ANEXO 11: PROCESO DE LA COMBUSTIÓN

ANEXO 11: PROCESO DE LA COMBUSTIÓN
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1.10. PROCESO DE LA COMBUSTIÓN.
El sistema del proceso de la combustión que a continuación se describe se puede observar en el
diagrama de flujo que se adjunta en el documento 2.
1.10.1. Introducción.
Los equipos principales de la planta son los siguientes:
1. Sistema de manejo de combustible.
2. Caldera.
3. Turbina de vapor y generador.
4. Equipos de condensación e intercambiador de calor.
5. Sistema de depuración de gases.
6. Planta de tratamiento de aguas.
7. Sistema de instrumentación y control.
8. Equipos para el suministro de energía eléctrica.
1.10.2. Sistema de manejo de combustible.
La biomasa, una vez recolectada y transportada hasta la planta, es simplemente almacena
apilándola de forma que al pasar 2-3 meses reduzca su humedad al valor del 10%, en el caso del
sarmiento. Posteriormente tiene lugar la operación de molienda, disponiéndose por fin del combustible
listo para ser introducido en la caldera.
La carga del combustible se realiza por medio de palas mecánicas, que lo depositan en un
transportador de cadenas. Dicho transportador conduce la biomasa hasta la parte superior de las tolvas
o silos de dosificación del horno.
Consideraciones a tener en cuenta son:
Que la alimentación periódica de residuos debe realizarse sin atascos
Que debe existir una reserva de residuos entre dos alimentaciones sucesivas para asegurar el
cierre hermético del horno y evitar la entrada de aire y la salida de gases de combustión.
La boca de la tolva debe ser de tamaño suficiente para que la cuchara del puente grúa pueda
abrirse. Su forma es la de un tronco invertido de pirámide con una inclinación pronunciada de sus
paredes para conseguir que los residuos desciendan por su propio peso a través del conducto de
alimentación del horno, que debe ser vertical.
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1.10.3. Sistema Horno-Caldera.
El sistema horno-caldera consta de los siguientes sistemas:
1. Silos dosificadores de combustible con alimentadores neumáticos (válvulas alveolares).
2. Horno con parrilla.
3. Sistema de aire de combustión, incluyendo los ventiladores y el precalentador de aire.
4. Sistema de gases, incluyendo el precipitador electrostático, el ventilador de tiro inducido, la
chimenea y depuradores de gases (Scrubber).
5. Sistema de vapor, incluyendo el economizador, evaporador y sobrecalentador.
6. Sistema de postcombustión de las cenizas volantes.
7. Sistema de cenizas y escorias.
El combustible entra en el horno, desde los silos dosificadores, gracias a los alimentadores
neumáticos que permiten una distribución uniforme y previamente estudiada dicha secuencia.
El aire necesario para la combustión se introduce en el horno gracias a un ventilador. El aire de
combustión se precalienta en un precalentador de aire, que para ello utilizaremos el vapor de retorno
del condensador, consiguiendo un aprovechamiento de energía con un intercambiador de calor.
Los gases de escape se conducen a través del filtro multiciclónico del sobrecalentador, del
economizador y del precalentador de aire hasta el precipitador electrostático, donde se separan las
cenizas volantes.
Las escorias son humedecidas y transportadas a unos contenedores. Las cenizas volantes,
recogidas en el precipitador electrostático, son también humedecidas y transportadas a contenedores.
Tanto las escorias y como las cenizas pueden emplearse como fertilizantes, fabricación de cementos…
Todas las partes de la caldera están diseñadas para las peores condiciones de operación más un
margen de diseño entorno al 5-10% dependiendo del área en cuestión.
Horno:
El horno se compone esencialmente del emparrillado y anexos (elementos a la vez de
manipulación y soporte de la combustión) y de la cámara de combustión, que hace posible la combustión de los gases.
El conjunto de emparrillado incluye, para los hornos modernos:
- un soporte para la combustión,
- un dispositivo para el transporte de los residuos,
- un dispositivo para voltear los residuos.
La cámara de combustión está formada por paredes revestidas interiormente por un material
refractario situadas encima del emparrillado.
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Esta cámara tiene dos objetos:
- Hacer posible la mezcla íntima del aire secundario que se introduce por encima del
emparrillado y los gases incompletamente quemados, a fin de conseguir una combustión lo más
completa posible;
- Calentar por irradiación los residuos frescos para secarlos y poder mantener, por su gran
inercia térmica, una temperatura suficiente para la buena combustión de los gases.
Los hornos pueden ser de dos tipos:
- De funcionamiento discontinuo, hoy anticuados o destinados a instalaciones muy pequeñas y
de muy poca capacidad;
- Y de funcionamiento continuo, donde los mecanismos que realizan las cuatro funciones
necesarias (introducción, combustión, transporte y volteo) son automáticos (desplazamiento por
traslación, basculamiento o rotación), permiten que los residuos frescos se transformen progresivamente en escorias inertes, y pueden llegar a alcanzar rendimientos en la actualidad de hasta 50 Tn/h.
En el caso que nos ocupa y en función del combustible a emplear, sarmientos de vid y posible
mezcla con orujo alcoholizado y desalcoholizado, proponemos un horno del tipo Heenan Nichol ( ver
figura 3), pero de todas formas haremos un estudio mas laborioso considerando lo anteriormente dicho
en el apartado 1.9 estudio y comparación de los sistemas de combustión.
Este horno presenta la forma de un conjunto de parrillas, de acuerdo con la capacidad que se
desea, dispuestas en escalera (parri1as de secado, de combustión y de fin de combustión). Cada
parrilla inclinada está formada por un determinado número de hileras de sectores bascu1antes, los
cuales reciben movimiento de unos gatos hidráulicos, de forma que en todo momento la mitad de la
parrilla está moviéndose (1 hilera de cada 2). Los ciclos de bascu1amiento (que son independientes
para cada parrilla) se regulan por separado para compensar la disminución del volumen de residuos al
irse éstos incinerando. El movimiento basculante voltea los residuos durante la combustión.
Por debajo de cada sección de la parrilla se insufla la cantidad de aire necesario para la
incineración, el cual penetra por las ranuras existentes entre las barras de la parrilla. La parrilla es
refrigerab1e por el aire de incineración.
Para recoger la ceniza que cae de la parrilla, sé ha colocado un embudo bajo cada sección de la
misma.
La primera parrilla, situada debajo del conducto de alimentación, hace las funciones de
distribuidor y de parrilla de secado al mismo tiempo.
Los movimientos son controlados por reguladores automáticos del tiempo y relojes ajustables
desde la central de mando.
Los residuos quedan incinerados trás haber pasado por la última parrilla de incineración, y las
escorias caen en el pozo de escorias revestido. En la parte inferior del pozo y a través de toberas, el
agua se mezcla con las escorias para enfriar éstas. Un empujador de escorias operado hidráulicamente
cuida de que las mismas caigan al transportador vibratorio.
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FIGURA 3
fuente: Optimización de recursos energéticos en centrales de calefacción de complejos
urbanos y su aplicación a plantas mixtas de incineración de residuos sólidos y gasóleo.
Aire de incineración
La mezcla de aire necesaria para la incineración se realiza por un ventilador primario y
secundario de aire.
El aire primario se distribuye a las diversas zonas de incineración por un sistema de conductos.
La cantidad de aire para las diferentes zonas se ajusta por medio de un registro de distribución, con
mando a distancia y servo desde la central de mando.
El aire primario es insuflado bajo cada zona de parrillas y puede ser ajustado
independientemente para cada una de estas zonas. Los gases desarrollados en la incineración, se mezclan con aire secundario sobre la primera sección de la parrilla, obteniéndose una fuerte turbulencia.
En caso de producirse una cantidad de hollin demasiado elevada, se abre al 100% el paso de
aire secundario.
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Extracción y transporte de escorias y cenizas
El objeto del dispositivo de extracción de escorias es enfriarlas y sacarlas fuera del hogar
manteniendo la estanqueidad de éste.
Generalmente, el enfriamiento se hace por inmersión en agua. Como las escorias están
calientes (250 a 700ºC) este enfriamiento produce una emisión de vapor más o menos cargado de
polvo de cenizas que, se debe procurar, sea absorbido por la baja presión que existe en el hogar.
Los residuos quedan incinerados tras haber pasado por la última parrilla del horno Heenan
Nichol, y las escorias caen en un pozo revestido de material refractario. En la parte inferior del pozo y
a través de toberas, el agua se mezcla con las escorias para enfriarlas. Un empujador de escorias
operado hidráulicamente y controlado por relojes automáticos desde la central de mando, cuida de que
estas caigan al transportador vibratorio.
Las escorias del horno y la ceniza de la caldera y del filtro electrostático son transportadas por
medio de transportadores helicoidales y por un sistema de contenedores colocados bajo la sección de
vaciado del horno con objeto de evitar las molestias originadas por el polvo procedente de su
tratamiento.
1.10.4. Turbina de vapor y generador.
La turbina consta de una parte fija y otra móvil, cada una de ellas equipada con una serie de
álabes. El vapor se expande en la turbina transfiriendo su energía al rotor. Las características de éste
vapor a la salida de la turbina son 7.500Kg/h a una presión de 10Kg/cm2 saturado.
Por seguridad, en el caso de que la turbina no pueda recibir el vapor, existe una válvula de
"by-pass" de alta presión que lo deriva hacia el condensador. Este sistema está diseñado para cubrir el
50% del caudal total de vapor.
La turbina va acoplada directamente a un generador síncrono. Existen dos modos de
operación: con control de frecuencia o con control fijo. EL control de frecuencia se aplica cuando la
turbina trabaja para cubrir el consumo en la planta de biomasa. En este modo de funcionamiento, el
vapor sobrante se lleva al condensador por medio de la válvula de "by-pass". El control fijo presupone
que la red es capaz de recibir toda la energía producida; en este caso, la totalidad del vapor se conduce
a la turbina, manteniendo constante la presión en la caldera, dicho caso seria el nuestro.
1.10.5. Equipos de condensación.
A la salida del cuerpo de la turbina se condensa para, así, volverlo a introducir en la caldera y
reiniciar el ciclo.
Para ello se emplea un condensador que utiliza agua como fluido refrigerante. El calor que el
agua de refrigeración absorbe en el condensador, se disipa en una torre de refrigeración con aire en
contracorriente.
Pero este sistema lo tendremos como complementario al intercambiador de calor en
contracorriente, que dispondremos al aire de entrada de la caldera, tras el ventilador (estudio de que
sistema seria mas rentable: tubular, de placas, de tipo espiral...); con este intercambiador reduciríamos
la Tª del vapor para entrar de nuevo a la caldera y además precalentaríamos el aire en exceso, que
entra en la caldera para una buena combustión y aumentar así el rendimiento del equipo.
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Después de ser refrigerada, la mayor parte del agua es recirculada; otra parte es vertida a la red
general para permitir que se mantenga en la torre la concentración de sales óptima.
Se dispone de una estación de bombeo para suministrar agua a la torre de refrigeración. La
mayor parte de la materia sedimentable presente en el agua se elimina antes de que sea utilizada.
1.10.6. Sistema de depuración de gases.
Al no existir legislación específica para centrales del tipo o tamaño de la que se está
estudiando, no se requiere ningún equipo para disminuir las emisiones de SO2 y NOn ya que el valor
de emisión para este tipo de planta y combustible se encuentra dentro de los límites que establece la
legislación. Por contra, sí es necesaria la utilización de precipitadores electrostáticos para eliminar las
partículas sólidas presentes en los gases de escape antes de la salida de los mismos por la chimenea.
Depuración de los gases de humo
Los gases procedentes de la planta de incineración deben ser depurados, antes de su
lanzamiento al exterior, empleando un filtro electrostático, estos filtros tienen la forma de una o varias
cámaras de chapa, en cuya parte baja llevan tolvas para el polvo.
En el filtro multiciclónico se extraen los inquemados y las partículas de gran tamaño que se
encuentren en los gases de escape y se devuelven al horno para su combustión. La combustión de las
cenizas volantes inquemadas asegura un incremento del rendimiento en un 2 o 3 %.La biomasa es un
combustible con un muy bajo contenido en cenizas. El valor normal es 0,6%. Por lo tanto, la
producción de escorias y cenizas volantes es mínima.
Su interior está dividido en compartimientos, mediante un cierto número de placas
uniformemente espaciadas en el sentido de la circulación de los gases, conectadas a masa y entre ellas
atraviesan paralelamente unos hilos o barras conectados a una fuente de alta tensión continua (10.000
a 50.000 voltios).
Los gases pasan por el campo eléctrico creado entre los hilos y las placas. El polvo es
rechazado sobre las placas o electrodos colectores y cae en la tolva, de donde es evacuado mediante un
sistema apropiado. El polvo que permanece adherido a las placas se evacua mediante una percusión
periódica. La eliminación del polvo que se adhiere a los hilos se hace igualmente golpeándolos con
frecuencia uniforme.
La eliminación del polvo se facilita con una humedad óptima de los gases de
aproximadamente el 10% en peso.
Para obtener una presión baja y constante de 10 a 15 rnm. c.d.a. en el horno, es necesaria la
instalación de un “ventilador de gas de humo” cuyo caudal se podrá regular automáticamente.
A la hora de seleccionar el ventilador de gas de humo hay que destacar dos puntos importantes:
- la temperatura de funcionamiento bastante alta (250 a 300ºC aproximadamente);
- el riesgo de abrasión por el polvo que ha escapado al sistema de eliminación.
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Las características del ventilador se determinarán:
- sumando todos los volúmenes de aire suministrado que pasan por el horno o después de él,
teniendo en cuenta las entradas siempre posibles de aire;
- calculando la presión total, teniendo en cuenta las pérdidas desde el horno hasta la salida de
la chimenea, sin olvidar el tiro que produce esta y que hay que deducir.
1.10.7. Planta de tratamiento de aguas.
Para el tratamiento del agua de aporte a la planta se dispone de dos líneas de tratamiento de
agua del 100% de capacidad cada uno. El sistema está compuesto por tanques de almacenamiento y
dosificadores químicos.
1.10.8. Sistema de instrumentación y control.
El control de la planta es realizado por un sistema de control distribuido automático, en el que
la operación y la monitorización de toda la central se realizan desde la sala de control.
Cada parte de la central con entidad propia, como la caldera, la turbina de vapor, etc... está
equipada con su propia estación de proceso, de tal forma que funciona de manera independiente y con
los enclavamientos de seguridad necesarios.
La transmisión de datos, la recopilación de los mismos y la operación de la planta se puede
realizar desde un sistema superior.
1.10.9. Equipos para el suministro de energía eléctrica.
La energía eléctrica generada se suministra a la red pública en las condiciones legalmente
establecidas, o sea toda instalación debe constar con los equipos de medida de energía eléctrica
necesarios que permitan su liquidación, facturación y control de acuerdo con el REAL DECRETO
436/2004, de 12 de marzo.
La energía eléctrica consumida por la central puede ser obtenida de distintos lugares:
•
Del generador de la turbina.
•
De la red pública (para el arranque de la planta).
Durante la operación normal de la central, a 100% de carga de la turbina y de la caldera, el
consumo de energía eléctrica se cubre con la electricidad producida en el generador.
La determinación final de los niveles de baja tensión se hará en el proyecto de detalle, evaluando
todos los aspectos técnicos y económicos.
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El generador puede funcionar en isla. La posibilidad del funcionamiento en isla permite una mayor
flexibilidad de la planta, así corno una operación más estable. Si la central se desconecta de la red
(debido a defectos en la línea o disparos planificados), el generador cambia automáticamente a la
operación en isla y sólo se produce la energía necesaria.
Ya que si el corte sólo dura unas pocas horas, la operación en isla es la más aconsejable, ya que
los arranques en frío de la caldera y de la turbina son muy complicados y largos.
Además, la planta cuenta con un sistema de corriente continua, para asegurar el suministro
eléctrico de aquellos equipos más críticos cuando los otros sistemas de corriente alterna no funcionen.
Los componentes que necesitan suministro en corriente continua son entre otros: las bombas de aceite
de lubricación de la turbina, el sistema de control de proceso,...
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