Quemadores gy sergioquisbert 110R5pR I S, 2011 II pagcs QUEMADORES DE CERÁMICA PARA BIOGÁS* Emiliano Enrique Díaz Portuondo, Mirna de la Caridad Martínez Abreu, Wilfredo Valdés Méndez, Juan Reinaldo Cárdenas Sánchez Centro de Estudios de Biotecnología Industrial Universidad de Oriente * Agradecemos: A Ludwig Sasse, por su gentileza de facilitar bibliografía importante para el desarrollo de este trabajo, y a Juan Antonio Pajarín, Profesor de la Facultad de Mecánica de la Universidad de Oriente, por su asesoría y ayuda incondicional.
En el presente trabajo se recoge la problemática de la elaboración e quemadores para biogás, de cerámica no refractaria de la región oriental de Cuba. Se abordan los aspectos de diseño partiendo de trabajos realizados. Además, se hace una valoración económica del diseño resentado comparándolo con quemadores de acer la experiencla de PACE 1 ori 1 iogás con más de varios quemadores i ala Sv. ipe to View veinte meses de expl occión de alimentos, Clon. y los mismos funcion ningún daño.
Palabras clave: biogá In the present work the problem of the elaboration of burners is picked up for biogas of non refractory ceramic of the oriental reglon of Cuba. The design aspects are approached starting from carried out Works. Also, an economic valuation of the presented design is made, comparing it with Steel burners. In the practice one has the experi Swipe to vlew next page experience of several burners installed in biogas plants with more than twenty months of explo tation, for the use in the cooking of foods, and the same ones work efficiently and without any damage.
Key words: biogas, cerarmc burners. Introducción Entre los problemas más graves que enfrenta el mundo actual y en particular los países del tercer mundo tenemos: la escasez e combustibles, el costo creciente de éstos y los fertilizantes, así como los elevados niveles de contaminación del medio ambiente. Países como Cuba, que no poseen grandes reservas de combustibles convencionales (petróleo, carbón, gas natural), para continuar desarrollándose han tenido que prestar especial atención a las posibilidades que brindan las fuentes renovables de energía.
En nuestro país existe un gran número de comedores para obreros y comunidades rurales; muchos de ellos han tenido que sustituir el petróleo por la leña como combustible para la occión de alimentos, lo cual ocasiona daños al ecosistema. Con vistas a dar solución a este problema se desarrolla en los lugares donde sea factible, la utilización de la fermentación anaeróbica de desechos orgánlcos para la producción de energía (biogás), conocida como la energía de los desechos. El biogás es una mezcla de gas metano y dióxido de carbono y en menor proporción vapor de agua, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y nitrógeno.
Esta mezcla de gases es un combustible de calidad reconocida, debido a la presencia del gas metano o «gas de los pantanos» como componente mayoritario (55 -7 a presencia del gas metano o «gas de los pantanos» como componente mayoritario (55 – 70 %). El biogás tiene múltiples aplicaciones en motores de combustión interna, alumbrado, cocción de alimentos, generación de corriente electrica, entre otros. Se obtiene de la fermentación de las materias orgánicas biodegradables, por la accion de microorganismos, en ausencia total de oxígeno. TECNOLOGÍA QUÍMICA vol.
XXI, NO. 3, 2001 23 La utilización óptima del biogás como fuente de energ(a en la cocción de alimentos requiere de quemadores eficientes que permitan una adecuada combustión; la construcción e quemadores convencionales metálicos presenta serias limitaciones en condiciones rurales, por lo que teniendo en cuenta esta problemática se desarrolló este trabajo donde se sugieren quemadores para biogás de varios tamaños en dependencia de su uso, utilizando la cerámica como material para su construccion. pero en el caso de 1 050 0C muchas sufren deformaciones.
La temperatura óptima para esta región es 950 0C. Preparación de la materia prima. Construcción de los quemadores La arcilla proveniente de los yacimientos se somete a un proceso de molienda y tamizado hasta lograr la granulometría deseada. Luego se mezcla con agua, obteniéndose el material de dos formas: – Una mezcla fácilmente moldeable, donde la cantidad de agua que se le añade se conoce como agua plástica. Esta masa es la que se utiliza para la confección de las piezas de cerámica, en este caso los quemadores, sin necesidad de moldes. Una mezcla mas de las piezas de cerámica, en este caso los quemadores, sin necesidad de moldes. – Una mezcla más diluida, la cual requiere de moldes de yeso para la confección de la pieza, así como de un mayor periodo de tiempo para el secado. para la producción n gran escala de los quemadores se debe utilizar la segunda forma y en la artesanal a mano, la primera. En las figuras 1 y 2 se observa una representación de los quemadores de cerámica. Fundamentación teórica Arcilla.
Generalidades La arcilla es una sustancia mineral blanca, combinación de sílice y alúmina que empapada en agua se vuelve muy plástica. Los principales productos insolubles de la destrucción de los aluminosilicatos naturales más abundantes en la naturaleza son: la sílice (Si02), que se sedimenta en forma de arena y el caolín (H 4Al 2Si 20 9 ), que constituye la base de las arcillas orrientes de color pardo, debido al óxido de hierro que contiene, y que en estado más puro forma algunos yacimientos de arcilla blanca.
Al someter una pieza dada de arcilla al proceso de horneado a una temperatura entre 800-1 000 0C durante 10 – 14 h aproximadamente, ocurre un proceso de contracción de forma irreversible por las transformaciones fisicas y quimi cas de su estructura, obteniéndose un material de una estructura rígida resistente al calor y a la humedad, con poca conductividad térmica y cierto poder refractario que debido a su dureza resulta algo frágil.
Por ello se seleccionó este material para la construcción de quemadores para biogás, utilizando la arcilla de seleccionó este material para la construcción de quemadores para biogás, utilizando la arcilla de algunos yacimientos de la región oriental, los cuales tienen las siguientes características generales: Arcillas con una granulometría bastante uniforme y un gran por ciento en las fracciones finas. En esta región existe una tendencia a arcillas plásticas y arcillas muy plásticas.
Los resultados de la contracción al horno son favorables para la producción de artículos de cerámica de varios usos. En general, la resistencia a estas temperaturas se comporta positiva, Tipos de quemadores Al analizar los tipos de quemadores existentes para la combustión de biogás encontramos que se dividen en tres grandes grupos: – Quemador del tipo difusivo. – Quemador atmosférico. – Quemador sin llama. El quemador diseñado fue del tipo atmosférico, el cual es conocido como quemador Bunsen.
Antes de la combustión una cierta cantidad de aire se mezcla con el biogás, es decir, el coeficiente de aire primario es mayor que cero, aunque menor que la unidad. Metodología de diseño de los quemadores La metodología para el diseño de los quemadores de gas (según Sasse Ludwig, 1991 24 Fig. 1 Vista lateral y superior del quemador de cerámica. se refiere al diámetro de abertura de la boquilla, dimensiones del inyector, superficie total y número de agujeros. Diámetro de abertura de la boquilla: do = 2,1 VfPt Pt: presión de trabalo del m H20).
Diámetro del Pt: presión de trabajo del quemador (mm H20). Diámetro del inyector (d): d = 6 do Longitud del inyector (LI LI = 7 d Longitud de la entrada de aire al quemador (L2): L 2 = 1,35 * d Número de agujeros para llamas (n): En los quemadores diseñados depende undamentalmente de la presión de trabajo y de la velocidad de flujo para garantizar la capacidad calórica deseada. donde: do: diámetro de abertura de la boquilla (mm); Vf: velocidad de flujo (m/h); TECNOLOGÍA QUÍMICA vol. XXI, No. 3, 2001 25 Fig. Partes del quemador de cerámica para biogás. Fijando un diámetro de agujeros dH 2,5 mm n — 25 do (200 mm ‘-+20) n = 20 do (100 mm H20) n = 50 do (600 mm H20) Diámetro de la cámara de difusión (DI DI = 0,65 n Altura de la cámara de difusión (D2): 02 = 0,50 DI Basado en la metodología del diseño anterior se diseñaron res modelos de usos diferentes: EMW 1: Quemador de uso en laboratorios químicos y microbiológicos. EMW 2: Quemador de uso doméstico (familia de 4 – 6 comensales). EMW 3: Quemador para comedores obreros.
En la tabla 1 se reportan los datos técnicos de los modelos mencionados. Tabla 1 Datos técnicos de los modelos diseñados MOde10 EMW 1 EMW 2 EMW3 Q (kcal/h) 1 500 3 000 6 250 VffrT13/ h) 0,3 1,2 pt (mm CA) 200 200 200 do (mm) 1,7 2,5 d (mm) 10,3 15 21 LI (rnrn) 72,2 110 150 L2 (tnrn) 14 20 28 74 157 307 n DI (mm)48 102 170 D2 ( diseño de los quemadores se tuvieron en cuenta los siguientes equisitos técnicos: Carga calórica de los quemadores de biogás Ésta debe satisfacer las exigencias de la cocina.
La carga calórica es la incandescencia que se 26 produce, si es demasiado pequeña no habrá calor suficiente para cocinar, debe determinarse a la luz de los hábitos y costumbres, tamaño de la familia, etcétera. Si la carga calórica es demasiado grande, aumentará la pérdida de calor, disminuiré la eficiencia con que se aprovecha y una parte del biogás se perderá. En los quemadores diseñados se tuvo en cuenta este aspecto, considerando el uso para el cual ha sido destinado. Los resultados se reportan en la tabla 1.
Buena estabilidad de encendido El valor calórico y la presión del biogás podrían variar constantemente, por lo que el quemador debe ajustarse a esta variación. El diseño debe garantizar una condición de combustión normal, de modo que a pesar de las variaciones significativas del valor calórico y la presión se eviten fenómenos tales como: la elevación o la coloración amarilla de la llama y las explosiones. Mientras más amplio sea el margen de variación aceptable, más estable será el quemador.
En la actualidad, los requerimientos ara los quemadores de gas establecen la no ocurrencia de estos trastornos en un margen de a 1,5 veces la presión de diseño. En los modelos diseñados se ha tenido en cuenta este criterio, comprobándose en la práctica su tolerancia en un valor de 1 tenido en cuenta este criterio, comprobándose en la práctica su tolerancia en un valor de a 1,3 veces la presión de diseño. cocinar no tienen tubo de extracción de humos, de este modo el gas de escape se difunde directamente en la habitación luego de su combustión.
Si la combustión no es completa se producirán materias dañinas como monóxido de carbono y óxido itroso. Estos elementos son tóxicos para el cuerpo humano y contaminan el medio ambiente. En los quemadores de arcilla, a diferencia del resto de los materiales, al transcurrir un tiempo de explotación del quemador no se produce la oxidación, ni ningún otro cambio químico del material. Bajo nivel de ruido, buena resistencia al viento, baja temperatura en la superficie de la cabeza Los quemadores diseñados obedecen estos parámetros gracias a la buena estabilidad en su funcionamiento y al poder refractario del material utilizado.
Estructura simple, fácil manufactura, larga duración, bajo costo, tilidad y seguridad – Estructura: Luego de realizar un estudio en diferentes literaturas acerca de los diversos tipos de quemadores existentes y su estructura se encontró que éstos presentaban formas cónicas y superficies inclinadas, lo cual dificulta su manufactura en gran escala; con el objetivo de erradicar esa deficiencia se escogió el diseño de quemadores basados en formas cil[ndricas y planas. Durabilidad: Teniendo en cuenta las características físicas del material utilizado, si estos quemadores se protegen de fuertes golpes poseen una larga vida material utilizado, si estos quemadores se protegen de uertes golpes poseen una larga vida útil, ya que la corrosión en la cerámica es prácticamente nula, en comparación con los materiales metálicos. – Costos: La manufactura de estos quemadores en gran escala se obtiene a bajo costo de producción, teniendo en cuenta el traslado de la materia prima, la elaboración artesanal o industrial de los quemadores y el horneado de éstos en hornos convencionales de cerámica. Utilidad y seguridad: El diseño utilizado es funcional y de alta seguridad de trabajo (figura 2); solamente requiere un soporte para las vasijas que se recomienda sea de otro material. Eficiencia térmica El objetivo de diseñar un quemador de gas debe ser: combustión completa del biogás, completa utilización de su energía calórica y eficiencia térmica mayor del 50 %.
En los diseños realizados según las pruebas efectuadas se logra una eficiencia térmica buena (60 %), lo cual fue posible debido a dos aspectos fundamentales: – Se garantizó la combustión completa del biogás. – La arcilla no absorbe ni trasmite el calor, pero si es un buen refractario, por tanto, las pérdidas de calor por conducción disminuyeron. Buenas condiciones higiénicas Los quemadores de biogás normales para 7 Algunos aspectos de calidad de la cerámica para la construcción de quemadores de biogás. No debe tener más del 5 % de granos mayores de 5 mm. – Como máximo 5 % de carbonato de calcio. – Refractariedad (muy refractarias mayores de 5 mm. – Como máximo 5 % de carbonato de calcio. – Refractariedad (muy refractarias funden a más de 1 580 0C, refractarias entre 1 41 01 580 cc, fácilmente fusibles entre 350 y 1 410 CC y fusibles, menor de 1 350 0C). – plasticidad: De moderada plasticidad a muy plásticas. – Dispersión: Alta y media. No debe presentar inclusiones perjudiciales tales como: caliza ura, yeso y piritas.
La evaluación de las operaciones necesarias para confeccionar los quemadores permitió estimar un costo unitario que oscila entre 0,40 y 0,50 pesos, lo que unido a la disponibilidad de la materia prima y a los mínimos gastos de mantenimiento, avala la factibilidad económica de su producción y uso en las zonas rurales donde existan digestores de biogás. El costo de producción de un quemador metálico oscila entre 2,50 y 4,50 pesos, sin tener en cuenta el equipamiento necesario para su elaboración, por lo que al sustituirlo por el de cerámica se btiene un ahorro de 2,00 a 4,00 pesos por unidad.
En la práctica se tiene la experiencia de varios quemadores instalados en plantas de biogás con más de 20 meses de explotación, para uso en la cocción de alimentos. Los mismos funcionan eficientemente y sin ningún daño. construcción de quemadores de cerámica, aunque la construcción de éstos con arcillas más refractarias sería lo idóneo. La elaboración de los quemadores de cerámica es económicamente factible, teniendo en cuenta además, que si se protegen de fuertes golpes éstos poseen una larga vida útil, ya que la corrosión es práct
