el gas combustible.

2. Refrigerar la zona de las parrillas y palancas.

3. Dar salida a las cenizas con agua.

El gasificador tiene ocho orificios de entrada de aire de dos pulgadas de diámetro. Cuatro de ellos están separados a intervalos iguales de 1 800 mm desde El fondo. Los cuatro restantes están separados de la misma forma pero a 1 320 mm del fondo (véase la Figura 4.2.).

El gasificador, que es más bien grande, puede recibir trozos de madera variables en tamaño y contenido de humedad. La carga de madera forma una columna, en cuya parte inferior tiene lugar la carbonización y el aire de convección seca las piezas de la parte superior. Una carga de combustible dura aproximadamente 14 horas, pudiendo reponerse durante la operación, ya que la cubierta de la entrada siempre se deja medio abierta.

El contenido de humedad del combustible debe ser reducido preferiblemente a menos del 25 por ciento, para que pueda tener lugar una oxidación efectiva de los diversos productos de pirólisis en la zona de oxidación. El resultado es un gas combustible de buena calidad.

El contenido de cenizas es del 0,7 al 0,9 por ciento del peso de la madera seca. Durante la gasificación, la mayor parte de la ceniza llega a la parrilla donde cae a una lámina de agua que corre desde el aparato de refrigeración, disponiendo de un desagüe. Una pequeña parte de cenizas volantes es retenida por el gas y se extrae mediante enfriamiento.

4.1.3. Instalaciones de refrigeración y depuración del gas de madera

Desde un receptáculo de chapa de hierro, de 600 mm de diámetro por 1 300 mm de altura, un tubo de agua de media pulgada con un disco adosado en el extremo que lleva agujeros, como una ducha ordinaria, rocía agua en forma de lluvia sobre los gases calientes.

continuación el agua se descarga en otro receptáculo donde se atomiza mediante un ventilador eléctrico a 1 500 rpm. La misma agua se descarga seguidamente por gravedad en el fondo del gasificador donde pasa a través de una fila de ladrillos, sirviendo de cierre hidráulico para evitar que se escapen gases combustibles. Por último el agua circula, llevando las cenizas a los desagües. La temperatura final del agua de refrigeración varía entre 75° y 85°C.

Figura 4.2. Diseño del gasificador de madera del aserradero de Sapire

4.1.4. Filtro del gas de madera

El gasificador tiene un filtro cilíndrico de 2 650 mm de altura por 800 mm de diámetro. El cilindro se llena con trozos de maderas resinosas de 35 x 8 x 7 cm de tamaño, llegando hasta la parte superior de la salida del gas hacia el motor (véase la Figura 4.3.). El gran volumen y la gran superficie del filtro actúan como un sistema eficaz de refrigeración del gas que se introduce en el motor a una temperatura de unos 45°C.

La construcción del filtro es sencilla y práctica y garantiza una vida útil prolongada, cambiándose el material del filtro cada 2 años de funcionamiento.

4.1.5. Motor y generador electrice

El grupo de generador y motor consiste en equipo usado que ha sido completamente renovado. El motor es "Deutz" de un cilindro, con una potencia de 90 HP a 150 rpm. Debido a su accionamiento lento y a su extremada robustez, tiene una vida útil estimada en 40 años. El generador, fabricado por AEG, tiene una potencia de 40 kW a una velocidad de 1 500 rpm.

4.2. Experiencia de servicio

4.2.1. Consumo de combustible4.2.2. Mano de obra empleada y sistema de funcionamiento4.2.3. Seguridad4.2.4. Impacto ambiental

El grupo electrógeno se puso en marcha en 1978 y había funcionado 8 000 horas hasta enero de 1983.

La producción total de energía durante dicho tiempo fue de 160 000 kWh.

4.2.1. Consumo de combustible

El consumo medio de madera del grupo electrógeno es de 4,1 Kg/kWh. Esta es una cifra relativamente elevada pero aceptable -y al mismo tiempo conveniente- debido a la necesidad de mantener el aserradero y sus alrededores, sin desperdicios de madera. Si surgiese la necesidad, el consumo se puede reducir mediante el control del flujo de aire en el gasificador.

4.2.2. Mano de obra empleada y sistema de funcionamiento

El equipo es atendido por un operario a tiempo parcial, no necesitándose una atención permanente. Además, tres empleados preparan los trozos de madera y llenan el gasificador.

Figura 4.3. Filtro del gas (Material del filtro: trozos de madera resinosa)

Las principales operaciones de un día normal son las siguientes:

1. Puesta en marcha de un ventilador impulsor para dar comienzo a la producción de gas. Después de algunos minutos, se comprueba la combustibilidad del gas encendiéndolo con una pequeña llama.

2. Encendido del motor del gasógeno para suministrar energía al aserradero.

3. Arranque de la bomba de agua que suministra al aserradero agua de refrigeración para el gasificador/generador y las viviendas.

4. Mantenimiento general, incluyendo lubricación y carga del tanque de aire comprimido para que esté disponible para el próximo arranque del motor.

5. Limpieza del gasificador y preparación del combustible en tamaños apropiados para la entrada de carga. El relleno del gasificador se hace a mediodía, media hora antes de terminar el periodo de trabajo y de nuevo se hace por la tarde antes del final del turno.

6. Durante la tarde los operarios inspeccionan y atienden el equipo -lubricación, acumuladores, agua de refrigeración, descarga de ceniza, descarga del filtro, temperatura del gas.

7. La jornada de trabajo del aserradero termina a las 18.00 horas pero el motor y el generador continúan funcionando hasta las 22.00 horas en beneficio del pequeño poblado. Los preparativos para esto se habrán terminado durante el día y el operario hace una visita cada hora hasta que para la máquina a las 22.00 horas. El gasificador tiene reserva suficiente para el arranque inmediato a la mañana siguiente.

4.2.3. Seguridad

La instalación tiene las siguientes características que ayudan a reducir al mínimo los riesgos usuales de funcionamiento del gasificador:

1. No se puede llegar a una presión interna excesiva porque la compuerta de la entrada de carga se deja permanentemente a medio abrir. Si funcionase cerrada, se puede emplear un mecanismo de suelta rápida para aligerar la presión.

2. El gasificador se aloja en un cobertizo al aire libre, de tal modo que no pueden producirse concentraciones de monóxido de carbono.

3. El suministro de gas al motor se hace por succión. Si se producen fugas en el sistema, no puede por tanto salir gas al aire.

4. Las cenizas y escorias se descargan en una capa de agua, de tal modo, que no hay riesgos de incendios por su causa.

5. El gasificador se sitúa a distancia suficiente del aserradero para evitar que se caliente el lugar de trabajo.

4.2.4. Impacto ambiental

No se ha realizado un análisis riguroso del impacto ambiental del gasificador pero, como se indicó anteriormente, unas precauciones sencillas han eliminado eficazmente los riesgos de envenenamiento por monóxido de carbono y de incendios. La humedad

y los humos se escapan al aire por la chimenea del gasificador que es suficientemente alta para no causar contaminación. El agua de desecho y las cenizas (1 000 l y 19 kg diarios) se descargan cuesta abajo en un pantano lejano. Finalmente, el gas del escape del motor parece estar más limpio que el de un motor que funcione con gasoil.

4.3. Evaluación económica

4.3.1. Inversión de capital4.3.2. Costes de funcionamiento y mantenimiento4.3.3. Costes de combustible4.3.4. Costes totales de funcionamiento4.3.5. Costes de producción de electricidad para las viviendas familiares del personal del aserradero4.3.6. Comparación con otras alternativas de suministro de electricidad

4.3.1. Inversión de capital

La inversión inicial, que se muestra en el Cuadro 4.3. fue de 2 131 700 G equivalentes a 16 918 US$ o 423 US$/kW. Hay que señalar que el motor y el generador estaban usados y reparados.

También se incluye una ampliación de la línea eléctrica, de 150 m, a las viviendas familiares.

4.3.2. Costes de funcionamiento y mantenimiento

La persona responsable del funcionamiento y mantenimiento del equipo del gasógeno recibe un salario mensual de 70 000 G. Su paga base es de 60 000 G y recibe otra cantidad adicional de 10 000 G por vigilar y parar la máquina por la noche, mientras se da suministro eléctrico a las viviendas familiares hasta las 22.00 horas. Tomando como base 25 días de trabajo al mes, el salario diario es de 2 800 G.

Cuadro 4.3. Inversión de capital en el grupo electrógeno del aserradero de Sapire

G US$/kW

Terrenos (100 m² a 100 G/m²) 10 000 2

Trabajos de Ingeniería Civil

Un techo de 50 m² con pilares de acero, No 26, tejado de chapa de Zinc y suelo de cemento de 15 cm de espesor, reforzado con redondos de acero de 4,2 mm a 4 000 G el m²

200 000

40

42 m² de pared de ladrillo de 0,30 m de grueso, a 1 300 G/m², 4 m³ de hormigón armado para la instalación de la plataforma del motor

54 000 11

Generador eléctrico y gasificador a 20 000 G/m³ 80 000 16

Instalaciones eléctricas

Instalaciones eléctricas y tablero de mandos Tomas de corriente y línea de 150 m de prolongación a las viviendas familiares

140 000

28

Maquinaria y equipos

Motor Deutz de 90 HP y generador eléctrico A.E.G. de 40 kW 560 000

111

Gasificador de madera con accesorios (refrigerador de gas, filtro, tuberías, etc.) 792 100

157

Costes de Transporte y seguros 45 000 9

Costes de montaje y ensayos 250 000

49

INVERSION TOTAL 2 131 700

423

El tiempo neto de funcionamiento y mantenimiento del grupo del gasógeno y el motor electrogenerador, corresponde a medio día de trabajo del operario, dedicándose la otra mitad a las tareas de mantenimiento de otras partes del aserradero. Por lo tanto, sólo se asigna el 50% del salario del mecánico, o sea 1 400 G diarios, al grupo del gasógeno y generador electrice.

El coste de los lubricantes es alrededor de 0,84 G/kWh o sea 0,0067 US$/kWh.

Los repuestos para el sistema del motor y gasificador tienen un coste medio de 174 424 G al año, o sea el 13% del coste básico de inversión de los equipos (1 352 100 G).

Nota = 1 US$ = 126 G (1982).

4.3.3. Costes de combustible

Lo residuos del aserradero no tienen mercado y, por tanto, tampoco valor comercial, por lo que no se aplica coste para la materia prima como tal.

La preparación y manipulación del combustible para el gasificador originan sin embargo cierto coste. En el aserradero de Sapire el coste se compone de la forma siguiente:

Número de trabajadores

Nivel de salario de empleado por hora

Total horas de trabajo al día

Coste diario de mano de obra para suministrar combustible

3 250 G 3 750 G

máquina de aserrar, electricidad, etc. 104 G

Coste total de preparación de combustible, manipulación de la madera y carga del gasógeno, por día

854 G

COSTES POR DIA

Consumo medio de madera 1 898 kg

Costes totales de manipulación y carga de madera 854 G

Energía eléctrica producida 463 kWh

COSTES DE MADERA CORTADA POR KG

854/1 898,3 = 0,45 G

COSTE DE MADERA CORTADA POR kWh

854/463 = 1,80 G

4.3.4. Costes totales de funcionamiento

El Cuadro 4.4. muestra los costes totales, mensuales y anuales, de funcionamiento. El coste marginal de producción de electricidad es de 8,17 G/kWh o 0,064 US$/kWh.

4.3.5. Costes de producción de electricidad para las viviendas familiares del personal del aserradero

El consumo anual de electricidad en las cinco viviendas del personal del aserradero, con suministro gratuito de electricidad es de 4 500 kWh. El coste anual de esta partida, calculada a partir del coste marginal de producción de electricidad dado anteriormente, es de 36 765 G o 292 US$.

Cuadro 4.4. Resumen de costes de funcionamiento y mantenimiento del grupo del gasógeno y el motor electrogenerador

Partida del coste Costes mensuales G Costes anuales G

Mano de obra de explotación

1 operario de máquinasContribuciones y beneficios sociales

35 000 420 000168 000

Total anual 588 000

Combustibles

Madera combustible, 569 490 kg a 0,45 G/kg

Coste anual de combustible 256 200

Lubricantes

0,84 G/kWh Coste anual de lubricantes 116 676

Repuestos del Motor, Generador y Gasificador de madera

Coste anual de repuestos 174 424

1 135 300

Producción anual de electricidad kWh 138 900

Coste marginal de producción G/kWh 8,17

4.3.6. Comparación con otras alternativas de suministro de electricidad

El Cuadro 4.5. presenta una comparación entre los costes de combustible cuando se emplean residuos de madera o gasoil, para la producción de electricidad, en el aserradero de Sapire.

El ahorro anual de costes de combustible es de 1 910 640 G ó 15 164 US$. Deduciendo los costes de mano de obra, lubricantes y repuestos, que se indican en el Cuadro 4.4. (y no tomando en cuenta tales costes para la planta con diesel) el ahorro total anual con el grupo electrógeno de gas de madera, es de 1 031 540 G o sea 8 186 US$, en comparación con el coste exclusivo del combustible gasoil.

Comparando esto con la inversión de capital (véase el Cuadro 4.2.) de 2 131 700 G, se demuestra que el tiempo de recuperación del capital es de menos de 2,5 años, con una tasa de interés del 10%.

Después de más de cuatro años de funcionamiento, es evidente que la utilización de un grupo electrógeno con gas de madera es una solución muy rentable para el problema de suministro de energía a este aserradero tan aislado.

Cuadro 4.5. Comparación de los costes de combustible del grupo electrógeno con gas de madera y del grupo electrógeno con diesel

Consumo y costes de combustible:

Consumo de madera kg/kWh 4,1

Coste de madera G/kg 0,45

Consumo de gasoil l/kWh 0,26

Precio del gasoil G/l 60,0

Tiempo de trabajo del motor

Producción kWh

Consumo de gasoil

(1)

Coste de

gasoil (G)

Consumo de combustible madera (kg)

Coste de combustible madera (G)

Ahorros netos utilizando

combustible madera (G)

1 día(14 h)

461 120 7 223 1 900 854 6 369

1 mes(25 días)

11 575 3 009 190 570 47 460 21 350 159 220

1 año(12 meses)

139 900 36 114 2 166 840

569 500 256 200 1 910 640

Capítulo 5. Pequeño grupo electrógeno con gasificador en Sri Lanka

5.1. Descripción del grupo electrógeno5.2. Sistemas de funcionamiento5.3. Experiencia operativa5.4. Evaluación económica de los costes de producción eléctrica en la industria de Giriulla5.5. Notas finales

El grupo electrógeno con gasificador que se describe en este capítulo fue fabricado por "Biomass Energy Consultants and Engineers" de los Países Bajos. Dentro del contexto de la "Conferencia Internacional sobre Gas Pobre", se instaló este grupo en la Universidad de Peradeniya, Sri Lanka, para emplearlo como unidad demostrativa durante el curso sobre la tecnología del gas pobre.

A finales de noviembre de 1981 fue trasladada a las Industrias Giriulla para la producción de electricidad basada en la cáscara de coco y para dotar de energía a parte de una industria de secado de coco.

Los datos de funcionamiento se limitan a un período en el que se ensayaron varios combustibles de biomasa, en la Universidad de Peradeniya, y a los primeros meses de funcionamiento en las Industrias de Giriulla.

Desde principios de enero de 1983, la instalación ha estado funcionando 20 horas diarias, 6 días a la semana, exceptuados los días de fiesta. El tiempo total de funcionamiento de la unidad (incluyendo períodos de ensayo en los Países Bajos y en la Universidad de Peradeniya, y el funcionamiento en las Industrias Giriulla) es aproximadamente de 1 200 horas.

5.1. Descripción del grupo electrógeno

5.1.1. Diseño general del sistema5.1.2. Gasificador5.1.3. Ciclón5.1.4. Separador de choque5.1.5. Filtro de tela de fibra de vidrio5.1.6. Refrigerador5.1.7. Motor y alternador5.1.8. Ventilador de arranque y encendedor5.1.9. Dispositivos de seguridad5.1.10. Elementos auxiliares

5.1.1. Diseño general del sistema

En la Figura 5.1. se presenta un diagrama esquemático de flujos del Grupo Electrógeno.

La potencia disponible especificada es de 32 kW.

5.1.2. Gasificador

El gasificador es del tipo de tiro invertido, con cinco orificios de entrada de aire. El diámetro de la garganta es aproximadamente de 15 cm, y las dimensiones generales de la unidad están de acuerdo con las normas de diseño incluidas en el Capítulo 2.

La garganta es de cemento refractario. La cara interior del depósito de combustible está revestida con este material. La parrilla, accionada a mano, está situada aproximadamente 20 cm por debajo de la superficie de sección transversal mínima de la garganta.

El gasificador está equipado con una compuerta de carga de doble válvula accionada a mano.

El gas pobre intercambia calor con el aire que entra, antes de pasar por la sección de depuración de gas.

El gasificador está equipado con un indicador acústico del nivel de combustible que da una alarma en el momento en que hace falta repostar.

Se pueden medir las temperaturas de salida del gasificador y la caída de presión en la "garganta". Los valores medios obtenidos con los diferentes tipos de combustibles ensayados se presentan en el Cuadro 5.1.

5.1.3. Ciclón

Las partículas gruesas se separan de la corriente de gas en un separador de ciclón de gran eficacia. Las cenizas retenidas procedentes del gasificador, se recogen en un cenicero que puede abrirse por el fondo para su limpieza regular.

5.1.4. Separador de choque

Las partículas de tamaño intermedio y la mayor parte de las finas se extraen del gasificador en un separador de choque de diseño especial. Este separador está aislado a fin de evitar la concentración de vapores y permitir el paso del gas caliente (por encima de 150°C) al filtro de tela de fibra de vidrio.

5.1.5. Filtro de tela de fibra de vidrio

Para proteger el motor contra cualquier material sólido, el gas producido se pasa a través de un filtro de tela de fibra de vidrio que quita cualquier elemento sólido que haya pasado por las secciones anteriores de filtrado.

A fin de mantener la temperatura por encima del punto de condensación del gas y para evitar la condensación (aproximadamente 80°C), este filtro está también aislado con lana mineral y un forro de aluminio.

Tanto el separador de choque como el filtro de tela de fibra de vidrio, están equipados con manómetros de agua para poder realizar una vigilancia permanente de la caída de presión ocasionada por el ensuciamiento de los dispositivos de filtrado.

Originalmente, el filtro de tela de fibra de vidrio estaba equipado con una salida de seguridad de líquidos condensados. En Giriulla se encontró que tal dispositivo era innecesario. Como parte del agua se condensaba en el tubo de conexión entre el refrigerador (véase más adelante) y la tubuladura de entrada de aire en el motor, se quitó el recipiente de desagüe de la caja de filtros y se puso en el tubo de conexión, donde funcionó mejor.

5.1.6. Refrigerador

La sección de refrigeración consiste en un termocambiador tubular. Los líquidos condensados se pueden extraer del refrigerador por medio de dos recipientes de desagüe equipados con tapas de seguridad, similares a la anteriormente descrita. Las temperaturas de salida del refrigerador verían entre 30° y 50°, dependiendo de las condiciones ambientales (temperatura, viento) y de la carga del motor.

5.1.7. Motor y alternador

El gas se introduce en el motor después de haberlo mezclado con aire en un carburador de gas.

La velocidad del motor se controla por medio de un regulador electrónico Barber-Colman, que controla simultáneamente una válvula de gas y otra de aire. La velocidad del motor se mantiene constante a 1 500 rpm.

El sistema va equipado con un motor de gas International Harvester (índice de compresión 9,5:1), con un volumen de cilindros de 9,9 dm³.

El alternador es sincrónico protegido contra cortocircuitos, de polos interiores y autoexcitado, con las siguientes especificaciones:

Potencia de salida: 40 kVA

Factor de potencia: cas phi 0,8

Voltaje: 380/220 V

Frecuencia: 50 Hz

El sistema puede seguir un cambio escalonado de carga de 20 kVA con constancia de +5 por ciento.

El alternador va equipado con un cuadro de distribución que contiene:

- 3 amperímetros- 1 voltímetro- 1 medidor de frecuencia- un botón de control del ventilador- un botón de encendido- una llave de seguridad de arranque- un enchufe de fuerza CEE (5 polos) y un enchufe de fuerza DIN 49462

Figura 5.1. Diagrama de flujo del gasógeno de gas pobre de las Industrias de Giriulla

5.1.8. Ventilador de arranque y encendedor

Está dotado de un ventilador de 24 V que se emplea durante el arranque de la instalación.

Inicialmente el gas producido se quema. El quemador está dotado de un cierre hidráulico a fin de evitar el retorno de la llama.

Durante el funcionamiento de la instalación las baterías del ventilador se recargan de forma continua.

5.1.9. Dispositivos de seguridad

El reactor y la caja de filtros van dotados de discos de explosión.

No es posible el funcionamiento del ventilador de arranque con la válvula E (véase la Figura 5.1.) abierta, evitando de este modo que el aire sea succionado hacia el interior del sistema.

El motor se para automáticamente al perder presión de aceite.

5.1.10. Elementos auxiliares

La instalación está dotada de una escalera y una plataforma adecuadas para la carga de combustible, para una descarga fácil de combustible en el gasificador, a través de una compuerta de relleno de doble válvula. Toda la instalación va montada sobre un bastidor de soporte, pudiendo transportarse sin desmontarla.

5.2. Sistemas de funcionamiento

5.2.1. Arranque5.2.2. Cierre5.2.3. Mantenimiento del sistema

5.2.1. Arranque

Para poner en marcha la unidad, hay que realizar las siguientes operaciones:

1. Cierre de la válvula E y apertura de la válvula D (véase Figura 5.1.).

2. Apertura de la lumbrera de encendido del reactor.

3. Arranque del ventilador conmutando el botón de control del ventilador.

4. Se enciende un trozo de papel que se introduce en el orificio de encendido del reactor. Este papel será succionado hacia el gasificador y encenderá el carbón vegetal existente en el reactor. Tarda alrededor de un minuto el comienzo de la combustión del carbón vegetal situado dentro del reactor y a partir de este momento se puede cerrar el orificio de encendido.

5. Se abre la entrada de aire en el gasificador.

El gas pobre se escapa ahora a través de la llama. Hay que quemar gas pobre durante unos diez minutos antes de poder arrancar el motor.

6. Se aprieta el botón del ventilador en posición de apagado, se cierra la válvula D y se abre la válvula E.

7. Se pone la válvula de entrada de aire al motor en posición semiabierta.

8. Se cierra la entrada de aire al reactor por un período corto, a fin de crear una ligera sobrepresión en el sistema.

9. Se arranca el motor apretando el botón de arranque del panel de control.

10. Se deja funcionar el motor sin carga por un período de unos cinco minutos.

Cuadro 5.1. Datos de rendimiento del gasificador

a) Localización: Universidad de Peradeniya

Fecha

Combustible

Gasificador Filtro I Filtro II Motor-

Alt Eficaci

a global

No de horas de

funcionamiento

Tipo cons. AP 1/ tsalida

AP 1/ AP 1/ tsalida

tentrada

Potencia de

salida

(++) kg/h cmVg

°C cmVg

cmVg

°C °C kVA %

02/11/82

I - 8 435 - 38 140 43 32 - 2

02-12/11/92

II 50 15 400 30 35 110 42 33 16 26

15-16/11/92

III 50 20 380 - 45 120 43 33 20 10

20/11/92

IV 45 15 370 - 35 110 46 32 17 5

b) Localización industrias de Giriulla

desde 10/12/92 al 30/04/93 IV 35 20 390 30 40 110 45 25 16 1 000

(++) I : cáscara de cocoII : mezcla de carbón vegetal y de madera del árbol del cauchoIII: briquetas de serrín de cocoIV : desperdicios de coco1/sistema de nivel de agua

El sistema completo de arranque tarda unos veinte minutos.

5.2.2. Cierre1. Se desconecta el encendido del motor.

2. Se cierra la válvula E.

3. Se deja abierta la entrada de aire del gasificador un breve periodo a fin de reducir el aumento de presión ocasionado por la pirólisis continuada del combustible. Hay que ser conscientes de que se está produciendo monóxido de carbono venenoso.

4. Después de algunos minutos, se cierra la entrada de aire del gasificador a fin de evitar una combustión continua del contenido de combustible del reactor.

5.2.3. Mantenimiento del sistema

Si se funciona con cáscara de coco, se ha comprobado que es necesario extraer las cenizas del fondo del reactor cada diez horas de funcionamiento.

El recipiente de cenizas del ciclón tuvo que vaciarse cada cuarenta horas aproximadamente.

A causa de la caída de presión a través del separador de choque, resultó evidente la necesidad de limpiar este dispositivo de filtrado cada 100 horas aproximadamente. La limpieza del filtro resultó bastante difícil debido a su estructura que sólo permite el acceso por la parte superior del sistema. Se encontró la solución de extraer el polvo por medio de un aspirador.

Debido a la caída de presión a través del filtro de fibra de vidrio, se llegó a la conclusión de que es necesario limpiar este dispositivo aproximadamente cada 100 horas de funcionamiento. La limpieza resultó un procedimiento bastante pesado porque había que quitar la parte superior del filtro. La extracción de la pesada tapa superior obliga a la participación de tres personas, como mínimo, o a acudir como solución a la instalación de una polea.

El mantenimiento anterior solo puede realizarse lógicamente cuando el sistema no está en funcionamiento.

El agua de condensación hay que extraerla de los recipientes de desagüe de productos condensados, cada cinco horas aproximadamente. Esta es una tarea secundaria y gracias a la estructura especial de las tapas de los recipientes de deseque, puede llevarse a cabo cuando el sistema está funcionando.

Los tiempos dedicados a intervalos de mantenimiento dependen no sólo del tiempo de funcionamiento del sistema sino también de la carga del motor, que tiene análoga importancia. Como la carga media del motor durante el funcionamiento en las Industrias de Giriulla fue más bien reducida (véase más adelante), es muy posible que los intervalos entre mantenimientos sean más breves cuando el sistema funcione a plena carga.

5.3. Experiencia operativa

5.3.1. Registro de funcionamiento y observaciones sobre rendimiento5.3.2. Trastornos de funcionamiento5.3.3. Modificaciones convenientes

5.3.1. Registro de funcionamiento y observaciones sobre rendimiento

La planta de gasificación de biomasa estuvo funcionando en la Universidad de Peradeniya de forma intermitente durante unas cuarenta horas, en noviembre de 1992, con distintos combustibles.

En el Cuadro 5.1. se presentan datos operativos.

Se observó una cierta tendencia a la formación de escoria cuando se funcionaba con desperdicios de coco, madera del árbol del caucho y briquetas de serrín de coco. Es muy posible que esto se debiera a que se introdujo una cantidad relativamente grande de arena en el gasificador junto con el combustible. Una rotación uniforme de la parrilla evitó una caída excesiva de presión en el reactor y el depósito de combustible y se pudo mantener el flujo en el depósito en los niveles deseados.

A finales de noviembre de 1982 se trasladó la instalación a las Industrias Giriulla donde está funcionando desde entonces alimentada con cáscara de coco.

En el Cuadro 5.1. se resumen también los datos operativos correspondientes a este período. El sistema está produciendo energía para seis motores de secado con una carga hasta de 30 kVA.

El sistema puede seguir un cambio escalonado de carga de 20 kVA.

El líquido condensado recogido se presenta como un liquido claro, lo que indica que en el gas pobre sólo hay trazas de componentes de alquitrán.

La eficiencia global del sistema estuvo entre el 15 y el 20 por ciento, como relación entre la energía eléctrica de salida y la energía de biomasa aportada.

La eficiencia del sistema depende naturalmente de las características del combustible, de las características de la carga y de las condiciones ambientales. La máxima eficiencia se obtuvo al funcionar con briquetas de serrín de fibra de coco. La tendencia de este combustible a la formación de escorias hay que comprobarla más con un funcionamiento más prolongado a fin de decidir si es necesaria una rotación automática y continua de la parrilla.

En las Fábricas de Giriulla el sistema funcionó de modo continuo durante unas 1 000 horas.

Según se observa en el Cuadro 5.1. es evidente que, como promedio, la instalación estuvo funcionando al 50 por ciento de su plena capacidad. Partiendo de datos más detallados, puede llegarse a la conclusión de que son frecuentes períodos de funcionamiento con cargas aproximadas del 33 por ciento de su capacidad total.

5.3.2. Trastornos de funcionamiento

El 19 de enero de 1983 el motor se paró y desde entonces no fue posible hacer funcionar el motor de arranque. Se sustituyó el motor y a continuación arrancó fácilmente la máquina.

No está claro si este problema se debió a una rueda dentada defectuosa de la máquina (que puede haber sido defectuosa desde el principio) o si el problema tiene que ver con el uso de gas pobre, que suele exigir un uso más prolongado del motor de arranque de la máquina.

El gasificador funcionó normalmente durante enero y febrero de 1983. Sin embargo, en varias ocasiones la temperatura de salida del gasificador subió por encima de los 475°C, fenómeno que no estuvo acompañado de mayores caídas de presión en el gasificador ni en la sección del filtro. La rotación de la parrilla de cenizas no se tradujo en una reducción de la temperatura de salida. En estas ocasiones se paró el motor durante una a dos horas.

Más tarde (como se ve después) fue posible atribuir el defecto a una fuga de aire hacia el gasificador.

El 4 de febrero, se observó que la frecuencia de la recarga con cáscaras había aumentado desde los 15 minutos normales a 5 ó 10 minutos. Teniendo en cuenta que el clima había sido excepcionalmente cálido y seco desde finales de enero, se mojaron las cáscaras antes de cargar el gasificador. A partir de entonces, la frecuencia de la recarga volvió a ser los 15 min originales.

El 11 de febrero, el motor comenzó a tener fallos de encendido (velocidad equivalente a 47-50 Hz). Cuando se sustituyeron las bujías de encendido por otras nuevas, desaparecieron los fallos de encendido del motor.

El 21 de febrero, la temperatura de la salida del gasificador se elevó a 500°C. Se observó que estaba saliendo alquitrán por la puerta de seguridad del gasificador. Como se sospechó que se estaba succionando aire a través de esta compuerta de seguridad, ocasionando con ello la subida de la temperatura, se cerró firmemente la puerta. Esto redujo la temperatura de salida del gasificador al valor normal de 430°C.

Se programó sustituir la puerta de seguridad accionada con resorte, por un disco de seguridad metálico, al igual que en el filtro de precipitación de polvo.

El 25 de febrero, se observó que el interior de la puerta de inspección (en la zona del hogar del gasificador) se había deteriorado. En consecuencia, se sospechó que había una fuga de aire por esta puerta. Se realizó una reparación con placas de acero suave porque existía el peligro de que se agrietase el revestimiento refractario y se cayese. Se limpió el cierre de seguridad de la puerta de la escotilla de inspección. La inspección realizada una semana después, demostró que las placas de acero suave estaban resistiendo.

El 1 de marzo, se observó que el revestimiento refractario se estaba desprendiendo a trozos en los extremos superior e inferior. Esto podía haber sido ocasionado por los frecuentes ciclos de enfriamiento y calentamiento. No se adoptaron medidas y la situación pareció estabilizarse.

La inspección del cenicero el 23 de marzo demostró la existencia de escoria semisólida, como si la ceniza se hubiera quemado en el cenicero. En consecuencia, debía haber estado entrando aire en el espacio de cenizas del gasificador, ya fuera por la salida de las cenizas o por el cierre de la parrilla. Se sospechó que se trataba del cierre de la parrilla porque no se pudo ajustar. El mecánico de las industrias Giriulla acopló un manguito adicional, después de lo cual no hubo nuevos problemas.

En febrero la temperatura media de entrada en el motor se elevó a 50°C, en comparación con los 42°C de enero. Esto se debió probablemente a la elevada temperatura ambiental en febrero (el 11 de febrero hubo 37°C a la sombra y 39°C dentro del cobertizo del gasificador).

En mayo de 1983 el motor comenzó de nuevo a hacer falsas explosiones. No tuvo efecto el cambio de las bujías de encendido. Después de desmontar el motor, se encontró que los pistones estaban cubiertos por una capa de 1 mm de carbono. Se observó también que la tubuladura de admisión del motor estaba cubierta con una capa semisólida de 2 mm de grueso, de alquitrán o de barro de polvo y agua. Las válvulas del motor parecían estar limpias. Los fallos de encendido del motor se atribuyeron a un encendido prematuro ocasionado por la acumulación de carbono en los cilindros.

No está claro si la producción de alquitrán es resultado de las cargas más bien bajas con que el motor funciona de vez en cuando o procede de una instalación incorrecta del filtro de tela de fibra de vidrio.

5.3.3. Modificaciones convenientes

Los primeros meses de funcionamiento pusieron de manifiesto los siguientes defectos de diseño y proyecto:

1. La accesibilidad del separador de choque es mala y se necesita un aspirador para extraer el polvo.

2. El mantenimiento del filtro de precipitación de polvos es difícil. La extracción de la tapa superior requiere la extracción de un reborde y la tapa es demasiado pesada, por lo que se requieren tres personas o un dispositivo mecánico para levantarla.

3. El sacudidor de la parrilla no funciona convenientemente. Un sistema de palanca que pudiera accionarse mientras se está en pie sería una importante mejora.

4. Los líquidos condensados procedentes de los tubos de refrigeración, se recogen en la tubería junto a la entrada del motor. Fue necesario adosar a este tubo un tanque adicional de desagüe.

5. El revestimiento refractario se desprende, probablemente como resultado del ciclo frecuente de calentamiento y enfriamiento. Esto podría evitarse apoyando la base del revestimiento con un reborde metálico.

6. El aire caliente de la refrigeración del radiador procedente del motor, se dirige en parte hacia el refrigerador del gasificador. Esto disminuye la eficacia del refrigerador de gas.

7. La tolba del combustible es demasiado pequeña para las cáscaras de coco. Es un inconveniente tener que rellenar el depósito de combustible cada 15 minutos.

8. La potencia máxima desarrollada por el motor es demasiado reducida. Aunque el sistema está diseñado para producir 40 kVA, sólo es posible obtener únicamente 35 kVA. Esto se debe probablemente al sistema poco ortodoxo de control de velocidad del motor, que controla simultáneamente la entrada de gas y aire al motor, en vez de utilizar el sistema normal en que solo se controla una válvula para la mezcla de gas y aire.

También, partiendo de unos principios generales, puede ser que la mezcla aire/gas en el carburador sencillo gas/aire del motor no sea completa, y como resultado de ello, algunos cilindros pueden recibir una mezcla demasiado rica y otros demasiado pobre.

5.4. Evaluación económica de los costes de producción eléctrica en la industria de Giriulla

Los costes generales de producción de energía del sistema se pueden evaluar en base a los siguiente supuestos:

Coste del sistema 32 000 US$ (90 000 Hfl)

Vida útil del sistema 6 años

Tasa de interés 10%

Costes de mantenimiento 10 por ciento anual de la inversión inicial1

Costes adicionales de mano de obra hombre-año

Costes de la cáscara de coco 6,00 US$/t

Funcionamiento 4 000 h/año

Estos supuestos llevan a la siguiente descomposición de costes anuales:

Cargas anuales de capital 2 7 350 US$

Mantenimiento 3 200

Mano de obra adicional 700

Lubricantes 1 600

Combustible (140 toneladas de cáscara de coco) 840

Coste anual 13 690 US$

Energía producida (4 000 h x 20 kW) 80 000 kWh

Coste unitario 0,171 US$/kWh1 Supuesto.

2 Las cargas anuales de capital se calculan utilizando la relación:

en la que:

C = costes de capitali = tasa de interés anualt = vida útil del sistema

Estos costes se comparan favorablemente con un sistema de generación diesel cuyos costes, en circunstancias semejantes, serian alrededor de 0,26 US$/kWh.

5.5. Notas finales

Del detenido análisis anterior puede observarse que se encontraron una serie de dificultades operativas. Estos problemas son fáciles de resolver y han sido solucionados en las instalaciones de segunda generación.

Un problema importante podría derivarse de la formación lenta de carbono en los cilindros del motor, como consecuencia de pequeñas existencias de alquitrán o polvo en el gas. Queda aún por comprobar si esto se debe a unas cargas demasiado bajas del motor o a un filtro defectuoso de tela de fibra de vidrio.

La economía del sistema de gasificación de Sri Lanka se compara favorablemente con los sistemas de generación eléctrica diesel de la misma dimensión.

Capítulo 6. Grupo electrógeno de 1,4 MW alimentado con gas de madera en Paraguay

6.1. Historial de las instalaciones de los gasificadores6.2. Suministro y preparación del combustible de madera6.3. Descripción de los amplificadores de tiro invertido6.4. Producción de electricidad con grupos de motor de gas y alternador6.5. Experiencias de funcionamiento6.6. Rentabilidad del empleo de gas de madera en loma plata

En Loma Plata, en la región del Chaco de Paraguay, la Compañía Alemana Imbert instaló en 1983 un grupo electrógeno de 1,4 MW de potencia, alimentado con gas de madera. Originalmente, la planta consistía en dos gasificadores de tiro invertido, con una capacidad teórica de producción de gas de 1 800 m³/h cada uno, pero en octubre de 1985 se equipó con un tercer gasificador de diseño y fabricación local. Los gasificadores alimentan tres conjuntos Waukesha L7042 G de gas-motor-alternador, con una capacidad de producción de 420 kVA cada uno. El grupo electrógeno suministra electricidad a una cooperativa agrícola privada de industrias de pequeña dimensión, panaderías, lecherías, escuelas y unas 1 500 familias.

Hasta febrero de 1986 los dos primeros gasificadores habían estado funcionando durante más de dos años y el tercero más de tres meses. El grupo electrógeno estuvo trabajando sin problemas importantes, lo que permitió a la cooperativa desarrollar y mejorar su economía mediante unos menores costes de energía, el aumento del suministro electrice y la creación de nuevos puestos de trabajo.

El consumo medio de combustible madera por kWh de electricidad producida fue de 1,9 kg/kWh, con un coste de combustible de 2,9 G/kg, en comparación con el coste del gasoil que subió de 72 G/l en enero de 1984 a 127 G/l en diciembre del mismo año.

En las secciones que siguen se ofrece una descripción más detallada del grupo electrógeno, la preparación del combustible de madera y los costes de producción de electricidad, de acuerdo con la información proporcionada por Sonnenberg et al. (37) y Cañete (9).

En la Figura 6.1. se muestra un diseño esquemático del grupo electrógeno de Loma Plata.

6.1. Historial de las instalaciones de los gasificadores

En 1981 el Departamento de Desarrollo del BNF (Banco Nacional de Fomento de Paraguay) en cooperación con la división técnica y administrativa del Comité Cooperativo Chortitzer, de la región del Chaco, realizó un estudio de viabilidad para el establecimiento de un grupo electrógeno, que utilizase gas de madera como combustible. El estudio incluía muchas alternativas de combustibles y llegó a la conclusión de que el uso de gas de madera sería la solución más factible y beneficiosa de la región del Chaco.

Las conclusiones se basaban en los siguientes hechos:

1) la posibilidad de evitar el empleo de combustibles fósiles para la producción de electricidad;

2) creación de nuevos puestos de trabajo en la recogida, transporte y preparación de leña;

3) utilización de residuos forestales inapropiados para elaboración industrial;

4) reducción de los costes de los agricultores que preparan nuevas tierras agrícolas, al tener la posibilidad de vender la madera cortada como combustible;

5) los recursos de leña de la zona cubrirán las necesidades de la central termoeléctrica durante mucho tiempo;

6) no se necesita agua de buena calidad para la refrigeración ni para la caldera;

7) se evita el transporte de gasoil a largas distancias con unos costes que crecen continuamente;

8) costes considerablemente menores, por kWh de electricidad producido, con gas de madera respecto al gasoil;

9) ahorro de moneda extranjera tanto a nivel nacional como regional, disminuyendo la necesidad de petróleo importado;

10) desarrollo de una autosuficiencia regional en la zona, sin depender del clima ni del suministro de petróleo (las carreteras están cerradas con frecuencia debido a la lluvia) y mejora de la economía, al disminuir el importe de las facturas de petróleo para la central eléctrica y de las facturas de electricidad para las industrias de la zona.

Basándose en los resultados del estudio de viabilidad, la Cooperativa Chortitzer decidió solicitar un préstamo para realizar el proyecto de gas de madera, con un coste total estimado de 320 millones de G. Esta seria en Sudamérica, la primera central eléctrica de esta dimensión que produce electricidad con combustible a base de biomasa.

Los dos primeros años de funcionamiento despertaron un gran interés entre representantes del gobierno, instituciones técnicas, y ejecutivos nacionales y extranjeros, y personas responsables de la toma de decisiones, que han hecho frecuentes visitas a la central eléctrica de Loma Plata.

Figura 6.1. Diagrama de flujos del gasógeno alimentado con gas de madera, de Loma Plata (3 unidades gasificador-motor)

6.2. Suministro y preparación del combustible de madera

El combustible forestal para la central se abastece de una gran zona de bosque de 274 000 ha, con un volumen total estimado de 57 millones de toneladas de leña y un crecimiento natural de 2 a 3 m³/ha/año. Dentro de la zona de influencia el empleo de la leña como combustible ha subido de 3 300 toneladas en 1981 a 10 500 toneladas en 1984. Con la puesta en marcha del tercer gasificador, la central eléctrica de Loma Plata está previsto que emplee aproximadamente 15 000 toneladas de leña al año. Los otros grandes consumidores de leña de la zona son las industrias de aceite de cacahuete y de algodón, los productores de ladrillos y de carbón vegetal, las panaderías y los fabricantes de muebles, que consumen anualmente entre 600 y 1 100 toneladas cada uno. De este modo, el suministro de leña a la central eléctrica estará libre de peligros, con toda probabilidad, en un futuro próximo. Se estima que los recursos de leña de la región del Chaco cubren las necesidades de la central eléctrica y de las industrias para más de 3 000 anos. La leña se trae a la central de una zona de 45 km de radio.

La leña que se entrega en Loma Plata procede principalmente del Quebracho blanco. El diámetro de los pies está entre los 50 y 250 milímetros. Es necesario utilizar para el gasificador combustible de madera limpio y bastante seco, sin piedras, arcilla o materias minerales; en caso contrario, la ceniza del gasificador se convierte en escoria y perturba el proceso de gasificación. Por lo tanto, se prepara una superficie de suelo duro, para la preparación del material de alimentación, cerca de la planta del gasificador. Se recomienda cortar primero los troncos de madera en longitudes de 1,5 a 2,5 metros, para facilitar la preparación y manipulación del sistema de troceado del combustible. Para acelerar el proceso de secado es conveniente partir los troncos al aire libre. Se emplea para ello un partidor hidráulico sencillo. Antes del astillado el contenido de humedad de la leña, es como promedio del 40 al 42%, secándose durante 60 días al aire libre, hasta llegar al 28% y cubierta bajo tejado se llega aproximadamente al 25% (véase el Cuadro 6.1.). Por razones prácticas y de seguridad la central almacena leña para unos tres meses de consumo, en su propio lugar.

Cuadro 6.1. Propiedades de secado de la leña (9)

tiempo de secado (días) al aire libre C.H. seco (%) bajo cubierta C.H. seco (%)

0 40,7 40,7

15 34,2 30,7

30 32,3 29,5

45 29,9 27,2

60 27,2 25,2

El combustible del gasificador debe ser preferentemente menor de 70 a 90 milímetros de longitud y 300 cm³ de volumen. Se emplea para este fin una astilladora de tambor, con una capacidad aproximada de 20 m³/h accionada por un motor de gas de madera (Mercedes-Benz, con potencia de 110 kW). La astilladora tiene un diámetro de 1 000 mm y gira a 1 000 rpm. Funcionando durante 4 a 5 horas diarias, se puede producir la cantidad de combustible necesaria para 24 horas de funcionamiento. El Cuadro 6.2. muestra la distribución normal por tamaños de las partículas de las astillas de madera producidas.

Cuadro 6.2. Distribución por tamaño de las partículas del combustible del gasificador

Tamaño de la criba (mm) Retención (%)

150 x 150 4,8

100 x 100 56,0

50 x 50 29,2

25 x 25 9,9

pérdida de cribado 0,1

La densidad aparente de las astillas de madera es aproximadamente de 400 kg/m³ con un contenido de humedad del 25%. Desde la astilladora, las astillas de madera se transportan a un almacén intermedio mediante una cinta transportadora. La capacidad de este almacén cubierto es aproximadamente de 300 m³ y su superficie de 200 m². Las astillas de madera se cargan desde el almacén intermedio a las tolbas de alimentación de los gasificadores con ayuda de cintas transportadoras. Las tolbas de alimentación están equipadas para emplear los gases de escape de los motores, para reducir aún más el contenido de humedad del combustible de madera. El contenido de humedad de las astillas disminuye de un 5 a un 10% después de su contacto con los gases de escape, a una temperatura aproximada de 150° C, durante 12 a 15 minutos. Un análisis de 15 muestras de astillas de madera dio un contenido medio de humedad del 19,2% con una variación entre 10,2 y 28,7%. El tamaño de una tolba alimentadora es de 8 m³, lo que es suficiente para tres horas de funcionamiento con el gasificador a plena carga.

6.3. Descripción de los amplificadores de tiro invertido

La central eléctrica de Loma Plata está equipada con tres gasificadores de tiro invertido -dos de diseño Imbert y uno local- con una capacidad teórica de producción de gas de 1 800 m³/h, cada uno de ellos. Los gasificadores se alimentan por medio de cintas transportadoras que parten de tolbas instaladas en la parte delantera de los gasificadores en un foso subterráneo (véase la Figura 6.2.). El combustible de madera se carga automáticamente desde la tolba de alimentación al gasificador, para atender el consumo de los gasificadores y equilibrar las necesidades de los motores de gas de madera.

Figura 6.2. Diseño esquemático de las instalaciones de preparación del combustible de madera y de los gasificadores (9)

Los gasificadores funcionan con presión negativa, que es el resultado de la succión, ya sea del motor de gas o de un ventilador de gas. La altura total del gasificador Imbert es de 7,5 metros y el diámetro exterior de 2,1 metros. El tercer gasificador, que es de diseño y fabricación local tiene una zona de reducción más alta lo que permite que el gasificador funcione con temperaturas más bajes sin arrastre de alquitrán en el gas producido.

La madera desciende por el gasificador mediante gravedad. Al arrancar se carga carbón vegetal en la zona del hogar y por debajo de ella, y se coloca madera en la parte superior. El encendido se realiza con algo de paja o un trozo de papel. Después del arranque, sólo tarda unos cinco minutos el comienzo de la producción de gas, porque el carbón vegetal reacciona muy rápidamente con el aire en la zona del hogar. Se necesita un tiempo total de unos 40 minutos para conseguir la plena capacidad de producción de gas. La toma de aire está dotada de un sistema de tuberías y toberas, con un calentamiento previo del aire mediante intercambio de calor con el gas producido. La conservación del calor se ve ayudada por el aislamiento de la envoltura exterior. La Figura 6.3. muestra un dispositivo adicional de toma de aire que se instaló para garantizar un "cracking" completo de los componentes hidrocarbonados más pesados. Los gasificadores están diseñados para funcionar hasta un 25% de su capacidad total de carga. Unas temperaturas suficientemente altas en la zona de oxidación, dan lugar a un gas prácticamente libre de alquitrán.

Si la operación de los gasificadores se interrumpe o se termina, hay que parar los motores. Pero si se ha desarrollado una temperatura apropiada en el interior del

gasificador, la gasificación vuelve a comenzar inmediatamente, al encender el ventilador de succión, incluso después de largas paradas.

El contenido de cenizas de la madera es aproximadamente del uno por ciento en peso. Gran parte de las cenizas y también algunas partículas finas de carbón vegetal, caen a la cámara de recolección de las cenizas, a través de la parrilla inferior del gasificador. Normalmente, la parrilla se mueve de vez en cuando por medios mecánicos. La ceniza se extrae mediante una apertura de servicio hermética al gas, con un sistema automático de extracción de las cenizas. Esto se realiza con intervalos de dos a tres días.

Desde los gasificadores el gas se pasa en primer término a través de los multiciclones (uno por gasificador) que separan la mayor parte del polvo y las cenizas volantes arrastradas por el gas. La cantidad separada ha sido, como promedio, el 0,1% del combustible madera seco introducido en los gasificadores.

Después de los ciclones, se pasa el gas a través de depuradores de agua, refrigeradores y filtros, hasta un filtro secundario de carbón vegetal, donde se separan las ultimas impurezas y el contenido de humedad del gas. Antes de introducir en los motores el gas de madera limpio y seco, se comprime ligeramente con ayuda de un compresor accionado eléctricamente y se almacena en un tanque intermedio.

La Figura 6.4. muestra una instalación comercial típica gasificador-motor, tipo Imbert. Las de Loma Plata están ligeramente modificadas.

6.4. Producción de electricidad con grupos de motor de gas y alternador

Los gasificadores alimentan tres grupos de motor-alternador Waukesha L 7042 G, con los siguientes datos técnicos: motores con 12 cilindros en V, con un volumen de cilindros de 115,4 dm³, diámetro interior/pistón de 238/216 mm, e índice de compresión de 10:1. La potencia teórica disponible de los motores cuando funcionan con diesel es 859 kW cada uno a 1 200 rpm.

Los motores se han adaptado para funcionar con gas pobre en la forma normal, mediante instalación de bujías especiales, mezcladores gas/aire, dispositivos de control, etc. Funcionando con gas de madera, la potencia teórica disponible es de 525 kW a 1 000 rpm. Con cos (fil) = 0,8 para el alternador 400/230 V, de 50 Hz, cada equipo puede generar 420 kVA de electricidad.

Durante el primer año y medio de funcionamiento, en 1983-84 la central eléctrica produjo 4 703 MWh de electricidad, con un consumo total de combustible de madera de 8 890 toneladas. Esto significa que el consumo medio de combustible por kWh producido fue de 1,89 kg de astillas de madera, con un contenido de humedad del 20 al 25%. Durante el mismo período, los motores en funcionamiento consumieron 9 640 litros de aceite lubricante.

Calculando con un factor medio de carga del 68%, durante 24 horas al día y 300 días al año, cada unidad gasificador-motor genera aproximadamente 2 060 MWh de electricidad al año. En el Cuadro 6.3. se expone la demanda estimada de electricidad de la comunidad de Loma Plata.

Cuadro 6.3. Demanda de Electricidad de Loma Plata (9)

Consumidor/año (MWh/a) 1983 1/ 1984 1/ 1985 2/ 1986 2/

Industria 2 958 4 048 5 200

Edificios publicas 1 015 1 117 1 335

Varios (panaderías, lecherías, carpinterías, etc.) 256 316 410

Otros 185 258 515

Total 3 089 4 414 5 739 7 4601/Real2/Proyectada

Figura 6.3. Dispositivo adicional de inyección de aire instalado en los gasificadores

Figura 6.4. Diagrama esquemático de un grupo característico Imbert gasificador-motor-generador

6.5. Experiencias de funcionamiento

Después de la instalación y funcionamiento de prueba de los dos primeros gasificadores, se presentaron algunos problemas con la aparición de alquitrán en los depuradores, filtros y motores. Se registraron también unas temperaturas muy elevadas en los gasificadores. Estas anormalidades o dificultades no se observaron cuando se ensayó el equipo en Alemania, antes de enviarlo a Paraguay. Se pensó que los motivos obedecían al hecho de que en los funcionamientos de ensayo en Alemania el combustible empleado fue madera de pino local mientras que el combustible del Chaco fue madera de Quebracho blanco.

Como primera medida se analizaron con más detalle los dos combustibles de madera en cuestión y los resultados indicaron los hechos siguientes:

1. Los contenidos de alquitrán y cenizas de la madera de Quebracho eran el doble de los valores respectivos para el pino alemán.

2. El valor calorífico de la madera de Quebracho era también superior.

Para resolver los problemas antes mencionados de la contaminación de alquitrán, se instaló en el gasificador un dispositivo adicional de inyección de aire, como se muestra en la Figura 6.3., y se empleó también un filtro adicional secundario de carbón vegetal. Para poder reducir las temperaturas en el reactor hubo que disminuir el volumen de gas en un 30%. Esto tuvo naturalmente una influencia negativa en la capacidad del gasificador. En el diseño del tercer gasificador se tuvieron en cuenta estas experiencias lo que se tradujo en un equipo algo modificado, como se mencionó en la Sección 6.3. En 1985 los gasificadores trabajaron más o menos sin problemas y los costes de mantenimiento y reparación disminuyeron aproximadamente en un 40%. (9).

6.6. Rentabilidad del empleo de gas de madera en loma plata

La producción de electricidad con gas de madera en Loma Plata se ha convertido en una operación acertada y rentable, en comparación con la alternativa de emplear gasoil como combustible. El precio del gasoil subió de 72 G/l en junio de 1983 a 127 G/l en diciembre de 1984. Durante ese período el coste de las astillas de madera fue

como promedio de 2,9 G/kg, que es más de seis veces el precio del combustible de madera en el aserradero de Sapire (véase el Capítulo 4), pero es todavía un coste muy favorable en comparación con el precio del gasoil.

La producción de un 1 kWh de electricidad consume 1,89 kg de combustible-madera a un coste de 5,48 G, mientras que la cifra correspondiente para el gasoil sería de 0,34 l y 34 G, calculados con un precio medio del petróleo de 100 G/l.

Cuadro 6.4. Costes de Producción de Electricidad empleando Gas de Madera en Loma Plata (9)

Ano Combustible-madera Lubricantes Funcionamiento Mantenisiento Total

G G G G

1983 4 212 365 897 000 1 581 216 916 850 7 657 431

1984 21 542 100 3 923 000 4 671 000 18 337 000 48 473 100

Total 25 814 465 4 820 000 6 252 216 19 253 850 56 140 531

Durante este periodo la producción total de electricidad fue de 4 703 650 kWh, lo que da un coste promedio por unidad de 11,93 G/kWh. La participación del aceite lubricante en los costes finales fue de 1,02 G/kWh, y la de los costes de mantenimiento de 4,09 G/kWh. Los costes totales de inversión de la central eléctrica (excluyendo el tercer gasificador) fue de 319 millones de G y la participación de los costes de los equipos fue de 208 millones de G.

Calculando con una tasa de interés real del 10% y un tiempo de depreciación de ocho años, los costes anuales de capital de las instalaciones son 59,3 M G o equivalentes a 11,9 G/kWh, con una producción media estimada de electricidad de 5 000 MWh al año. Esto representa unos costes totales de producción de electricidad de 23,8 G/kWh, que es sólo la mitad del precio real de la electricidad en 1984, de 46 G/kWh.

El tiempo de reintegro para el proyecto completo se ha calculado en unos 6,5 años. Los ahorros anuales netos en costes de combustible, por utilización de madera en lugar de gasoil, para el año 1984, fueron superiores a 100 millones de G.

Todas las cifras económicas antes calculadas, indican claramente la rentabilidad de utilizar gas de madera para la producción de electricidad en la central eléctrica de Loma Plata. Los otros efectos socioeconómicos positivos del empleo de la producción de energía basada en la biomasa, para actividades agrícolas e industriales dentro de la cooperativa de Chortitzer, son difíciles de expresar en cifras, pero son innegables.

Tasas de cambio

Junio 1983 1 US$ = 160 G

Junio 1984 1 US$ = 360 G

Septiembre 1984 1 US$ = 445 G

Enero 1985 1 US$ = 377 G

Abril 1985 1 US$ = 455 G

Julio 1985 1 US$ = 625 G

Enero 1986 1 US$ = 635 G

Capítulo 7. Futuro del gas de madera como combustible para motores

7.1. Requisitos previos para el uso extensivo de los gasificadores de madera7.2. Países industrializados7.3. Países en desarrollo7.4. Necesidad de cooperación internacional

7.1. Requisitos previos para el uso extensivo de los gasificadores de madera

No hay ninguna duda de que los gasificadores de madera han desempeñado un importante papel en el pasado, cuando eran inasequibles o muy caros los combustibles líquidos para motores de combustión interna. Es indudable también que ha habido un interés creciente hacia esta tecnología desde la mitad de los anos 70, por parte de científicos, planificadores de energía, organismos internacionales de asistencia al desarrollo y funcionarios gubernamentales de algunos países, como

medio de reducir la factura petrolífera en los países importadores de petróleo que disponen de grandes recursos de biomasa. Pero hasta ahora hay muy pocas instalaciones en funcionamiento comercial, en las que se emplee el gas para hacer funcionar un motor de combustión interna.

Es evidente que esta tecnología puede tener un papel futuro en países importadores de petróleo, como una opción de emergencia, aunque parece que Suecia es el único país que ha adoptado oficialmente la decisión de prepararse para la adaptación de los vehículos para funcionar con gas de madera.

Es lo más probable que el gas de madera no tenga futuro como combustible normal para motores. El Cuadro 7.1. enumera las cuestiones fundamentales que deberán tener una respuesta positiva para poder promover un uso más generalizado. Se acampanan también las respuestas basadas en la situación actual en Suecia y en el Tercer Mundo y un breve análisis de los posibles cambios de la situación actual.

7.2. Países industrializados

En Suecia, la situación económica actual, desfavorable para la gasificación de la madera es la principal razón de que existan sólo unas pocas centrales en funcionamiento con fines de ensayo. Las condiciones económicas desfavorables son consecuencia del hecho de que la diferencia de costes entre los combustibles de petróleo y la electricidad, por una parte, y la madera como combustible, por la otra, no es suficientemente elevada para cubrir los fuertes costes de mano de obra y capital del sistema de gasificadores.

Es interesante observar que el precio en Suecia de los combustibles de petróleo, a valores constantes, no es muy diferente en la actualidad de los años 30 y es en realidad inferior al que existía inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial. Sólo durante la Guerra fue el precio notablemente superior. En general, tales condiciones económicas desfavorables se aplican igualmente a los gasificadores de madera en la mayoría de los países industrializados, con la posible excepción de industrias que cuentan con un exceso de combustibles de biomasa residual.

La situación cambiará únicamente si se producen unos aumentos importantes en los precios del petróleo o en el coste de la electricidad. Tal evolución está prevista en la actual política energética de Suecia, que pretende el aumento de los impuestos sobre los combustibles importados y la abolición de la energía nuclear antes del año 2010 pero no será hasta después del año 2000 cuando puedan haber cambiado las condiciones económicas en favor de los gasificadores de madera.

Puede deducirse como conclusión que no parece haber un futuro inmediato para el gas de madera como combustible de motores, en los países industrializados. Los gasificadores de madera pueden ser económicos en circunstancias especiales, como en industrias con un exceso de residuos de biomasa pero su efecto sobre el balance energético será despreciable. Esto no significa que no haya necesidad de mantener una tecnología activa y de mejorarla. La situación puede haber cambiado a finales de siglo y la gasificación de la madera continua siendo la única alternativa realista de emergencia para muchos países.

7.3. Países en desarrollo

En los países en desarrollo, como se indicó en el Cuadro 7.1., los obstáculos para extender el uso de los gasificadores de madera, son totalmente diferentes. Como se demuestra en varios ejemplos de esta publicación, la economía actual del empleo de los gasificadores de madera parece ser muy prometedora en países con bajos costes de mano de obra, en particular en lugares con elevados precios del petróleo.

La disponibilidad de combustible de biomasa puede ser un obstáculo grave en algunos países. En muchos de ellos hay potencial técnico para poder disponer de combustibles de biomasa mediante conservación (p. ej. estufas de cocina mejoradas) o aumento de la producción (plantaciones para energía). Lo que falta en estos países es sobre todo la oportunidad o voluntad política de mejorar la disponibilidad de combustibles de biomasa.

Otros obstáculos para la utilización del gas de madera como combustible para motores, en los países en desarrollo, son la falta de experiencia y la falta de equipos disponibles comercialmente. Sólo cabe esperar que esta publicación y otras actividades de divulgación de la FAO y de otras organizaciones, como la "Mesa Redonda sobre Gas Pobre" y la "Red de Usuarios de Biomasa" contribuyan a la transferencia de tecnología, en tal medida que pueda salvarse este obstáculo. Los motivos de que no exista una producción comercial de sistemas basados en los gasificadores de madera, en países en que esta tecnología podría ser económica y en los que, debido a los bajos salarios, parecen existir posibilidades para fabricar equipos baratos, hay que buscarlos en la falta de experiencia antes indicada, y en la falta de capital para poner en marcha tales empresas, pero quizás lo más importante sea la falta de un mercado real para los productos.

Puede parecer extraño quizás que no exista un verdadero mercado. Es cierto, como se ha demostrado anteriormente en esta publicación, que puede ser muy económico, en países en desarrollo, el empleo del gas de madera como combustible para motores. Sin embargo, hay que comprender que la falta de capital para las inversiones necesarias en equipos, junto con la falta de datos fácilmente disponibles y seguros, para evaluar la viabilidad económica, pueden constituir un gran obstáculo.

Si se supone que la dimensión relativa de una inversión puede determinarse calculando la relación entre la inversión y los salarios, es interesante observar que la inversión marginal para un sistema de gasificador, en Europa, puede ser equivalente a unas 15 horas de trabajo/kW de capacidad instalada1, mientras que en un país en desarrollo, como puede deducirse de los cálculos de los Capítulos 4 y 5, la inversión marginal puede ser equivalente a 80200 horas de trabajo/kW, o incluso más, para equipos individuales fabricados en Europa, y empleados en un país en desarrollo de bajos salarios. Es comprensible, por lo tanto, que las inversiones en equipos de gasificadores dependa en gran medida de dinero prestado. La disponibilidad de préstamos para estos fines puede ser un factor limitante y, en cualquier caso, será necesario convencer a las instituciones de crédito de que la inversión será rentable.

1 Durante la Segunda Guerra Mundial la inversión marginal ascendía a unas veinte horas de trabajo/kW.

Esto puede ser difícil si no hay una experiencia local favorable sobre la tecnología.

Parece que estos obstáculos sólo pueden eliminarse en un tiempo razonablemente corto si existe un programa gubernamental decidido para la introducción del gas pobre,

incluyendo la instalación y funcionamiento de plantas demostrativas, préstamos baratos para los usuarios de vanguardia y una organización de abastecimiento de combustible.

Cuadro 7.1. Requisitos previos actuales y posibles en el futuro para el empleo generalizado del gas de madera como combustible para motores

Cuestiones que hay que responder con un 'si' para que el gas de madera se emplee regularmente como combustible para motores

EVALUACION

Países industrializados Países en desarrollo

Situación actual

Posibles cambios futuros

Situación actual Posibles cambios en el futuro

1. ¿Existen suficientes incentivos económicos?

No La política gubernamental pretende promover los combustibles nacionales. Probablemente no habrá efectos sobre la economía de los gasificadores, en este siglo

Si Los salarios crecientes, como resultado del desarrollo económico, harían menos rentables los gasificadores

2. ¿Existe combustible adecuado de biomasa comercialmente disponible y puede mantenerse el empleo de este combustible para gasificadores?

Si La situación mejorará probablemente como resultado de la actual política energética y de la investigación y desarrollo en marcha

En algunos países

Si

El uso actual excesivo de combustibles de biomasa puede reducirse y adoptar métodos para el empleo de la biomasa con nuevos fines.

3. ¿Se dispone de los necesarios conocimientos sobre diseño, producción y funcionamiento de gasificadores de biomasa?

Si El conocimiento práctico lo poseen actualmente un pequeño número de personas. Este conocimiento hay que mantenerlo o puede desaparecer

Generalmente, No

La difusión informativa y los cursos de formación organizados por organismos internacionales de asistencia al desarrollo, pueden mejorar la situación.

4. ¿Se dispone Si, pero no hay Si, pero La tecnología de

comercialmente de los equipos necesarios?

producción en serie

fabricados con costes elevados en Europa o EE.UU.

producción es comparativamente sencilla. Si se dispusiera de conocimientos y del capital necesario y si hubiera un mercado razonablemente extenso, la producción podría comenzar en muchos países

5. ¿Pueden los usuarios determinar su economía basándose en la experiencia de instalaciones que funcionan localmente

Si No (con algunas excepciones)

Puede mejorarse la situación instalando plantas demostrativas

6. ¿Hay a disposición de los usuarios el capital necesario para la inversión en equipos?

Si Probablemente no (con algunas excepciones)

Depende de las posibilidades de obtener préstamos para estos fines. Se necesita probablemente un programa gubernamental para mejorar la situación en poco tiempo

EVALUACION GLOBAL

No hay lugar para los gasificadores de madera, salvo como solución de emergencia

El aumento de los precios del petróleo puede cambiar la situación

Algunos obstáculos para su empleo generalizado

Se pueden salvar todos los obstáculos. Los cambios, en un futura próximo, requerirán acciones gubernamentales y asistencia internacional.

Esta fue la forma en que se introdujo el gas pobre en Suecia durante la Segunda Guerra Mundial; para más detalles véase el Capitulo 3 ó (1). Así fue como se hizo en Alemania durante el mismo período, véase Graf (16), y éste es el mismo sistema que se está siguiendo actualmente en Filipinas; véase Bala (4). El programa de Filipinas se ha enfocado en la gasificación del carbón vegetal pero afectarán los mismos problemas de introducción a los gasificadores de madera.

La conclusión es que el futuro de la tecnología de la gasificación de la madera en los países en desarrollo, depende sobre todo de que existan o no iniciativas gubernamentales para promover esta tecnología, a fin de sustituir con biomasa los combustibles de petróleo importados. Probablemente será necesario también que tales programas reciban apoyo financiero de las organizaciones internacionales de asistencia al desarrollo. En la actualidad se proporciona tal apoyo a proyectos demostrativos en gran numero de países, pudiendo esperarse una posible evolución hacia la ayuda a programas de mayor alcance.

El Banco Mundial, inició en julio de 1983 para el Programa de Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), un programa para el seguimiento y recopilación de datos unificados sobre el rendimiento, fiabilidad, economía, seguridad y aceptación pública de los gasificadores de biomasa que funcionan actualmente en los países en desarrollo (29).

Los resultados del programa de seguimiento se emplearán para:

(i) determinar si los gasificadores están cumpliendo las expectativas técnicas, económicas y operativas de los que actualmente utilizan la tecnología;

(ii) identificar las tecnologías de gasificadores, recursos de combustibles y condiciones de funcionamiento que mejor garantizan el éxito de los proyectos;

(iii) identificar los aspectos de la tecnología que necesitan investigación y desarrollo adicionales;

(iv) establecer normas para evaluar la aceptabilidad de los proyectos de gasificadores propuestos; y

(v) definir el alcance para la aplicación de los gasificadores de biomasa en países en desarrollo.

Cuadro 7.2. Características de los gasificadores controlados en la Fase 1 del Programa PNUD/Banco Mundial (29)

País Localización Fabricación Capacidad Diseño

* Material de

alimentación Uso Final

BRASIL 1) Prudente de Morais

Embrabi 100 HP TI Carbón vegetal

Motor SI/Bombeo de Agua

2) Itamarandiba

Siquierol 40 kVA TI Carbón vegetal

Generación de Electricidad con motor SI

3) Santa Luzia Riedhammer 12 GJ/hr TI Carbón vegetal

Gas limpio para quemadores en túnel de cerámica KILN

4) Espera Feliz

Thermoguip 2 GJ/hr TI Madera Quemadores para el secado del kaolin

FILIPINAS 1) Bago Loctugan, Ciudad de Roxas

GEMCOR 39 HP TI Carbón vegetal

Diesel/Bombeo para riego

2) Bolo Kaisa, Ciudad de

GEMCOR 52 HP TI Carbón vegetal

Diesel/Bombeo para riego

Roxas

3) Antique Kaisa Culasi

GEMCOR 75 kVA TI Carbón vegetal

Generación de Electricidad con motor SI

4) Isla de Maricban

GEMCOR 60 kVA TI Carbón vegetal

Motor SI/Generación de Electricidad

MALI Dogofiri ¿? - China 200 kVA TI Cáscaras de arroz

Motor SI/Generación de Electricidad

KENYA Ngong Amica-Kenya 25 kW TI Carbón vegetal

Motor SI/Bombeo de Agua

BURUNDI Tora Everad-Bélgica

45 kVA TI Turba Diesel/Generación de Electricidad

* TI = de tiro invertido; TD = de tiro directo.

El proyecto abarcará teóricamente un periodo de tres años. Durante la primera fase del programa, se realizará el seguimiento (29) de las instalaciones de gasificadores enumeradas en el Cuadro 7.2. y se sentarán las bases para el seguimiento efectivo de seis proyectos PNUD/CEE de energía con gasificadores en el Pacífico Sur. El segundo año se continuarán las primeras actividades mencionadas, se iniciará un seguimiento en gran escala de los gasificadores instalados en el Pacífico Sur y posiblemente se añadirán al programa las instalaciones existentes en América Latina y Africa. Además, se prepararan para Brasil y Filipinas estudios de casos nacionales que definan el papel de la tecnología de los gasificadores para atender las necesidades energéticas nacionales. Finalmente, en el tercer año se incorporará el seguimiento de las nuevas tecnologías que están surgiendo de gasificadores de calor.

7.4. Necesidad de cooperación internacional

Es evidentemente cierto que cualquier país donde puedan ser útiles los gasificadores de madera podrá adaptar, desarrollar e introducir la tecnología sin gran ayuda de otros países. Una introducción rápida con un mínimo de errores técnicos y frustraciones, en un país que no cuente con experiencia activa en esta tecnología, necesitará sin embargo aplicar las experiencias pasadas y actuales de los países europeos y de los EE.UU. A nivel general, tales experiencias están disponibles a través de varias organizaciones sin ánimo de lucro pero también es cierto que cuando se llega a la fabricación real de los equipos, es fundamental el conocimiento y la experiencia de los fabricantes que han diseñado y fabricado con éxito recientemente equipos en funcionamiento. Un acuerdo comercial con tales fabricantes parece, por lo tanto, el camino mas fácil para introducir el gas de madera como combustible para motores.

La introducción de los gasificadores de madera requerirá inicialmente cierto capital que puede no estar disponible en muchos países en desarrollo. El apoyo de las organizaciones internacionales puede ser en tal caso esencial, como se analizó anteriormente. Conviene observar que, con los tiempos de retorno estimados en esta

publicación, la necesidad de apoyo financiero será de corta duración, ya que muy pronto el mejoramiento de la situación económica, resultante de unas menores facturas de petróleo, permitirá disponer de recursos económicos para nuevas inversiones en gasificadores de madera. Vale la pena mencionar que puede haber beneficios, además de las ventajas comerciales que se obtengan, para los países industrializados que cooperen con los países en desarrollo en la introducción de los gasificadores de madera. La información recíproca procedente del funcionamiento práctico de motores modernos, podría ser de gran valor en el caso de una crisis de suministro de combustibles de petróleo.

Hay, finalmente, necesidad de realizar esfuerzos conjuntos para mejorar y encontrar nuevos sistemas de reducir los riesgos sanitarios y posibles impactos ambientales del funcionamiento con gas de madera. A pesar de las condiciones económicas muy prometedoras de esta tecnología, puede ser necesario limitar su uso para aplicaciones especiales y como una solución de emergencia, si no pueden controlarse los riesgos para la salud y la contaminación ambiental. Con una perspectiva a largo plazo, parece que los más graves potencialmente son el envenenamiento crónico y la eliminación de los condensados de alquitrán. Un seguimiento cuidadoso de las experiencias disponibles y el intercambio de información procedente de tales programas, deben recibir una alta prioridad para la cooperación internacional.

Apéndice 1. Calculo de la potencia disponible de un motor con gas de madera

El gasificador se diseña para un motor con las siguientes especificaciones:

Diámetro interior = 84,14 mmCarrera del pistón = 80 mmCilindrada (D) = 3,56 l

Coeficiente aire/gas (estequiométrico) : 1,1 : 1,0Máxima entrada de gas: (1,0/2,1) x 0,0445 = 0,0212 m³/s

La entrada real de gas es 0,0212 x f, en donde

f = eficiencia volumétrica (%) del motor y depende de:

- rpm del motor- diseño de la tubuladura de entrada de aire del motor- suciedad de la tubuladura de entrada de aire del motor

A 1 500 rpm, para una tubuladura de entrada de aire bien diseñada y limpia, puede considerarse que f es 0,8.

Por lo tanto la entrada real de gas es: 0,0212 x 0,8 = 0,017 m³/s. El valor calorífico del gas se considera: 4 800 kJ/m³.

Por lo tanto, la potencia térmica del gas es:

Pg = 0,017 x 4 800 = 81,6 kJ/s = 81,6 kW

La eficiencia del motor depende en parte del índice de compresión del motor. Para un índice de compresión de 9,5:1 la eficiencia puede estimarse en el 28 por ciento.

Por lo tanto, la producción mecánica máxima de este motor es:

PM máx. = 81,6 x 0,28 = 22,85 kW

La máxima producción eléctrica (cos phi generador = 0,8) es por lo tanto:

PE máx. = 22,85 x 0,8 = 18,3 kVA

Apéndice 2. Calculo de proyecto de un gasificador de tiro invertido

El gasificador se proyecta para funcionar conjuntamente con el motor del Anexo I.

A. Gasificador con consumo de biomasa

Eficiencia térmica del gasificador: se considera el 70 por ciento.

Consumo de energía térmica (plena carga) : Pg/0,7 = 116,6 kW.

Valor calorífico de la biomasa (14% de contenido de humedad): 17 000 kJ/kg

Consumo de biomasa del gasificador: 116,6/17 000 = 0,0069 kg/s = 24,7 kg/h

Por lo tanto, la instalación que se considera utiliza 24,7/18,3 = 1,35 kg de biomasa para producir un kWh de electricidad.

B. Diseño del reactor

Para un gasificador de doble garganta (véase el Capítulo IV) se tiene:

S = superficie de la "garganta" = 68 cm² = ¼ x (dgarganta)² x dgarganta = 9,3 cm

El coeficiente de reducción de este tipo de gasificador se puede calcular con el factor 3 (véase el Capitulo 3).

Por lo tanto, para cargas inferiores a 6,1 kVA, cabe esperar la producción de alquitrán en esta instalación.

C. Otras dimensiones del gasificador

Una vez determinado el diámetro de la garganta, pueden deducirse otras dimensiones importantes del gasificador a partir de las Figuras 3.3. y 3.4. (Capítulo 3).

1. Altura h del plano de las toberas sobre la sección transversal más estrecha de la garganta

(dgarganta = dt)h/dt = 1,15h = 1,15 x 9,3 = 10,7 cm.

2. Diámetro (dr) de la cámara de combustión.

dr/dt = 3,0dr = 3,1 x 9,3 = 29 cm.

3. Diámetro (dr1) del anillo superior de las toberas.

dr1/dt = 2,3dr1 = 2,3 x 9,3 = 21,4

4. Diámetro de las toberas (dn)

Supuesto: el gasificador va equipado con 5 toberas.Superficie total de las toberas (An): 5 x ¼ x x dn

2

dn = 10,4 mm.

Tabla de factores de conversión y símbolos (utilizados en este manual)

Unidades de energía

J = JuliokJ = 1 000 JGJ = 1 000 000 000 JkWh= 3 600 000 JTWh= 3,6 x 1015 J

Unidades de presión

Pa = Pascal = N/m²kgf/cm² = 98 067 Pamm Wg = 9,8067 Pacm Wg = 98,067Pa atm = 1,0133 x 105 Pa

Unidades de masa

kg = kilogramomg = 0,000 001 kgg = 0,001 kg

Unidades de Potencia

W = vatiokW = 1 000 WMW = 1 000 000 WHP = Caballo de Vapor = 745,7 WkVA= Kilovoltio-amperio

Unidades de longitud

m = metrocm = 0,01 mmm = 0,001 mkm = 1 000 m m = 0,000001 m

Unidades de Tiempo

s = segundomin = minuto = 60 sh = hora = 3 600 sa = año

Unidades de fuerza

N = Newtonkgf = kilogramo fuerza = 1 kgf = 9,8067 Nt = 1 000 kgf

Unidades superficiales

m² = metro cuadradocm² = 0,0001 m²

Unidades de volumen

m³ = metro cúbicodm³ = 0,001 m³mm³ = 0,000 000 001 m³1 = litro = 1 dm³

Unidades de temperatura

k = Kelvin°C = grados centígrados1 °C = 1 K

Varios

Nm³ = metro cubico en condiciones normales (a 1 atm y 0 °C)mol = unidad de cantidad de materiaátomo gramo = peso atómico expresado en gramosmolécula gramo = peso molecular expresado en gramosppm = partes por millónrpm = revoluciones por minuto° = grados angularespersona-km = una persona transportada un kmton-km = una tonelada transportada un kmhombre-ano = trabajo de un hombre durante un año

Otras unidades

Hz= Hertz (frecuencia)V = Voltio

Monedas

US$ = dólares EE.UU.G = GuaraníesHfl = Florín holandés

Referencias

1. Axelsson, R. 1969a. Summary of laboratory tests with producer gas operation of tractor Massey Ferguson 1100 (in Swedish). Statens Maskinprovningar, Umea, Sweden.

2. Axelsson, R. 1969b. Summary of tests with producer gas truck Scania L80 (in Swedish). Statens Maskinprovningar, Umea, Sweden.

3. Bailey, M.L. 1979. Gas producers for vehicles - An historical review. Department of Scientific and Industrial Research, New Zealand. Rep. No. CD 2279.

4. Baja, L. 1983. Promotion of producer gas projects in the Philippines. Ibid. p. 519-527.

5. Beagle, E.C. 1978. Ricehusk: Conversion to energy, FAO Agricultural Service Bulletin No. 31, Rome, Italy.

6. Beagle, E.C., 1982. Gasifier-Stirling, an innovative concept, 1st Int. Prod. Gas Conf., Colombo, Sri Lanka.

7. Beenackers, A.A.C.M. and Van Swaaij, W.P.M. 1982. Gasification of biomass, a state-of-the-art review, Press. 1st Eur. Workshop on thermochemical processing of biomass. Birmingham, U.K.

8. Brandini, A. 1983. Experiencias con gasificadores en el Brazil. Manual del curve de gasificación de la madera en Centro America y el Caribe. Pp. 308-320. Olade, Costa Rica.

9. Cañete, N. (Chortitzer Cooperative, Paraguay). Personal 1986 correspondence with FAO.

10. Cruz, I.E. Producer gas from agricultural residue; its production and utilization in internal combustion engines, PNOC-ERDC, Diliman, Quezon City, Philippines.

11. Finkbeiner, H. 1935. Zeitschrift der Verein Deutsche Ingenieure, Germany.

12. Foley, G. and Barnard, G. 1983. Biomass gasification in developing countries. Earthscan Technical Report No. 1. London, U.K.

13. Gasifier and Equipment Manufacturing Corporation (GEMCOR), 1982. Gasifier Applications, Manila, Philippines.

14. Giffen, E et al. 1946. The conversion of compression ignition engines to producer gas, Engineering, U.K.

15. Gore, W.T. 1981. Priorities in energy research with special assessment of biomass and producer gas. National Timber Research Institute, South Africa.

16. Graf, U. 1983. Strategies for implementing producer gas technology in developing countries - some limiting remarks. Producer Gas 1982, p. 529-545. The Beijer Institute, Stockholm, Sweden.

17. Groeneveld, M.J. 1980. Thesis, Twente University of Technology, Enschede, The Netherlands.

18. Höglund, C. 1981. Agricultural residues as fuel for producer gas generation. The Beijer Institute, Stockholm, Sweden.

19. Jenkins, B.M. 1980. Down-draught gasification characteristics of major California residue-derived fuels, Ph.D. Thesis, Engineering, University of California, Davis, U.S.A.

20. Kaupp, A. and Goss, J.R. 1981. State-of-the-art for small scale (to 50 kW) gas producer engine systems. Contract No. 53-319R-0141. Bioresources for Energy Timber Management Research, USDA, Forest Service.

21. Kaupp, A. 1982. The gasification characteristics of rice hulls for the generation of electricity and shaft power on a small (5 - 30 hp) scale, 1st Int. Prod. Gas Conf., Colombo, Sri Lanka.

22. Kissin, I. 1942. Gas producers for motor vehicles and their operation with forest fuels, Imperial Forestry Bureau, Oxford, U.K.

23. Kjellström, B. 1984. Hazards of producer gas operation: The Beijer Institute, Stockholm, Sweden.

24. Kulasinghe, A.N.S. 1983. Experiences with low cost gasifiers in Sri Lanka. Producer Gas 1982, pp. 279-300. The Beijer Institute, Stockholm, Sweden.

25. Kurkela, E. & Nylund, N.O. 1985. Production of wood and peat gas and its use in internal combustion engines (in Finnish), Report of Technical Research Centre of Finland, Espoo, 12 pp.

26. Leuchs, M. 1982. Measurements of a counter-current gasifier in connection with an engine of 125 kW electrical power, M.A.N. Neue Technologie, Munich, Germany.

27. Lindquist, T. 1984. Producer gas operation of vehicles with diesel engines (in Swedish). Statens Maskinprovningar, Umea, Sweden.

28. Mahin, D.B. (USAID) and Terrado E. Personal communication. (World Bank).

29. Mendis, M.S. 1984. UNDP/World Bank Guidelines for field monitoring of biomass gasifiers in developing countries. Proc. of the Conference "Bioenergy 84", Göteborg, Sweden, June 1984. Ed. by Egnerus, H. & Ellegard, A., Elsevier Applied Science Publishers, London, Vol. III. page 135-145.

30. Middleton, F.A. and Bruce, C.S. 1946. Engine tests with producer gas, Journal of Research of the National Bureau of Standards, U.S.A.

31. National Academy Press, 1983. Producer gas: Another fuel for motor transport. Washington, D.C., U.S.A.

32. National Research Council, 1981. Producer gas: another fuel for motor transport. Report of an ad hoc panel of the Advisory Committee on Technology Innovation. National Academy Press, Washington, D.C., U.S.A.

33. Nordström, O. 1963. Account of research and testing activities in the producer gas field at the National Swedish Testing Institute for Agricultural Machinery during 1951-

1962, carried out for the Swedish Board for Economic Defence (in Swedish). Statens Maskinprovningar, Uppsala, Sweden.

34. Schäpfter, P. and Tobler, J. 1937. Theoretischen und Praktische Untersuchungen uber den Betrieb von Motorfahrzeuge mit Holzgas, Bern.

35. Shilton, P. 1982. Preliminary experience in the operation of a gasogen plant of classical Imbert design using mixed wood/coconut husks as a fuel, 1st Int. Prod. Gas Conf., Colombo, Sri Lanka.

36. Skov, N.A. and Papworth, M.L. 1974. The Pegasus unit. Pegasus publishers Inc. Olympia, Washington, U.S.A.

37. Sonnenberg, R.; Zerbin, W.O. & Krispin, T. 1985. 1.4 and 4.8 MW wood gas power plants in operation. Proceedings of the Third E.C. Conference on "Energy from Biomass", Venice, Italy. March 1985, ed. Palz. W.; Coombs, J. & Hall, D.O., Elsevier Applied Science Publishers, London & New York, pp. 1127-1121.

38. Spoon, W. 1940. Heutvergassing in de tropen in hot bijzender met het cog op Nederlandseh Indie en Suriname, De Indische Merkuur, Batavia, Indonesia.

39. Stassen, H.E.M. 1980. The gasification by partial combustion project in Tanzania, Twente University of Technology Report, Enschede, The Netherlands.

40. Stassen, H.E.M. and van Swaaij, W.P.M. 1983. Application of biomass gasification in developing countries, 2nd E.C. Conference on "Energy from Biomass", ed. Strub, Chartier, Schloser, Applied Science Publishers, London & New York.

41. Susante, H. et al. 1982. Moving bed gasifier with internal recycling of pyrolisis gas, 1st Int. Prod. Gas Conf., Colombo, Sri Lanka.

42. Tiedema, P., van der Weide, J. and Dekker, H.J. 1983. Converting diesel engines to the use of gaseous fuels. Producer Gas 1982, p. 393-414. The Beijer Institute, Stockholm, Sweden.

43. The Swedish Academy of Engineering Sciences. 1979. Generator Gas - The Swedish Experience from 1939-1945. Translated by the Solar Energy Research Institute, U.S.A. SERI/SP-33-140.

44. Van der Aarsen, F.G. et al. 1982. Performance of a rice-husk fluidized bed pilot plant gasifier, 1st Int. Prod. Gas Conf., Colombo, Sri Lanka.

45. Vedgasen. 1983. Ett alternative i Frankrike. Trailer No. 4, p. 34.

46. Venselaar, J. 1982. Design rules for down-draught gasifiers, a short review, IT Bandung, Indonesia.

47. Zhiang Fang. 1983. The progress of research work on gasification of agricultural residues in China. FAO second expert consultation on producer gas development in Asia and the Pacific Region, Bangkok, Thailand. p. 272-95.

48. Zijp, T. and Stassen, H.E.M. 1982. Gasification of maize spills for mechanical energy generation in rural areas in Tanzania. 1st Int. Prod. Gas Conf., Colombo, Sri Lanka.

Cuadernos técnicos de la FAO

Estudios FAO: Montes

1 Manual sobre contratos de aprovechamiento de bosques en tierras publicas, 1977 (E F I)

2 Planificación da carreteras forestales y sistemas de aprovechamiento, 1978 (E F I)

3 Lista mundial de escuelas forestales, 1977 (E/F/I)

3 Rev. 1. Lista mundial de escuelas forestales, 1981 (E/F/I)

3 Rev. 2. Lista mundial de escuelas forestales, 1986 (E/F/I)

4/1 La demanda, la oferta y el comercio de pasta y papel en el mundo - Vol. 1, 1977 (E F I)

4/2 La demanda, la oferta y el comercio de pasta y papel en el mundo - Vol. 2, 1978 (E F I)

5 La comercialización de las maderas tropicales, 1977 (E I)

6 National parks planning, 1976 (E** F I)

7 Actividades forestales en el desarrollo de comunidades locales, 1984 (Ar E F I)

8 Técnica de establecimiento de plantaciones forestales, 1978 (Ar C E F I*)

9 Las astillas de madera: su producción y transporte, 1978 (C E I)

10/1 Evaluación de los costos de extracción a partir de inventarios forestales en los trópicos - 1. Principios y metodología, 1978 (E F I)

10/2 Evaluación de los costos de extracción a partir de inventarios forestales en los trópicos - 2. Recolección de datos y cálculos, 1978 (E F I)

11 Savanna afforestation in Africa, 1977 (F I)

12 China: forestry support for agriculture, 1978 (I)

13 Precios de productos forestales 1960-1977, 1979 (E/F/I)

14 Mountain forest roads and harvesting, 1979 (I)

14 Rev.

1. Logging and transport in steep terrain, 1985 (I)

15 AGRIS forestal: catálogo mundial de los servicios de información y documentación, 1979 (E/F/I)

16 China: industrias integradas de elaboración de la madera, 1979 (E F I)

17 Análisis económico de proyectos forestales, 1980 (E F I)

17 Sup.

Sup. 1. Análisis económico de proyectos forestales: estudios monográficos, 1982 (E I)

17 Sup.

Sup. 2. Economic analysis of forestry projects: readings, 1980 (C I)

18 Precios de productos forestales 1960-1978, 1980 (E/F/I)

19/1 Pulping and paper-making properties of fast-growing plantation wood species - Vol. 1, 1980 (I)

19/2 Pulping and paper-making properties of fast-growing plantation wood species - Vol. 2, 1980 (I)

20 Mejora genética de árboles forestales, 1980 (C E F I)

20/2 Guía para la manipulación de semillas forestales, 1991 (E I)

21 Suelos de las regiones tropicales húmedas de tierras bajas - efectos causados por les especies de crecimiento rápido, 1984 (E F I)

22/1 Estimación del volumen forestal y predicción del rendimiento - Vol. 1. Estimación del volumen, 1980 (C E F I)

22/2 Estimación del volumen forestal y predicción del rendimiento - Vol. 2. Predicción del rendimiento, 1980 (C E F I)

23 Precios de productos forestales 1961-1980, 1981 (E/F/I)

24 Cable logging systems, 1981 (C I)

25 Public forestry administrations in Latin America, 1981 (I)

26 La silvicultura y el desarrollo rural, 1981 (E F I)

27 Manual of forest inventory, 1981 (F I)

28 Aserraderos pequeños y medianos en los países en desarrollo, 1982 (E I)

29 Productos forestales: oferta y demanda mundial 1990 y 2000, 1982 (E F I)

30 Los recursos forestales tropicales, 1982 (E F I)

31 Appropriate technology in forestry, 1982 (I)

32 Clasificación y definiciones de los productos forestales, 1982 (Ar/E/F/I)

33 La explotación maderera de bosques de montaña, 1984 (E F I)

34 Especies frutales forestales, 1982 (E F I)

35 Forestry in China, 1982 (C I)

36 Tecnología básica en operaciones forestales, 1983 (E F I)

37 Conservación y desarrollo de los recursos forestales tropicales, 1983 (E F I)

38 Precios de productos forestales 1962-1981, 1982 (E/F/I)

39 Frame saw manual, 1982 (I)

40 Circular saw manual, 1983 (I)

41 Métodos simples para fabricar carbón vegetal, 1983 (E F I)

42 Disponibilidades de leña en los países en desarrollo, 1983 (Ar E F I)

43 Ingresos fiscales procedentes de los montes en los patees en desarrollo, 1987 (E F I)

44/1 Especies forestales productoras de frutas y otros alimentos - 1. Ejemplos de Africa oriental, 1984 (E F I)

44/2 Especies forestales productores de frutas y otros alimentos - 2. Ejemplos del Asia sudoriental, 1985 (E F I)

44/3 Especies forestales productores de frutas y otros alimentos - 3. Ejemplos de América Latina, 1987 (E I)

45 Establishing pulp and paper mills, 1983 (I)

46 Precios de productos forestales 1963-1982, 1983 (E/F/I)

47 La enseñanza técnica forestal, 1991 (E F I)

48 Evaluación de tierras con fines forestales, 1985 (C E F I)

49 Extracción de trozas mediante bueyes y tractores agrícolas, 1984 (E F I)

50 Changes in shifting cultivation in Africa, 1984 (F I)

50/1 Changes in shifting cultivation in Africa - seven case-studies, 1985 (I)

51/1 Studies on the volume and yield of tropical forest stands - 1. Dry forest formations, 1989 (F I)

52/1 Cost estimating in sawmilling industries: guidelines, 1984 (I)

52/2 Field manual on cost estimation in sawmilling industries, 1985 (I)

53 Ordenación intensiva de montes pera uso múltiple en Kerala, 1985 (E F I)

54 Planificación del desarrollo forestal, 1984 (E)

55 Ordenación forestal de los trópicos para uso múltiple e intensivo, 1985 (E F I)

56 Breeding poplars for disease resistance, 1985 (I)

57 La macere de coco - Elaboración y aprovechamiento, 1986 (E I)

58 Cuidado y mantenimiento de sierras, 1989 (E I)

59 Efectos ecológicos de los eucaliptos, 1987 (C E F I)

60 Seguimiento y evaluación de proyectos forestales de participación, 1991 (E F I)

61 Precios de productos forestales 1965-1984, 1985 (E/F/I)

62 Lista mundial de instituciones que realizan investigaciones sobre bosques y productos forestales, 1985 (E/F/I)

63 Industrial charcoal making, 1985 (I)

64 Cultivo de árboles por la población rural, 1988 (Ar E F I)

65 Forest legislation in selected African countries, 1988 (F I)

66 Organización de la extensión forestal, 1988 (C E I)

67 Some medicinal forest plants of Africa and Latin America, 1986 (I)

68 Appropriate forest industries, 1986 (I)

69 Management of forest industries, 1986 (I)

70 Terminología del control de incendios en sierras incultas, 1986 (E/F/I)

71 Repertorio mundial de instituciones de investigación sobre bosques y productos forestales, 1986 (E/F/I)

72 El gas de madera come combustible pare motores, 1993 (E I)

73 Productos forestales: proyecciones de las perspectivas mundiales 1985-2000, 1986 (E/F/I)

74 Guidelines for forestry information processing, 1986 (I)

75 An operational guide to the monitoring and evaluation of social forestry in India, 1986 (I)

76 Wood preservation manual, 1986 (I)

77 Databook on endangered tree and shrub species and provenances, 1986 (I)

78 Appropriate wood harvesting in plantation forests, 1987 (I)

79 Pequeñas empresas de elaboración de productos del bosque, 1990 (E F I)

80 Forestry extension methods, 1987 (I)

81 Guidelines for forest policy formulation, 1987 (C I)

82 Precios de productos forestales 1967-1986, 1988 (E/F/I)

83 Trade in forest products: a study of the barriers faced by the developing countries, 1988 (I)

84 Productos forestales: proyecciones de las perspectivas mundiales 1987-2000, 1988 (E/F/I)

85 Programas de estudios pare curves de extensión forestal, 1988 (E/F/I)

86 Forestry policies in Europe, 1988 (I)

87 Explotación en pequeña escala de productos forestales madereros y no madereros con participación de la población rural, 1990 (E F I)

88 Management of tropical moist forests in Africa, 1989 (F I P)

89 Review of forest management systems of tropical Asia, 1989 (I)

90 Silvicultura y seguridad alimentaria, 1991 (Ar E I)

91 Manual de tecnología básica pare el aprovechamiento de la madera, 1990 (E F I) (Publicado solamente en la Colección FAO: Capacitación, N° 18)

92 Forestry policies in Europe - an analysis, 1989 (I)

93 Conservación de energía en las industrias mecánicas forestales, 1991 (E I)

94 Manual on sawmill operational maintenance, 1990 (I)

95 Precios de productos forestales 1969-1988, 1990 (E/F/I)

96 Planning and managing forestry research: guidelines for managers, 1990 (I)

97 Productos forestales no madereros: posibilidades futuras, 1992 (E I)

98 Les plantations à vocation de bois d'œuvre en Afrique intertropicale humide, 1991 (F)

99 Cost control in forest harvesting and road construction, 1992 (I)

100 Introduction to ergonomics in forestry in developing countries, 1992 (I)

101 Aménagement et conservation des forêts denses en Amérique tropicale, 1992 (F)

102 Research management in forestry, 1991 (E)

103 Mixed and pure forest plantations in the tropics and subtropics, 1992 (E)

104 Forest products prices 1971-1990, 1992 (E)

105 Compendium of pulp and paper training and research institutions, 1992 (E)

106 Economic assessment of forestry project impacts, 1992 (I)

107 Conservation of genetic resources in tropical forest management: principles and concepts, 1993 (E)

Disponibilidad: febrero de 1993

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