Diseño de un horno que use biogás como combustible para la activación de carbón vegetal utilizado en la desulfuración de biogás

Abstract

Este proyecto fue desarrollado con el proyecto Biogás Para Todos del Instituto Tecnológico de Costa Rica y la Finca Cipreses de Oreamuno de Cartago donde se realizaron parte de las actividades. El proyecto consistió en proponer un diseño de un horno que use biogás como combustible para realizar la activación química de carbón vegetal. El objetivo del estudio fue proponer un diseño económico con materiales aptos para evitar pérdidas de calor. Se realizó mediciones de la temperatura de la llama del biogás obteniendo un dato máximo de 840 °C. El flujo del combustible se midió durante 3 horas con un promedio de 0.63 m3/h de biogás. La prueba de conductividad indica que el ladrillo refractario presenta una temperatura de superficie de 50.2 °C y el estructural de 122 °C con un aumento 6.3 °C por minuto y el refractario 2.6 °C lo que se refleja en un 41.3% menos que el ladrillo estructural. Se propusieron dos diseños de horno designados como diseño #1 y diseño #2, el #1 presentó un flujo 960.3 W con ladrillo estructural y 844.45 W con ladrillo refractario equivalente a un 12.97 % de variación entre ambos. El diseño #2 obtuvo un flujo máximo de 753.61 W para el ladrillo estructural y con ladrillo refractario 692.38 W lo que equivale a un 8.12 % de variación. El análisis de resistencia para la barra de acero corrugado ASTM 615 grado 60 indica que la fuerza máxima que resiste la barra es de 8.44 kN y la fuerza máxima que debe soportar en el ensamble del horno es de 461.52 N lo que asegura la selección de este material. La temperatura superficial externa de los ladrillos analizada por simulaciones con SolidWorks presentó una temperatura mínima de 61.8 °C y máxima de 429 °C en comparación con la prueba de conductividad térmica realizada en laboratorio. El impacto ambiental por la combustión de un metro cúbico de biogás es de 1.9 kg de CO2 eq y en comparación con un metro cúbico de gasolina se produce 5478 kg de CO2 eq. Los costos del horno se estiman en ¢261840 para el diseño #1 y ¢190865 para el diseño #2. El impacto ambiental derivado de la combustión de un metro cúbico de biogás es significativamente menor en comparación con la quema de un metro cúbico de gasolina. En concreto, se obtuvo que la combustión de un metro cúbico de biogás genera aproximadamente 1.9 kg de CO2 eq, mientras que la quema de un metro cúbico de gasolina emite alrededor de 5478 kg de CO2 eq. Los costos asociados con el uso de los diferentes diseños de horno se estiman en ¢261,840 para el diseño #1, mientras que el diseño #2 tiene un costo estimado de ¢190,865. Estas cifras ilustran las diferencias económicas entre las opciones de diseño.

This project was developed with the Biogás para todos project of the Technological Institute of Costa Rica and the Cipreses de Oreamuno de Cartago farm where part of the activities were carried out, the project consisted of proposing a design of an oven to carry out the chemical activation of charcoal. The objective of the study was to propose an economic design with suitable materials to avoid heat loss. Measurements of the temperature of the biogas flame were made, obtaining a maximum value of 840 °C. The fuel flow was measured for 3 hours with an average of 0.63 m3/h of biogas, in addition, a flow supply speed of 0.571 m/s. The conductivity test indicates that the refractory brick has a surface temperature of 50.2 °C and the structural one of 122 °C with an increase of 6.3 °C per minute and the refractory 2.6 °C, which is reflected in 41.3% less than the structural brick. Two kiln designs designated as design #1 and design #2 were proposed, #1 presented a flux of 960.3 W with structural brick and 844.45 W with refractory brick, equivalent to a 12.97% variation between the two. Design #2 obtained a maximum flux of 753.61 W for the structural brick and 692.38 W with refractory brick, which is equivalent to an 8.12% variation. The resistance analysis for the ASTM 615 grade 60 corrugated steel bar indicates that the maximum force that the bar resists is 8.44 kN and the maximum force that it must withstand in the furnace assembly is 461.52 N, which ensures the selection of this material. The external surface temperature of the bricks analyzed by simulations with SolidWorks presented a minimum temperature of 61.8 °C and a maximum of 429 °C compared to the thermal conductivity test carried out in the laboratory. The environmental impact derived from the combustion of one cubic meter of biogas is significantly lower compared to the burning of one cubic meter of gasoline. Specifically, it was obtained that the combustion of a cubic meter of biogas generates approximately 1.9 kg of CO2 eq, while the burning of a cubic meter of gasoline emits around 5478 kg of CO2 eq. The costs associated with the use of the different kiln designs are estimated at ¢261,840 for design #1, while design #2 has an estimated cost of ¢190,865. These figures illustrate the economic differences between design options.