NUEVO DISEÑO DE HORNOS BIOMÁSICOS PARA EL SECADO DEL CAFÉ CON GASIFICACIÓN TÉRMICA

Autor

Emmanuel Montero Gómez [[1]][[2]]

Ing. Emmanuel Montero Gómez. Costa Rica, Sabalito de Coto Brus, Puntarenas. Ingeniero de Investigación, Instituto del Café de Costa Rica (ICAFE)

280-3011 Barba, Heredia, Costa Rica

RESEARCH SUMMARY

The present work consists of the analysis and improvement of the combustion and heat transfer processes in the biomass furnaces used in the drying of coffee, in order to improve its thermal efficiency, reducing the consumption of firewood, as well as maintaining its emissions atmospheric under the limits established by law. In a methodological way, the oven and its conditions are previously analyzed, the oven is redesigned as required and adjusted in the combustion air insufflation system and supply of scale, in addition the gas flow in the chimney is corrected, by means of adjustment or replacement of smoke extraction fan. The biomass thermal gasifier is also designed and manu- factured, in which gasifier synthesis gas will be produced from the gasification of said biomass. The synthesis gas produced is injected and combusted into the furnace chamber. To achieve this, evaluations were carried out on a “pilot” coffee mill located in the Sabalito area of Coto Brus - Costa Rica, where the oven was redesigned It feeds 6 Guardiola type rotary dryers and was implemented in a thermal gasification device, all manufactured by the same personnel of the benefit in order to reduce costs. In the measurement of gaseous and particulate emissions, equipment was used under EPA methods 1,2,3,4 and 5; and the evaluation of the efficiency of the thermal transfer was carried out indirectly with the determination of the temperature of the flue gases and their exit velocity through the chimney. The results that are pursued consist of a reduction in the consumption of firewood, improvement in the combustion of the biomass with percentages of oxygen in the products less than 10% and an improvement in the productivity of the drying by reduction of mechanical drying times.

RESUMEN

El presente trabajo consiste en el análisis y mejora de los procesos de combustión y transferencia de calor en los hornos biomásicos utilizados en el secado del café, con el fin de mejorar su eficiencia térmica, la reducción del consumo de leña, así como mantener sus emisiones atmosféricas bajo los límites establecidos por ley. De forma metodológica se analiza previamente el horno y sus condiciones, se procede a realizar rediseño del horno según se requiera y ajuste en el sistema de insuflación de aire de combustión y abastecimiento de cascarilla, además se corrige el caudal de gases en la chimenea, por medio de ajuste o sustitución de ventilador de extracción de humos. Se procede también al diseño y fabricación de gasificador térmico de biomasa, en dicho gasificador se producirá gas de síntesis a partir de la gasificación de dicha biomasa. El gas de síntesis producido se inyecta y se combustiona dentro de la cámara del horno. Para lograr lo propuesto se realizaron las evaluaciones en un beneficio de café “piloto” ubicado en la zona de Sabalito de Coto Brus, Costa Rica, en donde se rediseñó el horno que alimenta a seis secadoras rotativas tipo Guardiola y se implementó en dispositivo de gasificación térmica, todo fabricado por el mismo personal del beneficio con el fin de reducir costos. En las mediciones de emisiones gaseosas y particulado se utilizó equipo bajo los métodos 1, 2, 3, 4 y 5 de EPA, y la evaluación de la eficiencia de la transfe- rencia térmica se realizó de forma indirecta con la determinación de la temperatura de los gases de combustión y su velocidad de salida a través de la chimenea. Los resultados que se persiguen consisten en una reducción en el consumo de leña, mejora en la combustión de la biomasa con porcentajes de oxígeno en los productos menor al 10% y una mejora en la productividad del secado con disminución de los tiempos de secado mecánico.

I. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

Los precios bajos del café en el mercado internacional y cosechas disminuidas por el ataque de plagas, aunado al efecto del “Niño”, ha puesto el sector cafetalero y beneficiador en condiciones exhaustivas de reducción de costos de producción y beneficiado, principalmente en el uso eficiente de los recursos energéticos. Específicamente en el proceso de secado del café de forma mecánica se consume el 100% de la biomasa y alrededor del 70% de la energía eléctrica utilizada en el beneficio, y esta condición se torna más decisiva debido a que la leña es más escasa y costosa, así como el uso de la energía eléctrica. Lo mencionado anteriormente nos lleva a buscar alternativas de mejora, que nos permita por un lado hacer uso oportuno de la biomasa (leña y cascarilla), consumiendo lo mínimo por quintal de café oro producido, y por otro lado operar los equipos en la mejor condición de eficiencia, según la tecnología actual que nos permita utilizar el máximo de calor generado para calentar el aire de secado de modo indirecto.

El presente trabajo consiste en el análisis y mejora de los procesos de combustión y transferencia de calor en los hornos biomásicos utilizados en el secado del café, con el fin de mejorar su eficiencia térmica, la reducción del consumo de leña, así como mantener sus emisiones atmosféricas bajo los límites establecidos por ley en Costa Rica.

Para lograr lo propuesto se realizaron las evaluaciones en un beneficio de Café Rio Negro de la empresa Cafetalera Tierras Ticas S.A., ubicado en San Luis de Sabalito, Coto Brus, Costa Rica, para quienes expresamos nuestro sincero agradecimiento, en especial al Gerente de Beneficios, el Ing. Oscar Castro Serrano, quien nos brindó todo su apoyo, conocimiento y colaboración en este proyecto, que gracias a su persona fue posible el desarrollo del mismo. En este beneficio se llevó a cabo el rediseño del horno de fuego indirecto que alimenta a seis secadoras rotativas tipo Guardiola que requieren un caudal de aire de secado de 60,000 m3/h a 60°c, y se implementó un dispositivo de gasificación térmico, todo fabricado por el mismo personal del beneficio con el fin de reducir costos. En las mediciones de emisiones gaseosas y particulado, se utilizó equipo bajo los métodos 1, 2, 3, 4 y 5 de EPA, y la evaluación de la eficiencia de la transferencia térmica se realizó de forma indirecta con la determinación de la temperatura de los gases de combustión y su velocidad de salida a través de la chimenea.

II. OBJETIVOS

1. Establecer las condiciones de operación de horno de secado de café para la mejor eficiencia de combustión y los niveles de emisiones permitidos.
2. Definir un diseño de horno biomásico eficiente y de fácil fabricación.
3. Mejorar la productividad del proceso de secado mediante reducción del consumo de biomasa.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

De forma metodológica se analiza previamente el horno y sus condiciones según su disposición y movimiento de los flujos de gases internos y los de aire externos a la estructura del mismo (Figura 1). Se procede a determinar las temperaturas de aire de secado, así como la temperatura y composición de los gases de chimenea, alimentando el horno con leña y cascarilla de café, utilizando el Analizador de Gases Testo modelo 350 (Figura 2).

Figura 1. Movimiento de aires de secado y gases de combustión en un horno biomásico de fuego indirecto.

Figura 2. Analizador de gases de combustión en chimenea, Testo 350.

Se procede también a realizar el análisis de partículas sólidas en suspensión en el caudal de los gases de salida por la chimenea mediante muestreo isocinético, así como de los principales gases producto de la combustión, la humedad, la velocidad y el flujo volumétrico de dichos gases (Anexo 1), para lo cual se utiliza el Sistema de Muestreo Isocinético XC-500 mostrado en la Figura 3.

Figura 3. Sistema de Muestreo Isocinético, Apex Instruments Inc. XC-500.

Se analizan los resultados obtenidos en el análisis y se procede a ajustar el aire de combustión y se corrige el caudal de gases en la chimenea, por medio de ajuste o sustitución de ventilador de extracción de humos, así como la regulación del oxígeno en el aire de combustión. El sistema de transferencia de calor se evalúa en función de la temperatura de los gases de salida y se establece un rediseño mediante el uso de tubos intercambiadores con el fin de aumentar el área de transferencia de calor de los gases de combustión hacia el aire de secado que abastece las secadoras rotativas de forma indirecta (Figura 4).

Figura 4. Reforma a sistema de transferencia de calor de horno mediante rediseño a tubos radiantes.

El calor que se genera en los hornos biomásicos se obtiene de la combustión directa de leña y de la cascarilla de café, esto se da a partir de la reacción del carbono (C) y del hidrógeno (H) con el oxígeno, los cuales están presentes en la celulosa de la biomasa en un 45 y 6% respectivamente, en promedio (Cuadro 1). De acuerdo con la tecnología existente, se propician las reacciones (1) y (2) a partir de la combustión de un biocombustible sólido, en donde se requiere exceso de aire.

Con base en el análisis del porcentaje de oxigeno presente en los gases de chimenea se ajusta la velocidad tanto del ventilador de extracción de gases, así como el ventilador de inyección de aire de combustión a la hoguera del horno. La reforma al horno se plantea de manera simple para que pueda ser llevada a cabo por el mismo personal operativo del beneficio.

Cuadro 1. Análisis próximo y último de biocombustibles leñosos.

Con base en el principio del proceso de gasificación, que consiste en la descomposición térmica de la materia orgánica en ausencia de oxígeno u otros agentes gasificantes generándose cantidades variables de gases (gas de síntesis), líquidos (alquitranes y aceites) y residuo carbonoso o “char”, se trabaja en un rango de temperaturas que oscila entre 200 y 900°c. Para esto lo que se quiere es desarrollar la reacción (3), en donde se quema la biomasa convertida en una mezcla de gases combustibles, compuesta de monóxido de carbono, hidrógeno y metano.

CO+CH+H₂   --->   CO₂+H₂O

Se diseña un prototipo básico y simple, según el principio que se indica en la Figura 5, el cual tiene un diámetro interno de 1.38 m, una altura de 2.19m, para un volumen efectivo de 3.3 m3. El cual es fabricado por el personal del beneficio.

Figura 5. Principio de gasificación y modelo de gasificador básico conectado a horno biomásico.

El gasificador es cargado por la parte superior con astillas y cascarilla de café mezcladas, se enciende en la parte superior y se cierra la compuerta quedando completamente hermético el dispositivo con entrada de aire mínimo en la parte inferior y salida presurizada en la parte superior que se conecta directamente a la cámara de combustión del horno (Figura 6), dicho horno de fuego indirecto que abastece seis secadoras rotativas tipo Guardiola de 60 qq cada una, con una demanda de aire de secado de 10,000 m3/h cada una de las secadoras.

Figura 6. Modo de carga de la biomasa el gasificador y combustión del gas en el horno.

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La propuesta incluye reforma al horno y gasificador de diseño simple cuya fabricación metalmecánica pueda ser llevada a cabo por el mismo personal del beneficio, con el fin de reducir costos utilizando mano de obra operativa del beneficio en época de no cosecha. La reforma al horno procura un aumento el área efectiva de transferencia de calor de cuatro veces respecto al área original del horno.

Como se aprecia en el resumen de los parámetros de operación del horno, en el Cuadro 2 se observa una reducción del oxígeno al 10.85% y un aumento de 13.93% de CO₂, corroborando la mejora en la eficiencia de combustión, que pasa del 34.5 al 85.55%, logrando la mayor generación de calor por kilogramo de biomasa combustionado.

Cuadro 2. Resultados de los parametros del horno antes y después la modificación de su diseño original.

La velocidad de los gases de combustión se redujo de 9.5 a 7.69 m/s, lo que provoca una mejor extracción de calor a través de los tubos intercambiadores, calentando eficientemente el aire de secado, lo que se puede apreciar también en la reducción de la temperatura de los gases de 244.1 a 80.3°c, sin que se produzca condensación de humedad en la parte interna de los tubos. Este

cambio junto con una mejor combustión permite operar con niveles de oxígeno del 10%, niveles de emisiones de contaminante gaseosos como los NOx y el SO₂ (Anexo 1), así como las emisiones de partículas suspendidas sólidas con un valor de 151.80%, por debajo de los límites establecidos en la reglamentación del país.

Con este sistema hornogasificador se logra mantener una temperatura estable del aire de combustión de 60°c, con una autonomía de 10 horas de operación continua y un consumo de biomasa horario de 83.55 kg, lo que genera una potencia térmica de 402 kW (Cuadro 3), luego se abre y extraen las cenizas si fuese necesario y se vuelve a cargar la biomasa, en estas condiciones el tiempo de secado por Guardiola se redujo en 2,5 horas, y como se presenta en el Cuadro 2, el consumo de leña se mejoró de pasar a secar 14 qq/m3 de leña a secar 22 qq/m3.

Cuadro 3. Resultados del funcionamiento del gasificador alimentado con mezcla de astillas y cascarilla.

V. CONCLUSIONES

1. Con el sistema horno mejorado-gasificador, se logra una eficiencia mejorada del 85.55%, implicando una excelente eficiencia para un horno biomásico.
2. El incremento del volumen de café seco por unidad de leña utilizado en el proceso implica un 57% en el aumento de la productividad en el secado mecánico del café, este impacto es positivo debido a que la zona donde se encuentra el beneficio presenta un clima lluvioso, especialmente en la época de cosecha.
3. Con esta experiencia se logró reducir el tiempo de secado por secadora rotativa en 2.5 horas, mejorando también el consumo energético eléctrico.
4. Con el buen manejo de los gases y una buena combustión se puede operar con niveles de contaminación de gases y partículas sólidas del 151.80 mg/m3, así como el nivel de oxígeno remanente del 10%, quedando por debajo de los límites permitidos por las leyes del país, de acuerdo al Reglamento de Chimeneas.

VI. RECOMENDACIONES

Con experiencia se puede lograr la independencia del uso de la leña si su aporte energético se sustituye por pulpa de café seca, la cual también puede ser peletizada para mejorar su consistencia mecánica y retardar su degradación en el tiempo, con la menor afectación a su poder calórico. Durante su peletizado a la pulpa seca se le puede mezclar semillas oleaginosas de cultivos bioenergéticos, como la higuerilla y la jatropha, para obtener otro recurso con alto poder calórico.

El gas de síntesis producido en el gasificador también se puede usar alternativamente, mediante un filtrado de este como combustible en un motor diesel, ya sea para transmitir torque o para ser acoplado a un generador eléctrico.

VII. BIBILIOGRAFÍA

Jones,J.M.; Lea-Langton, A.R.; Pourkashanian, M.;Williams, A. 2014. Pollutants Generated by the Combustion of Solid Biomass Fuels. SpringerBrief in Applied Sciences and Technology.

Phyllis 2 (2014). Database for biomass and waste. Energy Research Centre, Netherlands. https:// www.ecn.nl/phyllis2

Reed, T.B.; Das, A. 1988. Handbook of biomass downdraft gasifier for engine-system. Solar Eenrgy Research Institute. www.EPA.gov/particles

VIII. ANEXOS

Anexo 1. Resultados de análisis de gases y particulado para el diseño original y nuevo diseño del horno.

Anexo 2. Análisis del poder calórico de biomasas utilizadas en el proceso de secado del café.