Dit Azuzar El Bueno

7/25/2019 Dit Azuzar El Bueno

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CELT-008-2012

Del 12 al 15 de Marzo del 2012 Page 1 of 11

ANLISIS DE SUSTENTABILIDAD DE LA COGENERACIN EN

UN INGENIO AZUCARERO

Jos M., Cajigas SilvaUniversidad Autnoma Metropolitana UnidadIztapalapa. Departamento de Ingeniera de

Procesos e Hidrulica,[email protected],

Av. San Rafael Atlixco No. 186, Col. Vicentina,C.P. 09340, Iztapalapa, Mxico, D.F., Mxico.

Ral, Lugo LeyteUniversidad Autnoma Metropolitana UnidadIztapalapa. Departamento de Ingeniera de

Procesos e [email protected]

Av. San Rafael Atlixco No. 186, Col.Vicentina, C.P. 09340, Iztapalapa, Mxico,

D.F., Mxico.

Omar A., Ruz Ramrez

Tecnolgico Estudios Superiores de EcatepecDivisin de Ingeniera Mecatrnica e [email protected]

Av. Tecnolgico. Esq. Av. Hank Gonzlez. Col.Valle de Anhuac, 55210, Ecatepec, Estado de

Mxico, Mxico.

Martn, Salazar Pereyra

Tecnolgico Estudios Superiores de EcatepecDivisin de Ingeniera Mecatrnica eIndustrial.

[email protected]. Tecnolgico. Esq. Av. Hank Gonzlez. Col.Valle de Anhuac, 55210, Ecatepec, Estado

de Mxico, Mxico.

RESUMENLa cogeneracin es una opcin econmica para suministrar en forma simultnea energa

elctrica y energa trmica a los procesos industriales, lo que ha favorecido la creciente

utilizacin de esta tecnologa en los ingenios azucareros. En el presente trabajo se realizaun anlisis de sustentabilidad del proceso de cogeneracin en un ingenio azucarero, ste se

lleva a cabo utilizando el bagazo de caa como combustible en un generador de vapor, elpoder calorfico del bagazo de caa depende principalmente del contenido de humedad, de

azcar y de ceniza; por tonelada de caa se producen entre 33 y 44 kWh dependiendo del

poder calorfico del bagazo.La turbina de vapor tiene dos extracciones para el proceso de produccin de azcar, estos

flujos se emplean en los trapiches dado que son los equipos que ms consumen energa en

la produccin de azcar, el flujo de combustible requerido para generar 4 MW es de 0.96KgC/s. La turbina de vapor utilizada en este proceso es de contrapresin. Se realiza un

anlisis de la combustin del bagazo de caa, tambin se realiza un balance de masa y

energa en los equipos del proceso de produccin de azcar. En el proceso de cogeneracinel flujo de vapor que se produce en el generador de vapor es de 6.134 kg/s, con una

eficiencia trmica de 50 %, el flujo de vapor que se extrae de la turbina para el trapiche es

de 1.96 kg/s.

PALABRAS CLAVECogeneracin, sustentabilidad, ingenio azucarero
mailto:[email protected]:[email protected]


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NOMENCLATURAP presin; [bar, kPa],

T temperatura; [C, K],

v volumen especfico; [m3/kg],s entropa por unidad de masa; [kJ/kgC],

h entalpa por unidad de masa; [kJ/kg],q calor suministrado por unidad de masa;

[kJ/kg],

w trabajo generado por la turbina por unidadde masa; [kJ/kg],

CTU consumo trmico unitario; [kJ/kWh],

u energa interna por unidad de masa;[kJ/kg],

U energa interna; [kJ],

m flujo msico a la entrada de la turbina;[kg/s],

RAC relacin aire combustible; [kga/kgc],

N nmero de moles de vapor de agua; [-],

T temperatura de punto de roco; [C],

M masa molar de vapor; [kg/kgmol],CEV consumo especfico de vapor; [kJ/kW-h],

CEC consumo especfico de combustible;[kJ/kW-h],

Letras griegas

eficiencia isoentrpica de la turbina; [-],

humedad especfica; [-],

humedad relativa; [%],

exceso de aire [%],

Subndices

sum suministrado,

b bomba,

TV turbina de vapor.

INTRODUCCINLos sistemas de cogeneracin con base en la biomasa son cada vez ms populares, gracias a

amplio beneficio energtico y econmico en los ingenios azucareros y en varias industrias,diversas investigaciones se han llevado a cabo en esta rea. Sipila [1] Ha dado una visin

general sobre la forma combinada de produccin de energa y calor, asegurando que la

cogeneracin debe de ser ampliamente utilizada y es una forma eficiente de reducir las

emisiones de CO2. Tillman y Jamison [2] llevaron a cabo una revisin de varios ciclos decogeneracin bsicos: turbina de vapor, ciclo de turbina de gas, ciclo diesel, y se encontr

que el ciclo de turbina de vapor es el ms apropiado para la cogeneracin con madera y el

bagazo de caa. Hessami [3] Seal que la cogeneracin es actualmente la estrategia degestin de la energa ms adecuada para aplicaciones que requieren tanto calor y

electricidad al mismo tiempo. Dong [4] Llev a cabo una revisin sobre el desarrollo de

sistemas de smalland micro-escala de la biomasa como combustible, haciendo alusin enla aplicacin actual del ciclo Rankine orgnico (CRO) de biomasa a pequea escala y hace

la comparacin de sistemas de cogeneracin (otras tecnologas como la gasificacin de la

biomasa y las micro-turbinas alimentada con biomasa) con los CRO. Gustavsson [5]Observo que las nuevas tecnologas para la cogeneracin con biomasa que estn siendo

desarrolladas aumentan el potencial para cogenerar electricidad y reducir los costos. Larson

[6] Disea y hace estimaciones de los resultados de las dos plantas con configuracionesdiferentes; gasificador integrado de biomasa y ciclo combinado de turbina de gas, (BIG /

CCTG), emplendolas en fbricas de azcar. Uddin SN y Barreto L. [7] Analizaron la

cogeneracin con biomasa basada en la tecnologa de turbinas de vapor (CHP-BST) yestima los costos de mitigacin de CO2 de las tecnologas de cogeneracin. Prasad [8]

Explor el potencial para el uso de fuentes de biomasa para la generacin de vapor para

procesos industriales y la electricidad rural.


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Murphy y Mckeogh [9] investigaron cuatro tecnologas que producen energa a partir de

residuos slidos urbanos: incineracin, gasificacin, la generacin de biogs y la utilizacinde una produccin combinada de calor y electricidad, la generacin de biogs y la

conversin para el transporte de combustible.

METODOLOGIADescripcin del proceso

La materia prima que se utiliza para la elaboracin de azcar es la caa de azcar, esta secosecha hasta una edad de 12 a 14 meses. La caa que llega de la cosecha es descargada en

la mesa de alimentacin. De aqu se pasa a un conductor que transporta la caa hasta el

molino. En el conductor se prepara y nivela el colchn de caa, utilizando picadoras,desfibradoras, desmenuzadoras o una combinacin de estas. La molienda se efecta en un

trapiche de cuatro a seis molinos, cada molino consta de tresmazas o rodillos; la caa pasa

a travs de los molinos y cada uno realiza una extraccin de jugo. La imbibicin de la caa

con agua (fra o caliente) o jugo diluido despus del tercer molino, en una proporcin quevara entre el 20 y 25 % del peso de la caa, se realiza con el fin de facilitar y mejorar la

extraccin de la sacarosa presente. El residuo fibroso final de la caa se denomina bagazo yes utilizado como combustible en las calderas del ingenio. El jugo diluido procedente de los

molinos se pesa, se tamiza y posteriormente se le adicionan compuestos qumicos (cal y

cido fosfrico)que ayudan a remover las impurezas orgnicas e inorgnicas presentes enel jugo. Se eleva la temperatura del jugo encalado entre los 80 y 90C para acelerar la

reaccin coagulante de la cal; este calentamiento pasteuriza el jugo, y es realizado en

calentadores de tubos, el jugo alcalizado se lleva a los clarificadores de sedimentacin.

Agua

Caa

limpia

Agua residual

Caa

Corta caas

Desfibrador

Desmenuzador

Caa preparada para la

molienda

Bagazo

Agua de imbibicin

Jugo diluido

Cal

Jugo Diluido listo para entrar a

latorre de sulfatacin

Gases de azufre

SO2

Jugo sulfitado

Rx Azufre

O2

Cal

Jugo alcalizado

Jugo caliente

Jugo clarificado

Lodos

Cachaza

Jugo Filtrado

Jugo clarificado

recuperado

Lodos

Meladura

Condensado

Meladura Caliente

Condensado

Meladura

sulfitada

Gases de azufre

SO2 RxAzufre

O2 Meladura

Clarificada

condensado

Masa cocida

Azcar

Miel fina

Masa homogeneizada

Azucar seco

Figura 1. Diagrama de flujo de proceso de produccin de azcar.
http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_glo.htm#Mazahttp://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_glo.htm#Bagazohttp://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_mp.htm#Cal%C2%A0:http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_mp.htm#Acido%20Fosf%C3%B3rico%C2%A0:http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_glo.htm#Bagazohttp://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_mp.htm#Acido%20Fosf%C3%B3rico%C2%A0:http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_mp.htm#Cal%C2%A0:http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_glo.htm#Bagazohttp://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/311801/311801_glo.htm#Maza


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Para la produccin de azcar a partir de la meladura se utiliza un sistema de tres etapas en

los tachos. Se produce el cristal, los ncleos cristalinos formados se hacen crecerposteriormente en etapas. A partir del cristal se producen las templas B y C, con mieles de

mayor o menor pureza. Las templas B y C sirven para producir las templas A, que dan elazcar comercial por el crecimiento de sus granos alimentados con meladura. Las templasse elaboran en los tachos. El azcar A o azcar comercial se pasa a travs de secadoras,

para disminuir su humedad hasta el 0.06 %. Una vez seco, el azcar se almacena en las

tolvas, se empaca en sus diferentes presentaciones, y se despacha a los puntos dedistribucin y venta o a los puertos desde donde se exporta.

La cogeneracin en ingenios azucareros

Los ingenios de caa de azcar son particularmente interesantes para la cogeneracin,

puesto que el bagazo de caa est disponible prcticamente sin costo como combustiblepara los generadores del vapor. Sin embargo, hasta la fecha, los ingenios azucareros haban

limitado la generacin de la energa elctrica y trmica solamente para resolver su propiademanda, debido a lo cual, su potencial existente de energa no haba sido agotado.Mientras tanto, varios pases han reconocido que el bagazo puede contribuir

considerablemente para la substitucin de fuentes de energa primaria no renovables. El

bagazo, fibra residual de la caa de azcar despus de la molienda, es un combustiblenatural para producir vapor en las fbricas azucareras. Es de tamao uniforme, con longitud

promedio que va de 5-7.5 cm y no excede los dos centmetros de ancho; el rango de

densidad vara entre 120-160 kg/m3. El bagazo consiste de fibra, agua, slidos solubles y

cenizas; pero es importante conocer su composicin qumica, que afecta su uso como

combustible, y el mtodo por el cual puede ser manipulado y quemado tcnica y

econmicamente. Su poder calorfico especfico oscila entre 10,500 y 19,500 kJ/kg,

dependiendo de la humedad que ste contenga. Existen tres formas que se emplean en losingenios azucareros para generar energa, en el presente trabajo se hace la simulacin del

ciclo de vapor que est siendo adoptado por los ingenios azucareros. La Figura 2 muestra el

diagrama esquemtico del ciclo de vapor de un ingenio azucarero.

G

T1

T2

m2

m3

m4

m2

1-(m2+m3+m4)

(1-m4)

m3

1

2

3

4

5

10

11

6789

1213

Figura 2. Diagrama esquematico del ciclo de vapor de un ingenio azucarero.


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En el generador de vapor se genera vapor sobrecalentado, a una temperatura T1 y una

presin P1. El vapor vivo se expande en la turbina de vapor hasta el estado 2, en este estadose extrae una fraccin msica m2a la presin P2, la fraccin m2se emplea en el proceso de

extraccin de jugo realizado en el trapiche 1. La fraccin msica (1 - m2) se expande en laturbina hasta el estado 3, en donde se extrae la fraccin msica m3 a la presin P3, lafraccin msica m3se utiliza en la extraccin del jugo en el proceso de lavado que se hace

en el trapiche 2. La fraccin msica (1 - m2- m3) se expande en la turbina hasta el estado 4,

en este estado se extrae la fraccin msica m4, sta se enva al deareador para precalentar ydesgasificar el agua de alimentacin (1 m2- m3- m4). La fraccin msica (1 - m2- m3-

m4) se expande en la turbina hasta la presin de condensacin P5que corresponde al estado5, en todas las expansiones se genera un trabajo. La fraccin msica (1 m4) entra al

condensador como vapor hmedo y sale como lquido saturado; enseguida, la bomba B1la

bombea al deareador, en donde se mezcla con la fraccin msica m4. Finalmente, la bombaB2bombea al agua lquida al generador de vapor. El generador de vapor se compone de un

economizador, un evaporador, un sobrecalentador y un domo. Como combustible se utilizael bagazo que se obtiene en el proceso para producir azcar a partir de la caa de azcar. Enel diagrama temperatura entropa que se muestra en la Figura 3, se presentan las

evoluciones antes citadas.

1

2

3

4

6 5

10

13

11

12

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2m

3m

4m

2 3 41 m m m

( / )s kJ kgK

(

)

T

C

Figura 3. Diagrama temperatura entropa del ciclo de vapor de la cogeneracin

A la cmara de combustin entra bagazo y aire para que se lleve a cabo la combustin.Obteniendo a la salida cenizas, nitrgeno, oxgeno, agua, bixido de carbono y azufre comose muestra en la Figura 4.5.

El trabajo por unidad de masa generado

1 2 2 3 1 3 4 1 2

4 5 1 2 3 7 6 2 9 8

( ) ( )(1 ) ( )(1 )

( )(1 ) ( )(1 ) ( )

mw h h h h m h h m m

h h m m m h h m h h

(1)


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El calor suministrado al trapiche 1 por unidad de masa

1 2 10 2sumTq h h m (2)

El calor suministrado al trapiche 2 por unidad de masa

2 3 11 3( )

sumTq h h m (3)

La eficiencia trmica del ciclo de vapor

1 2m sumT sumT TH

sum

w q q

q

(4)

El consumo trmico unitario

3600

TH

CTU

(5)

El consumo especfico de vapor

1 2

3600V

CV T T

mCEV

W Q Q

(6)

El flujo de combustible para generar una potencia dada

1 2

v sumcom

CV T T

m qm

W Q Q

(7)

El consumo especfico de combustible

3600commCEC

PCI (8)

Flujos de vapor extrados a la turbina

2 2 3 3 4 4, ,

V V Vm m m m m m m m m (9)

La ecuacin de combustin balanceada utilizando la cantidad estequiomtrica de aire con

una humedad relativa del 80% se obtiene al aadir en ambos miembros de la

ecuacin:


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2 2 2 2 2

2 2 2

47 6.5 44 2.5 50.25 3.76 4.42

47 2.5 10.92 189.04

C H O Cen O N H O

CO Cen H O N

(10)

La relacin aire combustible (RAC) se determina tomando la proporcin entre la masa deaire y la masa de combustible

2 2

aire aire

combustible C H O Cen

nMmRAC

m nM nM nM nM

Condiciones de operacin

Las condiciones atmosfricas y de operacin de la turbina de vapor se muest6ran en la

Tabla 1y 2.

Tabla 1. Condiciones atmosfricas.

Tamb(C) Patm(bar) (%)

31.7 1 30

Tabla 2. Condiciones de operacin de la turbina de vapor.

TV(C) PV(bar) sit (%)

510 67 82

La Tabla 3 muestra las caractersticas del bagazo de caa como combustible.

Tabla 3. Caractersticas del bagazo.

Elementos qumicos Bagazo (%)

Carbono 47

Hidrgeno 6.5

Oxgeno 44

Cenizas 2.5

Azufre Despreciable

Nitrgeno Despreciable

RESULTADOS

En la Tabla 4 se presentan los resultados de la cogeneracin en ingenios azucareros. Lapotencia generada por el ciclo de vapor es de 4.01MW, y el flujo de calor suministrado altrapiche1 es 1.66MW y la potencia calorfica suministrada al trapiche 2 es de 0.149 MW, es

decir la potencia es de 4.01 MW y la potencia calorfica es de 1.809 MW, es decir, el

sistema de cogeneracin genera 5.809 MW. Para generar la potencia de 5.809 MW slo serequieren 0.882 kilogramos de bagazo por segundo y 6.134 kilogramos de vapor por

segundo, con una eficiencia trmica de 0.502.


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Tabla 4. Resultados de la cogeneracin en ingenios

azucarerosTabla 5. Combustin del bagazo con la cantidad

estequiomtrica de aire seco.

sumq 3012.811 kJ/kg

TH 0.502CTU 7171.314 kJ/kW-h

vapm 6.134 kg/s

CEV 3.834 kgvap/kW-h

cm 0.882 kgc/s

CEC 0.602 kgc/kW-h

1sumTq 846.674 kJ/kg

2sumTq 193.224 kJ/kg

Entrada Mol

Carbono 47.00

Hidrgeno 6.50

Oxgeno 44.00

Cenizas 2.50

Oxgeno Teorico 50.25

Aire Teorico 239.29

Aire que entra 239.29

Oxgeno que entra 50.25

Salida Moles

CO2 47.00

Oxgeno 0.00

Cenizas 2.50

H2O 6.50

Nitrgeno 188.90

Tabla 6. Combustin de 100 moles de bagazo de

caa con el 10% de exceso de aire secoTabla 7. Combustin de 100 moles de bagazo de

caa con el 20% de exceso de aire seco.EA. 10% Entrada (moles)

Carbono 47.00

Hidrgeno 6.50

Oxgeno 44.00

Cenizas 2.50Azufre Despreciable



Aire Teorico 239.29



salida (moles)

CO2 47.00

Oxgeno 5.03

Cenizas 2.50

H2O 6.50

Nitrgeno 207.94

RAC 3.83

EA. 20% Entrada (moles)

Carbono 47.00

Hidrgeno 6.50

Oxgeno 44.00

Cenizas 2.50Azufre Despreciable



Aire Teorico 263.21



salida (moles)

CO2 47.00

Oxgeno 16.08

Cenizas 2.50

H2O 6.50

Nitrgeno 249.53

RAC 4.60

La Tabla5 muestra la combustin de 100 moles de bagazo con la cantidad estequiomtrica

de aire seco, haciendo la suposicin que la combustin es completa.


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Haciendo el mismo anlisis antes mencionado, se hace la combustin de 100 moles de

bagazo de caa a diferentes porcentajes de exceso de aire (10%, 20%, 30% y 50%) como semuestra en las Tablas 6, 7, 8. En tabla 7, se emplean 3.83 kg de aire para quemar un

kilogramo de bagazo durante un proceso de combustin utilizando el 10% de exceso deaire. En tabla 8, se emplean 4.6 kg de aire para quemar un kilogramo de bagazo durante unproceso de combustin utilizando el 20% de exceso de aire. En tabla 8, se emplean 4.98 kg

de aire para quemar un kilogramo de bagazo durante un proceso de combustin utilizando

el 30% de exceso de aire. En tabla 9r, se emplean 5.75 kg de aire para quemar un kilogramode bagazo durante un proceso de combustin utilizando el 50% de exceso de aire. Al

aumentar el exceso de aire, la relacin aire combustible disminuye. La Figura 4 muestra elcomportamiento de la relacin aire combustible variando el exceso de aire.

Tabla 8. Combustin de 100 moles de bagazo de caa conel 30% de exceso de aire seco.

Tabla 9. Combustin de 100 moles de bagazo de caa conel 50% de exceso de aire seco.


Carbono 47.00

Hidrgeno 6.50

Oxgeno 44.00

Cenizas 2.50

Azufre Despreciable



Aire Teorico 263.21



salida (moles)

CO2 47.00

Oxgeno 21.61

Cenizas 2.50

H2O 6.50

Nitrgeno 270.32

RAC 4.98


Carbono 47.00

Hidrgeno 6.50

Oxgeno 44.00

Cenizas 2.50

Azufre Despreciable



Aire Teorico 263.21


Oxgeno queentra

82.91

salida (moles)

CO2 47.00

Oxgeno 32.66

Cenizas 2.50

H2O 6.50

Nitrgeno 311.91

RAC 5.75

Figura 4. RAC Vs % de exceso de aire


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CONCLUSIONESEn una planta de generacin termoelctrica se quema normalmente un combustible fsil

para producir vapor a alta temperatura y presin, el cual pasa por una turbina de vapor para

generar energa elctrica. En este proceso, se logra tener una eficiencia trmica de menosdel 40%, la energa restante se descarga a la atmsfera, mediante los gases de combustin

que salen por la chimenea del generador de vapor, en los sistemas de condensacin y

enfriamiento del ciclo Rankine. Para abastecer la demanda energtica de un ingenio

azucarero, la cual es aproximadamente 5.809 MW, y alimentar los trapiches como en elcaso estudiado, en cual se necesita 0.882 kg de bagazo de caa por segundo, cuyo poder

calorfico es de 19200 kJ/kg, el calor suministrado al fluido de trabajo es de 3012.81 kJ/kg,

el consumo especfico de vapor es de 3.834 kg de vapor por kW-h y el flujo especfico decombustible es de 0.602kg de bagazo por kW-h, el trabajo generado por la turbina de vapor

por unidad de masa es de 660.799kJ/kg, el trabajo suministrado por la bomba por unidad de

masa es de 8.685kJ/kg y el trabajo motor por unidad de masa es de 652.114kJ/kg. La

temperatura ambiente es un factor importante en el ciclo de vapor, es decir, alincrementarse, el calor suministrado por unidad de masa, el trabajo generado por la turbina

por unidad de masa, el trabajo suministrado por la bomba por unidad de masa y laeficiencia trmica disminuyen, por ejemplo, si la temperatura ambiente es de 5 C, el calor

suministrado es de 3,329.14kJ/kg y para 35C, el calor suministrado es de 3,218.58 kJ/kg,

es decir disminuye en 3.3%. Tambin al aumentar la temperatura ambiente, el flujo decombustible, el flujo de vapor, el consumo especfico de combustible y vapor, aumentan.

REFERENCIAS[1] Sipila K., 1993, New power-production technologies: various options for biomass

and cogeneration, Bioresour Technol, 46, pp. 512.

[2] Tillman DA, 1982, Jamison RL. Cogeneration with wood fuels: a review. FuelProcess Technol, Fuel Process Technol, 5, pp. 16981.

[3] Hessami MA., 1994, Specific applications of bio/landfiil gas produced from wasteorganic material, Renew Energy, 5, pp. 8324.

[4] Dong L, Liu H, Riffat S., 2009, Development of small-scale and micro-scalebiomassfuelled CHP systemsa literature review,Appl Therm Eng, 29, pp. 2119

26.

[5] Gustavsson L., 1994, Biomass and district-heating systems,Renew Energy, 5, pp.83840.

[6] Larson ED., 2001 A review of biomass integrated-gasifier/gas turbine combinedcycle technology and its application in sugarcane industries, with an analysis for

Cuba, Energy Sust Dev, 5, pp. 5476.


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[7] Uddin SN, Barreto L. 2007, Biomass-fired cogeneration systems with CO2 capture

and storage,Renew Energy, 32, pp. 100619.

[8] Prasad SB., 1990 Electricity and heat cogeneration from biomass fuels: a case studyin Fiji,Solar Wind Technol, 7, pp. 259.

[9] Murphy JD, McKeogh E., 2004, Technical, economic and environmental analysis of

energy production from municipal solid waste, Renew Energy, 29, pp. 104357.

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