combustión directa

 COMBUSTIÓN DIRECTA 1.‐ Definición La combustión se define como la reacción química entre un combustible y el comburente (aire) con la finalidad de producir energía térmica. Es un método termoquímico en el que se produce la oxidación completa de la biomasa (leñas, maderas, briquetas, pellets, etc.) liberando gran cantidad de calor. Esta energía obtenida puede ser usada tanto para fines domésticos (cocción, calefacción) como industriales (secado de productos agrícolas, generación de energía mecánica o eléctrica, etc.). 2.‐ Proceso Productivo Los elementos básicos de un equipo de combustión son el horno y el quemador; la combinación de ambos proporcionan los cuatro elementos básicos de la combustión directa: mezcla íntima de combustible (biomasa) y comburente (aire), admisión de cantidades suficientes de comburente para quemar por completo el combustible, temperatura suficiente para encender la mezcla de combustible y aire, y tiempo de residencia necesario para que la combustión sea completa (Masera et al., 2005). El proceso se produce normalmente en exceso de oxígeno, alcanzando temperaturas entre 800‐1100 ºC y en un sistema que tiene como elemento principal una caldera u horno y, en general, se puede describir de la siguiente manera (Figura 1): 1. La biomasa es almacenada en un depósito de alimentación, lugar cerrado habilitado específicamente para esos fines. 2. Se prepara el combustible, lo que correspondería a trozar/picar/astillar la biomasa sólida y posteriormente un proceso de secado. El equipo que se utiliza principalmente para el secado es un secador rotatorio, que utiliza aire caliente o vapor seco, aunque también puede no utilizarse un equipo y sí grandes extensiones de terreno para un secado de forma natural. 3. El combustible se transporta en camiones tolva y/o a través de un sistema neumático al silo de la caldera donde se mezcla previo a su combustión y desde allí se alimenta al horno. 4. Se introduce en el horno el aire necesario para la combustión mediante un ventilador, pero es precalentado, consiguiendo un aprovechamiento de energía con un intercambiador de calor del vapor de los gases de retorno. Es necesario contar con un sistema de ignición, que normalmente funciona con petróleo, para la partida de la caldera. Una vez que se alcanza una temperatura adecuada, el sistema es capaz 1
de sustentarse por sí solo y no necesita de fuentes externas de calor para mantener la combustión. 5. Finalmente la biomasa queda incinerada, se recupera el calor y se recogen las cenizas que quedan. En la parte inferior del horno el agua generada se mezcla con las cenizas y las enfría antes de ser evacuadas. Figura 1. Representación de obtención de electricidad mediante gases procedentes de la combustión directa. 2.1 Factores que afectan al proceso - El grado de humedad de la misma. Se aconseja que el grado de humedad sea inferior a 15% (biomasa seca), ya que en la evaporación del agua contenida en la biomasa se consume parte de la energía liberada en la combustión. Si se utiliza biomasa seca pueden lograse rendimientos del orden del 80%, frente a los rendimientos conseguidos (60%) cuando se utiliza biomasa húmeda (humedad>50%). - La granulometría (tamaño) y la densidad son características que influyen en la duración del proceso de combustión y en los equipos utilizados en el tratamiento y en la propia combustión. - El contenido en azufre de la biomasa vegetal es mínimo, por lo que prácticamente no se producen emisiones a la atmósfera de óxidos de azufre. - El denominado Poder Calorífico Superior (PCS) o Poder Calorífico Inferior (PCI), cuya unidad más frecuente es kcal/kg, y que se definen como la cantidad de calor desprendido por la combustión completa de un kilogramo de combustible a presión constante y la cantidad de calor desprendido, una vez se ha descontado el calor absorbido en la evaporación del agua contenida en la biomasa respectivamente. 2
- El porcentaje de oxígeno influye en la reacción, ya que si éste escasea la reacción no se completa y se obtiene carbón y monóxido de carbono. 2.2. Tipo de hornos El horno se compone esencialmente de parrilla (fija, horizontal e inclinada, móvil o vibratoria) y de la cámara de combustión, que hace posible la combustión de los gases y cuyas paredes están revestidas interiormente por un material refractario. Además de la tecnología con parrilla, que es en la actualidad la más difundida para la combustión de la biomasa, en los últimos años está tomando auge en el mercado la tecnología de lecho fluidizado para grandes equipos que se está utilizando tanto en grandes plantas térmicas, como termoeléctricas alimentadas con biomasa. La tecnología de lecho fluidizado presenta la ventaja de trabajar a temperaturas inferiores, unos 800ºC frente a los alrededor de 1000ºC que trabajan los equipos de parrilla, lo que disminuye las emisiones de óxidos de nitrógeno y la formación de aglomerados y escorias producidos en la combustión de la biomasa. Asimismo es una tecnología más eficiente en general que la de parrilla frente a los variables contenidos de humedad y la gran heterogeneidad que suele presentar la biomasa en sus características físicas. Esta tecnología utiliza combustibles de pequeña granulometría (partículas de 3‐4 cm de dimensión máxima) que, en general, no son muy aptos para los equipos de parrilla. 2.3. Co‐combustión Dentro de la Combustión directa cabe destacar otras opciones interesantes como puede ser la Co‐combustión donde se introducen dos combustibles diferentes en un mismo sistema de combustión. Esta co‐combustión va orientada al uso de hornos o calderas que antes utilizaban carbón y ahora también incluyen biomasa. Se puede diferenciar entre co‐combustión directa e indirecta. 2.3.1. Co‐combustión directa Los combustibles se transforman enérgicamente en el mismo equipo, es decir, la biomasa se alimenta de distintas formas, dentro de la caldera donde habitualmente se usaba exclusivamente carbón y se quema conjuntamente con el combustible tradicional. El porcentaje de sustitución y el grado de pretratamiento depende principalmente de cómo se efectúe la alimentación de la biomasa a la caldera. Las posibles opciones son: 3
a) La biomasa se introduce en la caldera ajunto con el carbón: a.1) La mezcla se realiza antes de los molinos de carbón. a.2) La mezcla se realiza antes de los quemadores de carbón. b) La biomasa se introduce en la caldera independientemente del carbón: b.1) Utilizando los propios quemadores de carbón u otros conductos disponibles b.2) Utilizando quemadores especiales para la biomasa. c) Adaptación de una parrilla. 2.3.2. Co‐combustión indirecta En este caso la transformación termoquímica de la biomasa se realiza total o parcialmente de forma independiente al combustible fósil. En la primera opción (transformación totalmente independiente), se utiliza una caldera exclusivamente para la biomasa y el vapor producido se integra en el ciclo de la planta de carbón existente, es lo que se conoce como co‐combustion paralela. En el segundo caso (transformación solo parcialmente independiente), la biomasa sólida se transforma en gas en un gasificador externo y este gas se alimenta posteriormente a la caldera de carbón, donde se sustituye a un porcentaje del combustible habitual. 3.‐ Productos/Subproductos Obtenidos En la combustión directa se desprenden gases procedentes de la propia combustión; además se generan escorias o cenizas como consecuencia de las impurezas del residuo y energía. Esta última es empleada en diversas aplicaciones: Generación de vapor (en calderas), Cogeneración, Hornos industriales etc. 4
Figura 2. Diagrama de flujo para la Combustion Directa 4.‐ Idoneidad de los subproductos En este caso la elevada humedad de los subproductos procedentes de la industria agroalimentaria, tanto frutas como hortalizas representa un claro inconveniente para su aplicación, sin embargo hay otros subproductos, como los huesos que son muy interesantes y ya se utilizan a nivel industrial. Un ejemplo claro es el uso de huesos de aceitunas como biomasa, muy extendido en España. Por otro lado, el bajo poder calorífico de los subproductos del sector de transformados vegetales puede ser solucionado si en el proceso se incluye una etapa de secado, tal como ya se indicó en la descripción del proceso, o bien si se realizan pellets de los mismos. Actualmente el uso de estos subproductos se ve favorecido ya que se diseñan calderas y hornos que sirven para quemar varios tipos de combustibles; idea que surgió de garantizar el suministro de distintas biomasas a lo largo de más tiempo. 5.‐ Ventajas e Inconvenientes Ventajas • Fácil operación y control • Tecnología ampliamente desarrollada, pero no tanto la de lecho fluidizado. • Sus variantes permiten la co‐combustión con carbón • La combustión es inmediata y produce altas temperaturas. • Admite distintas granulometrías dependiendo del tipo de horno. • El horno admite paradas y arranques en períodos de tiempo muy cortos debido a la rapidez del proceso de combustión y a la inercia del horno. • La tecnología de parrillas admite una alta variación en la humedad de combustible. Inconvenientes • Se generan residuos, como las cenizas. • Eficiencia alrededor del 20% 5
• Desprende una gran cantidad de gases contaminantes como CO2 y ceniza • Se necesita una trituración homogénea de las materias primas de la combustión, ya que de otra forma se pueden producir atascos en los sistemas de alimentación y problemas en los hornos. • Aparecen problemas de ensuciamiento, corrosión y disminución de la vida útil de intercambiadores de calor y otros equipos generalmente. • Requiere de un mantenimiento frecuente por la suciedad que ocasiona el combustible • Necesita mantener un flujo constante de alimentación. • Consume una gran cantidad de biomasa. • Los sistemas de co‐combustión directa son sensibles a la calidad del combustible. • Requiere grandes extensiones para el almacenamiento de la biomasa si se emplea una que tenga un bajo poder calorífico. • Se producen polvos en los humos que hay que separar. • Elevado consumo de energía eléctrica en la tecnología de lecho fluidizado por las horas de funcionamiento de la soplante que aporta el flujo en el horno. 6