lab combustion biomasa

8/12/2019 Lab Combustion Biomasa

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n el caso del aprovechamiento de la

biomasa para produccin de ener-

ga trmica, las cifras no son mucho

ms alentadoras. A finales de 2001 el con-

sumo de biomasa alcanzaba las 3.351

ktep frente a las 4.376 previstas en el Plan

de Fomento para 2010. Adems, y lo que

es ms preocupante, el total de instalacio-

nes puestas en marcha durante ese ao

disminuy frente a las que se ejecutaron

en aos anteriores.

Bsqueda de alternativas

Analizando la situacin, parece obligado

buscar nuevas alternativas a las utilizadas

tradicionalmente para el aprovechamiento

de la biomasa que permitan superar las

barreras que actualmente impiden su

penetracin en el mercado energtico.

En el caso de la produccin de energa

elctrica, una opcin muy interesante es la

co-combustin. Esta tecnologa, cuya via-

bilidad tcnica se encuentra ampliamente

probada, consiste en sustituir, en centralestrmicas de carbn, un porcentaje del

combustible convencional por biomasa.

Esta tecnologa comparte todas las venta-

jas medioambientales de la combustin de

biomasa frente a la utilizacin de combus-

tibles fsiles. Adems, cabe destacar tres

ventajas adicionales frente a una planta deaprovechamiento exclusivo de biomasa:

Menor inversin por unidad de potencia

instalada: Mediante la co-combustin se

puede aprovechar gran parte de la

infraestructura existente en cada central

(ciclo de vapor, sistemas elctricos, siste-

ma de refrigeracin y, al menos, parte de

la caldera), lo que repercute en una drs-

tica reduccin de la inversin, a pesar de

que las instalaciones de pretratamiento

son en general ms complejas que en

una planta de biomasa.

Aprovechamiento de la biomasa en

plantas de mayor rendimiento: La efi-

ciencia de plantas de elevada potencia essuperior a las de pequeo tamao. Las

caractersticas particulares de la biomasa

hacen que la viabilidad econmica de

plantas de gran tamao que aprovechen

exclusivamente este recurso se vea afec-

tada directamente por los altos costes

que supone la adquisicin y el transpor-

te de la biomasa hasta ellas. Esto conlle-

va que en la mayora de los casos se opte

por una planta de menor tamao (usual-

mente de potencia inferior a 25 MWe) y,

por lo tanto, de peor rendimiento (entre

el 18 y el 30%) pero que pueda alimen-tarse con los recursos disponibles en un

rea menor. En el caso de la co-combus-

tin la biomasa se aprovecha en plantas

de gran tamao, con rendimientos entre

BIOMASA

Laboratorio de tecnologas

de combustin y co-combustinde biomasa

El objetivo marcado por El Plan de Fomento de las Energas

Renovables para la produccin de energa elctrica a partir del

aprovechamiento de biomasa es del orden de 1900 MW en 2010.Sin embargo los datos provisionales indicaban que, a finales de 2001,

esta potencia no alcanzaba los 170 MW y que, aunque se

contabilizaran las dos instalaciones previstas para el 2002 (una en

Crdoba de 25 MW a partir de residuos agrcolas y una segunda de

16 MW a partir de orujillo en la provincia de Ciudad Real), la potencia

total instalada estara todava muy lejos del objetivo final.

CANALS, P., VELILLA, J., ESPATOLERO, S. FUNDACIN CIRCE -CENTRO DE INVESTIGACIN DERECURSOS Y CONSUMOS ENERGTICOS. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA.

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el 32% y el 36%, sustituyendo slo el

porcentaje de combustible que puede

obtenerse a un coste adecuado.

Incremento en la flexibilidad de opera-cin. Una central de co-combustin

posibilita una gran flexibilidad y una fcil

adaptacin a la disponibilidad de bioma-

sa en cada momento. Variando el por-

centaje de biomasa introducido puede

adaptarse a las fluctuaciones estaciona-

les de este tipo de recursos, pudiendo

volver, en el caso extremo de que no

fuera posible obtener biomasa, a traba-

jar exclusivamente con combustible fsil.

La principal barrera que limita la introduc-

cin de la co-combustin en centrales tr-

micas es de tipo econmico. Dado queestas instalaciones no pueden adscribirse

al rgimen especial, no pueden recibir nin-

guna prima que contrarreste el incremen-

to de costes que supone la utilizacin de

este combustible renovable frente al con-

vencional, prima que s que pueden recibir

instalaciones que utilicen exclusivamente

biomasa. No hay que olvidar que stas se

justifican por los importantes beneficios

medioambientales que supone el uso de

biomasa (o de cualquier otra fuente de

energa renovable) frente al uso de com-

bustibles fsiles, beneficios que, porsupuesto, la co-combustin comparte. El

IDAE ya ha sealado la necesidad de

incentivar este tipo de instalaciones y ha

propuesto que para ello sean incluidas

dentro del rgimen especial y de las actua-

ciones enmarcadas para el fomento de

nuevas actividades econmicas de las

zonas de reconversin minera del carbn.

Adems de estos incentivos, la investiga-

cin y el desarrollo de nuevos proyectos

encaminados a disminuir costes y a mejo-

rar el rendimiento en el aprovechamiento

de la biomasa mediante esta tecnologa, essin duda imprescindible. La Fundacin

CIRCE (Centro de Investigacin de

Recursos y Consumos Energticos) tiene

entre sus objetivos el fomento de las ener-

gas renovables. Este objetivo, unido a su

larga experiencia en investigacin en plan-

tas de potencia, le ha permitido llevar a

cabo distintos proyectos relacionados con

la tecnologa de la co-combustin. Entre

ellos pueden destacarse:

Co-combustin en la C.T. de Escucha

(2FD97-0764), cofinanciado por el

Ministerio de Ciencia y Tecnologa y laUnin Europea a travs de los Fondos

FEDER. El objetivo principal del proyecto

era determinar la viabilidad de la implan-

tacin de la tecnologa de la co-combus-

tin en centrales trmicas de carbn pul-

verizado que utilizan carbn de bajo

rango (baja densidad energtica (kJ/m3),

similar a la de la biomasa). El hecho deque los dos combustibles tengan una

densidad energtica parecida supone

una ventaja muy importante para la

implantacin de la co-combustin. En

estos casos es posible utilizar los propios

quemadores de carbn para alimentar el

nuevo combustible, lo que reduce consi-

derablemente la inversin necesaria para

adaptar la central a esta tecnologa. La

planta en la que se desarrollo el proyec-

to fue la C. T. de Escucha. Se realizaron

un conjunto de pruebas en funciona-

miento real en las que se utilizaron resi-duos forestales procedentes de la limpie-

za y tratamiento de bosques y montes

cercanos. Estas pruebas permitieron

demostrar la viabilidad de la co-combus-

tin en este tipo de centrales desde tres

puntos de vista: Tcnico (instalacin de

nuevos equipos y modificaciones nece-

sarias, porcentaje mximo de biomasa

frente al carbn, tratamiento de la

misma, diferencias o dificultades de ope-

racin), econmico (teniendo en cuenta

el coste de la biomasa, de su tratamien-

to y las inversiones necesarias para ade-cuar la central a esta tecnologa) y

medioambiental (reduccin de emisiones

y sostenibilidad del bosque).

BIOMAX - Maximum Biomass Use and

Efficiency in Large-Scale Cofiring (VFP

n NNE5/2001/29) financiado por la

Comisin Europea. Este proyecto que

est todava en fase de realizacin com-

bina, de una manera novedosa, la inves-

tigacin a lo largo de toda la cadena de

produccin energtica, desde la produc-

cin de biomasa, el manejo de combus-

tible y la produccin de energa elctricahasta la monitorizacin de emisiones.

Incluir todos estos procesos permite el

estudio y la optimizacin global de la

produccin de energa, desde el punto

de vista econmico y medioambiental.

La central trmica estudiada en el pro-

yecto -Alholma, Pietarsaari (Finlandia)-

constituye en la actualidad un ejemplo

de tecnologa de co-combustin, utili-

zando combustibles muy diversos y ade-

cuada para ser implementada en casi

cualquier lugar de Europa. Esta es una

oportunidad nica para estudiar el usode los combustibles derivados de la bio-

masa a gran escala y para adquirir nueva

y valiosa informacin sobre plantas de

generacin combinada de energa elc-

trica y trmica para la industria. El objeti-

vo global de este proyecto es mostrar la

viabilidad de la tecnologa de lecho flui-

do circulante para maximizar el uso decombustibles basados en la biomasa

para la generacin de energa elctrica.

Los mayores retos incluyen el manejo del

combustible, la generacin estable de

vapor en la caldera y el riesgo de corro-

sin por alta temperatura.

Paralelamente a la produccin de energa

elctrica, es necesario incentivar las aplica-

ciones trmicas de la biomasa. La combus-

tin de biomasa puede ser tambin un

sustituto viable de los combustibles fsiles

usados en el sector industrial, comercial y

domstico en el rango de potenciaspequeas-medias, es decir, del gasleo y

fuelleo en instalaciones de hasta 5 MWt.

La utilizacin de este tipo de equipos est

ampliamente extendida en el centro y

norte de Europa, sobre todo en el rango

de aplicaciones domsticas. A pesar de su

simplicidad y aparente versatilidad en

cuanto al tipo de combustible se refiere, la

experiencia adquirida demuestra que es

necesario seguir investigando tanto para

poder operar con niveles de emisin acep-

tables y sin problemas de operacin y

mantenimiento, como para buscar nuevastecnologas con mejores rendimientos y

menores costes.

En este sentido, CIRCE llev a cabo el

proyecto Diseo, Construccin y

Desarrollo de un Quemador de Biomasa

Pulverizada (FIT-120104-2001-17) pro-

yecto enmarcado dentro de la convocato-

ria Profit y en colaboracin con la empre-

sa Caldetcnica. El objetivo de este pro-

yecto fue el desarrollo de un quemador

de biomasa pulverizada apto para la com-

bustin eficaz de cscara de almendra y

otros residuos agroalimentarios, comoalternativa a los combustores tradiciona-

les de residuos basados en parrillas o

lechos fluidizados. El inconveniente de los

primeros es su bajo rendimiento, mien-

tras que un lecho fluido supone una

inversin especfica muy alta. La alternati-

va que se estudi fue la combustin en

llama premezclada del combustible en

polvo. Para ello, se seleccion un residuo

de alta calidad y buena molturabilidad

(cscara de almendra) y se adapt el dise-

o tradicional de quemadores de carbn

pulverizado. Se construy una instalacinpiloto de 125 kW trmicos, en la que se

desarrollaron los ensayos.

A raz de la experiencia obtenida y los

buenos resultados de todos estos proyec-

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tos, a finales de 2001 se puso en funcio-

namiento el laboratorio de tecnologas de

combustin y co-combustin de biomasa

de CIRCE. Esta instalacin cuenta actual-

mente con un combustor ciclnico

(Cmara Torsional) de 800 kWt y otro de

premezcla de combustible pulverizado de

500 kWt equipado con cmara de com-

bustin e intercambiador gases-aire para

ensayos de deposicin de cenizas. Se dis-

pone tambin de equipos de pretrata-

miento de la biomasa: secadero rotativo,

molino mixto de impacto/corte y clasifica-dor. La instrumentacin incluye una ana-

ltica completa de gases en chimenea

(inquemados, balance de la combustin y

contaminantes principales - CO, CO2, O

2,

NOx y SO2), adems de sondas de depo-

sicin y medidas convencionales. Se dis-

pone tambin de un filtro cermico que

opcionalmente permite la limpieza de

gases y el anlisis de la influencia de este

equipo sobre ciertas emisiones.

El laboratorio, que se encuentra ubicado

en las instalaciones de la Universidad de

Zaragoza, esta concebido para ensayar lacombustin y la co-combustin (uso de

mezclas) de una gran variedad de tipos de

biomasa, combustibles residuales y car-

bn. Entre otros, pueden realizarse estu-

dios de:

Ignicin, estabilidad de llama y desarrollo

general de la combustin.

Optimizacin de pretratamientos.

Seleccin de mezclas y parmetros de

operacin.

Aumento del rendimiento.

Medida y reduccin de emisiones conta-

minantes. Evaluacin y disminucin de la corrosin

y el ensuciamiento.

A continuacin se describen detallada-

mente estas instalaciones as como los

principales lneas de investigacin que se

estn llevando a cabo en este laboratorio.

Instalacin de pretratamiento

Tiene la finalidad de adecuar las propieda-

des fsicas de la biomasa (humedad y gra-

nulometra) para maximizar el rendimiento

y optimizar los procesos de aprovecha-

miento energtico de la biomasa, princi-

palmente la combustin. Adicionalmente,

la medida de los consumos energticos de

los equipos permite estimar los costes de

pretratamiento en funcin del tipo de bio-masa y de las especificaciones requeridas.

Actualmente existe una lnea de investiga-

cin abierta en la optimizacin de los pre-

tratamientos con el fin de minimizar los

costes y aumentar la viabilidad econmica

del aprovechamiento de la biomasa.

Los subsistemas que componen esta insta-

lacin son:

Almacenamiento y descarga: Est com-

puesto, bsicamente, por una tolva ms

un tornillo transportador de tipo sinfn

encargado de proporcionar a la instala-

cin un flujo msico constante de bio-masa.

Sistema de secado: Se dispone de un

equipo de secado de tipo tromel

rotativo, con intercambio directo, utili-

zando una configuracin de corrientes

paralelas. Un generador de calor produ-

ce una corriente de aire caliente que se

utilizar como fluido de secado. El giro

continuo del cuerpo cilndrico del seca-

dero, junto con la disposicin interna

de paneles longitudinales que voltean

el material, posibilitan la total homoge-

neizacin del mismo. La variacin de lavelocidad de rotacin de dicho cilindro

permite controlar el tiempo de residen-

cia de la biomasa en el interior. Este

equipo dispone adems de instrumen-

tacin para medir la temperatura del

aire y la humedad de la biomasa en dis-

tintos puntos, lo que permite controlar

el funcionamiento del equipo y el pro-pio proceso de secado. Un ventilador

de tiro inducido se encarga de extraer el

aire del secadero. Para recuperar el

material que pudiera llevar en suspen-

sin debido a su alta velocidad, se hace

pasar, antes de ser expulsado por la chi-

menea al exterior, por un cicln de alto

rendimiento.

Sistema de reduccin y clasificacin gra-

nulomtrica. Para la obtencin de las

especificaciones de tamao de partcula,

la instalacin cuenta con: Un molino

mixto de cuchillas y martillos; un ventila-dor soplante que trasporta el producto; y

un clasificador, que mediante un movi-

miento rotativo y un sistema de tamices

permite clasificar las partculas de bioma-

sa segn la granulometra escogida.

Sistema de transporte neumtico: Tras

ser sometida a los procesos de secado,

molienda y clasificacin granulomtrica,

la biomasa se almacena en la tolva que

alimentar la instalacin de combustin.

El transporte hasta la tolva se realiza

mediante transporte neumtico, utilizn-

dose un filtro de mangas para separar lacorriente de aire de la biomasa.

Quemador de premezcla

El objetivo de esta instalacin es la experi-

mentacin con diferentes tipos de com-

bustibles biomsicos pulverizados como

cscara de almendra, orujillo de oliva o

biomasa forestal, as como con mezclas de

diferentes residuos e incluso mezclas de

carbn y biomasa.

La potencia del quemador de biomasa es

de 500 kWt y su funcionamiento es simi-

lar a los instalados en las centrales de car-

bn pulverizado. El tamao de partculadel combustible es un parmetro crtico

en este tipo de quemadores. Se reco-

mienda trabajar con dimetros entre 70 y

400 _m con el objetivo de conseguir una

combustin completa de las partculas de

combustible.

El ventilador primario es el encargado de

impulsar la corriente de aire primario junto

con el combustible, que est almacenado

en la tolva, hasta el quemador, situado en

la parte ms alta de la instalacin (esque-

ma 1). Por otra parte, el ventilador de aire

secundario, de mayor potencia que el pri-mario, suministra el aire restante para la

combustin o aire secundario. El encendi-

do se produce por medio de un ignitor de

gas natural de 35 kW de potencia.

BIOMASA

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Cmara torsional - Caldera Pirotubular


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Una de las principales caractersticas de

este quemador es la rotacin del flujo de

aire secundario. Obligando al flujo a atra-

vesar una corona de labes, cuyo grado deinclinacin respecto a la direccin radial es

variable, se tiene la posibilidad de obtener

un mayor o menor grado de intensidad de

rotacin. A su vez, el flujo primario entra

en el quemador a travs de una voluta,

donde tambin adquiere rotacin, aunque

en menor medida que la corriente de aire

secundario. Por medio de esta tcnica,

ampliamente utilizada en los quemadores

de carbn pulverizado, se consigue una

mayor mezcla entre combustible y aire,

mejorando as las condiciones en las cuales

se produce la combustin.La energa trmica contenida en los gases

calientes se utiliza para calentar agua en

tres equipos, primero en la cmara de

combustin, despus atraviesan un con-

ducto refrigerado por una camisa de agua

y por ltimo se introducen en una caldera

pirotubular donde siguen cediendo su

energa hasta que son expulsados por la

chimenea.

Instalado en el interior de la cmara hay un

intercambiador de calor formado por 49

tubos refrigerados por aire, donde uno de

ellos se ha sustituido por una sonda dedeposicin formada por diferentes mate-

riales, la cual est provista de varios ter-

mopares para la medida de la temperatu-

ra y un anemmetro que dar informacin

del caudal de aire que est circulando por

la sonda. Es sistema permite estudiar los

problemas de ensuciamiento y corrosin

asociados a los diferentes tipos de bioma-

sa empleados, complementado con el

anlisis de gases que proporciona el anali-

zador dispuesto en la chimenea de salida.

La planta permite experimentar con dife-

rentes tipos de biomasa y distintas condi-ciones de combustin. Se busca en cada

caso obtener el punto de funcionamiento

ptimo de la instalacin para cada una de

las pruebas realizadas. Las principales

experiencias efectuadas se han orientado

hacia el estudio de la influencia del rendi-

miento de la combustin frente a la varia-

cin de las propiedades del combustible,

llevando a cabo ensayos con distintos

tamaos de partcula y diferentes hume-

dades. Adems, para cada una de las bio-

masas utilizadas, se pueden optimizar los

parmetros de control del quemador.Variables como el exceso de aire y el grado

de intensidad de la rotacin aplicada a los

flujos de aire son determinantes para obte-

ner el mximo aprovechamiento posible

de los diferentes combustibles empleados.

Sin duda, la planta piloto diseada por la

Fundacin CIRCE, permite establecer las

condiciones de operacin de una instala-

cin real de este tipo que trabaje con que-

madores de combustible slido pulveriza-

do, tecnologa muy extendida en el uso del

carbn. La posibilidad de ensayar y estu-

diar el comportamiento de diferentes tiposde biomasa en procesos de combustin

bajo distintas condiciones reales de opera-

cin ser de gran utilidad para impulsar el

desarrollo tanto de nuevas plantas de

generacin de electricidad y calor a partir

de residuos, como de aquellas instalacio-

nes ya implantadas que pretendan trabajar

con mezclas de carbn y biomasa en pro-

cesos de co-combustin.

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