Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas para una

Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas para
una bodega.
Laura de Pablo Lorenzo
C/ Paseo de Zorrilla nº 196 – 4 J, 47006 Valladolid
[email protected]
Gregorio Antolín Giraldo
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Paseo del Cauce s/n 47011
Valladolid, 983423362, [email protected]
Resumen
La búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas para satisfacer las necesidades
energéticas crecientes, y al mismo tiempo disminuir las emisiones contaminantes, ha
contribuido a considerar la biomasa como un recurso de gran importancia, a corto y medio
plazo, dentro del ámbito de las energías renovables.
Poco a poco se ha ido perdiendo la sostenibilidad que caracterizaba tradicionalmente a la
industria vitivinícola, por lo que con este proyecto se intentará recuperarla, creando una
planta de aprovechamiento energético de biomasa, para aprovechar los subproductos
generados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos,
raspones, barricas y además, de este modo, se contribuye también a disminuir las emisiones
de CO2, principal causante del efecto invernadero y cuyas emisiones, en la actualidad,
distan mucho de cumplir los objetivos marcados en el Protocolo de Kyoto.
Palabras Clave:
Biomasa, efecto invernadero, caracterización energética, potencial energético, planta de
combustión.
Abstract
The search for new alternative sources of energy in order to satisfy the increasing energetic
needs and to diminish contaminant emissions has contributed to consider biomass as a
short- and medium-term important resource as regards renewable energies.
Gradually, the sustainability that characterized wine industry has been lost. Thus, this
project aims to recover it by the construction of a biomass energy recovery plant, where byproducts resultant from wine production – such as vine shoots, stems and barrels - will be
exploited. Moreover, CO2 emissions will be diminished, as they are the main responsible
for the greenhouse effect and, currently, they do not fulfil the objectives of the Kyoto
Protocol.
Keywords:
Biomass, greenhouse effect, energetic characterization, energetic potential, plant of
combustion
1. Introducción
La producción de energía, obtenida a partir de materiales de origen fósil en su mayor
parte, está asociada a la liberación de una gran cantidad de emisiones cuya acción tiene
múltiples e importantes efectos negativos sobre los ecosistemas y para las que en
determinadas ocasiones, como ocurre en el caso del CO2 o de los residuos de las
centrales nucleares, no existen soluciones satisfactorias para su adecuado tratamiento y
eliminación.
Esta situación hace que se plantee cada vez de una forma más acuciante la necesidad de
evitar los productos residuales derivados de la producción energética y para ello las
posibles soluciones apuntan hacia tres vías principales como son el ahorro energético, la
mejora de la eficiencia en los procesos de producción y consumo energético y el
incremento del empleo de las energías renovables.
Es por esto que una mayor implantación de las energías renovables se presenta como un
elemento imprescindible y de gran significación para aumentar la independencia de los
combustibles tradicionales evitando, a su vez, los efectos insostenibles a medio plazo
que los mismos pueden producir sobre el medioambiente.
Mediante el presente trabajo se pretende demostrar la necesidad de la utilización de las
energías renovables, y así mismo la viabilidad de la biomasa como fuente de energía útil
mediante una correcta gestión de los residuos. Todo ello para:
•
Promover inversiones para una producción de energía más limpia y eficiente.
• Minimizar la producción de residuos.
• Suscitar el uso de materiales inocuos para el medio natural.
La biomasa debe aumentar su tanto por cien de utilización para cumplir los objetivos el
Plan Nacional de Fomento de las Energías Renovables (12%), y así colaborar en la
disminución de la dependencia energética del petróleo de la Unión Europea (≈ 50%) y
en concreto de España (≈ 78%), así como en la disminución en la emisión de
contaminantes.
Esta dependencia acarrea una serie de riesgos económicos, sociales, ecológicos y físicos
para la Unión Europea que podrían minimizarse si se emplearan en mayor medida las
energías renovables para la producción de energía calorífica o eléctrica.
2. Parte experimental
2.1. Cálculo del potencial de biomasa y energía
2.1.1. Cálculo del potencial de biomasa
La caracterización de la biomasa que va a ser empleada como combustible es
fundamental para elegir el sistema más adecuado de aprovechamiento energético de la
misma, puesto que algunos parámetros físico – químicos son limitantes a la hora de
seleccionar la tecnología a emplear.
Los distintos combustibles que se van a utilizar se obtienen de los residuos que se
generan en el proceso de producción del vino, considerando también el cultivo de la vid,
se obtendrán una serie de sustancias susceptibles de aprovechamiento, pasando de tener
consideración de residuos a la de subproductos.
Las normas de referencia para el muestreo y preparación de la muestra, son: ISO 1.998:
“Hard Coal. Sampling” y DIN 5.860: “Testing of solid fuels. Sampling and sample
preparation”.
El objetivo marcado es el de analizar y calcular con la mayor fiabilidad posible el
potencial biomásico existente en el lugar de estudio, para una vez conocida la demanda
energética determinar si el proyecto es viable energéticamente.
Para el estudio del potencial se debe conocer toda la cantidad de residuos de los que se
dispone y de los análisis de dichos residuos, para caracterizar la biomasa, determinando
así su humedad, cenizas, volátiles, etc. y poder determinar el PCI de la mezcla que se va
a utilizar posteriormente en la caldera y así obtener el potencial energético del que se
dispone.
En el proceso de producción del vino, considerando también el cultivo de la vid, se
producen una serie de sustancias susceptibles de aprovechamiento, pasando de tener la
consideración de residuos a la de subproductos. Este estudio se centrará en los
sarmientos, raspones, barricas y palets, que serán considerados como fuente de
suministro principal.
Se debe tener en cuenta, que si se consigue aprovechar la energía procedente de estos
subproductos se estará produciendo por un lado un ahorro por el combustible
convencional que deja de comprarse y, por otro, se está utilizando un residuo que de
otra forma habría que eliminar.
2.1.2. Cálculo del potencial de biomasa
El potencial energético de la instalación se determinará a partir del poder calorífico
inferior del combustible y de la producción estimada.
El potencial energético se obtendrá del producto del poder calorífico inferior por la
producción obtenida en cada caso y debemos considerar un PCI del 80% del obtenido a
presión constante, esto es debido a que hay que tener en cuenta las diferencias entre las
condiciones en las que se realizan los análisis en el laboratorio y las reales que se van a
tener en la cámara de combustión de la caldera.
2.2.Cálculo de la demanda energética
El siguiente paso es calcular el consumo energético de las instalaciones a las cuales se
pretende dar servicio.
Las zonas con necesidades de calefacción de la bodega son las siguientes:
•
- Zona administrativa (zona técnica, vestíbulo principal y salón de actos).
•
- Nave de embotellado.
•
- Nave de destilación.
•
- Vestuarios.
•
- Aseos.
Los cálculos de calefacción han sido realizados con el programa “dp clima” teniendo en
cuenta los datos que aporta la norma UNE.
El agua caliente se utiliza, según fuentes de la propia bodega, principalmente utilizado
para el lavado de barricas y maquinaria como embotelladora, bombas de trasiego,
conducciones, etc.
Estas necesidades se pueden estimar de la manera siguiente:
2.2.1 Agua de lavado.
El agua de lavado se utiliza a una temperatura de 80º C, por ello la temperatura de
preparación del agua será de 90º C. De este modo, no se llegará a temperaturas entre 20
y 50º C, prohibidas según Real Decreto 909/2001, de 27 de julio, por el que se
establecen los criterios higiénicos-sanitarios para la prevención y control de la
legionelosis.
El agua de lavado se utiliza para:
•
- Limpieza de la embotelladora tanto antes como después de su uso.
•
- Limpieza de barricas en el tren de lavado.
2.2.2 Agua caliente sanitaria.
Este cálculo no puede valorarse mediante fórmula matemática alguna. Por este motivo,
el cálculo deberá establecerse sobre la base de datos estadísticas que cubren las
necesidades en el momento más desfavorable de la demanda.
El consumo estimado para persona y día es 57l/día a 45º C.
Pero si tenemos en cuenta que se va a emplear únicamente en los aseos y salvo raras
excepciones para ducha con un consumo aproximado de 6l/día persona a 40º C para el
aseo y en ducha 35l a 45º C, este consumo no modificará apreciablemente los resultados
obtenidos para el agua de lavado y se puede considerar despreciable.
2.3 Cálculos iniciales
En este apartado se desarrollan y explican todas las operaciones necesarias para
dimensionar la planta térmica.
Es necesario la realización de unos cálculos iniciales que van a permitir resolver los
balances de energía de todas las corrientes del circuito. Estos parámetros dependen de la
biomasa, por lo que habrá que tener en cuenta los resultados obtenidos en la
caracterización de la misma.
Se deben determinar también experimentalmente las composiciones de los restos del
ciclón, con el fin de conocer su comportamiento al introducirlos en el interior del hogar
de la caldera.
La característica más importante a destacar en los restos del ciclón es que tienen una
humedad mucho menor que la biomasa de alimentación a la caldera y todavía poseen un
alto contenido en carbono, por lo que es interesante su recirculación a la caldera porque
de esta manera se aumentará el rendimiento térmico de la instalación. Además, se
produciría de este modo, un descenso de la cantidad de NOx emitidos, puesto que los
restos del ciclón tienen un comportamiento similar al carbón vegetal y el carbono de los
restos del ciclón reacciona con los NOx formados en la combustión, de modo que se
transformarían en CO2.
A la hora de hacer los cálculos se considera que un 2,5 % en masa de la biomasa
introducida se podrá recircular como restos del ciclón.
2.3.1 Determinación del aire necesario para la combustión.
En primer lugar, es necesario calcular el oxígeno estequiométrico para efectuar la
combustión de la biomasa y los restos del ciclón introducidos en la caldera. Para ello, es
necesario considerar las reacciones de oxidación que tienen lugar en el proceso de
combustión.
Se ha supuesto que el 90% del carbono se oxida de forma completa para dar CO2 y sólo
el 10% restante se oxida parcialmente para dar CO. Por otro lado, se ha considerado que
el 50% del nitrógeno se oxida para dar NO2 y el restante 50% para dar NO.
Además, no todo el C, H, N y S contenidos en la biomasa reaccionarán en la
combustión. Se ha estimado que reacciona el 95% de cada uno de ellos, quedando el
resto en las cenizas.
Por último, el oxígeno contenido en la biomasa contribuirá en parte en el proceso de
combustión, por lo que hay que considerarlo a la hora de calcular el oxígeno total. Se ha
supuesto que el 30% del oxígeno de la biomasa interviene en el proceso.
La cantidad de oxígeno estequiométrico que es necesario introducir en la caldera se
calcula teniendo en cuenta las reacciones expuestas a continuación.
O
2 , estequiomé
trico
C
16
C
16
H
⎡ 32
= ⎢
⋅
⋅ 0 , 90 +
⋅
⋅ 0 ,10 +
⋅
+
12 100
2 100
⎣ 12 100
32
N
16
N
32
S ⎤
+
⋅
⋅ 0 , 50 +
⋅
⋅ 0 , 50 +
⋅
⋅ 0 , 95
14 100
14 100
32 100 ⎥⎦
(1)
Los distintos elementos están expresados en porcentajes en base seca y el oxígeno
estequiométrico en kg oxígeno/kg biomasa o restos ciclón, según sean los
correspondientes a uno o a otro. Se calcula la cantidad de oxígeno necesario para
realizar la combustión de la biomasa y de los restos del ciclón, sumando ambos
resultados para obtener el oxígeno estequiométrico total.
Teniendo en cuenta que el oxígeno de la biomasa y de los restos del ciclón reacciona en
la oxidación, el oxígeno mínimo necesario para la combustión es:
O2 ,mínimo = O2,estequiométrico − 0.30 ×
O
100
(2)
El aire mínimo necesario en la combustión es:
Aire
mínimo
=
O 2 , mínimo
(3)
0 , 233
Para conseguir que la combustión sea apropiada, en todos los casos se añade oxígeno en
exceso. En el caso de combustibles gaseosos, el exceso de aire empleado es del 20%,
para líquidos del 30% y para sólidos aproximadamente del 60%. Por tanto, se va a
trabajar con un exceso de aire del 60% para garantizar la correcta combustión de la
biomasa.
Airereal = 1,6 × Airemínimo
(4)
2.3.2 Determinación de los humos de combustión.
Para la determinación de la composición de los humos es necesario tener en cuenta las
reacciones que se producen durante la combustión (expuestas en el apartado anterior).
Estarán formados por el O2 que no haya reaccionado, el N2 del aire, el H2O evaporada
(procedente de la humedad del combustible) y los productos de reacción: CO2, CO,
NO2, NO, SO2 y H2O.
Las cantidades de cada uno de los compuestos presentes en los humos de combustión se
calculan a través de las siguientes expresiones:
44
C
⋅
⋅ 0 , 9 ⋅ 0 , 95
12 100
(5)
H 2 O evaporació n =
% Humedad
100
(6)
N 2 = Aire real ⋅
76 ,7%
100
(7)
CO
2
=
O 2 exceso = ( Aire real − Aire mín imo ) ⋅
23,3%
100
(8)
Todos los compuestos estarán expresados en kg/kg biomasa (o restos del ciclón),
mientras que los elementos están expresados en % en base seca.
A partir de estos datos y teniendo en cuenta el porcentaje de humedad tanto de la
biomasa, como de los restos del ciclón, además del flujo de biomasa y de residuo de
ciclón, se puede calcular la composición de los humos de combustión debidos a la
combustión de la biomasa y los restos del ciclón así como el total, que es el dato
realmente importante.
Así, por ejemplo el cálculo del flujo de CO2 debido a la combustión de la corriente de
biomasa se realizará de la siguiente forma:
FlujoCO
2
= masaCO
2
( Kg / Kgbiomasa
)× m
1
⎛ 100
× ⎜
⎝
− % Humedad
100
Por otro lado el H2O debido a la humedad se calcula del siguiente modo:
FlujoH
2
O = m
1
×
% Humedad
100
(10)
⎞
⎟
⎠
(9)
De esta forma se puede obtener el valor de los humos a la salida de la caldera.
La capacidad calorífica de los humos se calcula como media ponderada de las de los
componentes individuales con la siguiente ecuación:
Cp = A + B·T + C·T 2 + D·T 3
(11)
T está expresada en K y Cp en J/mol·K.
Debemos de considerar las constantes para un valor de la temperatura de los humos a la
salida de la caldera de 210º C que es la temperatura a la que se ha considerado que
entran los humos, y para los humos a la entrada del ciclón, se tiene en cuenta que entran
a una temperatura de 140º C.
Una vez obtenidas se realiza una media ponderada de todas ellas para conseguir la
capacidad calorífica de los humos en función de la temperatura.
Una vez determinadas las temperaturas y calores específicos es posible calcular la
entalpía de las corrientes para los meses de invierno y para los meses de verano.
Mediante balances de materia y energía se calcularán los flujos de biomasa así como el
resto de flujos que se tendrán en la caldera, y en el precalentador de aire.
2.4 Selección de las distintas tecnologías aplicables y principales elementos
constituyentes de la planta
En este apartado se explicarán cuáles son los procesos o técnicas seleccionadas para el
aprovechamiento energético de los subproductos, así como el tipo de caldera y
tratamiento de humos que es más aconsejable utilizar.
Para determinar la tecnología más adecuada solamente se estudiaron los métodos
termoquímicos por ser los más apropiados para biomasa secas como sería este caso.
- Dentro de estas técnicas, se ha elegido la combustión, porque permite alcanzar
rendimientos superiores a las demás técnicas y representa una técnica ampliamente
conocida y con experiencias positivas en otras plantas. Además la combustión es el
proceso más adecuado por tratarse de biomasa con alto contenido en carbono y oxígeno.
Por otro lado, la mayor parte de la biomasa llegará a la planta en condiciones
granulométricas adecuadas para combustión, debido a su tratamiento previo para
facilitar el transporte, por lo que no será necesario acondicionar la biomasa en la planta.
Requiere una menor inversión inicial, así como una mayor versatilidad, que es lo que
nos interesa debido a que vamos a emplear distintos tipos de biomasa, menor coste de
mantenimiento y una menor complejidad del proceso.
- Se ha elegido combustión en quemador con tornillo, puesto que el combustible está
formado por componentes agrícolas y leñosos de distintas características físicas y
químicas a lo que este sistema se adapta muy favorablemente, debido a su escaso
contenido en cenizas. Otra razón para elegir combustión con quemador de tornillo es
que es una técnica mucho más sencilla que en parrilla, así mismo, para llevar a cabo la
combustión en lecho fluidizado, es necesario realizar una molienda de la biomasa hasta
un tamaño menor, con el consiguiente aumento de los costes de operación, al igual que
ocurre con el ciclón, ya que el combustible debe ser pulverizado. Además, el coste de un
combustor en lecho fluidizado, y de un quemador ciclónico son mucho más elevados
que el de una caldera convencional de tornillo.
- Se ha seleccionado una caldera de agua caliente debido a que la temperatura que se
necesita en nuestro caso no será superior a 100º C y según la experiencia con otras
plantas térmicas de biomasa se ha podido comprobar que se obtienen buenos
rendimientos y con un menor costo que si se instalará una caldera de aceite térmico, que
además no estaríamos aprovechando en su totalidad al no necesitar altas temperaturas.
En cuanto a la posición relativa del fluido de trabajo y la de los gases calientes se ha
optado por elegir una caldera acuotubular, en las cuales circula por el interior de los
tubos el agua que se pretende calentar y lo que facilita su posterior limpieza. Este tipo
de calderas permiten obtener vapor a alta presión (40 bar) mientras que en las calderas
pirotubulares está alrededor de los 25 bar.
- Se ha seleccionado un depósito cerrado de un volumen aproximado de 80 litros,
porque presenta innumerables ventajas respecta a los abiertos, destacando:
-. Su fácil montaje. Se instalan en la misma sala de calderas.
-. No es necesario aislarlos.
-. Al instalarse en circuito cerrado, no absorben oxígeno del aire
-. Eliminan la necesidad de colocar conductos de seguridad.
-. Se eliminan las pérdidas de agua por evaporación, evitando la corrosión e
incrustación provocada por el agua de reposición.
- Se puede concluir que se ha planteado la instalación de un sistema multiciclónico
para realizar el tratamiento de los humos de combustión, puesto que esta técnica alcanza
buenos rendimientos y presenta un bajo coste.
3 Resultados
3.1 Cálculo del potencial de biomasa
Los resultados de los análisis de componentes e inmediato realizados a las muestras son
los que se muestran en las siguientes tablas.
Tabla 1: Análisis de componentes de las muestras de biomasa.
Análisis de componentes
Muestra
Humedad
Volátiles
Cenizas
Carbono fijo
Raspón
20,00
60,04
5,50
26,47
Sarmiento
27,60
77,65
3,25
19,10
Barrica
9,10
75,00
0,63
15,41
Palet
28,75
60,43
0,26
10,58
Tabla 2: Análisis elemental de las muestras de biomasa.
Análisis elemental
Muestra
Humedad
Carbono
Hidrógeno
Nitrógeno
Azufre
Cloro
Raspón
20,00
47,91
5,58
1,07
0,08
0,00
Sarmiento
27,60
48,40
6,10
0,60
0,06
0,02
Barrica
9,10
44,96
6,60
0,06
0,05
0,00
Palet
28,75
35,54
7,56
0,06
0,05
0,00
Una vez conocidos estos análisis de cada componente se realiza el calor medio teniendo
en cuenta la cantidad de cada muestra (tabla 3) obteniendo el resultado de la tabla 4.
Tabla 3: Biomasa disponible en cada caso analizado.
Subproducto
mi
Raspón (kg)
22.641
Sarmiento (kg)
72.000
Barricas (kg)
43.850
Palets (kg)
4.902
TOTAL (kg)
143.393
Tabla 4: Potenciales de biomasa.
ANÁLISIS SÓLIDO
SECO
Humedad total (%masa)
20,78
Volátiles (%masa)
73,47
Cenizas 550º C (%masa)
2,70
Carbono Fijo (%masa)
18,84
Carbono (%masa)
46,83
Hidrogeno (%masa)
6,22
Nitrógeno (%masa)
0,49
Azufre (%masa)
0,06
Cloro (%masa)
0,01
Oxigeno (%masa)
43,74
PCS (kJ/kg)
19.171,33
PCI (kJ/kg)
17.734,31
Cantidad total
año(kg/año)
143.393,00
Con todo ello ya se puede calcular el potencial energético del que se dispone (ver tabla
5).
Tabla 5: Energía total disponible.
Subproducto
PCIi * mi
kJ/año
Raspón
Sarmiento
378.897.135,00
kcal/año
90.645.247,61
1.281.600.000,00 306.602.870,81
Barrica
794.737.400,00
190.128.564,59
Palet
87.740.898,00
20.990.645,45
Calor total
2.034.380.346,40 486.693.862,78
∑0,80*PCIi*mi
Si se tiene en cuenta que la calefacción estará funcionando 10 h al día durante 200 días
al año aproximadamente durante el período de invierno, se dispondrá de: 68.752,55
kJ/h (231.758,98kcal/h).
3.2 Cálculo de la demanda energética
3.2.1 Demanda térmica.
Los resultados obtenidos con el programa “Dp Clima” para las distintas zonas
consideradas se muestran en la tabla 6.
Tabla.6: Demanda térmica.
Demanda térmica
Instalación
(kJ/kg)
Zona administrativa
346.989,57
(kcal/h)
87.318,08
Nave de embotellado
69.192,00 16.553,11
Nave de destilación
52.885,83 12.652,11
Vestuarios
13.543,20
Aseos
TOTAL
6550,06
507.168,65
3.240,00
1.567,00
121.330,30
3.2.2 Agua caliente.
3.2.2.1.-Agua de lavado.
•
Limpieza de la embotelladora tanto antes como después de su uso: se estima que
las necesidades son de 2.500l/día en meses alternativos.
•
Limpieza de barricas en el tren de lavado: las barricas se lavan unas 3 veces al
año y se dispone de 2.000 barricas. En cada lavado de barrica se consumen 60l de agua
a 75-80º C.
Su consumo no es homogéneo en el tiempo y se distribuye según se muestra en la tabla
7.
Tabla 7: Distribución en el tiempo del consumo de agua.
(l/día)
E
F M A
Embotelladora 2500
M
2500
J J
A S
2500
Barricas
5400
5400
TOTAL
7900
2500 5400
O N D
2500
2500
5400
2500
7900
2500
Se necesitan un total de 28.700 l/día, si consideramos 24 día/mes, la demanda de agua
caliente asciende a 688.800 l/año
La energía necesaria para calentar una cantidad de agua será:
E = m × C c × (T f − Ti )
(12)
Dado que las necesidades totales anuales son de 688.800 l, la energía total demandada
será:
E= 688.800 kg * 4,18 kJ/kg º C*(90º C- 7º C) = 239*103 MJ (57.170,4 103 kcal)
3.2.3 Demanda total.
Por todo lo citado anteriormente, se tendrá que la demanda para los meses de invierno
será la suma de 507.168,65 kJ/h (121.330,3 kcal/h) necesarias para calefacción y
64.010,43 kJ/h (15.295,7 kcal/h) necesarias para el agua caliente, por lo que se obtiene
un valor de 571.179,08 kJ/h (136.626 kcal/h).
Si se supone un 90% de rendimiento de los intercambiadores, el valor de la demanda es
de 634.552 kJ/h (151.806,67 kcal/h). Con este valor se puede calcular el tamaño de la
caldera, simplemente multiplicando este valor por un factor de seguridad y posibles
reenganches futuros de nuevas instalaciones. Se ha tomado como factor de seguridad
1,3. Por lo tanto la caldera tendrá una potencia de 233 kW (200.000 kcal/h)
En los meses de verano únicamente se tiene que considerar la demanda de agua
caliente, luego la demanda será: 109.529 kJ/h (26.228 kcal/h).
Si se tienen en cuenta las demandas de las diferentes instalaciones en las diferentes
épocas del año se obtiene la demanda total anual del conjunto (tabla8)
Tabla 8: Demanda térmica de las instalaciones.
Invierno
Verano
Total
Demanda
kJ
kcal
kJ
kcal
kJ
Calefacción
10,7*108 2,55*108
Agua caliente
10,8*107 25,7*106 13,2*107 31,5*106 24*107
TOTAL
11,8*108 2,8*108
----
kcal
10,7*108 2,55*108
5,72*107
13,2*107 31,5*106 13,1*108 3,12*108
Luego la demanda total anual de todas las instalaciones es de 13,1*108kJ (3,12*108
kcal)
Pero se debe tener en cuenta que se va a tener un consumo mayor debido a que la
caldera tiene un rendimiento del 85% y entre los intercambiadores y las perdidas de
calor en la tubería vamos a suponer un rendimiento del 85%.
Con estas aportaciones, la demanda total anual asciende a 182,58*107 kJ/año (4,72*108
kcal/año), y considerando que la biomasa posee un PCR de 14.188,78 kJ/kg, el gasto
anual de biomasa será de 128.678,21 kg/año, de las cuales se consumirán 102.942,56
kg en los meses de invierno y 25.735,65 kg en los meses de verano.
Al calcular la cantidad total disponible de biomasa se había obtenido un total de
143.393 kg de biomasa, por lo que las necesidades de residuo para satisfacer la demanda
de energía son ampliamente cubiertas.
3.3 Cálculos iniciales
Los resultados obtenidos se muestran a continuación siguiendo el orden de exposición
que se enunció en el apartado anterior.
•
Determinación del aire necesario para la combustión.
O2, estequiométrico biomasa = 1,61 kg O2 /kg biomasa seca
O2, estequiométrico restos ciclón = 1,03 kg O2 /kg de residuo de ciclón seco
O2, mínimo biomasa = 1,48 kg O2 /kg biomasa seca
= 25,02 kg/h biomasa seca
O2, mínimo restos ciclón = 1,02 kg O2 /kg de residuo de ciclón seco
= 0,44 kg/h de residuo de ciclón seco
O2, mínimo total = 25,46 kg/h
Aire mínimo biomasa = 6,35 kg aire / kg biomasa seca
= 107,38 kg/h biomasa seca
Aire mínimo restos ciclón = 4,36 kg aire / kg de residuo de ciclón seco
= 1,87 kg/h de residuo de ciclón seco
Aire mínimo total = 6,35 kg aire / kg biomasa seca + 4,36 kg aire / kg de residuo de ciclón
seco
= 109,25 kg/h totales
Aire real biomasa = 10,16 kg aire / kg biomasa seca
Aire real restos ciclón = 6,97 kg aire / kg de residuo de ciclón seco
Aire
real
= 10,16 kg aire / kg biomasa seca + 6,97 kg aire / kg de residuo de ciclón
seco
Aire real = 174,80 kg aire/h.
•
-.Determinación de los humos de combustión.
Tabla 9: Composición de los humos de combustión debido a la biomasa.
Compuesto
Masa
(kg/kg de biomasa seca)
CO2
1,4706
CO
0,1040
NO2
0,0078
NO
0,0051
SO2
0,0011
H2O reacción
0,5313
H2O evaporación
0,2114
N2
7,7890
O2
0,8876
TOTAL
11,0074
Tabla 10: Composición de los humos de combustión debido a los restos del ciclón.
Compuesto
Masa
(kg/kg de biomasa seca)
CO2
1,2656
CO
0,0895
NO2
0,0041
NO
0,0026
SO2
0,0004
H2O reacción
0,0616
H2O evaporación
0,0221
N2
5,3511
O2
0,6096
TOTAL
7,4065
Tabla.11: Composición de los humos de combustión para los meses de invierno.
Compuesto
Debido a la
Debido a los restos del
Masa total
biomasa (kg/h)
ciclón (kg/h)
(kg/h)
CO2
56,8505
1,5167
58,3672
CO
4,0185
0,1072
4,1257
NO2
0,2998
0,0049
0,3047
NO
0,1954
0,0032
0,1986
SO2
0,0439
0,0005
0,0444
H2O reacción
20,5377
0,0738
20,6115
H2O evaporación
10,3604
0,0271
10,3875
N2
301,0997
6,4129
307,5126
O2
34,3006
0,7305
35,0312
TOTAL
427,7067
8,8767
436,5834
Tabla 12: Composición de los humos de combustión para los meses de verano.
Compuesto
Debido a la
Debido a los restos del
Masa total
biomasa (kg/h)
ciclón (kg/h)
(kg/h)
CO2
24,8765
0,6637
25,5401
CO
1,7584
0,0469
1,8053
NO2
0,1312
0,0021
0,1333
NO
0,0855
0,0014
0,0869
SO2
0,0192
0,0002
0,0194
H2O reacción
8,9868
0,0260
9,0129
H2O evaporación
4,5335
0,0119
4,5453
N2
131,7542
2,8061
134,5603
O2
15,0092
0,3197
15,3288
TOTAL
187,1544
3,8780
191,0324
Una vez se hayan determinado las temperaturas y calores específicos es posible calcular
la entalpía de las corrientes para los diferentes casos.
•
Para los meses de invierno:
h6 = C p6 * T6 = 1,084 * 210 = 227,64kJ / kg
E 6 = h6 * m& 6 *
1
= 51,32kW
3.600
h7 = C p7 * T7 = 1,088 * 140 = 152,32kJ / kg
E 7 = h7 * m& 7 *
1
= 34.33kW
3.600
•
Para los meses de verano
h6 = C p6 * T6 = 1,084 * 210 = 227,64kJ / kg
E 6 = h6 * m& 6 *
1
= 24,68kW
3.600
h7 = C p7 * T7 = 1,088 * 140 = 152,32kJ / kg
E 7 = h7 * m& 7 *
1
= 16,52kW
3.600
3.3.1 Balances de materia y energía
Tabla 13: Balance de energía de la caldera para los meses de verano.
BALANCE DE ENERGÍA EN LA CALDERA( meses de verano)
Flujo de agua en la
caldera (kg/h)(m5)
m5 = 96,69
ENTRADAS
Caudal (kg/h)
Caudal (kg/h)
Entalpía (kJ/kg)
Biomasa(1)
21,45
13.986,59
Agua alim.(5)
96,69
442,93
174,80
26,45
95,72
3.214,00
192,35
151,84
Cenizas (12)
0,59
1.045,00
Purgas (14)
0,97
1.018,70
Aire(6)
Vapor
SALIDAS
sobrec.(3)
Humos ent.
ciclón (7)
Pérdidas :3% Energía
biomasa
Purgas : 1% de
9.000,37
m5
0,97
Tabla 14: Balance de energía de la caldera para los meses de invierno.
BALANCE DE ENERGÍA EN LA CALDERA (meses invierno)
Flujo de agua en la
caldera (kg/h)(m5)
m5= 220,97 Caudal (kg/h)
Caudal (kg/h)
ENTRADAS Biomasa (1)
Entalpía (kJ/kg)
49,02
13.986,59
alim.(5)
220,97
442,93
Aire (10)
399,47
26,45
218,76
3.214,00
439,58
151,84
cenizas
1,34
1.045,00
purgas
2,21
1.018,70
Agua
Vapor
SALIDAS
sobrec.(3)
Humos ent.
ciclón (7)
Purgas : 1% de
Pérdidas :3% Energía
biomasa
20.568,68
m5
2,21
Tabla15: Balance de energía al precalentador de aire para los meses de verano.
BALANCE DE ENERGÍA PRECALENTADOR DE AIRE (meses de verano)
Entalpía aire tras precalentador
h11 (kJ/kg)
ENTRADAS Aire a precalentador (10)
SALIDAS
T11 = 96,954
96,81 Caudal (kg/h) Entalpía (kJ/kg)
174,80
26,45
Humos entrada precalentador (6)
192,35
219,86
Aire a la salida (11)
174,80
96,81
Humos salida precalentador (7)
192,35
151,84
Cp = 1,165
Q=785,02
Tabla 16: Balance de energía al precalentador de aire para los meses de invierno.
BALANCE DE ENERGÍA PRECALENTADOR DE AIRE (meses de verano)
Entalpía aire tras precalentador
h11 (kJ/kg)
ENTRADAS Aire a precalentador (10)
SALIDAS
T11 = 96,954
96,81 Caudal (kg/h) Entalpía (kJ/kg)
399,47
26,45
Humos entrada precalentador (6)
192,35
219,86
Aire a la salida (11)
399,47
96,81
Humos salida precalentador (7)
192,35
151,84
Cp = 1,165
Q=1.794,02
4 Conclusiones
Las energías renovables van a tener gran importancia en los próximos años porque nos
ofrecen una menor dependencia energética del exterior, así como una importante
reducción de la contaminación.
La biomasa debe aumentar su % de utilización como fuente de energía para cumplir lo
establecido en el Plan Nacional de fomento de las Energías Renovables, y además ha
quedado demostrado en el presente trabajo que es una solución viable ya no solo
energéticamente sino también económicamente.
Al utilizar la biomasa como combustible estamos aprovechando energéticamente un
residuo que en muchos casos debería ser incinerado con la consiguiente repercusión al
medio ambiente.
En este caso se dispondrá de una instalación de calefacción y agua caliente sin que ello
signifique un gasto anual de combustible.
5 Referencias
1. American Society for Testing and Materials, Manual de Aguas para Usos
Industriales, Ed. Limusa, 3ª edición (1976).
2. Austin George T., Manual de Procesos Químicos en la Industria, Ed. McGraw- Hill
(1993).
3. CADEM grupo EVE, Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria,
Tomos I y II, , Bilbao (1984).
4. Ciemat, Junta de Castilla y León, La Biomasa como Fuente de Energía y Productos
para la Agricultura y la Industria, Volumen I y II (1990).
5. Coulson J.M., Richardson J. F., Chemical engineering, Vol I, II y VI, 4ª edición, Ed.
Pergamon (1993).
6. De Juana, José Mª, Energías Renovables para el Desarrollo, Ed. Paraninfo S.A.
(2002).
7. Douglas, M., Conceptual design of Chemical Processes, Ed. McGraw- Hill (1988).
8. Ferrero G.L., Pyrolysis and Gasification, Elsevier Science Pub. Ltd, Luxemburgo
(1989).
9. Foro de la Industria Nuclear Española, Energía 2001, Ed. Algor (2001).
10. Haywood, R. W., Ciclos Termodinámicos de Potencia y Refrigeración, Limusa
Noriega Editores (1999).
11. IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), Plan de Fomento
de las Energías Renovables en España, Diciembre 1999.
12. Junta de Castilla y León, EREN, Energía en Castilla y León, (2000)
13. Kadambi V., Prasad Manohar, Conversión de Energía. Turbomaquinaria, Ed.
Limusa, 1ª edición (1984).
14. Lapuerta Amigo, Magín- Hernández Adrover, Juan José, Tecnologías de la
Combustión, Colección Ciencia y Tecnología, ediciones de la Universidad de
Castilla la Mancha. Cuenca (1998).
15. Manual Técnico del Agua, ed. Degrémont, 4ª edición (1979).
16. Mariño, Rafael P., Producción y Transmisión Industrial del Calor, editorial Dossat,
S. A., 2ª edición (1947).
17. Ollero y Fernández, Control e Instrumentación de Procesos Químicos, editorial
Síntesis (1997).
18. Raznjevic, Kuzman, Handbook of Thermodynamic Tables and Charts, Hemisphere
Publishing Corporation (1976).
19. Santamaría J.M., Braña Aisa P.A, Análisis y Reducción de Riesgos en la Industria
Química, Ed. Mafre (1995).
20. Tillman, David A., The Combustion of Solid Fuels and Wastes, editorial Academic
Press, Inc (1991).