Modelo matemático de gasificador de tipo downdraft para biomasa agrícola

El uso de la biomasa como alternativa energética ha experimentado un crecimiento notable gracias al avance en tecnologías de conversión de biomasa en calor o energía, como es el caso de la gasificación. En el contexto de Colombia, un país excepcionalmente rico en biodiversidad, existe un potencial e...

Full description

Autores:: Gamarra Quintero, Juan Sebastián

Tipo de recurso:

Fecha de publicación:: 2023

Institución:: Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB

Repositorio:: Repositorio UNAB

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Abbas, “Assessing the current state of biomass gasification technology in advancing circular economies: A holistic analysis from techno-economic-policy perspective in Malaysia and beyond,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 199, pp. 593–619, Nov. 2023, doi: 10.1016/j.cherd.2023.10.023. C. Tirupathinaidu and T. Renganathan, “Optimal performance prediction of isothermal feedstock gasifier using unified thermodynamic model,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 200, pp. 211–224, Dec. 2023, doi: 10.1016/j.cherd.2023.10.032. M. Stemmler and M. Müller, “Theoretical Evaluation of Feedstock Gasification Using H 2 /C Ratio and ROC as Main Input Variables,” Ind Eng Chem Res, vol. 49, no. 19, pp. 9230–9237, Oct. 2010, doi: 10.1021/ie100726b. C. Tirupathinaidu, N. Jain, T. Renganathan, and S. Pushpavanam, “Unified Thermodynamic Model for Performance Prediction of Adiabatic Feedstock Gasifiers,” Ind Eng Chem Res, vol. 59, no. 44, pp. 19751–19769, Nov. 2020, doi: 10.1021/acs.iecr.0c03703. A. Ravikiran, T. Renganathan, S. Pushpavanam, R. K. Voolapalli, and Y. S. Cho, “Generalized Analysis of Gasifier Performance using Equilibrium Modeling,” Ind Eng Chem Res, vol. 51, no. 4, pp. 1601–1611, Feb. 2012, doi: 10.1021/ie2006406. M. J. Calvo-Saad, J. S. Solís-Chaves, and W. Murillo-Arango, “Suitable municipalities for biomass energy use in Colombia based on a multicriteria analysis from a sustainable development perspective,” Heliyon, vol. 9, no. 10, p. e19874, Oct. 2023, doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e19874. T. Gómez-Navarro and D. Ribó-Pérez, “Assessing the obstacles to the participation of renewable energy sources in the electricity market of Colombia,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 90, pp. 131–141, Jul. 2018, doi: 10.1016/j.rser.2018.03.015. J. Arias-Gaviria, S. X. Carvajal-Quintero, and S. Arango-Aramburo, “Understanding dynamics and policy for renewable energy diffusion in Colombia,” Renew Energy, vol. 139, pp. 1111–1119, Aug. 2019, doi: 10.1016/j.renene.2019.02.138. A. Sagastume Gutiérrez, J. J. Cabello Eras, L. Hens, and C. Vandecasteele, “The energy potential of agriculture, agroindustrial, livestock, and slaughterhouse biomass wastes through direct combustion and anaerobic digestion. The case of Colombia,” J Clean Prod, vol. 269, p. 122317, Oct. 2020, doi: 10.1016/j.jclepro.2020.122317. D. Mesa Puyo, “Transición energética: un legado para el presente y el futuro de Colombia Iván Duque Márquez Presidente de la República.” [Online]. Available: www.laimprentaeditores.com “Integración de las energías renovables no convencionales en Colombia.” [Online]. Available: http://www1.upme.gov.co/sgic/ L. E. Cáceres-Martínez, D. C. Guío-Pérez, S. Lucía, and R. Prat, Efficient use of alternative carbonaceous fuels in the power generation in Colombia by implementation of fluidized bed reactors View project Uso de residuos agroindustriales para la generación de energía View project. 2016. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/327232550 P. Basu, “Biomass Gasification, Pyrolisis and Torrefaction. Practical Design and Theory,” 2013. D. Gasifier, T. B. Reed, and A. Das Golden, “A Division of Midwest Rese a rch Institute Handbook of Biomass,” 1988. R. J. Tauro, J. Luis, C. Miguel, Á. Salinas, A. Ghilardi, and J. M. Arroyo, “Evaluación del potencial energético de los recursos biomásicos en Honduras,” 2030. [Online]. Available: www.cepal.org/apps D. José Rúa-Orozco, E. Lora, O. J. Venturini, and R. Mambeli Barros, “Procesos biológicos de conversión Laboratory installation Solar hybrid system / Biomass-SHSB View project Estudo da codigestão anaeróbia de dejetos suínos e bovinos: análise da viabilidade técnica e econômica de biodigestores View project.” [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/312535899 Ç. Yunus and B. Michael, Thermodynamics: An Engineering Approach, 7ta edicion. Boston: McGraw-Hill, 2014. D. Baruah and D. C. Baruah, “Modeling of biomass gasification: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 39. Elsevier Ltd, pp. 806–815, 2014. doi: 10.1016/j.rser.2014.07.129. I. P. Silva, R. M. A. Lima, H. E. P. Santana, G. F. Silva, D. S. Ruzene, and D. P. Silva, “Development of a semi-empirical model for woody biomass gasification based on stoichiometric thermodynamic equilibrium model,” Energy, vol. 241, Feb. 2022, doi: 10.1016/j.energy.2021.122894. S. Safarian, R. Unnthorsson, and C. Richter, “The equivalence of stoichiometric and non-stoichiometric methods for modeling gasification and other reaction equilibria,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 131. Elsevier Ltd, Oct. 01, 2020. doi: 10.1016/j.rser.2020.109982. B. V. Babu and P. N. Sheth, “Modeling and simulation of reduction zone of downdraft biomass gasifier: Effect of char reactivity factor,” Energy Convers Manag, vol. 47, no. 15–16, pp. 2602–2611, Sep. 2006, doi: 10.1016/j.enconman.2005.10.032. A. Melgar, J. F. Pérez, H. Laget, and A. Horillo, “Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying process,” Energy Convers Manag, vol. 48, no. 1, pp. 59–67, Jan. 2007, doi: 10.1016/j.enconman.2006.05.004. S. Jarungthammachote and A. Dutta, “Equilibrium modeling of gasification: Gibbs free energy minimization approach and its application to spouted bed and spout-fluid bed gasifiers,” Energy Convers Manag, vol. 49, no. 6, pp. 1345–1356, Jun. 2008, doi: 10.1016/j.enconman.2008.01.006. A. K. Sharma, “Equilibrium modeling of global reduction reactions for a downdraft (biomass) gasifier,” Energy Convers Manag, vol. 49, no. 4, pp. 832–842, Apr. 2008, doi: 10.1016/j.enconman.2007.06.025. A. K. Sharma, “Modeling and simulation of a downdraft biomass gasifier 1. Model development and validation,” Energy Convers Manag, vol. 52, no. 2, pp. 1386–1396, Feb. 2011, doi: 10.1016/j.enconman.2010.10.001. T. K. Patra and P. N. Sheth, “Biomass gasification models for downdraft gasifier: A state-of-the-art review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 50. Elsevier Ltd, pp. 583–593, May 30, 2015. doi: 10.1016/j.rser.2015.05.012. M. La Villetta, M. Costa, and N. Massarotti, “Modelling approaches to biomass gasification: A review with emphasis on the stoichiometric method,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 74. Elsevier Ltd, pp. 71–88, 2017. doi: 10.1016/j.rser.2017.02.027. M. Mehrpooya, M. Khalili, and M. M. M. Sharifzadeh, “Model development and energy and exergy analysis of the biomass gasification process (Based on the various biomass sources),” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 91. Elsevier Ltd, pp. 869–887, Aug. 01, 2018. doi: 10.1016/j.rser.2018.04.076. S. Safarian, R. Unnþórsson, and C. Richter, “A review of biomass gasification modelling,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 110. Elsevier Ltd, pp. 378–391, Aug. 01, 2019. doi: 10.1016/j.rser.2019.05.003. Z. A. Zainal, R. Ali, C. H. Lean, and K. N. Seetharamu, “Prediction of performance of a downdraft gasi®er using equilibrium modeling for di€erent biomass materials.” [Online]. Available: www.elsevier.com/locate/enconman C. A. Díaz González, D. C. de Oliveira, D. M. Yepes, L. E. Pacheco, and E. E. Silva, “Aspen Plus model of a downdraft gasifier for lignocellulosic biomass adjusted by Principal Component Analysis,” Energy Convers Manag, vol. 296, p. 117570, Nov. 2023, doi: 10.1016/j.enconman.2023.117570. C. A. V. B. de Sales et al., “Experimental study on biomass (eucalyptus spp.) gasification in a two-stage downdraft reactor by using mixtures of air, saturated steam and oxygen as gasifying agents,” Energy Convers Manag, vol. 145, pp. 314–323, 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2017.04.101. S. Hosokai, K. Matsuoka, K. Kuramoto, and Y. Suzuki, “Modification of Dulong’s formula to estimate heating value of gas, liquid and solid fuels,” Fuel Processing Technology, vol. 152, pp. 399–405, Nov. 2016, doi: 10.1016/j.fuproc.2016.06.040. E. S. Aydin, O. Yucel, and H. Sadikoglu, “Development of a semi-empirical equilibrium model for downdraft gasification systems,” Energy, vol. 130, pp. 86–98, 2017, doi: 10.1016/j.energy.2017.04.132. S. Pandey, B. Baral, S. Karki, and A. Upreti, “Prediction of Syngas Composition from Biomass Gasification using Thermodynamics Equilibrium Model,” 2013. M. Trninić, D. Stojiljković, N. Manić, Ø. Skreiberg, L. Wang, and A. Jovović, “A mathematical model of biomass downdraft gasification with an integrated pyrolysis model,” Fuel, vol. 265, Apr. 2020, doi: 10.1016/j.fuel.2019.116867. J. F. Pérez, A. Melgar, and F. V. Tinaut, “Modeling of fixed bed downdraft biomass gasification: Application on lab-scale and industrial reactors,” Int J Energy Res, vol. 38, no. 3, pp. 319–338, Mar. 2014, doi: 10.1002/er.3045. M. A. Masmoudi, K. Halouani, and M. Sahraoui, “Comprehensive experimental investigation and numerical modeling of the combined partial oxidation-gasification zone in a pilot downdraft air-blown gasifier,” Energy Convers Manag, vol. 144, pp. 34–52, Jul. 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2017.04.040. T. H. Jayah, L. Aye, R. J. Fuller, and D. F. Stewart, “Computer simulation of a downdraft wood gasifier for tea drying,” Biomass Bioenergy, vol. 25, no. 4, pp. 459–469, Oct. 2003, doi: 10.1016/S0961-9534(03)00037-0. O. Yucel and M. A. Hastaoglu, “Kinetic modeling and simulation of throated downdraft gasifier,” Fuel Processing Technology, vol. 144, pp. 145–154, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.fuproc.2015.12.023.
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En el contexto de Colombia, un país excepcionalmente rico en biodiversidad, existe un potencial energético significativo que podría aprovecharse mediante la implementación de tecnologías como la gasificación. Sin embargo, dicha implementación se ha visto limitada en países como Colombia debido al escaso desarrollo tanto tecnológico como académico en el ámbito de la gasificación. El presente trabajo tiene como objetivo presentar un modelo matemático de equilibrio estequiométrico restringido para el proceso de gasificación de biomasa lignocelulósica, específicamente utilizando eucalipto, como un instrumento fundamental para el progreso tecnológico y académico en esta área. La composición del residuo de eucalipto se obtuvo a partir de estudios experimentales, sobre la cual se fundamentó el desarrollo del modelo de gasificación. Este modelo implementa dos reacciones fundamentales del proceso de gasificación: la Reacción de Hidrogasificación y la Reacción de Desplazamiento de Gas de Agua (WGSR). Las ecuaciones de equilibrio químico representativas para estas dos reacciones se determinaron mediante el concepto de la energía libre de Gibbs. Los datos resultantes se analizaron comparando el error cuadrático medio (MSE) y la raíz del error cuadrático medio (RMSE) para la composición de CO, H2 y CH4 en tres relaciones de equivalencia (RE): 0.374, 0.396 y 0.42. Los hallazgos más destacados de este estudio incluyen un ajuste satisfactorio del modelo mediante tres restricciones de rendimiento, enfocado especialmente en la corrección de la concentración de CH4. Este ajuste condujo a una reducción del MSE del 66,03% a un ínfimo 0,30%. Asimismo, se llevó a cabo una validación del modelo con otros tipos de biomasa como corteza de pino, aserrín y tuza de maíz, los cuales mostraron valores de MSE por debajo del 10%. Estos resultados evidencian la validez del modelo para estimar porcentajes de composición resultantes de un proceso de gasificación con diferentes composiciones de biomasa. Tales conclusiones son de suma importancia para la aplicación y desarrollo de procesos de gasificación con biomasa en el contexto colombiano.Capítulo 1: Introducción 9 Capítulo 2: Planteamiento 13 2.1 Problemática 13 2.2 Justificación 15 2.3 Objetivos 16 2.3.1 Objetivo General 16 2.3.2 Objetivos Específicos 16 2.4 Metodología 17 Capítulo 3: Marco Contextual. 18 3.1 Marco Conceptual 18 3.1.1 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) y Desarrollo Sostenible 18 3.1.2 Transición Energética 19 3.1.3 Biomasa 20 3.1.4 Biomasa como Combustible 20 3.1.5 Potencial Energético de la Biomasa en Colombia 21 3.1.6 Rutas de Conversión de la Biomasa 21 3.1.7 Modelos de Gasificación 22 3.2 Marco Teórico 22 3.2.1 Conversión de la Biomasa 23 3.2.2 Conversión Termoquímica 23 3.2.3 Pirolisis 24 3.2.4 Combustión 24 3.2.5 Gasificación y Gasificadores 24 3.2.6 Modelado de Gasificación 28 3.2.7 Modelos de Equilibrio Termodinámico 28 3.2.8 Modelos Cinéticos 29 3.2.9 Modelos de redes artificiales neuronales (ANN) y Modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) 29 Capítulo 4: Estado del arte 31 Capítulo 5: Desarrollo 39 5.1 Caracterización de la Biomasa 40 5.2 Planteamiento del modelo de gasificación de equilibrio 41 5.3 Ajuste del modelo 46 5.4 Validación del modelo 50 Capitulo 6: Resultados 52 Capitulo 7: Conclusiones y Discusión 60 Capitulo 8: Recomendaciones 62 Bibliografía 63MaestríaThe use of biomass as an alternative energy source has experienced significant growth, thanks to advancements in biomass conversion technologies for heat or energy, such as gasification. In the context of Colombia, a country exceptionally rich in biodiversity, significant energy potential could be harnessed by implementing technologies like gasification. However, such implementation has been limited in countries like Colombia due to the scarce technological and academic development in gasification. This work aims to present a mathematical model of restricted stoichiometric equilibrium for the gasification process of lignocellulosic biomass, specifically using eucalyptus, as a crucial tool for technological and academic progress in this area. The composition of eucalyptus residue was obtained from experimental studies, upon which the gasification model was based. This model incorporates two fundamental reactions of the gasification process: the Hydrogasification Reaction and the Water Gas Shift Reaction (WGSR). The representative chemical equilibrium equations for these two reactions were determined using the concept of Gibbs free energy. The resulting data were analyzed by comparing the mean squared error (MSE) and root mean squared error (RMSE) for the composition of CO, H2, and CH4 at three equivalence ratios (ER): 0.374, 0.396, and 0.42. The most notable findings of this study include a satisfactory model fit with three performance constraints, especially focusing on correcting the CH4 concentration. This adjustment led to a reduction in MSE from 66.03% to a minimal 0.30%. Additionally, model validation was conducted with other types of biomass such as pine bark, sawdust, and corn stover, all of which showed MSE values below 10%. These results highlight the model's validity in estimating composition percentages resulting from the gasification process.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Modelo matemático de gasificador de tipo downdraft para biomasa agrícolaMathematical model of downdraft type gasifier for agricultural biomassThesisinfo:eu-repo/semantics/masterThesisTesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TMMagíster en Ingeniería en EnergíaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaMaestría en Ingeniería en EnergíaEnergy engineeringTechnological innovationsEnergyBiomassGasificationRenewable energyDowndraft gasifierMathematical modelingAlternative energyFloorsEnergetic industryMachine designGame theoryIngeniería en energíaInnovaciones tecnológicasEnergíaPlantasIndustria energéticaDiseño de máquinasTeoría de los juegosGasificacionBiomasaGasificador DowndraftModelado matemáticoEnergía alternativaS. Yao et al., “Cascade utilization of energy in high temperature syngas to reduce energy consumption in biomass gasification processes,” Case Studies in Thermal Engineering, p. 103680, Nov. 2023, doi: 10.1016/j.csite.2023.103680.D. Fytili and A. Zabaniotou, “Social acceptance of bioenergy in the context of climate change and sustainability – A review,” Curr Opin Green Sustain Chem, vol. 8, pp. 5–9, Dec. 2017, doi: 10.1016/j.cogsc.2017.07.006.G. Maitlo et al., “Thermochemical Conversion of Biomass for Syngas Production: Current Status and Future Trends,” Sustainability, vol. 14, no. 5, p. 2596, Feb. 2022, doi: 10.3390/su14052596.N. Kamaruzaman, N. Abdul Manaf, D. Milani, and A. Abbas, “Assessing the current state of biomass gasification technology in advancing circular economies: A holistic analysis from techno-economic-policy perspective in Malaysia and beyond,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 199, pp. 593–619, Nov. 2023, doi: 10.1016/j.cherd.2023.10.023.C. Tirupathinaidu and T. Renganathan, “Optimal performance prediction of isothermal feedstock gasifier using unified thermodynamic model,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 200, pp. 211–224, Dec. 2023, doi: 10.1016/j.cherd.2023.10.032.M. Stemmler and M. Müller, “Theoretical Evaluation of Feedstock Gasification Using H 2 /C Ratio and ROC as Main Input Variables,” Ind Eng Chem Res, vol. 49, no. 19, pp. 9230–9237, Oct. 2010, doi: 10.1021/ie100726b.C. Tirupathinaidu, N. Jain, T. Renganathan, and S. Pushpavanam, “Unified Thermodynamic Model for Performance Prediction of Adiabatic Feedstock Gasifiers,” Ind Eng Chem Res, vol. 59, no. 44, pp. 19751–19769, Nov. 2020, doi: 10.1021/acs.iecr.0c03703.A. Ravikiran, T. Renganathan, S. Pushpavanam, R. K. Voolapalli, and Y. S. Cho, “Generalized Analysis of Gasifier Performance using Equilibrium Modeling,” Ind Eng Chem Res, vol. 51, no. 4, pp. 1601–1611, Feb. 2012, doi: 10.1021/ie2006406.M. J. Calvo-Saad, J. S. Solís-Chaves, and W. Murillo-Arango, “Suitable municipalities for biomass energy use in Colombia based on a multicriteria analysis from a sustainable development perspective,” Heliyon, vol. 9, no. 10, p. e19874, Oct. 2023, doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e19874.T. Gómez-Navarro and D. Ribó-Pérez, “Assessing the obstacles to the participation of renewable energy sources in the electricity market of Colombia,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 90, pp. 131–141, Jul. 2018, doi: 10.1016/j.rser.2018.03.015.J. Arias-Gaviria, S. X. Carvajal-Quintero, and S. Arango-Aramburo, “Understanding dynamics and policy for renewable energy diffusion in Colombia,” Renew Energy, vol. 139, pp. 1111–1119, Aug. 2019, doi: 10.1016/j.renene.2019.02.138.A. Sagastume Gutiérrez, J. J. Cabello Eras, L. Hens, and C. Vandecasteele, “The energy potential of agriculture, agroindustrial, livestock, and slaughterhouse biomass wastes through direct combustion and anaerobic digestion. The case of Colombia,” J Clean Prod, vol. 269, p. 122317, Oct. 2020, doi: 10.1016/j.jclepro.2020.122317.D. Mesa Puyo, “Transición energética: un legado para el presente y el futuro de Colombia Iván Duque Márquez Presidente de la República.” [Online]. Available: www.laimprentaeditores.com“Integración de las energías renovables no convencionales en Colombia.” [Online]. Available: http://www1.upme.gov.co/sgic/L. E. Cáceres-Martínez, D. C. Guío-Pérez, S. Lucía, and R. Prat, Efficient use of alternative carbonaceous fuels in the power generation in Colombia by implementation of fluidized bed reactors View project Uso de residuos agroindustriales para la generación de energía View project. 2016. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/327232550P. Basu, “Biomass Gasification, Pyrolisis and Torrefaction. Practical Design and Theory,” 2013.D. Gasifier, T. B. Reed, and A. Das Golden, “A Division of Midwest Rese a rch Institute Handbook of Biomass,” 1988.R. J. Tauro, J. Luis, C. Miguel, Á. Salinas, A. Ghilardi, and J. M. Arroyo, “Evaluación del potencial energético de los recursos biomásicos en Honduras,” 2030. [Online]. Available: www.cepal.org/appsD. José Rúa-Orozco, E. Lora, O. J. Venturini, and R. Mambeli Barros, “Procesos biológicos de conversión Laboratory installation Solar hybrid system / Biomass-SHSB View project Estudo da codigestão anaeróbia de dejetos suínos e bovinos: análise da viabilidade técnica e econômica de biodigestores View project.” [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/312535899Ç. Yunus and B. Michael, Thermodynamics: An Engineering Approach, 7ta edicion. Boston: McGraw-Hill, 2014.D. Baruah and D. C. Baruah, “Modeling of biomass gasification: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 39. Elsevier Ltd, pp. 806–815, 2014. doi: 10.1016/j.rser.2014.07.129.I. P. Silva, R. M. A. Lima, H. E. P. Santana, G. F. Silva, D. S. Ruzene, and D. P. Silva, “Development of a semi-empirical model for woody biomass gasification based on stoichiometric thermodynamic equilibrium model,” Energy, vol. 241, Feb. 2022, doi: 10.1016/j.energy.2021.122894.S. Safarian, R. Unnthorsson, and C. Richter, “The equivalence of stoichiometric and non-stoichiometric methods for modeling gasification and other reaction equilibria,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 131. Elsevier Ltd, Oct. 01, 2020. doi: 10.1016/j.rser.2020.109982.B. V. Babu and P. N. Sheth, “Modeling and simulation of reduction zone of downdraft biomass gasifier: Effect of char reactivity factor,” Energy Convers Manag, vol. 47, no. 15–16, pp. 2602–2611, Sep. 2006, doi: 10.1016/j.enconman.2005.10.032.A. Melgar, J. F. Pérez, H. Laget, and A. Horillo, “Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying process,” Energy Convers Manag, vol. 48, no. 1, pp. 59–67, Jan. 2007, doi: 10.1016/j.enconman.2006.05.004.S. Jarungthammachote and A. Dutta, “Equilibrium modeling of gasification: Gibbs free energy minimization approach and its application to spouted bed and spout-fluid bed gasifiers,” Energy Convers Manag, vol. 49, no. 6, pp. 1345–1356, Jun. 2008, doi: 10.1016/j.enconman.2008.01.006.A. K. Sharma, “Equilibrium modeling of global reduction reactions for a downdraft (biomass) gasifier,” Energy Convers Manag, vol. 49, no. 4, pp. 832–842, Apr. 2008, doi: 10.1016/j.enconman.2007.06.025.A. K. Sharma, “Modeling and simulation of a downdraft biomass gasifier 1. Model development and validation,” Energy Convers Manag, vol. 52, no. 2, pp. 1386–1396, Feb. 2011, doi: 10.1016/j.enconman.2010.10.001.T. K. Patra and P. N. Sheth, “Biomass gasification models for downdraft gasifier: A state-of-the-art review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 50. Elsevier Ltd, pp. 583–593, May 30, 2015. doi: 10.1016/j.rser.2015.05.012.M. La Villetta, M. Costa, and N. Massarotti, “Modelling approaches to biomass gasification: A review with emphasis on the stoichiometric method,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 74. Elsevier Ltd, pp. 71–88, 2017. doi: 10.1016/j.rser.2017.02.027.M. Mehrpooya, M. Khalili, and M. M. M. Sharifzadeh, “Model development and energy and exergy analysis of the biomass gasification process (Based on the various biomass sources),” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 91. Elsevier Ltd, pp. 869–887, Aug. 01, 2018. doi: 10.1016/j.rser.2018.04.076.S. Safarian, R. Unnþórsson, and C. Richter, “A review of biomass gasification modelling,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 110. Elsevier Ltd, pp. 378–391, Aug. 01, 2019. doi: 10.1016/j.rser.2019.05.003.Z. A. Zainal, R. Ali, C. H. Lean, and K. N. Seetharamu, “Prediction of performance of a downdraft gasi®er using equilibrium modeling for di€erent biomass materials.” [Online]. Available: www.elsevier.com/locate/enconmanC. A. Díaz González, D. C. de Oliveira, D. M. Yepes, L. E. Pacheco, and E. E. Silva, “Aspen Plus model of a downdraft gasifier for lignocellulosic biomass adjusted by Principal Component Analysis,” Energy Convers Manag, vol. 296, p. 117570, Nov. 2023, doi: 10.1016/j.enconman.2023.117570.C. A. V. B. de Sales et al., “Experimental study on biomass (eucalyptus spp.) gasification in a two-stage downdraft reactor by using mixtures of air, saturated steam and oxygen as gasifying agents,” Energy Convers Manag, vol. 145, pp. 314–323, 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2017.04.101.S. Hosokai, K. Matsuoka, K. Kuramoto, and Y. Suzuki, “Modification of Dulong’s formula to estimate heating value of gas, liquid and solid fuels,” Fuel Processing Technology, vol. 152, pp. 399–405, Nov. 2016, doi: 10.1016/j.fuproc.2016.06.040.E. S. Aydin, O. Yucel, and H. Sadikoglu, “Development of a semi-empirical equilibrium model for downdraft gasification systems,” Energy, vol. 130, pp. 86–98, 2017, doi: 10.1016/j.energy.2017.04.132.S. Pandey, B. Baral, S. Karki, and A. Upreti, “Prediction of Syngas Composition from Biomass Gasification using Thermodynamics Equilibrium Model,” 2013.M. Trninić, D. Stojiljković, N. Manić, Ø. Skreiberg, L. Wang, and A. Jovović, “A mathematical model of biomass downdraft gasification with an integrated pyrolysis model,” Fuel, vol. 265, Apr. 2020, doi: 10.1016/j.fuel.2019.116867.J. F. Pérez, A. Melgar, and F. V. Tinaut, “Modeling of fixed bed downdraft biomass gasification: Application on lab-scale and industrial reactors,” Int J Energy Res, vol. 38, no. 3, pp. 319–338, Mar. 2014, doi: 10.1002/er.3045.M. A. Masmoudi, K. Halouani, and M. Sahraoui, “Comprehensive experimental investigation and numerical modeling of the combined partial oxidation-gasification zone in a pilot downdraft air-blown gasifier,” Energy Convers Manag, vol. 144, pp. 34–52, Jul. 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2017.04.040.T. H. Jayah, L. Aye, R. J. Fuller, and D. F. Stewart, “Computer simulation of a downdraft wood gasifier for tea drying,” Biomass Bioenergy, vol. 25, no. 4, pp. 459–469, Oct. 2003, doi: 10.1016/S0961-9534(03)00037-0.O. Yucel and M. A. Hastaoglu, “Kinetic modeling and simulation of throated downdraft gasifier,” Fuel Processing Technology, vol. 144, pp. 145–154, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.fuproc.2015.12.023.https://apolo.unab.edu.co/en/persons/carlos-alirio-diaz-gonzalezORIGINAL2024_Tesis Juan_Sebastian Gamarra.pdf2024_Tesis Juan_Sebastian Gamarra.pdfTesisapplication/pdf1014235https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/23383/4/2024_Tesis%20Juan_Sebastian%20Gamarra.pdf9500dc80fb292878902b008cd90e2627MD54open accessLicencia.pdfLicencia.pdfLicenciaapplication/pdf307461https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/23383/6/Licencia.pdfc65080deefcf8986a3697062a8203329MD56metadata only accessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-8829https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/23383/5/license.txt3755c0cfdb77e29f2b9125d7a45dd316MD55open accessTHUMBNAIL2024_Tesis Juan_Sebastian Gamarra.pdf.jpg2024_Tesis Juan_Sebastian Gamarra.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg4668https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/23383/7/2024_Tesis%20Juan_Sebastian%20Gamarra.pdf.jpg3a91bc84801137cca6ca1d7a046e9787MD57open accessLicencia.pdf.jpgLicencia.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10935https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/23383/8/Licencia.pdf.jpgfe0b6f4ec5679a7a3452476619f59cafMD58metadata only access20.500.12749/23383oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/233832024-02-05 22:01:16.647open accessRepositorio Institucional \| Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABrepositorio@unab.edu.coRUwoTE9TKSBBVVRPUihFUyksIG1hbmlmaWVzdGEobWFuaWZlc3RhbW9zKSBxdWUgbGEgb2JyYSBvYmpldG8gZGUgbGEgcHJlc2VudGUgYXV0b3JpemFjacOzbiBlcyBvcmlnaW5hbCB5IGxhIHJlYWxpesOzIHNpbiB2aW9sYXIgbyB1c3VycGFyIGRlcmVjaG9zIGRlIGF1dG9yIGRlIHRlcmNlcm9zLCBwb3IgbG8gdGFudG8sIGxhIG9icmEgZXMgZGUgZXhjbHVzaXZhIGF1dG9yw61hIHkgdGllbmUgbGEgdGl0dWxhcmlkYWQgc29icmUgbGEgbWlzbWEuCgpFbiBjYXNvIGRlIHByZXNlbnRhcnNlIGN1YWxxdWllciByZWNsYW1hY2nDs24gbyBhY2Npw7NuIHBvciBwYXJ0ZSBkZSB1biB0ZXJjZXJvIGVuIGN1YW50byBhIGxvcyBkZXJlY2hvcyBkZSBhdXRvciBzb2JyZSBsYSBvYnJhIGVuIGN1ZXN0acOzbi4gRWwgQVVUT1IgYXN1bWlyw6EgdG9kYSBsYSByZXNwb25zYWJpbGlkYWQsIHkgc2FsZHLDoSBlbiBkZWZlbnNhIGRlIGxvcyBkZXJlY2hvcyBhcXXDrSBhdXRvcml6YWRvcywgcGFyYSB0b2RvcyBsb3MgZWZlY3RvcyBsYSBVTkFCIGFjdMO6YSBjb21vIHVuIHRlcmNlcm8gZGUgYnVlbmEgZmUuCgpFbCBBVVRPUiBhdXRvcml6YSBhIGxhIFVuaXZlcnNpZGFkIEF1dMOzbm9tYSBkZSBCdWNhcmFtYW5nYSBwYXJhIHF1ZSBlbiBsb3MgdMOpcm1pbm9zIGVzdGFibGVjaWRvcyBlbiBsYSBMZXkgMjMgZGUgMTk4MiwgTGV5IDQ0IGRlIDE5OTMsIERlY2lzacOzbiBBbmRpbmEgMzUxIGRlIDE5OTMgeSBkZW3DoXMgbm9ybWFzIGdlbmVyYWxlcyBzb2JyZSBsYSBtYXRlcmlhLCB1dGlsaWNlIGxhIG9icmEgb2JqZXRvIGRlIGxhIHByZXNlbnRlIGF1dG9yaXphY2nDs24uCg==

Modelo matemático de gasificador de tipo downdraft para biomasa agrícola

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