Instalación Térmica con Biomasa Residual en una Industria del

INSTALACIÓN TÉRMICA CON BIOMASA RESIDUAL
EN UNA INDUSTRIA DEL SECTOR MADERERO
Cristina de Torre Minguela(1), Gregorio Antolín Giraldo(2)
(1)
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Paseo del Cauce s/n. 47011
Valladolid. [email protected]
(2)
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Paseo del Cauce s/n. 47011
Valladolid. [email protected]
Resumen
El presente Proyecto surge de la necesidad de realizar una instalación de calefacción y
A.C.S., en una industria del sector maderero. Teniendo en cuenta la cantidad de residuo
lignocelulósico que dicha industria genera, se plantea la posibilidad de revalorizar este
residuo utilizándolo como combustible en una caldera de biomasa, consiguiendo, de este
modo, cubrir las necesidades energéticas de la empresa evitando el consumo de
combustibles fósiles y disminuyendo las emisiones contaminantes, lo cual ayudará a
alcanzar los objetivos marcados en las distintas normativas energéticas. Además, se
demuestra la viabilidad económica y financiera del proyecto, por lo que será aplicable a
empresas similares del sector.
Se realiza la caracterización de la biomasa disponible, para poder elegir el sistema más
adecuado de aprovechamiento energético. Posteriormente, se calcula el potencial energético
disponible, así como las necesidades energéticas de la empresa para finalmente dimensionar
cada uno de los elementos de la instalación.
Palabras Clave: biomasa, madera, energía renovable, residuo, caldera.
Abstract
The current project comes up from the need of doing a heating and sanitary hot water
installation, in a wood sector industry. Taking into account the quantity of lignocellulosic
waste that the mentioned industry generates, it’s suggested the possibility of increasing the
value of this waste using it like fuel for a biomass boiler, being able to cover, in this way,
the company’s energy needs avoiding fossil fuels consumption and decreasing the
contaminant emissions which will help to reach the set goals in the different energy
regulations. Besides it’s showed the project’s economic and financial viability, so it will be
applicable to similar sector companys.
First, the available biomass characterization is done, being able to choose the most suitable
use energy system. Later, the available energy potential is calculated, as well as the
company’s energy needs to, finally, dimension every installation component.
Keywords: biomass, wood, renewable energy, waste, boiler
1. Introducción
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.
España mantiene, desde hace un par de décadas, un notorio crecimiento del consumo de
energía y de la intensidad energética. La creciente y excesiva dependencia energética
del exterior y la necesidad de preservar el medio ambiente y asegurar un desarrollo
sostenible, obligan al fomento de fórmulas eficaces para un uso eficiente de la energía y
a la utilización de fuentes limpias y autóctonas.
Este Proyecto surgió de la necesidad de crear instalaciones de aprovechamiento
energético de biomasa, para poder cumplir los objetivos marcados en las distintas
normativas energéticas.
La empresa objeto del Proyecto, decidió acometer la instalación de calefacción y agua
caliente sanitaria por combustión de su biomasa residual, en la nave y anexos donde
lleva a cabo su actividad industrial.
Dicha empresa se dedica a la segunda transformación de la madera, realizando la
fabricación, distribución y montaje de carpintería de madera en general.
A lo largo del proceso de fabricación, se producen distintos tipos de residuos cuyo
destino final es la gestión externa, con los costes que ello implica. Los principales
residuos generados son los de tipo lignocelulósico, entre los que se encuentran virutas,
serrín y trozos de madera.
Dada la necesidad, por un lado de gestionar estos residuos, con el consiguiente coste y,
por otro lado, de dotar a las instalaciones de un sistema de calefacción y agua caliente
sanitaria, se ha adoptado como solución más óptima, la instalación de una caldera de
biomasa en la que se puedan aprovechar como combustible los residuos generados
durante la fabricación, de modo que, con su aprovechamiento, la energía que se genera
sea utilizada para calefactar todas las dependencias de fabricación, oficinas, exposición,
etc. y el agua caliente necesario para el servicio.
Se plantea, como idea principal, equipar la instalación con los medios necesarios para
hacer posible el pretratamiento del residuo, su acondicionamiento para ser utilizado
como combustible y los medios que hagan posible su aprovechamiento energético.
Este Proyecto propone estudiar la viabilidad de una instalación en la que se puedan
aprovechar los residuos generados, durante los distintos procesos de fabricación, como
combustible, de modo que la energía que se genere sirva para utilizarla en las
instalaciones productivas.
El uso de las fuentes descritas supone una serie de ventajas de tipo medioambiental, al
disminuir la utilización de combustibles fósiles, más contaminantes, y reutilizar un
residuo de valor nulo como fuente energética.
1.1. Objetivos
El objetivo fundamental de este Proyecto es la gestión de los residuos de un modo
óptimo, lo que implica no sólo una eliminación del problema medioambiental sino la
posibilidad de su aprovechamiento con fines energéticos. Esto hará del proceso de
fabricación un Proyecto de Desarrollo Sostenible.
Esto se logrará con la consecución de los siguientes objetivos específicos:
-
Caracterización de los residuos generados.
-
Ensayos de combustión.
-
Diseño y construcción de la planta e instalaciones energéticas.
-
Puesta en marcha y optimización del proceso.
Son también objetivos deseables del Proyecto:
-
Desarrollar un proceso que permita su aplicación en empresas similares del
sector.
-
Reutilización de un residuo de proceso para su posterior aprovechamiento con
fines energéticos.
-
Reducción del consumo de fuentes fósiles de energía.
-
Reducción de las emisiones de óxidos de azufre.
-
No contribuir al incremento de gases de efecto invernadero.
-
Eliminación del problema ambiental desde el punto de vista ecológico y social.
-
Reducir costes de producción y hacer más competitivos los productos
comercializados.
No se deben olvidar los objetivos indirectos que se derivan de este Proyecto, como es la
disminución del consumo de combustibles foráneos, con la consiguiente reducción de
salida de divisas, y por tanto la reducción de costes energéticos en el proceso productivo
y en la gestión de los residuos, lo que permite hacer más competitivos los productos
finales y por ello, aumentar la producción y los beneficios.
Tampoco se ha de desestimar la posible transferencia de esta experiencia a otras
empresas, del mismo sector o con una generación periódica de residuos energéticamente
aprovechables.
La gestión integral de los residuos se considera una innovación tecnológica que
reportaría múltiples beneficios tanto para la propia fábrica como para el medio ambiente
de la zona. No hay que olvidar que el empleo del residuo como combustible reduciría el
consumo de fuentes fósiles de energía, las emisiones de óxidos de azufre ya que no lo
posee en su composición, así como la no contribución al efecto invernadero, pues el
CO2 emitido ha sido capturado antes por las plantas de procedencia de la madera.
Las principales actividades innovadoras en este proceso son:
-
Aprovechamiento energético de un residuo de estas características.
-
Instalación de calefacción sin que ello signifique un gasto anual en combustible,
y adaptable a las necesidades y disponibilidades de la industria.
-
Eliminación del coste correspondiente a la gestión del residuo lignocelulósico.
-
Introducción y regulación automática del aire secundario en la caldera, para
evitar las emisiones de productos volátiles a la atmósfera.
En el siguiente apartado se exponen más detalladamente los beneficios del proyecto
clasificándolos en varios tipos.
1.2. Beneficios del Proyecto
La reutilización de los residuos generados en esta planta aportará una serie de ventajas
al proceso productivo. Un análisis comparativo de la situación actual con la que se
desea implantar refleja las ventajas de diferente naturaleza:
1.2.1. Beneficios económicos
-
Se eliminará el actual problema de transporte de residuos para su gestión, que al
no estar densificado, es alto.
-
Se instalará calefacción en la fábrica y oficinas, aprovechando para ello un
residuo producido en la propia factoría, sin necesidad de consumo de energía
fósil foránea.
-
Se reducirán los costes de producción, haciendo el producto final más
competitivo, al eliminar costes eléctricos y de gestión del residuo.
1.2.2. Beneficios medioambientales
-
Se reducirán las emisiones de SO2.
-
Se cerrará el ciclo del CO2 (contribuyendo a cumplir el protocolo de Kioto).
-
Las cenizas se podrán utilizar como fertilizante agrícola por su alto contenido en
fósforo y potasio.
-
Se reduce un volumen de residuos con el riesgo de incendios que su
acumulación en los vertederos conlleva.
-
La incineración del residuo biomásico presenta adicionalmente la ventaja de que
se consigue una gran reducción del volumen de los residuos con relación al
inicial, ya que las cenizas no superan el 2%.
1.2.3. Beneficios tecnológicos
-
Dado el número de empresas del sector de la madera existentes en la zona, será
posible la transferencia tecnológica del proceso a otras plantas de producción.
1.2.4. Beneficios en las condiciones de trabajo
-
El tratamiento del residuo supone la recuperación de espacio que actualmente se
destina a su almacenamiento intermedio.
-
Se instalará calefacción en la fábrica cuyos equipos de calor permitirán unas
condiciones de trabajo más confortables.
1.3. Implicaciones medioambientales
El empleo de fuentes energéticas como la biomasa supone una serie de ventajas de tipo
medioambiental:
Por un lado, son mínimas las emisiones de dióxido de azufre (SO2) y óxidos de
nitrógeno (NOx), evitándose la lluvia ácida y “smog” fotoquímico, que si se produce en
el caso de la combustión de energías fósiles.
Por otro lado, aunque al quemar biomasa se produce CO2, éste no contribuye al
incremento del efecto invernadero, ya que su ciclo se cierra con su vuelta a las plantas.
En cuanto a la producción de cenizas en la combustión de estos residuos, no es
problemática, ya que, además de que se producen en pequeñas cantidades, sirven como
abono para los cultivos agrícolas, tanto intensivos como extensivos, resultando
especialmente positiva su adición en las tierras de invernaderos (horticultura y
jardinería).
La utilización como fuente energética de este tipo de residuo supone, además, eliminar
el problema de su gestión, originando la no ocupación de espacio en vertederos, y los
problemas que de su acumulación en los citados espacios derivan; incendios...
Los residuos generados en este sector son de dos tipos, sólidos generados por los restos
de maderas, viruta y serrín, y líquido-gaseosos generados por los barnices. En cuanto a
barnices y disolventes, se instalará una cabina de barnizado con filtros secos que
evitarán la salida al exterior de cualquier resto de barniz o disolvente, se emplearán
barnices bajos en disolvente y, en algún caso, el disolvente será sustituido por agua y
aceites naturales, empleando para ello maquinaria capaz de poder utilizar estos barnices.
No se efectuará ningún vertido a las aguas y para los envases metálicos se dispone de
una prensa chafadora para reducir sus dimensiones. El polvo del lijado de barniz y los
filtros gastados se almacenarán en sacas especiales, las cuales junto a las latas de
disolvente serán recogidas por una empresa especializada de gestión de residuos, y
entregadas a vertedero autorizado, quedando todo este proceso registrado para el
correcto uso de los residuos.
Para el serrín y la viruta, se prevé instalar aspiración canalizada y recogida en silo
específico para la correcta limpieza de la zona de trabajo. Este residuo es muy solicitado
actualmente, como cama y limpieza para los animales estabulados, convirtiéndose al
final en abono.
En el futuro, se ha previsto que estos restos de madera y serrín sean utilizados como
combustible, instalando una caldera de biomasa, la cual se alimentará del serrín y restos
de madera producidos. El poder calorífico del serrín es muy alto, lo cual permitirá
calefactar mediante una instalación apropiada de radiadores y toberas de aire caliente, la
zona de oficinas y exposición, la zona de secado y barnizado, en la cual es
imprescindible tener temperatura alta para que se produzca el secado del material, lo
que redundará en un ahorro de otras energías, electricidad o gas-oil, siendo necesario
para la empresa a la vez que sirve para aprovechar los residuos. Las cenizas que quedan
después de la combustión son aprovechables como abono siendo muy apreciados por
los viveros de plantas y los agricultores, pero también sirven como áridos de
construcción y/o firme de caminos o carreteras.
2. Caracterización energética del residuo generado
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.
Para conseguir un rendimiento adecuado de la planta, así como una vida útil de la
instalación elevada, se debe realizar una correcta caracterización de los residuos
biomásicos.
Un aspecto fundamental de la biomasa, son las variaciones en su composición, debido a
que repercuten en gran medida en la calidad de la misma y como consecuencia, en el
rendimiento del proceso y en las pérdidas de eficiencia energética.
La caracterización de un combustible es esencial debido a:
-
Al igual que ocurre con los combustibles tradicionales existe toda una serie de
normativas sobre el cálculo de sus características físicas y químicas más
representativas, lo cual nos asegura tener una seguridad en las características de
los combustibles que estamos utilizando.
-
Por otro lado necesitamos conocer la caracterización del combustible para el
diseño de la planta, puesto que hay parámetros que van a determinar los rangos
de trabajo del proceso.
Las principales conclusiones de la caracterización de los combustibles son:
-
El calor que se producirá en el proceso de combustión mediante un balance de
energía.
-
La cantidad de combustible para producir el flujo de calor necesario, así como
conocer el rendimiento del proceso.
-
La composición de los humos que se expulsan por la chimenea, en especial el
contenido en SO2 y NOx por su influencia medioambiental.
-
Las necesidades de aire secundario y primario en el proceso de combustión.
-
Los tipos de materiales del hogar para que no sean atacados durante la etapa de
combustión.
-
La temperatura de rocío de los humos.
-
El tipo de quemador o tecnología de combustión más adecuada para dicho
combustible.
Para que el análisis sea correcto, al tomar la muestra a analizar ésta debe ser una porción
representativa de la biomasa. Para ello, se debe tomar al azar un número definido de
porciones, distribuidas en el total de la biomasa. A continuación tiene lugar la reducción
de tamaño de la muestra tomada.
La muestra no debe estar sujeta a ningún cambio por influencia externa, principalmente
es necesario tomar precauciones contra humedad, descomposición, calor y fuego. 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”.
A continuación, es necesario realizar la preparación de la muestra, mediante
pulverización o molienda del material hasta un tamaño de partícula menor o igual a 500
µm. Se homogeneiza la muestra y se reduce hasta 500 g.
2.1. Tipo de residuo
El tipo de residuo que se debe gestionar procede de distintas etapas de fabricación y está
formado principalmente por polvo, virutas y trozos de madera.
2.2. Caracterización del residuo como combustible
Se han analizado los residuos generados en el proceso. El estudio del potencial se ha
realizado según los siguientes parámetros:
2.2.1. Análisis de componentes
El análisis de componentes es un ensayo rápido que permite predecir el contenido de las
fracciones de compuestos del combustible, pudiendo conocer el comportamiento de éste
en el hogar. Consiste en una separación de los compuestos de la muestra de combustible
en función de sus diferentes volatilidades al calentar éste de forma gradual,
proporcionando los contenidos en peso de las fracciones de cada componente. El
calentamiento del combustible se llevará a cabo en atmósfera inerte y oxidante,
variando las condiciones estequiométricas en este último caso, midiéndose la
composición en humedad, cenizas, materias volátiles y carbono fijo.
Tabla 1. Análisis de componentes de los residuos.
MUESTRA
HUMEDAD
VOLÁTILES
CENIZA 550º
C. FIJO
(%masa)
(%masa)
C (%masa)
(%masa)
7,40
79,88
0,81
11,91
8,70
79,87
1,27
10,16
Polvo y virutas
de madera
Trozos de
madera
2.2.2. Análisis elemental
El análisis elemental consiste en la determinación de la composición química de la
muestra. Se determina el contenido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre, y por
diferencia a 100 del resto de los elementos, el contenido de oxígeno. Se obtiene así,
información sobre los compuestos que se desprenderán en el proceso de combustión.
Tabla 2. Análisis elemental de los residuos.
CARBONO
MUESTRA
Polvo y virutas de
madera
Trozos de
madera
HIDRÓGENO NITRÓGENO
AZUFRE
OXÍGENO
(%masa)
(%masa)
(%masa)
(%masa)
(%masa)
49,79
6,08
1,83
0,05
41,44
49,52
5,83
0,56
0,04
42,78
2.2.3. Poder calorífico
El poder calorífico de un combustible es el calor que se desprende por unidad de masa
de combustible en un proceso de combustión completa.
En el caso de la biomasa, el poder calorífico aumenta con el contenido en carbono o
hidrógeno y disminuye con el de oxígeno. En los apartados anteriores se dio más
información acerca de este parámetro.
Tabla 3. Poderes caloríficos de los residuos.
MUESTRA
Polvo y virutas
de madera
Trozos de
madera
(PCS)V (kJ/kg)
(PCI)V (kJ/kg)
(PCI)P (kJ/kg)
s/seco
s/s. aire
s/bruto
s/seco
s/s. aire
s/bruto
s/seco
s/s. aire s/bruto
20.025
19.263
18.550
18.733
17.930
17.183
18.658
17.854
17.104
19.800
19.230
18.525
18.554
17.954
17.208
18.479
17.879
17.133
Nota:
s/seco: secado en estufa hasta 0% de humedad.
s/s aire: secado al aire.
s/bruto: sin secar, tal como se genera.
A través de los datos recogidos en la Tabla 3, se observa que el poder calorífico de este
tipo de residuos es elevado, lo cual hace que sea un residuo apto para su
aprovechamiento energético.
4. Aprovechamiento energético de la biomasa
La baja densidad física y energética de gran parte de la biomasa, así como el contenido
en humedad, en ocasiones muy alto, hacen que en la mayoría de los casos sea necesaria
una transformación previa a su utilización.
Cuando se desea generar energía con biomasa se puede optar por diferentes sistemas
tecnológicos. La elección entre uno y otro depende de las características de los recursos,
de la cuantía disponible y del tipo de demanda energética requerida. En general, los
sistemas comerciales existentes en el mercado para utilizar la biomasa residual seca se
pueden clasificar en función de que estén basados en la combustión del recurso o en su
gasificación. Los que aprovechan el contenido energético de la biomasa residual
húmeda están basados en su digestión anaerobia. Para ambos tipos de recursos existen
tecnologías que posibilitan la obtención de biocarburantes.
Según sea la naturaleza de la biomasa y el tipo de combustible deseado, se pueden
utilizar procesos mecánicos (astillado, trituración, compactación), termoquímicos
(combustión, pirólisis y gasificación), biotecnológicos (microbianos o enzimáticos) y
extractivos, para obtener distintos combustibles sólidos, líquidos o gaseosos.
4.1. Técnica seleccionada
Los procedimientos termoquímicos se basan en la descomposición de la biomasa
producida cuando se la somete a altas temperaturas (200 ºC – 1500 ºC) en atmósfera
gaseosa controlada. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y, en particular, a
los de la paja y de la madera. Por tanto, son los procesos más adecuados para el
tratamiento de la biomasa que se trata en la elaboración de este proyecto, al tratarse de
maderas y otros residuos con bajo contenido en humedad. Además, los procesos
termoquímicos son los más aconsejables para transformar la biomasa en energía
aprovechable.
Dentro de los procesos termoquímicos, 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. 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.
En cuanto a los humos, únicamente será necesario su tratamiento en un sistema
multiciclónico, para eliminar posibles cenizas que hayan arrastrado o partículas de
inquemados.
Se ha rechazado la alternativa de la gasificación, puesto que supone un incremento en el
coste de los equipos y en los costes de preparación de la biomasa y se requiere una
depuración de los gases obtenidos antes de su uso energético. Aunque el rendimiento
del proceso es mucho mayor, no se justifica el aumento de la inversión dado que el
combustible es abundante y sin coste.
En cuanto a la pirólisis, no se ha elegido debido a que por sus características técnicas y
factor de escala, este proceso de descomposición química que se obtiene por calor
requiere inversiones altas en infraestructura y capacidad técnica, además de un elevado
consumo de materia prima muy específica.
5. Unidades del sistema de combustión
Los sistemas de combustión de biomasa son bien conocidos y se trata de una tecnología
muy probada, lo que hace que sea la alternativa más viable técnica y económicamente.
Existe una gran variedad de equipos de combustión disponibles comercialmente, que
sólo difieren en el diseño de los hornos, temperatura de operación y mecanismos de
transmisión de calor. Por la sencillez del proceso, las innovaciones en el campo de la
combustión tienen su mayor énfasis, no en el proceso en sí, sino en los equipos y en las
nuevas tecnologías.
La combustión presenta una elevada eficacia térmica. Cuando se utiliza biomasa seca
con una humedad inferior al 20%, el rendimiento oscila entre el 80 y 85%, mientras que
en el caso más general de utilizar biomasa húmeda (más del 50 o 60% de humedad), el
rendimiento se encuentra entre el 65 y 70%.
La combustión se realiza normalmente en sistemas que constan de las siguientes
unidades:
- Horno u hogar de combustión.
- Equipo de recuperación de calor (generalmente una caldera).
- Sistema de utilización de la energía recuperada (red de conducción de agua
caliente o vapor).
- Sistema de tratamiento de humos.
- Sistema de extracción de cenizas.
A continuación se van a describir los distintos equipos seleccionados en la instalación.
5.1. Hogar de combustión
Dentro de las posibilidades existentes, se ha seleccionado como hogar de combustión un
crisol, que es utilizado cuando el combustible presenta baja humedad y composición
homogénea, granulometría pequeña y poca producción de ceniza o escorias. La
combustión se produce en la cámara de combustión, y el combustible es introducido en
la misma mediante un tornillo sinfín de paso y velocidad variables (también son
llamados quemadores de tornillo o husillo por este motivo).
El horno de crisol es un ejemplo de hogar sin parrilla, y es uno de los más utilizados
para instalaciones de pequeña capacidad, hasta un máximo de 25·106 kJ/h. Se viene
empleando en reconversiones de generadores de calor utilizados anteriormente para
carbón y fuel-oil. Es apto para residuos con una humedad de hasta el 30 o 35%, y
granulometrías máximas de 30x20x5, como promedio.
La principal limitación de este quemador, es que la combustión se efectúa en una zona
muy restringida, lo que implica elevadas temperaturas de llama, y consecuentemente, la
formación de escorias. Para evitar esto, es imperativo operar con elevados excesos de
aire de combustión, de un 80 a un 150%, lo que afecta al rendimiento de la instalación.
La mayoría de los fabricantes limitan sus equipos a 12,5·106 kJ/h por este motivo. El
sistema funciona aceptablemente para combustibles con escaso contenido en cenizas
(valores inferiores a 1,5%), por ejemplo, maderas troceadas, orujillos, etc.
El combustible del que se dispone, posee unas características físicas y químicas a las
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 la de 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 quemador ciclónico, ya que el combustible debe ser pulverizado. Además,
el coste de un combustor de lecho fluidizado o de un quemador ciclónico es mucho más
elevado que el coste del hogar que ha sido seleccionado.
5.2. Caldera
Las calderas surgen de la necesidad de aprovechar de forma controlada y local el calor
generado por la combustión. Los gases producto de la combustión (humos), absorben y
transportan la energía calorífica generada en las reacciones de oxidación, y al salir del
hogar, pueden intercambiar su energía con otros cuerpos que estén a menor temperatura.
El funcionamiento de todas las calderas se basa en la recuperación del calor, generado
por diferentes medios, entregándolo a un fluido que permite su transporte a distancia y
su aplicación localizada.
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.
Se desestima, por tanto, la caldera de aceite térmico, ya que se trata de un fluido térmico
más costoso, y con una cierta peligrosidad en el caso de que se produzca la craquización
y aparición de volátiles dentro del circuito.
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 el agua que se pretende calentar
circula por el interior de los tubos, 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.
5.3. Tratamiento de humos
Como ya se ha comentado anteriormente, antes de lanzar los humos a la atmósfera debe
emplearse el adecuado sistema depurador. En particular, se trata de captar los
inquemados y las cenizas arrastradas por el flujo de humos.
La práctica habitual, para los tipos de residuos comentados, consiste en instalar
captadores centrífugos (ciclones o multiciclones). La eficiencia de captación de estos
aparatos, en particular de los multiciclones, alcanza los valores operativos descritos en
la legislación, proporcionando una atmósfera, alrededor de la instalación, libre de
residuos sólidos.
Por tanto, se ha optado por un sistema multiciclónico, el cual está formado por un
sistema de ciclones, en los que el aire entra de forma tangente a la pared exterior. De
este modo, se somete a los humos de combustión a una fuerza centrífuga con lo que las
partículas que puedan llevar, impactan con las paredes y caen por la parte central,
mientras que el aire sale por la parte superior para su posterior vertido a chimenea.
El aire a su llegada al multiciclón es introducido en un colector, desde el que se
distribuye a los distintos ciclones. A la salida, las partículas depositadas se recogen en
un colector común para todos los multiciclones, para su posterior vertido o recirculación
hacia las parrillas de combustible.
En cualquier caso, si se detectara la presencia de partículas en la salida de los humos,
que pudiera representar un problema medioambiental o para la salud se podría instalar
un filtro de mangas a continuación del multiciclón.
5.4. Extracción de cenizas
Tanto en la cámara de combustión como en la caldera y el resto de los equipos
auxiliares del circuito de humos, deben existir registros de acceso para la evacuación,
manual o automática, de las cenizas depositadas.
Generalmente, y salvo la extracción de las cenizas de la cámara de combustión, se
utilizan válvulas rotativas celulares de descarga automática y continua, con óptimos
rendimientos de funcionamiento.
En cuanto a la cámara de combustión, la extracción de cenizas va ligada al equipo de
combustión adoptado y al combustible utilizado.
6. Necesidades energéticas de la nave
Las necesidades energéticas serían las correspondientes a la calefacción de las distintas
zonas de la nave, y el suministro de agua caliente sanitaria a los lavabos y duchas.
6.1. Calefacción
El cálculo de las necesidades de calefacción del edificio se ha realizado según la norma
UNE EN 832. En ella se tienen en cuenta factores como la temperatura interior y
exterior de diseño, las pérdidas térmicas por transmisión, pérdidas térmicas por
ventilación, y capacidad de calentamiento total de cada habitáculo:
La temperatura exterior de diseño depende del lugar donde esté ubicada la nave así
como de las temperaturas medias mensuales recogidas en la zona. En este caso se trata
de la provincia de Salamanca y la temperatura tomada ha sido de -5º C. Para estimar la
temperatura de cada una de las zonas de la nave, se han tenido en cuenta los límites
normales que se exponen en la “Ordenanza General de Seguridad e Higiene en el
Trabajo”, según el trabajo que se realiza en cada uno de los locales.
Como la nave está dividida en varias zonas diferenciadas en las que se realiza distinto
tipo de trabajo, se consideran distintas temperaturas de cálculo para cada zona. Las
temperaturas serán:
Zona de Fabricación (taller y almacén):
Ti = 18º C
Zona de Exposición y Oficinas:
Ti = 20º C
Zona de Secado:
Ti = 30º C
Para el cálculo de las pérdidas por transmisión se tienen en cuenta, para cada habitáculo,
las superficies existentes de muro exterior aislado, muro interior (aislado o no aislado),
puertas interiores, puertas exteriores, techos, suelos y ventanas. Se considera a su vez si
estas superficies son colindantes con el interior, exterior, con el terreno, con el suelo o
incluso con un espacio calentado o no calentado.
Para la determinación de las pérdidas por ventilación se parte de datos como el volumen
de cada habitáculo y el índice de renovación del aire.
Por último, para el cálculo de la capacidad total de calentamiento, es tenida en cuenta la
superficie de suelo de cada habitáculo y un factor de recalentamiento.
Los valores finales que se han obtenido en los cálculos de la demanda térmica de
calefacción, se recogen en la Tabla 4.
Tabla 4. Consumo de calefacción en la nave.
CONSUMO (kJ/hora)
Enero – Mayo
Octubre – Diciembre
CALEFACCIÓN
738.320,4
Junio – Septiembre
0
Cabe destacar el hecho de que en los meses de verano, la producción de residuos se
mantiene y no así el consumo energético, por lo que en el período estival se almacenará
el residuo para su consumo posterior en el resto del año. Como se observa en la tabla 4
y era lógico suponer, en los meses de verano no se produce consumo de calefacción.
6.2. Máxima demanda de agua caliente sanitaria
Se ha previsto para la nave 8 duchas y 6 lavabos distribuidos entre servicios y vestuarios
de las distintas zonas de fabricación, exposición y oficinas. La distribución del agua
caliente se hace a través de un depósito acumulador donde se produce el intercambio de
calor entre el agua caliente procedente de la caldera a unos 90º C y el agua tratada para
poder ser utilizada como agua caliente sanitaria. Se ha calculado el volumen del
depósito acumulador y la potencia necesaria según la NTE-IFC (1973). Como el
número de grifos totales son 14 y el uso del edificio es privado según esta Norma la
capacidad del depósito acumulador en es de 750 l y la potencia necesaria o demanda de
A.C.S. es de 25.000 W (21.531 kcal/h).
6.3. Potencia de la caldera
Una vez determinado el tipo de caldera óptimo, lo cual se vio en el apartado 5.2, en base
a la caracterización energética de los residuos, así como de los ensayos de combustión,
se selecciona una caldera que suministre una potencia superior a la necesaria en la
actualidad, debido al posible aumento de la producción de residuo y a que el coste de la
caldera, en general no varía en gran medida
Para estimar la potencia de la caldera, sumaremos la máxima demanda de calefacción de
todo el edificio, que se ha calculado sumando las cargas térmicas totales de calefacción
de las distintas zonas (fabricación, exposición y oficinas) y que se mostró en el apartado
6.1, con la máxima demanda de agua caliente sanitaria obtenido en el apartado 6.2.
En la Tabla.5 se muestran los resultados obtenidos.
Tabla 5. Demanda térmica del edificio.
INVIERNO
VERANO
W
kJ/h
kcal/h
W
kJ/h
kcal/h
CALEFACCIÓN
205.089
738.320,4
176.631,67
0
0
0
ACS
25.000
90.000
21.531,10
25.000
90.000
21.531,10
TOTAL
230.089
828.320,4
198.162,77
25.000
90.000
21.531,10
Como se puede observar en la Tabla 5, la potencia máxima demandada por el edificio es
230.089 W (198.162,77 kcal/h). Hay que tener en cuenta ciertas pérdidas en el proceso
de combustión y en la caldera, por lo que se va a considerar un rendimiento del 80%.
Además de este rendimiento, se le va a añadir un factor de seguridad de 1,5 que cubrirá
posibles errores, así como variaciones y aumentos de la demanda en un futuro.
Teniendo todo esto en cuenta, la potencia máxima demandada por el edificio será de
431.416,88W (1.553.100,8 kJ/h = 371.555,19 kcal/h). Según estos datos, se elegirá una
caldera de 400.000 kcal/h.
En cualquier caso, la instalación de la caldera deberá cumplir con la normativa vigente
del “Reglamento de Aparatos a Presión” (RD 1244 de 4 de abril de 1979), que
especifica las medidas generales de seguridad que deben cumplir este tipo de equipos.
7. Potencial energético disponible
Como ya se ha comentado, el tipo de residuo que se debe gestionar procede de distintas
etapas de fabricación y está formado principalmente por polvo, virutas y trozos de
madera.
En el apartado 2 se expusieron los resultados obtenidos en los análisis de los residuos.
El estudio del potencial energético, se ha realizado según los parámetros que se
detallaron en dicho apartado.
7.1. Producción de residuo en el proceso
Según los datos recogidos, la producción aproximada de residuos en su proceso de
fabricación viene expresada en la Tabla 6.
Tabla 6: Residuos producidos en el proceso
RESIDUOS
PRODUCCIÓN (t/año)
Recortes de madera no triturados
125
Virutas de lijado
40
TOTAL
165
7.2. Potencial energético útil.
Sabiendo que el total de producción de residuo es 165 t/año y tomando un PCI medio de
17.126 kJ/kg (4.097,13 kcal/kg) se obtiene el potencial energético disponible:
t
1año
1mes 1día
kg
kJ
⋅
⋅
⋅
⋅ 1.000 ⋅ 17.126
=
año 12meses 22días 8h
t
kg
kJ
kcal
= 1.337.968,75
= 371.657,99W = 320.088,22
h
h
P = m ⋅ PCI = 165
A partir de la cantidad de residuos estimada y su poder calorífico, se llega a un potencial
energético de 676.026,45 Mcal/año.
El potencial energético útil se va a calcular suponiendo un rendimiento del 80% para la
caldera y del 85% para los intercambiadores y tuberías. Con estos datos obtenemos un
potencial de 909.818,75kJ/h=252.727,43W=217.659,99kcal/h.
8. Descripción del proceso
La descripción de los principales elementos que van a formar parte de la instalación, se
puede hacer de múltiples formas. En este caso se va a tratar de hacer de una manera
secuencial lógica. Se va a emplear para la descripción el camino que seguirá el
combustible desde su llegada a la planta.
El residuo biomásico se genera en el procesado de la madera y es retirado mediante
transporte interno del material que se realizará a través de tubos de aspiración colocados
a una altura aproximada de 6 m del suelo de la nave.
Cada una de las máquinas que intervienen en el proceso de fabricación y en las cuales se
producen
los
residuos
dispone de una aspiración
individual
dimensionada
adecuadamente. Cada una de estas aspiraciones individuales concurre en los tubos
generales de aspiración que recorren la zona de fabricación finalizando en un filtro de
mangas ubicado encima del silo, donde se almacenará el residuo hasta su uso como
combustible en la caldera.
El aire aspirado de las distintas máquinas de la nave una vez filtrado, retorna de nuevo a
la nave y el residuo pasa a la parte inferior del silo.
Desde las aspiraciones hasta el silo, el transporte interno del material se realizará por
transporte neumático, que consiste en un conducto o tubería en la que se mantiene una
corriente de aire gracias a la acción propulsora de un compresor o de un ventilador.
Los recortes de madera, al ser de gran tamaño, no pueden ser introducidos directamente
en la caldera, por lo que pasarán antes por una trituradora. Estos residuos, una vez
triturados, pasarán por un tubo de aspiración dimensionado adecuadamente, que se unirá
con los tubos generales de aspiración que recorren toda la zona de fabricación hasta
llegar al sistema de almacenamiento.
Uno de los grandes problemas con que se encuentra el almacenamiento de biomasa, es
que debido a su relativamente bajo poder calorífico y densidad, se necesitan grandes
superficies. La humedad superficial de la biomasa suele ser elevada, lo que da lugar a
diversos problemas como el bajo poder calorífico útil, problemas de transporte y la
posible autoignición del combustible debido a las temperaturas (60-70º C) que se
pueden alcanzar dentro de la pila de combustible. En este caso no se tienen estos
problemas ya que la biomasa disponible tiene bajo contenido en humedad.
En los silos suele tener lugar un problema importante, que es la aparición de bóvedas
debido al almacenamiento de partículas alargadas que se entrelazan entre sí, o con una
humedad elevada, evitando que el producto llegue al fondo del silo donde se encuentran
los elementos de extracción. Este problema se puede solventar instalando un sistema
rotativo que mueva el material acumulado. En silos de pequeño tamaño cuadrados o
rectangulares se solventa con la utilización de fondos móviles mediante cilindros
hidráulicos con empujadores, siendo el material recogido por cintas de bandas o
simplemente sinfines.
Se suelen utilizar los silos cilíndricos, pues tienen menor tendencia a la formación de
bóvedas que aquellos que tienen ángulos.
En el presente proyecto se opta por un silo con un sistema “rompe bóvedas” que hace
que, al girar en el interior del mismo, rompa las bóvedas que forma el residuo en el silo
y facilita la alimentación, de forma continua, a la caldera.
El transporte desde el silo a la caldera, se llevará a cabo mediante un sistema de tornillo
sinfín. Este sistema de alimentación es comúnmente utilizado en los sistemas de
generación de energía térmica con biomasa.
Dicho tornillo, es movido por un grupo motor variador que dosifica la cantidad de
combustible necesario en la caldera. El sistema de alimentación es controlado por la
demanda de combustible de la caldera, según la demanda energética de cada momento.
Para evitar el retroceso del fuego a través del sinfín y evitar la posibilidad de incendio,
en el punto de entrada de la biomasa al sinfín, se dispondrá de un sistema de aislamiento
pasivo compuesto por una válvula rotativa o un sistema de doble compuerta, de
funcionamiento automático que cierra por falta de corriente o bien cuando el termostato
de trabajo da orden de detener la marcha de la caldera por haberse alcanzado la
temperatura prefijada.
El residuo se quema en una caldera adecuada para este tipo de combustible y cuyo
hogar es un crisol con entradas de aire primario y secundario.
La caldera, de ejecución vertical y funcionamiento semiautomático, tiene dos partes
fundamentales:
-
El hogar con su base de combustión.
-
El cuerpo de intercambio de calor de haz tubular.
Mediante el accionamiento del tornillo sinfín, la viruta entra en la base de combustión.
Para que la combustión sea completa y eficiente, en la parte superior de la caldera hay
unas toberas de aire secundario.
En la base de combustión se dispone de un conducto abierto a la atmósfera que se abre
automáticamente en caso de falta de corriente en la instalación, bien por avería, bien por
parada voluntaria de la caldera, de forma que el calor almacenado en la base se elimina
suavemente a través de este conducto.
La caldera dispondrá para su arranque de un sistema formado por un quemador de gas,
que será el responsable de la combustión de la biomasa cuando arranque la caldera.
Llevará un sistema incorporado, formado por una célula óptica, para la detección de
llama.
La energía que se obtiene de la combustión del residuo biomásico se transmite al fluido
caloportador, que en nuestro caso es agua, y a través de la red de tuberías y mediante los
emisores (aerotermos y radiadores aleteados) instalados en todas las dependencias de las
naves, se aprovechará para calefactarlas durante el periodo invernal.
En el proceso de combustión se producen dos corrientes principales:
Humos: Los cuales se conducirán a un ciclón para su depuración y eliminación de
partículas. Debido al bajo contenido en nitrógeno y azufre de la biomasa, no se
producirán emisiones contaminantes a la atmósfera. Una segunda misión del ciclón es el
precalentamiento del aire de combustión secundario que se introducirá en la caldera. De
esta forma se conseguirá mayor eficiencia energética.
Agua caliente: Se prevé un circuito cerrado de agua, en el cual se calentará el agua en la
caldera hasta 90º C, y se distribuirá según dos instalaciones diferenciadas:
-
El agua caliente (90º C) se enviará mediante una bomba hacia los aerotermos;
cambiadores de calor aire-agua cuyo objetivo sea transferir el calor desde la
corriente de agua caliente (procedente de la caldera) al aire circulante en la nave
de fabricación. El agua de retorno volverá a la caldera a una temperatura
estimada de 70º C.
-
Un segundo circuito de agua caliente será dirigido hacia las oficinas y salas de
exposición, donde a través de cambiadores de calor, el agua del circuito anexo
será calentada. El agua fría (~ 60º C) retornará a la caldera para iniciar
nuevamente el ciclo.
Dado el alto contenido en materia volátil de este tipo de combustibles, es muy
importante la regulación de la entrada del aire secundario para conseguir la total
combustión de los volátiles fuera del lecho, evitando su arrastre con los humos y por lo
tanto la contaminación atmosférica.
Para incrementar el rendimiento de la caldera se procederá al precalentamiento del aire
secundario con el calor residual de los humos, a través de un recuperador en el ciclón de
salida de humos.
9. Estudio económico
Con el objetivo de clarificar los aspectos relacionados con el gasto económico que
representa la construcción de la planta y estudiar su viabilidad, tanto desde el punto de
vista económico como financiero, se ha realizado un análisis de todas las partidas de
coste.
Este estudio económico considera tres conceptos globales de inversión; que son los
equipos y sistemas empleados, las instalaciones tanto mecánicas como eléctricas
necesarias y otros gastos diversos. El desembolso total o inversión inicial que se debe
realizar antes de dar comienzo la actividad industrial será la suma de estos tres
conceptos.
Se obtiene que el gasto total de capital fijo inmovilizado es de 225.488,13 €, y para
sufragar ese gasto es necesario realizar un análisis de las fuentes financieras de las que
se dispone. Existen distintas vías de financiación para este tipo de proyectos de energías
renovables. Según la cuantía total de la inversión a realizar y del planteamiento de
financiación que se desee seleccionar, se tomará una u otra decisión. En este caso, la
inversión total o coste de capital fijo inmovilizado será sufragado mediante tres fuentes
de capital distintas: fondos propios, subvención a fondo perdido, y crédito bancario.
Tras haber conseguido financiar la inversión del proyecto técnico, se debe demostrar su
viabilidad, tanto económica como financiera, es decir, que la empresa responsable de la
iniciativa sea capaz de llevarlo a cabo con garantías.
Se deben calcular los costes de capital de las fuentes financieras. En cuanto a las
subvenciones concedidas, el coste de capital de las mismas se considera nulo, puesto
que se conceden a fondo perdido, con lo cual no se tiene que devolver nada.
El coste de capital de la fuente de financiación correspondiente al préstamo bancario se
ha estimado en un 8%.
Por otro lado, nos quedaría saber el coste de capital de los fondos propios. Con este lo
que se ha hecho es aproximarlo partiendo de la premisa de que los fondos propios es la
fuente de financiación que más riesgo conlleva. Así lo que parece lógico es que tiene
que ser el concepto con mayor coste de capital, por tanto lo estimamos poniendo un
coste de capital dos o tres puntos por encima del coste de capital mayor que
previamente hemos obtenido (que es el del crédito).
Podemos estimar un coste de capital de los fondos propios aportados a la inversión del
10%, según lo citado anteriormente.
Una vez tenemos los costes de capital de todas nuestras fuentes financieras, se
determina el de todas ellas en su conjunto, que será el que utilizaremos para calcular el
Valor Actual Neto (V.A.N.) y ver si el proyecto es económicamente viable. Para
realizar este cálculo se utiliza la Ecuación (1)
K = ((Kcred * Crédito) + (Kf.propios * F.Propios)) / Desembolso inicial
(1)
Con los datos del proyecto obtenemos un coste de capital del 6%.
A la hora de calcular el VAN se ha tenido en cuenta la inflación (2%), ya que el periodo
de vida de la planta es muy grande (20 años) y los precios de la biomasa son variables.
Hay que destacar que los flujos de caja calculados para obtener el VAN son datos
estimados, puesto que no se sabe con absoluta certeza los ingresos de los años venideros
durante la vida útil de la planta, por lo tanto se intenta aproximar a ellos mediante
relaciones coherentes.
El Valor Actual Neto (V.A.N.) se ha calculado, como se acaba de comentar, para los 20
años de vida útil de la planta, y su valor es positivo, por lo que se puede afirmar que la
inversión es rentable económicamente.
Para estudiar la rentabilidad financiera del proyecto, se ha calculado la tesorería anual,
obtenida como la diferencia entre los flujos de caja estimados y lo que debemos pagar a
las fuentes financieras.
Toda la tesorería durante los 20 años es positiva, con lo que podemos concluir que la
inversión también es viable desde el punto de vista financiero.
10. Conclusiones
Con el desarrollo de este Proyecto, podemos concluir que se han alcanzado los objetivos
que se expusieron al comienzo. Se ha desarrollado un proceso de revalorización de
residuos que puede aplicarse a otras empresas del sector, contribuyendo al fomento de
las energías renovables.
La empresa, además de conseguir una instalación de calefacción y agua caliente
sanitaria que no emplea combustibles fósiles, aprovecha todo el residuo que genera con
el consiguiente ahorro económico, ya que se evitará la gestión externa de este residuo.
Con esto, además de mejorar las condiciones de trabajo de la empresa se reduce el coste
de producción, haciendo que los productos sean más competitivos comercialmente.
Gracias al empleo de este tipo de energías, se reduce la dependencia energética con el
exterior y se solventa el problema del deterioro medioambiental. La biomasa
proporciona una energía limpia, en contraste con las fuentes de energía convencionales,
puesto que genera menos emisiones perjudiciales para el medio ambiente. La formación
de SO2 es despreciable y la cantidad de NOx es también inferior a la generada con los
combustibles fósiles. Por otro lado, se cierra el ciclo de CO2, puesto que el generado
durante la combustión, ha sido fijado previamente de la atmósfera, por la biomasa, por
lo que no se incrementa la cantidad global de CO2 en la atmósfera, hecho que reduce el
efecto invernadero que este gas pernicioso produce.
Por último, hay que destacar que el proceso es tecnológica y económicamente viable,
aunque por el momento, la viabilidad económica depende de la continuidad de las
subvenciones. Por tanto, es perfectamente aplicable a otras empresas del sector para de
este modo potenciar el empleo de biomasa como energía renovable y alcanzar los
objetivos marcados por las distintas normativas medioambientales existentes.
11. Bibliografía
1. Antolín Giraldo, G., Irusta Mata, R., Caracterización de Combustibles
Lignocelulósicos: Aplicación a la paja de cereal, Universidad de Valladolid, (1989).
2. Austin, G.T., Manual de Procesos Químicos en la Industria, Ed. McGraw- Hill,
(1993).
3. Baquero J., Llorente V, Equipos para la industria química y alimentaria, Editorial
Alhambra (1985).
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. De Juana José Mª, Energías Renovables para el Desarrollo, Editorial Paraninfo S.A.
(2002).
6. Fumadó Alama Juan Luis, Climatización de edificios, Editorial Del Serbal (1999).
7. Junta de Castilla y León, EREN, Energía en Castilla y León, (2000)
8. 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).
9. Llorens Martín, Enciclopedia de la climatización, Calefacción, Editorial CEAC
(1994).
10. Mariño Rafael P., Producción y Transmisión Industrial del Calor, Editorial Dossat,
S. A., 2ª edición (1947).
11. Vergara Moro Vicente, Alonso Girón Jesús Mª, Manual de operadores industriales
de calderas, Editorial Cadem (1998)
12. Agradecimientos
Deseo expresar mi agradecimiento a todos aquellos que me han ayudado en la
elaboración de este proyecto, especialmente al director del mismo, D Gregorio Antolín
Giraldo, y al departamento de biocombustibles de la Fundación Cartif.