1. COMBUSTIBLES GASEOSOS INDUSTRIALES, CLASIFICACION.-

La aplicacin industrial de los combustibles gaseosos se ha incrementado

considerablemente durante las ltimas dcadas. El estado de agregacin de estos

combustibles, presenta mejores cualidades para que la combustin se verifique en

ptimas condiciones y con rendimientos mximos. Este elevado rendimiento se

debe a la perfeccin de su fluidez que permite se realice su mezcla, ntimamente y

de manera homognea, con la cantidad de aire necesario para que la combustin

sea completa, facilitando una llama de alto poder calorfico.

Los combustibles gaseosos producen una combustin limpia con ausencia total de

humos y carencia de cenizas y olor.

La evidente ventaja de los combustibles gaseosos, hace que se transformen a

dicho estado, aquellos combustibles slidos no aptos para determinadas

aplicaciones.

A continuacin presentamos la relacin de los combustibles gaseosos industriales,

haciendo mencin exclusiva de aqullos que tienen ms inters en los motores de

combustin interna.

Gas natural o mineral Gas de alumbrado

Gas de sumidero Gas de horno de coque

Metano Gas pobre

Etano Gas de altos hornos

Propano Gas de aire

Butano Gas de agua

Gas natural. Este gas se obtiene en mayor o menor cantidad de la corteza

terrestre, se encuentra en distintos lugares arenferos de petrleo a diferentes

profundidades de la superficie de la Tierra. Procede de la fermentacin de los

productos que han dado origen a la nafta o petrleo.

La composicin del gas natural vara considerablemente, pero normalmente el

elemento combustible predominante es el metano (CH4), su poder calorfico oscila

entre las 9.000 y 10.500 kilocaloras, siendo muy apropiado para los motores de

gas.

Gas de sumidero. Se obtiene por procedimientos de depuracin de las aguas

residuales de las grandes urbes. Contiene principalmente metano, as como

pequeas cantidades de hidrgeno y nitrgeno. Posee un poder calorfico de

aproximadamente 7.500 kilocaloras, y es un combustible muy apto para ser

utilizado en los motores de gas del ciclo de explosin.

Metano. Primer trmino de la serie de los hidrocarburos saturados o metnica,

que tiene por frmula CH4. El metano, gas de los pantanos, es el principal

elemento combustible de casi todos los combustibles gaseosos. Se obtiene de la

putrefaccin de las sustancias vegetales de los pantanos, del fondo de las minas

de carbn, etc.

La presencia del metano en el gas natural y la hulla, forma una mezcla con el aire

conocida con el nombre de gris, que puede dar lugar a explosiones tan temidas

en las minas de carbn.

Posee un poder calorfico de 11.500 kilocaloras, siendo a la presin atmosfrica y

temperatura ambiente su densidad inferior a la del aire.

Etano. Segundo trmino de la serie de los hidrocarburos saturados metnica, que

tiene por frmula C2H6. Es un gas incoloro e insoluble en el agua, arde con llama

algo luminosa y posee un poder calorfico de 11.000 kilocaloras. Se encuentra

presente en el gas de hulla y en el gas natural.

Propano. Tercer trmino de la serie de los hidrocarburos saturados o metnica,

que tiene por frmula C3H8. Se halla en los gases residuales de la refinacin del

petrleo, de los cuales se extrae por fraccionamiento. A la presin atmosfrica se

encuentra francamente en estado gaseoso y desprende al quemarse 10.500

kilocaloras.

Butano. Cuarto trmino de la serie de los hidrocarburos saturados o metnica,

que tiene por frmula C4H10. Se encuentra en gran abundancia en los

yacimientos petrolferos y hulleros. Su poder calorfico es de 10.000 kilocaloras.

Comprimido adecuadamente es envasado en botellas de acero para su posterior

utilizacin como combustible domstico.

Gas de alumbrado. Se obtiene mediante la destilacin seca de la hulla, realizada

a elevada temperatura y con ausencia total de aire. Se utiliza para usos

domsticos e industriales. Resulta apropiado para los motores de gas, pero ha

sido abandonado por el elevado coste de su produccin. Est constituido por una

mezcla de hidrgeno, metano, xido de carbono, propileno, etileno, benzol,

nitrgeno, etc. El peso especfico es de aproximadamente 0,55 kg/m3 y su poder

calorfico 9.500 kilocaloras.

Gas de horno de coque. Es el producto secundario obtenido de la coquificacin

de la hulla, o bien el resultado de la depuracin del gas de alumbrado. Su

composicin vara apreciablemente, dependiendo de la hulla utilizada en el

proceso de la destilacin para la obtencin del gas y el carbn de cok.

Una gran parte del gas se utiliza corno elemento combustible en los hornos de

coque, siendo el resto empleado en otros fines, tales como alumbrado, calefaccin

y especialmente como fuerza motriz.

Aunque su densidad es de menor valor que el correspondiente en el gas de

alumbrado, en cambio es muy rico en hidrgeno y metano, motivo por el cual

posee un poder calorfico ms elevado.

Gas pobre. Se obtiene en unos aparatos llamados gasgenos quemando

combustibles slidos, tales como carbn mineral, cok, maderas y materias

anlogas. El gas pobre se utiliza en sustitucin del gas de alumbrado como fuerza

motriz, en aqullos lugares en donde se carece de fbricas de gas de alumbrado.

Existe diversidad de clases de gases pobres, pero en general todos ellos estn

constituidos por los elementos combustibles que forman el gas de agua y el gas

de aire. El elemento combustible preponderante en el gas pobre es el xido de

carbono, figurando en muy pequea proporcin el hidrgeno y el metano. El poder

calorfico del gas pobre es relativamente bajo, no alcanzando las 2.000

kilocaloras. Sin embargo, por la facilidad de su obtencin y forma de arder, resulta

muy apropiado para los motores de explosin.

Gas de altos hornos. Se obtiene en la combustin de los altos hornos destinados

a la elevacin del arrabio procedente del xido de hierro. Este gas que se

escapaba libremente por la boca de los hornos y producan inmensas llamas, de

las que, ni siquiera, se utilizaban su calor, es actualmente utilizado en los motores

de combustin interna instalados junto a los altos hornos, destinados al

movimiento de los aparatos accesorios de la instalacin. Por cada tonelada de

fundicin se obtiene aproximadamente 4.000 m3 de gas, un horno normal de 150

toneladas diarias de produccin facilita 6.000.0OOm3 de gas, que utilizado en

calentar una mquina de vapor desarrollara 1.500 C.V., en cambio empleado en

un motor de combustin interna produce una potencia de 4.000 C.V.

Presenta la dificultad de ser muy pulverulento para ser utilizado tal y como se

obtiene en los motores de combustin interna. Por ello, su uso exige una

depuracin adecuada.

El elemento combustible predominante es el xido de carbono. Su poder calorfico

es en general bajo, alrededor de las 1.500 kilocaloras, pero por obtenerse de una

manera continua y sin coste alguno, su utilizacin resulta muy ventajosa.

2. OBTENCION DEL GAS POBRE: GAS DE AIRE Y GAS DE AGUA.- Los

gasgenos son aparatos empleados para gasificar un combustible slido mediante

cualquiera de los procedimientos siguientes:

1. Por la accin de una corriente de aire atmosfrico, el producto obtenido es

una mezcla de xido de carbono, anhdrido carbnico y nitrgeno, recibiendo el

nombre de gas de aire.

El proceso de la gasificacin requiere que una parte del combustible slido se

halle en estado incandescente. Si la combustin permanece activada mediante

determinada cantidad de aire, el oxgeno del aire se combina con el carbono del

combustible para formar la siguiente reaccin:

C + O2 = CO2

El resultado de la reaccin qumica origina anhdrido carbnico cuyas propiedades

no son combustibles por tratarse de un gas inerte, de donde se deduce que la

combustin del carbono es completa.

Sin embargo, debido a un exceso de combustible con relacin al aire, el anhdrido

carbnico se reduce en las zonas calientes al desprenderse una molcula de

oxgeno para reaccionar con otra de carbono, luego la reaccin final resultante

ser:

C + 0 = CO Carbono + Oxgeno = Oxido de carbono

2. Por la accin de una corriente de vapor de agua que atraviesa la masa de

carbn en estado incandescente. En este caso, a consecuencia de la elevada

temperatura, el vapor de agua se descompone en sus dos elementos; el oxgeno

que contiene el agua se combina con el carbono del combustible para formar

xido de carbono, y el hidrgeno queda libre y en este estado se incorpora a la

masa gaseosa.

La expresin que nos da a conocer esta transformacin, es como sigue:

H2O + C = CO + H2

El resultado es una mezcla de dos gases combustibles: el xido de carbono y el

hidrgeno. El gas as obtenido se le conoce con el nombre de gas de agua y exige

interrupciones en su produccin a fin de poder regenerar la temperatura que ha

descendido por efecto de la corriente de vapor de agua.

3. Por la accin simultnea de una corriente de vapor de agua y aire

atmosfrico, el producto as obtenido es el gas pobre, y con ms propiedad gas

mixto.

La pobreza de este gas se debe a la circunstancia de contener un porcentaje

elevado de elementos que no son combustibles, como el anhdrido carbnico que

no ha podido ser reducido, y el nitrgeno que es el ms abundante de todos ellos.

El aparato donde tiene lugar estas reacciones, se denomina, como hemos dicho,

gasgeno, y segn se haga circular la mezcla de vapor de agua y aire, por

impulsin mediante sopladores, o por aspiracin utilizando la carrera de admisin

del mismo motor, se clasifican en gasgenos de aspiracin, destinados

nicamente a proporcionar el gas necesario para producir fuerza motriz y

dispuesto de modo que acoplado directamente al motor se utilice el perodo de

aspiracin para introducir el aire y vapor de agua a travs del gasgeno; y

gasgenos de presin, cuando la presin necesaria para atravesar la masa

incandescente contenida en el gasgeno se obtiene por medio de ventiladores.

Existe una infinidad de clases de gasgenos, pero todos ellos poseen ciertos

caracteres que permite diferenciarlos segn sea la direccin de los gases por el

interior del gasgeno, distinguindose los siguientes tipos:

De combustin directa. Estos gasgenos son atravesados de abajo arriba por la

corriente de aire y vapor de agua. El carbn que se introduce por la parte superior

sufre en el gasgeno una destilacin previa, y los gases, producto de esta

destilacin, marchan mezclados con los productos de la gasificacin hacia el

gasmetro o los motores. Los gases obtenidos en estos gasgenos, a causa del

gran contenido de alquitranes e impurezas, requieren una conveniente depuracin,

a fin de evitar que dichas sustancias se depositen en los motores de combustin

interna.

En la figura 1, se representa esquemticamente el gasgeno de combustin

directa, constituido por un recipiente de palastro, revestido interiormente con

material refractario, formando un hogar en cuyo interior el carbn, en estado

incandescente, se combina con el aire o una mezcla de vapor de agua y aire.

De combustin invertida. El combustible se introduce igualmente por la parte

alta del gasgeno, pero la corriente de aire o mezcla de vapor y aire de arriba

abajo (figura2).Los productos de la destilacin del combustible son arrastrados

hacia abajo a travs de la masa combustible incandescente, estos se

descomponen desprendiendo hidrgeno y formando xido de carbono. El gas

obtenido sale del gasgeno a una temperatura elevada, que aunque no deja de

ser un inconveniente, en cambio facilita la eliminacin del alquitrn, reemplazando

as la depuracin ordinaria, por una depuracin trmica a la que se atribuye

efectos ms seguros.

GAS DE AIRE Y GAS DE AGUA. El gas de aire se origina, segn explicamos, por

una reaccin exotrmica, que produce calor; en cambio el gas de agua tiene lugar

por medio de una reaccin endotrmica, es decir, que exige calor para que pueda

realizarse. Por lo tanto, si disponemos el gasgeno de manera que

simultneamente produzca gas de aire y gas de agua, el calor debido a la primera

reaccin podr utilizarse para que, se verifique la segunda, y el gasgeno podr

facilitar una produccin continua de gas.

LA DESTILACION DEL PETROLEO Y PRODUCTOS QUE SE OBTIENEN.-

El petrleo tal y como se extrae no tiene gran aplicacin, por ello, se le

descompone por destilacin fraccionada en muchos productos, apto cada uno de

ellos para las ms diversas aplicaciones.

Los diferentes puntos de ebullicin de los varios hidrocarburos que lo forman

permite, mediante una destilacin fraccionada, ir separando desde los 60 C. el

ter del petrleo, y sucesivamente, gasolina, bencina, gasoil, fuel-oil y aceites

lubricantes.

Queda an como residuos slidos, las parafinas o asfaltos segn la procedencia

del petrleo.

La clasificacin de estos combustibles puede ser hecha en tres grandes grupos,

segn los intervalos de temperatura entre los cuales estos grupos se hallen

comprendidos durante la destilacin fraccionada.

La gasificacin del carbn y de combustibles que contienen carbono y el uso del gas como combustible para motores de combustin interna, es una tecnologa que se ha utilizado durante ms de un siglo.

Recientemente se ha despertado de nuevo el inters por esta tecnologa, especialmente como un medio de utilizar combustibles de biomasa, en vez de combustibles de petrleo importados, en pases en desarrollo. Este inters procede de la evidencia bien documentada de que durante la Segunda Guerra Mundial ms de 1 milln de vehculos -autobuses, camiones, automviles, barcos y trenes- fueron propulsados por gasificadores alimentados a base de madera, carbn vegetal, turba o carbn mineral. No obstante, despus de la guerra se produjo un retorno total a los combustibles lquidos, tan pronto como volvieron a estar disponibles, debido evidentemente a su comodidad, seguridad y ventajas econmicas.

Por lo tanto, el impacto de la gasificacin de la biomasa sobre los sistemas de suministro energtico en los pases en desarrollo, parece depender de la respuesta a una cuestin fundamental: La moderna tecnologa y el desarrollo de los gasificadores, han producido unos gasificadores mejor diseados y unos sistemas de gasificacin perfeccionados, capaces de trabajar con seguridad, eficacia y economa y en un nivel tcnico apropiado en lugares en que pueden faltar ciertas capacidades?

Para responder a esta pregunta es necesario analizar una serie de aspectos de la tecnologa de la gasificacin. El tipo de sistema considerado se ilustra esquemticamente en la Figura 2.1.

El motor de combustin interna emplea como combustible el gas generado por la gasificacin 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 elctrico pero puede, naturalmente, utilizarse para cualquier otra finalidad en las que se empleen tales motores.

Se analizan en primer trmino 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 instalacin del gasificador.

A continuacin se analiza la teora de la gasificacin, los diferentes tipos de gasificadores y los combustibles gasificados y se presentan las normas de diseo de los gasificadores de tiro invertido. Seguidamente se examinan las tcnicas de depuracin y refrigeracin del gas. El capitulo termina con una discusin de las posibles aplicaciones y de los riesgos y consecuencias ambientales relacionadas con esta tecnologa.

Al tratar estos temas resulta evidente ame existen todava fuertes limitaciones para la introduccin de los sistemas de gasificacin. Sin embargo, se demuestra tambin que dentro del estado actual de la tecnologa de gasificacin existen varias posibilidades tcnica y econmicamente razonables.

Con el fin de ayudar a los usuarios y diseadores de equipos de gasificacin, se dan en el Apndice I ejemplos de la potencia desarrollada por un motor de combustin interna alimentado con gas pobre; tambin se presenta en el Apndice II el diseo de una instalacin sencilla de gasificacin de tiro invertido, alimentada con tarugos de madera.

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

El gas contiene tambin alquitrn condensable, cidos y polvo. Estas impurezas pueden ocasionar problemas operativos y un desgaste anormal del motor. El principal problema del diseo de una instalacin de gasificador es generar un gas con una elevada proporcin de componentes combustibles y un mnimo de impurezas. Ms adelante se ver cmo puede lograrse. En primer trmino, se van a discutir las peculiaridades de los motores de gas pobre desde un punto de vista terico y operativo.

2.1.1. Posibilidades de utilizacin 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 nicamente. Los motores diesel se pueden adaptar para funcionar con gas pobre disminuyendo el ndice de compresin 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 ltimo sistema est 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 ndices de compresin de los motores diesel con antecmara y cmara 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 inyeccin directa tienen menores ndices de compresin y pueden generalmente transformarse con xito.

2.1.2. Potencia del motor cuando se utiliza gas pobre

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

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

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

- la eficiencia con que el motor transforma la energa trmica de la mezcla combustible en energa mecnica (potencia en el eje);

- el nmero de golpes de combustin (nmero de revoluciones por minuto: rpm);

La adaptacin de un motor para funcionar con gas pobre o con doble combustible lleva generalmente a una reduccin de la potencia. A continuacin se analizan las razones as como las posibilidades de reducir al mnimo la prdida de potencia.

(a) Valor calorfico de la mezcla

El valor calorfico del gas pobre depende de las cantidades relativas de los diferentes componentes combustibles: monxido de carbono, hidrgeno y metano.

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

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

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

Cuadro 2.1. Valores calorficos y demandas estequiomtricas de oxigeno de los componentes combustibles del gas pobre

Gas Valor calorfico efectivo kJ/mol

Valor kJ/m 1/

Demanda estequiomtrica de oxgeno (m/m)

monxido de carbono 283 660 12 655 0,5

hidrgeno 241 300 10 770 0,5

metano 801 505 35 825 2,0