combustión del bagazo

7/30/2019 combustin del bagazo

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Aproximacin experimental a la combustindel bagazo de caa en lecho fluidizado

Deny Oliva MerencioCentro de Estudios de Tecnologas Energticas Renovables (CETER).

Facultad de Ingeniera Mecnica,Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (ISPJAE),

La Habana, Cuba.Tel.: (537) 260 5060e-mail: [email protected]

Gregorio Antoln GiraldoDepartamento de Ingeniera Qumica. ETSII,

Universidad de Valladolid. Paseo del Cauce, s/n. 47011. Valladolid. Espaa.Tel.: (34)(83) 423362; Fax: (34)(83) 423310.

e-mail: [email protected]

Palabras claves

Combustin, lecho fluidizado, bagazo de caa, anlisis trmico, fluidizacin.

ResumenEn este trabajo se expone el estudio y el anlisis preliminar de parmetros fundamentales parael diseo de un combustor atmosfrico burbujeante de lecho fluidizado, con el objetivo dequemar bagazo de caa como combustible. Se presenta el anlisis trmico realizado al bagazode caa de azcar como combustible y las curvas obtenidas bajo diferentes tcnicas de anlisistrmico, como son el anlisis trmico diferencial (ATD), tanto en atmsfera inerte comooxidante, y la de anlisis de barrido diferencial (DSC), con los comentarios pertinentes sobrelos resultados obtenidos en cada una.

Tambin se exponen algunos resultados experimentales alcanzados durante los ensayosrealizados con bagazo de caa en un combustor de lecho fluidizado, en una planta piloto de 1MW de potencia, perteneciente al Centro para el Desarrollo de Energas Renovables (CEDER);correspondiente a la seccin de Biomasa del CIEMAT, Espaa.

1. IntroduccinEl bagazo de caa se ha convertido para Cuba en una prioridad energtica a partir de ladisminucin real de la disponibilidad de combustibles derivados del petrleo, de los quehistricamente ha dependido la economa del pas fundamentalmente en los ltimos 35 aos.El bagazo en Cuba se ha utilizado siempre como combustible, incluso fundamental, en lainmensa mayora de los ingenios azucareros, donde se ha quemado en sustitucin del petrleo.No obstante, su rendimiento es bajo, ya que la tecnologa que se emplea para dicho fin noaporta los rendimientos que se necesitan hoy en el pas desde el punto de vista energtico.

En la inmensa mayora de los ingenios azucareros se quema el bagazo en hornos herradura(en los antiguos ingenios), o en parrillas basculantes (en los ltimos construidos); en amboscasos y en la casi totalidad de las calderas, en pila o en capa fija. Esto obedece a la grandisponibilidad de bagazo durante los aos en que se producan altos volmenes de azcar, loque ha cambiado para niveles de produccin de azcar de 50 % menos, y que, adems,apuntan a ser niveles de cierta estabilidad el futuro, con la consiguiente disminucin de lascantidades de bagazo. Todo esto lleva a explorar otras tecnologas de combustin, ya usadascon garanta en el resto del mundo, y que aunque en Cuba no se dispone de ellas, se puedeacceder perfectamente a sus ventajas en aras de un aumento de los rendimientos globales delas biomasas cubanas, en primer lugar, el bagazo de caa.

Una de esas tecnologas es la que se basa en la utilizacin de lechos fluidizados para lacombustin de combustibles slidos.


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2. Caractersticas del bagazo de caa como combustibleEl bagazo es un material fibroso, heterogneo en cuanto a su composicin granulomtrica yestructural, que presenta relativamente baja densidad y un alto contenido de humedad, en lascondiciones en que se obtiene del proceso de molienda de la caa.

El contenido en cenizas del bagazo natural puede considerarse moderado, ubicndose entre 2

y 5 % (b.s.). Sin embargo, como consecuencia directa de la mecanizacin de la cosecha, ysobre todo en poca de lluvia, este parmetro puede elevarse considerablemente, llegndose areportar valores extremos de 12 a 15 %.

En el caso del bagazo utilizado en este trabajo, procedente de Salobrea, Granada, en la costaAndaluza, al sur de Espaa, este valor supera dicha cifra, cuestin que se achaca a la toma dela muestra y a su ubicacin: mediante una pala mecnica y junto a la costa. Se muestran en lastablas 1, 2 y 3 las caractersticas fundamentales del bagazo de caa utilizado en este trabajo.

Tabla 1. Anlisis inmediato (% base seca).

Caracterstica %

Carbono fijo 41,9

Voltiles 46,36

Cenizas (815) 11,74

Tabla 2. Anlisis elemental (% base seca).

Caracterstica %

Carbono 42,54

Hidrgeno 5,17

Nitrgeno 0,63

Azufre 0,30

Oxgeno 39,62

Tabla 3. Poderes calorficos.

Especificacin (kcal/kg) (kJ/kg)

Superior (b.s.) 3 986 16 661,5

Inferior (b.s.) 3 715 15 528,7


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Tambin se ha realizado parte del anlisis trmico del bagazo de caa. Se cuenta con el DSCen atmsfera inerte y el DTA, tanto en aire como en nitrgeno. A continuacin se muestran lascurvas obtenidas y un breve comentario e interpretacin en cada caso.

2.1. Anlisis de barrido diferencial (DSC)Este anlisis de realiz en un equipo METTLER DSC-30, con un procesador TC11. El peso de

la muestra fue de 5,540 mg. El material se someti a una relacin de calentamiento de 10C/min, en atmsfera inerte garantizado por un flujo de N2.

Fig. 1. DSC del bagazo de caa de azcar.

Para el anlisis de la curva DSC se dividir sta en varias etapas para una mejor comprensin:comienza el proceso, con una primera etapa endotrmica (hasta 85 y90 C). El calor entregado a la muestra es empleado para la evaporacin de la humedad y eldesprendimiento de los voltiles ms ligeros, que ocurre de una manera espontnea yconsecutiva.

La integracin de la curva ofrece los resultados que se muestran en la tabla 4. Corresponden ala zona perteneciente al secado del material y al desprendimiento de los voltiles de bajo pesomolecular, que proceden de la descomposicin de la hemicelulosa y celulosa, segn la primeraetapa asumida en este trabajo.

Tabla 4. Resultados de la integracin de la curva (Fig. 1),en la primera etapa por medio del DSC.

Primera etapa Diferencia de

entalpa

Relacin

energa/masa

Mximodel pico Energa

hasta 85 Cy 90 C 1 005 mJ 181,4 J/g 85,6 C - 2,9 mW

En una segunda etapa (de 90 a 170 C), se siguen sucediendo en menor cuanta los procesosde la etapa anterior, y algunas reacciones de crakeo y ruptura de los enlaces moleculares delos compuestos a voltiles ligeros. Se puede observar una tercera etapa (de 170 a 240 C),donde no existen descomposiciones y el bagazo experimenta tan solo un calentamiento.Luego, en una ltima etapa (de 240 a 346 C), se desprenden los voltiles ms pesados, conalto peso molecular, y el alquitrn (tar), y continan con el proceso de despolimerizacin ycrakeo aportando una cantidad de energa suficiente como para hacer de sta una etapaexotrmica. Se puede establecer una separacin, en esta cuarta etapa, segn nuestrainterpretacin: una hasta aproximadamente 275 C, y otra hasta 346 C. Esta separacin es

interesante para dar con ms claridad los resultados de la integracin de la curva, mediante elDSC, que aparece en la tabla 5.


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Tabla 5. Resultados de la integracin de la curva (Fig. 1),en la cuarta etapa mediante el DSC.

Cuarta etapa Diferenciade

entalpa

Relacin

energa/masa

Mximo

del pico

Energa

hasta 275 C 43 mJ 7,8 J/g 274,0 C 0,3 mW

de 275 a 346 C 156 mJ 28,2 J/g 346,1 C 1,2 mW

2.2. Anlisis trmico diferencial (ATD), en atmsfera de nitrgenoEste anlisis de realiz en un equipo Perkin-Elmer. El peso de la muestra fue de7,30 mg. El material se someti a una relacin de calentamiento de 10 C/min, en atmsferainerte garantizado por un flujo de N2 de 20 cc/min.

Fig. 2.

La figura 2 se ha dividido en 6 etapas para su mejor interpretacin. La primera, fuertementeendotrmica, tiene que ver con la evaporacin y secado de la humedad del combustible, y conel desprendimiento de los voltiles ms ligeros del material estudiado, que ocurre hasta unatemperatura cercana a 100 y 110 C, aproximadamente.

En una segunda etapa (de 110 a 170 C), donde se observa cierta meseta en la curva contendencia a absorber calor, se presupone que termina de producirse el desprendimiento de losvoltiles de productos de degradacin de bajo peso molecular.

Existe una tercera etapa (de 170 a 290 C), donde comienza la ruptura de enlaces moleculares,que no desencadena ninguna reaccin ostensible, pero en la que s se desprende ciertacantidad de calor que es percibida por el equipo DSC. En una cuarta etapa (de 290 a 320 C),se terminan de desprender los voltiles ms pesados que componen el material, donde hayuna fraccin de alquitrn (tar), conteniendo residuos de azcar con ms alto peso molecular. Apartir de aqu comienza la despolimerizacin de los voltiles pesados, lo suficientemente comopara que el material aporte calor en una quinta etapa (de 320 a +380 C).

Ms all de los 380 Cse nota una ostensible estabilidad de la curva, lo que indica que elresiduo carbonoso (char) no llega a oxidarse por la ausencia del oxidante. A continuacin, en la


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tabla 6 se aportan los resultados de la integracin y el anlisis de la zona ms importante de lacurva, que incluyen las etapas tercera y cuarta:

Tabla 6. Resultados de la integracin de la curva (Fig. 2),en las etapas 3 y 4, mediante el ATD.

Lmites Inicio Relacin (energa/masa) Mximo de pico

De 195 a 325 C 254,3 C 1 259 cal/g 286,8 C

2.3. Anlisis trmico diferencial (ATD), en atmsfera de aireEste anlisis de realiz en un equipo Perkin-Elmer. El peso de la muestra fue de11,06 mg. El material se someti a una relacin de calentamiento de 10 C/min, en atmsferaoxidante, garantizada por un flujo de aire de 20 cc/min.

En este caso, en la figura 3, donde aparece el resultado del anlisis del DTA en atmsfera de

aire, se observan picos fuertemente exotrmicos. Esta curva se ha dividido en 6 etapas, parauna mejor explicacin de su interpretacin.

Fig. 3. ATD del bagazo de caa en aire.

La primera etapa (hasta 110 C) es marcadamente endotrmica; en esta ocurre la evaporaciny el desprendimiento de voltiles ligeros, de bajo peso molecular. A partir de los 110 Cy hasta220 C, aproximadamente, comienza la ruptura de los enlaces moleculares de los voltilesdesprendidos en la etapa anterior, y a su vez comienza su oxidacin abierta y eldesprendimiento de los voltiles ms pesados, con alto peso molecular, y el alquitrn.

En la tercera etapa asumida (de 220 a 320 C), existe una franca, abierta y total oxidacin delos voltiles desprendidos, sobre todo los ms ligeros. En la cuarta etapa (de 320 a 400 C),una vez concluida la oxidacin de los productos voltiles, se asume que tambin termina laformacin del residuo carbonoso (char) por medio, fundamentalmente, de la degradacin de lalignina. A partir de 400 Cy hasta 480 C, aproximadamente, ocurre la oxidacin completa delchar dentro de una combustin con resplandor (glowing combustion); esta sera la quinta etapasegn la clasificacin tomada. Ms all de 480 C, el proceso transcurre de manera que loscompuestos minerales, cenizas, van absorbiendo energa en forma de calor, hasta que se retirael calentamiento.

En la tabla 7 se muestran los resultados del anlisis parcial de la zona, que incluye las etapas3 y 4; y en la tabla 8 se muestran los resultados del anlisis total de la zona, que engloba lasetapas 3, 4, 5 y 6.

Tabla 7. Resultados parciales, etapas 3 y 4 (Fig. 3).


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Lmites Inicio Relacin (energa/masa) Mximo de pico

De 240 a 400 C 276,2 C 222,3 cal/g 320,5 C

Tabla 8. Resultados totales, etapas 3, 4, 5 y 6 (Fig. 3).Lmites Inicio Relacin (energa/masa) Mximo de pico

De 220 a 680 C 266 C 1770,1 cal/g 480,7 C

3. Ensayos experimentales en combustor de lecho fluidizadoLos ensayos se realizaron en una planta de demostracin con un combustor de lecho fluidizadoburbujeante, que se encuentra en las instalaciones del Centro para el Desarrollo de EnergasRenovables (CEDER), en Lubia, Soria, perteneciente al Ministerio de Industria y Energa de

Espaa. El combustor de esta planta piloto fue diseado y montado por el grupo deinvestigacin del Departamento de Ingeniera Qumica de la ETSII, de la Universidad deValladolid. El personal especializado del CEDER y de la seccin de Biomasa del CIEMAT, lehan introducido a la planta modificaciones para mejorar sus posibilidades y comportamiento, encuanto a las investigaciones a acometer. Ambos colectivos de especialistas colaboraron en eldesarrollo de este trabajo.

Los resultados obtenidos durante los ensayos sern expuestos a continuacin. Hay quesignificar que los mismos fueron muy positivos, desde el punto de vista de la combustin delbagazo y su comportamiento, a partir de los parmetros globales, dentro del ambiente delcombustor y del lecho fluidizado.

3.1. Descripcin de la instalacin

La instalacin es una planta piloto de 1 MWde potencia calorfica. Como se observa en lafigura 4, presenta un combustor atmosfrico de lecho fluidizado burbujeante (5), de aceroinoxidable refractario, con 1 370 mm de dimetro y 4 000 mm de altura. El lecho, por el interiordel combustor, tiene un dimetro de 1 140 mm. Se emplearon, en la carga del lecho, 120 kgdearena de slice, 90 kgcon un tamao promedio de partcula de0,5 mm, y el resto con tamao promedio de partcula de 1 mm. Se dispone de un cicln (7),construido de acero, con 1 m de dimetro en su parte superior, y 4 m de altura. El aire essuministrado por dos soplantes, una (6) de aire primario, y la otra (4) de secundario; adems,se dispone de un extractor para los gases de la combustin que ayuda al tiro en el combustor.Dentro del cicln hay una intercambiador de calor, para precalentar al aire primario antes deingresar en la cmara de aire.

Fig. 4. Diagrama de flujo de la instalacin.


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El sistema de alimentacin cuenta con 3 tolvas; una para la biomasa principal (1), concapacidad para 400 kg, otra para un combustible slido de apoyo en el arranque de la planta(2) (carbn, o astilla de pino, como en este caso), con 300 kgde capacidad; y otra para laintroduccin de caliza en el combustor si el proceso lo requiriera (3), tambin de 300 kgcomomximo. Estas tolvas descargan, mediante tornillos sinfines individuales, a un tornillo principalpor donde ingresa el combustible al horno. Este sistema no est diseado para trabajar con

bagazo, por lo que hubo que hacer los ajustes necesarios para que el mismo trasegara lo mejorposible. Estos fueron:

*Ajustar las velocidades de rotacin de los motores que movan los tornillos, de manera que seobtuviera el mayor flujo posible de bagazo, y se calcul la correspondencia del flujo para cadavalor de r.p.m.

*Secar el bagazo todo lo que se pudiera, pues provocaba desde atascos en los tornillos, hastaacumulacin en la misma tolva, impidiendo que bajase el combustible. Cuando se comenz, elbagazo tena una humedad de 48 %, que baj paulatinamente hasta llegar a 18 %, que fue conel que se experiment en la planta.

*Tambin hubo problemas con tamao del bagazo de caa. Se procedi a moler el mismo, a un

tamao de luz de malla de 20 mm, lo que ayud mucho al secado y al buen funcionamiento delsistema durante las experiencias.

*Se cambi la posicin del tornillo principal. En un inicio estaba inclinado y se decidi ponerlorecto, introduciendo el bagazo justo por encima del nivel del lecho. Tambin se aument laextensin del husillo de este tornillo, por su parte posterior, debido a los atascos producidos enesa zona, por la acumulacin de bagazo.

4. DiscusinEl combustor se pone en marcha con gasoil hasta que alcanza cierto nivel de temperatura ensu interior, de manera que garantice una mantencin del ambiente para la introduccin de labiomasa; en este caso se decidi comenzar la experiencia con astilla de pino, por ser uncombustible conocido y muy trabajado por el equipo del CEDER. Una vez alcanzada, y

estabilizada, una temperatura en el lecho de ms de 800 C, se procedi a comenzar laalimentacin del bagazo de caa.

Fig. 5. Temperatura del aire debajo del distribuidorpara los distintos ensayos realizados

.Fig. 6. Temperaturas en la parte inferior del lecho

(190 mm del distribuidor) para los distintos ensayos realizados.


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Fig. 7. Temperaturas encima del lecho(300 mm del distribuidor)para los distintos ensayos realizados.

Se realizan experiencias que se pueden dividir en 4 ensayos de distinta duracin. En la figura 5se pueden observar los valores que tom la temperatura a la entrada del aire de fluidizacin,justo en la parte inferior del distribuidor.

En las figuras 6 y 7 se muestran los valores de la temperatura para distintos niveles del lecho.Es de destacar la uniformidad del valor de la temperatura para todo el lecho, siendo un tantoms baja en la parte inferior por la entrada del aire de fluidizacin, ms fro, y un poco ms altaen la parte superior del lecho debido a la transferencia de calor desde el freeboard, provenientede las reacciones que tienen lugar en ste. Es muy importante la aportacin que realizan lasreacciones que ocurren en el freeboard para el diseo del reactor, y para el aprovechamientodurante la combustin, sobre todo de los combustibles biomsicos, como es el bagazo de caade azcar.


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Fig. 8. Temperaturas en el freeboard(700 mm del distribuidor) para los distintos ensayos realizados

.

Como se puede apreciar en las figuras 8, 9, 10 y 11, las temperaturas en el freeboard sonmayores que las del lecho, tanto en la del interior de este ltimo como en la de su superficie;esto se debe a la gran cantidad de materias voltiles que tiene el bagazo, las cuales al ponerseen contacto con el ambiente del combustor, a la salida del tornillo, se desprenden totalmente yse queman en su parte superior, quedando sobre el lecho una cantidad de charcorrespondiente a la proporcin dada por el anlisis inmediato. Esta cantidad ltima es la quelogra mantener, en un nivel adecuado, la temperatura en el interior y sobre la superficie dellecho, para que este no se enfre y pueda permanecer estable el proceso de la combustin.

Se ve con mucha claridad a qu alturas (figuras 9 y 10), aproximadamente, tienen lugar lamayora de las reacciones de los voltiles desprendidos durante la etapa de pirlisis dentro delproceso de combustin, estando entre 1 500 y 2 020 mm sobre el distribuidor. En este rango dealtura se obtienen los valores ms elevados de temperatura en el freeboard; luego estos

valores van disminuyendo en la medida en que se aprovecha el calor generado durante dichasreacciones, por medio de la superficie de intercambio de calor.

Fig. 9. Temperaturas en el freeboard(1 520 mm del distribuidor) para los distintos ensayos realizados.

Fig. 10. Temperaturas en el freeboard(2 020 mm del distribuidor) para los distintos ensayos realizados


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.Fig. 11. Temperaturas en el freeboard

(2 960 mm del distribuidor) para los distintos ensayos realizados.

Se demuestra, adems, que la temperatura en los puntos de mayor temperatura no suele irms all de 1 000 C, lo que es uno de los aspectos que medioambientalmente hace atractivoeste tipo de tecnologa de combustin.

Una vez terminada la experiencia, se hizo un examen visual a las cenizas y a la composicinde las partculas elutriadas durante los ensayos, constatndose poca presencia deinquemados, lo que demuestra que casi la totalidad de las partculas de bagazo se quemaronen el interior del combustor. Esto ltimo ya se esperaba debido al aspecto de los humos a lasalida de la chimenea, mostrando un tenue color gris y dando prueba de la calidad y el altorendimiento de la combustin.

Se debe mencionar que al ser la planta utilizada en este trabajo una planta experimental, noest diseada especficamente para operar con este tipo de combustible exactamente, lo que

lleva al sistema a tener un grupo de imprecisiones que va en detrimento de su rendimientoglobal. Slo el diseo particular, o al menos el adaptado a las condiciones del trabajo conbagazo de caa, puede hacer que se logre extraer de un combustor como el empleado toda laeficiencia que realmente el mismo puede brindar.


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Fig. 12. Temperaturas de los humos a la salidadel combustor para los distintos ensayos realizados.

La eficiencia del combustor es relativamente elevada, pudiendo ser mayor si se mejora larecuperacin de calor de los humos, all donde se pueda aprovechar la energa. Las prdidasde calor por los humos se pueden disminuir considerablemente, dados los valores de la

temperatura de los mismos (figura 12), aspectos que estn relacionados con lo comentadoanteriormente.

5. ConclusionesSe ha realizado un anlisis completo del bagazo de caa de azcar empleado en los ensayos,destacndose las curvas obtenidas bajo distintas tcnicas de anlisis trmico y sus respectivasinterpretaciones, y alcanzando claridad en los distintos procesos que tienen lugar en lacombustin del biocombustible.

En este trabajo se muestra la experimentacin exitosa de la combustin del bagazo de caa deazcar bajo la tecnologa del lecho fluidizado. Se obtuvieron resultados muy estimulantes parafuturas investigaciones.

Se demostr el alto rendimiento de la combustin del bagazo en los ensayos realizados, conla ausencia de inquemados en las partculas elutriadas, de manera que prcticamente todas laspartculas se queman en el interior del combustor. Se alcanzan altos valores de rendimiento global de la instalacin, estando ste sujeto amejorarse en la planta que se disee para tal fin, con la incorporacin de equiposrecuperadores de calor en distintas partes del reactor.

Se presentaron los perfiles de temperatura en distintos niveles del combustor, medidosdurante los ensayos, brindando una idea bastante amplia de los fenmenos que deben ocurriren el reactor para las diferentes alturas, lo que es muy importante para prximos trabajosdirigidos a desentraar la cintica de las reacciones que tienen lugar durante el proceso decombustin.

Se demuestra el papel protagnico que tiene la combustin de los productos voltiles en todoel proceso, y las relativamente bajas temperaturas que se obtienen con relacin a las quepodra facilitar la formacin de xidos de nitrgeno.

SmbolosA - rea transversal del reactor (m2).Ar - Nmero de Arqumedes.CD - Coeficiente de arrastre.dp- Dimetro de partcula (m).db- Dimetro de burbuja (m).db0 - Dimetro de burbuja naciente (m).dbm - Dimetro mximo de burbuja (m).

db,lf - Dimetro de burbuja en la superficie del lecho (m).dt - Dimetro total del combustor (m).

- Velocidad de elutriacin (kg m-2 s-1).


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g - Aceleracin de la gravedad (m s-2).

- Constante de elutriacin (kg m-2 s-1).L - Longitud del lecho fijo (m).uo - Velocidad superficial del gas (m s-1).ubr - Velocidad de la burbuja aislada (m s-1).z - Altura en el lecho (m).

mf - Porosidad de mnima fluidizacin.

- Densidad del slido-arena (kg m-3).

- Densidad del gas-aire (kg m-3).

- Viscosidad (Pa s) .

- Esfericidad de la partcula.

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