APROVECHAMIENTO DE ENERGIA TERMICA CON MOTORES STIRLING “EN UN HORNO PROTOTIPO DE COQUIZACION”

Diego Fernando Fuquen Peña

John Jairo Niño Merchán

Estudiante de Pregrado Ingeniería Electrónica Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Sogamoso, Boyacá, Colombia [email protected]

Estudiante de Pregrado Ingeniería de Minas Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Sogamoso, Boyacá, Colombia. [email protected]

Juan Mauricio Salamanca Profesor Titular de Ingeniería Electrónica Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Sogamoso, Boyacá, Colombia [email protected]

Resumen— Este artículo muestra la aplicación de un motor Stirling en un horno prototipo de coquización tipo Colmena donde el calor generado por el horno en el proceso es aprovechado por el motor Stirling para su funcionamiento. Palabras clave— Aprovechamiento de energía térmica; Horno prototipo de Coquización; Motor Stirling.

I. INTRODUCCIÓN Actualmente las compañías industriales buscan reducir sus costos de producción y a la vez minimizar los impactos ambientales ocasionados en sus procesos productivos, ver [1]. La producción de Coque a partir de mezclas de carbón es un proceso industrial que genera fuertes impactos ambientales de emisiones de gas y material particulado. Ver [2] . El coque es resultado de la destilación de una mezcla de carbones bituminosos, es un sólido de color gris negruzco, poroso y poco denso, que arde sin llama y tiene gran poder calorífico. Contiene en su mayor parte, carbono (92%) y el resto ceniza (8%) y se emplea principalmente como reductor en la industria siderúrgica para la fabricación de acero. Para más información [3] [4] . La industria del coque a nivel mundial comprende bien el desafío ambiental del planeta, y está actualizando y modernizando sus procesos para tener el mayor provecho de este proceso, ver [5]. En Colombia las empresas productoras de Coque, ubicadas en los departamentos de Boyacá, Cundinamarca y Norte de Santander, ver [4]. Estas intentan ser más competitivas en un sector donde se emplean equipos y hornos con bajos niveles técnicos y tecnológicos para producir coque. En estos procesos no se realiza el aprovechan de los gases y las altas temperaturas generadas como subproductos en el proceso. Más información [2] [3]. En estas condiciones, la industria del coque Colombiano debe enfrentarse a países como

China y Japón, los mayores productores de Coque a nivel mundial en estos países se realizan procesos de coquización más avanzados y con aprovechamiento de subproductos y generación de energía ver [3]. Estos países tienen costos de producción más bajos y dejan a las empresas Colombianas en niveles inferiores de competitiva. Frente a esta problemática, se pueden estudiar nuevas alternativas de aplicaciones tecnológicas en el proceso de coquización usado en Colombia, tomando como una alternativa aprovechar la energía térmica generada por medio de motores Stirling. Más información [6] [7] [8].El siguiente artículo muestra la aplicación de un motor Stirling en un horno prototipo de Coquización tipo Colmena donde este opera aprovechando el calor generado en el proceso de Coquización. El artículo se organiza de la siguiente manera Introducción, Hornos usados en el proceso de coquización en Colombia, Motores Stirling, Prueba del motor Stirling en el Horno Prototipo, Resultados y Conclusiones. II. HORNOS USADOS EN EL PROCESO DE COQUIZACIÓN EN COLOMBIA

La Coquización consiste en someter una mezcla de carbones bituminosos a calentamiento o destilación en ausencia de aire en un horno especializado para tal fin. Ver [4] [9]. Este proceso se conoce como desvolatilización del carbón el cual puede desarrollarse en dos etapas: Una primaría donde se produce principalmente alquitrán y una secundaria en donde se obtiene el coque luego de haberse desprendido todos los gases. Para más información [4]. La producción de Coque con Carbón es un proceso termodinámico muy complejo realizado en hornos donde se generan altas temperaturas que oscilan entre 400 y 1300 °c, ver [10].En Colombia los hornos utilizados en el proceso de coquización son:

Hornos Tipo Colmena: Los hornos tipo Colmena son actualmente los más utilizados. Las características de este se presentan en la tabla 1. En la imagen 1 se observa una batería de hornos de coquización tipo Colmena. Estos hornos construidos con ladrillo común o de arcilla. Tienen forma circular con techo en forma de Colmena la cual facilita la irradiación de calor. Aproximadamente tienen radio de 3.6 a 4 metros. Tiene una puerta que es utilizada para retirar el coque. En la parte superior se tiene una boca por donde se llena el horno con la mezcla de carbón. Tabla 1. Características horno tipo Colmena. Horno tipo Colmena Capacidad Producción de Carbón de Coque Rendimiento (ton) (ton) % 3.5-4 2.0-2.5 56-58 Fuente: Autores.

Subproductos No

El coque fabricado en estos hornos con mezclas de carbón adecuadas tiene una buena granulometría y calidad.

Figura 2.Horno tipo solera. Fuente: Coquización sin recuperación de subproductos y con recuperación de calor. En estos tipos de horno se pueden generar temperaturas de hasta 1500 °c. Los gases generados en el proceso de coquización circulan por los ductos de las paredes y piso del horno manteniendo una temperatura estable en el horno y el carbón que se coquiza. El tiempo de coquización es de 30 horas. En la tabla 2 se observa otras características importantes de este tipo de horno. Ver [12] Tabla. Características horno tipo Solera Horno tipo Solera Capacidad Producción de Carbón de Coque Rendimiento (ton) (ton) % 5-6

Figura 1. Horno tipo Colmena. Fuente: Autores

Una de las mayores limitaciones de este tipo de hornos es su baja capacidad de producción. Los mayores tamaños pueden producir 3 toneladas de coque. Otra limitante es el tiempo de coquización de 48 horas y la emisión de gases a la atmosfera. Ver [4]. Hornos Tipo Solera: Los hornos tipo solera son empleados en algunas empresas colombianas. Son la evolución de los hornos colmena. Tienen forma rectangular con 2.75 a 3 metros de ancho aproximadamente y 10.5 metros de largo. Tienen ductos de recirculación de gases que comunican con ductos subterráneos que permiten calentar de manera más eficiente el piso del horno, emitiendo calor del techo hacia el piso y del piso al techo. Ver [11]. En la tabla 2 se observa las características de este tipo de horno y en la figura 2 se muestra un esquema de un horno tipo solera con algunas de sus partes.

3-4

70

Subproductos No (Circulación de gases calientes)

Fuente: Autores

Una de las limitantes de estos tipos de hornos está en la baja capacidad de producción de coque 4 ton/día. También no se realiza procesos de recuperación de subproductos. Más información [4] Horno con Recuperación de Subproductos: Son hornos que consisten en cámaras largas y estrechas fabricadas con material refractario. Tienen de 11 a 13 metros de longitud con 33 a 60 cm de ancho y 3.5 a 6 metros de altura. En ellas se calienta la mezcla de carbón hasta alcanzar la temperatura de coquización por la que se tiene circulación de gases en el refractario de las paredes. En la figura 3 se observa una figura de un horno con recuperación subproductos y en la tabla 3 se observa algunas características. Tabla 3. Características con Recuperación de Subproductos. Hornos con Recuperación de Subproductos Capacidad de Producción de Carbón Coque Rendimiento Subproductos (ton) (ton) % 16-20 12-15 75 Si Fuente: Autores.

Figura 5. Configuración alfa para motores Stirling Fuente: Diseño y Construcción de un Motor Stirling para la Generación de Energía Eléctrica Figura 3. Horno con Recuperación de Subproductos. Fuente: http://www.oocities.org/mx/ahmsatech/Coquizadora.htm El tiempo de coquización en estos hornos es de 17 horas y tiene una gran ventaja en la calidad del coque y recuperación de subproductos como alquitrán y gas de coquería. Ver [4] [11]

Beta: En esta configuración el desplazado está en el mismo

cilindro lo que permite tener menos volumen muerto, obteniendo así la mayor potencia específica entre las demás configuraciones. Ver figura 6.

III. MOTORES STIRLING Los motores Stirling desarrollados en el año 1819 por Robert Stirling, son una maquina con la capacidad de transformar la energía térmica en energía mecánica, el principio de funcionamiento está basado en los cambios volumétricos del fluido de trabajo debido a los cambios de temperatura a los que se ha sometido el fluido de trabajo. Este fluido cumple con el ciclo termodinámico Stirling el cual de forma teórica está compuesto de una compresión y expansión isoterma (fig.4) (1-4 y 2-3), un aumento y disminución de presión a volumen constante (4-1 y 2-3) [7]. Ver [6] [13] Figura 6. Configura beta para motores Stirling Fuente: Diseño y Construcción de un Motor Stirling para la Generación de Energía Eléctrica

Gamma: Es una derivación del tipo beta, consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en el otro el pistón de potencia, es el de menor potencia específica debido a su gran volumen muerto. Ver figura 7.

Figura 4. Diagrama P-V del motor Stirling. Fuente: Diseño y Construcción de un Motor Stirling para la Generación de Energía Eléctrica

Los motores Stirling presentan varias configuraciones, tres de las más conocidas son: Alfa: Esta configuración está basada en dos pistones desfasados 90°, a uno de estas se aplica energía térmica y el otro será el que es refrigerado. Ver figura 5.

Figura 7. Configuración Gamma para motores Stirling Fuente: Diseño y Construcción de un Motor Stirling para la Generación de Energía Eléctrica

Entre otras configuraciones se encuentran termo acústico, Ribon y de pistón líquido sin embargo las más adecuadas para aplicaciones industriales son las descritas con anterioridad.

está expuesto. De la misma forma es sensado la temperatura aproximada del horno en su interior. Ver figura 8.

Del análisis termodinámico se obtiene la expresión para la eficiencia térmica ideal de la ecuación 1. Más información [6]. 𝜂 = 1−

𝑇𝑚𝑖𝑛 𝑇𝑚𝑎𝑥

(1)

Donde: 𝑇𝑚𝑖𝑛 = Temperatura pistón zona fría. 𝑇𝑚𝑎𝑥 = Temperatura pistón zona caliente. Dadas estas características del sistema se ha tomado como un método para energías alternativas con aplicaciones como: la quema de biomasa para una producción potencial de 40kw ver [8]. Al igual se documentan trabajos que desarrollan estudios y aplicaciones para aprovechamiento de energía solar usando discos dish y realizando un seguimiento solar, más información [14] [15], el trabajo sobre estos motores a través de su modelamiento ha buscado generar un sistema donde se trabajan estudios alrededor del regenerador, ver [16], ya que el modelo caracteriza las pérdidas del sistema, para mayor información [13], y este tiene un efecto directo sobre la dinámica del motor, el proyecto descrito en este documento presenta una ausencia en la bibliografía sobre aplicaciones de motores Stirling en hornos de coquización por lo que se desarrolla el montaje y pruebas en el prototipo que permitan generar las pautas para un diseño con aplicaciones industriales. IV PRUEVA DESARROLLADA Para el desarrollo de las pruebas se implementaron los elementos que se observan en la tabla 4. En estas pruebas se desea medir temperatura y niveles de gas CO y CH4.

Figura 8. Horno prototipo tipo Colmena, motor Stirling y termocupla. Fuente: Autores

Este proyecto está basado en prototipos experimentales al redor del motor Stirling, en los cuales se han hecho modelos que permitieron emular la dinámica encontrada en un horno de coquización tipo colmena. La transferencia de calor por el flujo de aire caliente, que se observa en la chimenea, la transferencia de calor por convección y radiación en la estructura del horno. A continuación se describe el sistema prototipo. El actuador desarrollado para emular un sistema con calentamiento por convección, es un horno prototipo tipo colmena. La respuesta de este horno ante una prueba de escalón en la potencia aplicada se presenta en la figura 9 la cual muestra la dinámica del sistema presentada en las pruebas desarrollada.

Tabla 4. Sensores y sistema de adquisición empleado para la toma de datos. Equipos utilizados Variable

Sensor

Acondiciona. de Señal

Interfaz

Software

Temperat ura

Termo -cupla tipo j

OPAM de instrumentación Av=101

Tarjeta NI-6211

Matlab

CO

MQ-7

---

Tarjeta NI-6211

Matlab

𝐶𝐻4

MQ-4

---

Tarjeta NI-6211

Matlab

Fuente: Autores

Para el desarrollo de la prueba se calienta el horno prototipo realizando el procedimiento de caldeo del horno. Esto consiste en quemar madera y carbón térmico en el interior del horno. Durante este proceso se realiza el sensado del nivel de gas emitido durante el proceso, ubicando los sensores de gas CO y CH4 en la boca de la chimenea del horno. El motor Stirling es instalado en la parte superior del horno. Allí el pistón de la zona caliente del motor se inserta en la boca del horno por donde se alimenta de carbón. En este punto se instala la termocupla junto al pistón de zona caliente para conocer la temperatura a la cual

Figura 9. Respuesta del escalón unitario del motor Stirling con actuador en pistón de aire caliente. Fuente: Autores.

V RESULTADOS En la figura 10 se observa los resultados de los niveles de gas CH4 emitidos durante la prueba. La concentración de gas es medida en partes por millón (ppm). En la figura 11 se observa los resultados de los niveles de gas CO emitidos durante la prueba. La concentración de gas se da en ppm. En la figura 12 se observa la grafica resultado del sensado de la temperatura en grados centigrados durante la practica realizada.

VI ANALISIS Los niveles de gas CH4 y CO que se emiten en las pruebas presentan variaciones en sus concentraciones debido a cambios de temperatura en el momento de consumirse el carbón y la madera y agregar más material a la quema para estabilizar la temperatura en el horno. Esto hace que se suban de nuevo los niveles de gas emitidos. La temperatura medida en el horno se incrementa de manera exponencial conforme se realiza la quema de la madera. Cuando se realiza la combustión del carbón se produce un incremento notable de temperatura como se ve en la figura 11. Luego la temperatura desciende poco a poco durante la combustión de ambos materiales. Figura 10. Grafica mediciones de CH4 Fuente: Autores

El funcionamiento del motor requiere que el horno mantenga una temperatura sobre los 150°c en la zona de alta temperatura, para garantizar la diferencia de potencial térmico entre su zona caliente y su zona fría, si se logra mantener esta condición entre las zonas del motor, se garantizara el funcionamiento de este, durante el tiempo que la temperaturas supere a esta umbral y aprovechamiento el tiempo de caldeo del horno de coquización de forma más eficiente. VII CONCLUSIONES La instrumentación del horno prototipo permite conocer variables importantes como la temperatura y la concentración de gas CH4 y CO generados en el proceso de caldeo.

Figura 11. Grafica mediciones de CO Fuente: Autores.

Gracias a la instalación de la termocupla es posible conocer la temperatura en que opera el motor Stirling permitiendo conocer la temperatura mínima a la cual debe ser calentado el pistón de zona caliente. La configuración del motor implementado es tipo gamma, se pudo observar que no es la más adecuada debido a que el calor del horno es transferido al motor al acoplar ambos sistemas. Esto incrementa las temperaturas de umbrales para el funcionamiento del motor. La prueba desarrollada permite recrear un proceso real de coquización en hornos tipo colmena. Se puede demostrar que el motor Stirling para su aplicación en estos tipos de horno es funcional y debe cumplir con características técnicas para su uso industrial debido a que el material particulado afecta el trabajo mecánico del motor y las temperaturas alcanzadas pueden ser mayores.

Figura 12. Mediciones de Temperatura con termocupla en el pistón del motor zona caliente. Fuente: Autores

La respuesta del motor para tener energía mecánica a la salida, se da al superar un umbral de 150°c, en su extremo de alta temperatura el cual se encuentra al interior del horno y la dinámica del motor se encuentra sujeta a la temperatura del horno.

REFERENCIAS [1] NACIONES UNIDAS, «PROTOCOLO DE KYOTO DE LA CONVENCIÓN MARCO DE LAS NACIONES UNIDAS SOBRE EL CAMBIO CLIMÁTICO,» 1998. [2] El Tiempo, «www.eltiempo.com,» 7 Septiembre 2002. [En línea]. Available: http://www.eltiempo.com/archivo/documento/MAM1364253. [Último acceso: 12 Agosto 2015].

[3] Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), «El Carbón Colombiano. Fuente de Energía para el Mundo.,» UPME, Bogotá, Colombia, 2005. [4] I. Báez Rodríguez, Manual de Carbones y Coquización, Sogamoso: Universidad Pedagógica Y Tecnológica de Colombia, 2004. [5] Y. Man, S. Yang, J. Shang y Y. Qian, «Conceptual design of coke-oven gas assisted coal to olefins process for high energy efficiency and low CO2 emission,» Applied Energy, vol. 133, pp. 197-205, 2014. [6] V. R. A. ZAMORA, «DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR STIRLING PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA,» TESIS UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA LIMA – PERU, 2003. [7] R. R. R. F. G. J. Ignacio Sánchez, «Modelación un Motor Stirling tipo gama para bajas entalpías,» Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA), 2010. [8] N. A. T. Henrik CARLSEN, «40 kW STIRLING ENGINE FOR SOLID FUEL,» IEEE, 1996. [9] X. Li, L. Jiageng y Y. Bolun, «Design and control of the cryogenic distillation process for purification of synthetic natural gas from methanation of coke oven gas,» Industrial & Engineering Chemistry Research, pp. 1-42, 2014. [10] Z. Xuelei, W. Songling, . C. Haiping y Z. Lanxin , «System Design and Economic Evaluation of Coke Oven Gas Utilization Projects,» IEEE, 2010. [11] M. A. ARDILA B, Cartilla de Carbones y Coques, 2013. [12] Madías, Jorge;, «Coquización sin recuperación de subproductos y con recuperación de calor,» Acero Latinoamericano, pp. 36-44, 2010. [13] D. J. Li Mingzhen, «Modeling and Simulation of Solar Dish-Stirling Systems,» IEEE, 2012. [14] A. K. M. A. N. Dhrupad Debnath, «Comparative Analysis of SHS and Stirling Engine System with Proposed Voltage Controller Model and the Economic Viability of the System,» IEEE, 2011.

[15] V. T. B. O. A. K. L. I. T. E. O. V. Y. E. M. K. Makhkamov, «DEVELOPMENT OF SOLAR AND MICRO CO-GENERATION POWER INSTALLATIONS ON THE BASIS OF STIRLING ENGINES».Physical -Technical Institute, Uzbek Academy of Sciences. [16] E. G. a. J. M. S. Alejandro Alvarez–Aguirre, «Linear Dynamics and Control of a Kinematic Wobble–Y oke Stirling Engine,» IEEE, 2010.