Trabajo CALDERAS PAJA Definitivo

Generación de Energía con Paja como Combustible Facultad de Ingeniería - UNJu

Ricardo Lozano 1

Trabajo:

GENERACIÓN DE ENERGÍA CON PAJA COMO COMBUSTIBLE

Marzo 2011

Autor: LOZANO, RICARDO A.

DNI: 23.053.656 LU: 1961

Carrera: ING. QUÍMICA

Materia: INGENIERÍA DE LOS SERVICIOS

Docente a Cargo: ING. CARLOS OHELER

Temario: 1. INTRODUCCIÓN

2. ASPECTOS EN EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO, ECONÓMICOS Y

AMBIENTALES DE LA PAJA.

3. FUNCIONAMIENTO DE LAS CALDERAS A PAJA.

4. CASOS REALES.

5. CONCLUSIONES.

6. REFERENCIAS.


Ricardo Lozano 2

1. INTRODUCCIÓN

La paja es un producto (el tallo seco) resultante como residuo de cultivos,

principalmente de cereales de grano. Proviene de cierta gramíneas,

especialmente los cereales llamados comúnmente de "caña" (trigo, avena,

centeno, cebada, arroz, etcétera), una vez cortado y desechado, después de

haber separado el grano o semilla mediante la trilla.

Imagen 1: La paja es un producto de desecho de la producción de cereales de grano. La imagen muestra una cosechadora de corte la cual puede dejar arada a la paja

residual. El terreno detrás de la cosechadora es tierra de barbecho.

En la actualidad, de la producción total de paja, sólo una pequeña parte se

utiliza para fines energéticos. La mayor parte se utiliza en la propia producción

agrícola, es decir, como “lecho” en los sistemas de crianzas para el ganado, etc.

El volumen de producción en nuestro país oscila entre de 15 a 19 millones de

toneladas anuales.

También una considerable cantidad de paja se utiliza para la calefacción,

secado de granos, etc.

Como es el caso de otros restos de cultivos, la paja al ararse sobre el

suelo puede contribuir al aumento del contenido de carbono largo plazo en las

tierras de cultivo como en el caso también de la hierba luego del cultivo de

granos. La ventaja mediante la eliminación de la paja del campo con fines

energéticos es que sustituye a los combustibles fósiles. La mayor parte del

carbono en la paja de arado se libera nuevamente en forma de CO2, y en


Ricardo Lozano 3

conjunto menos CO2 se emite a la atmósfera si se quita la paja para el propósito

de sustituir los combustibles fósiles.

La paja es un combustible renovable, muy económico y disponible

fácilmente en nuestro país especialmente en las zonas agrícolas, con lo que la

oportunidad de su utilización, la disponibilidad de incentivos financieros y las

políticas de protección medioambiental de las autoridades podrían favorecer la

construcción de plantas de generación térmica a partir de paja.

En algunos países la utilización agrícola de la paja ha decaído

recientemente, principalmente debido a la tendencia a la baja del número de

cabezas de ganado. Debido a ello existe grandes cantidades de paja a la

espera de poderles dar otro uso. Por el incremento de los precios de los

combustibles fósiles, no hay duda que su utilización para uso térmico es una

inmejorable salida a este deshecho agrícola que va a proporcionar a los

productores unos beneficios extra.

La quema de los residuos de las cosechas es una practica habitual, que no

es legal (Ley Nacional, la 26.331 Ley de bosques), no es recomendada por el

INTA, pero goza de la no intervención de las autoridades (municipales,

provinciales), y de gran aceptación por parte de algunos productores (no hay

que poner a todos los huevos en la misma canasta).

Los gases de salida producidos durante el proceso de combustión

contienen mínimas cantidades de compuestos sulfúricos y mucho menos

cantidad de óxidos de nitrógeno que los gases de salida producidos por

cualquier combustible fósil. En comparación con sistemas generadores de calor

con carbón, las plantas de paja utilizan 1,25 veces más combustible en cuanto a

peso.

2. ASPECTOS EN EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO,

ECONÓMICOS Y AMBIENTALES DE LA PAJA

2.1. LA PAJA COMO COMBUSTIBLE El argumento más importante para el uso de paja para fines energéticos es

que este combustible es neutro en CO2 y por lo tanto no contribuye a aumentar


Ricardo Lozano 4

la contenido de CO2 de la atmósfera, que resulta en un empeoramiento de los el

efecto invernadero. La paja utilizada como combustible normalmente contiene

14 a 20% de agua que se vaporiza durante la quema. La materia seca restante

se compone de menos de 50% de carbono, el hidrógeno al 6%, 42% de

oxígeno, y pequeñas cantidades de nitrógeno, azufre, de silicio y otros

minerales, por ejemplo, alcalinos (sodio y potasio) y cloruro. La combustión

tiene lugar en 4 fases. Durante la fase 1, el agua libre se evapora. En la fase 2,

la pirólisis (Gasificación) se produce, durante la cual los gases combustibles se

producen dependiendo de la temperatura. Siempre habrá un cierto contenido

de monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2), metano (CH4), y otros

hidrocarburos. La fase 3 es la combustión de los gases nombrados. Si se

suministra suficiente oxígeno, se produce una combustión completa cuyos

productos residuales son el dióxido de carbono (CO2) y agua. Cuando el

oxígeno suministrado no es insuficiente, se produce monóxido de carbono,

hollín (carbón finamente dividido), e hidrocarburos no quemados. Durante la

fase 4, se quema el carbón producido. En la combustión completa, se produce

dióxido de carbono. Si hay reducción del suministro de oxígeno, se produce

monóxido de carbono. Por último, sólo quedan cenizas que consisten en

materia inorgánica incombustibles. Si la combustión es incompleta, la ceniza

puede contener residuos de paja sin quemar. El aire que se suministra en

exceso al teóricamente necesario para una combustión completa se llama

exceso de aire. Una cierta cantidad de exceso de aire es necesario a fin de

garantizar suficiente aire en toda la zona donde se queman gases, aunque la

mezcla de gas / aire nunca es uniforme. La relación entre el suministro de aire

y, la que teóricamente se requiere se llama relación de exceso del aire

(lambda).

= aire suministrado / aire requerido


Ricardo Lozano 5

Figura 1: La combustión ideal de paja se realiza en exceso de aire de entre 1,4 y 1,6. A modo de ejemplo, 7,5% de oxígeno se mide en la salida de los humos. La curva

indica la presencia aprox. de 13% de dióxido de carbono con exceso de aire que es del 1,5%

A través de las paredes de la caldera y de los tubos de fuego, la mayor

proporción del calor de la combustión es absorbido por el agua en la caldera,

mientras que el resto se pierde a través de la chimenea como una mezcla de

dióxido de carbono, vapor y pequeñas cantidades de monóxido de carbono y

otros compuestos, por ejemplo, el alquitrán y compuestos de cloro. Además,

los gases de combustión contienen pequeñas partículas de cenizas y sales

alcalinas.

La presencia de cloro y álcalis en los gases de combustión constituye un

problema, ya que estas sustancias se convierten por reacciones químicas en

cloruro de sodio y cloruro de potasio que son extremadamente corrosivos para

el acero de las calderas y tuberías, sobre todo a altas temperaturas. La ceniza

no está exenta tampoco de problemas, ya que su temperatura de

reblandecimiento es relativamente baja en comparación a otros combustibles, a

partir de 800-850 ° C. Incluso se ha demostrado qu e la ceniza puede ser

viscosa a partir de 600 ° C. Esto es importante, e n particular, en las plantas de


Ricardo Lozano 6

energía en donde la temperatura del vapor es alta con el fin de lograr una gran

eficiencia. Para ello se requiere de un sobre-calentador de alta temperatura,

con lo cual se corre riesgo de extensos depósitos de cenizas en los tubos del

re-calentador. En caso de una combinación de paja y de carbón sea utilizada

como combustible, la presencia de la materia alcalina en la ceniza indica que -

al contrario de la ceniza de carbono puro - no puede ser utilizada como relleno

en materiales de construcción, sino que debe ser desechado en centros de

disposición controlada.

Unidad Paja Amarrilla

Paja Gris

Chips de

Madera

Carbón Gas Natural

Contenido de Agua % 10-20 10-20 40 12 0

Componentes volátiles % >70 >70 >70 25 100

Ceniza % 4 3 0,6-1,5 12 0

Carbono % 42 43 50 59 75

Hidrógeno % 5 5,2 6 3,5 24

Oxígeno % 37 38 43 7,3 0,9

Cloro % 0,75 0,2 0,02 0,08 -

Nitrógeno % 0,35 0,41 0,3 1 0,9

Sulfuros % 0,16 0,13 0,05 0,8 0

Contenido Calórico, libre de cenizas y agua

MJ/kg 18,2 18,7 19,4 32 48

Contenido Calórico actual MJ/kg 14,4 15 10,4 25 48

Temperatura de reblandecimiento de las cenizas

ºC 800 -1000

950 -1100

1000 -1400

1100 -1400

Tabla 1: Datos de varios combustibles con un contenido de humedad típico. Son analizados por experimento de la lixiviación de la paja. Los resultados demostraron

que después de 150 mm de lluvia, el contenido de cloruro había descendido de 0,49% a por debajo de 0,05%, y de potasio de 1,18% a 0,22%. Al mismo tiempo, la paja se

vuelve gris


Ricardo Lozano 7

2.2. EL LAVADO DE LA PAJA

Se ha sabido desde hace mucho tiempo que la paja que ha sido

depositada en el campo y expuesta a la lluvia tiene una reducción en el

contenido de materia corrosiva, como cloro y potasio. Contrariamente a la paja

"amarilla", la paja "gris" es más favorable al funcionamiento de la caldera, ya

que parte de la materia que corroe las paredes de la caldera y los tubos fue

eliminada por la lluvia. La paja gris también tiene un poco más de poder

calorífico que la paja amarilla.

Con el fin de reducir el efecto de corrosión de la paja en la caldera, se

realizaron experimentos confirmando la eliminación de los componentes no

deseados hirviendo la paja a 160 ° C. Con el tiemp o se demostró que el cloro y

potasio también pueden ser eliminados a temperaturas más bajas. En la

actualidad, se considera más económico para lavar el paja hacerlo a

temperaturas de 50-60 º C. Hasta ahora, la paja lavada sólo se probó en

pequeña plantas, pero según otros estudios realizados, una planta que puede

tratar 125-150.000 toneladas de paja por año es muy probable que aumente

sus costos en alrededor de 37 millones de dólares.

Las pérdidas de energía causadas por lavado, secado y la lixiviación de

materia orgánica son aproximadamente del 8% del poder calorífico de la paja.

Éste costo se compensa sin embargo por la prolongación de la vida de las

calderas, ya que se evitan los problemas de corrosión. Del lavado de la paja

también se espera que dé ventajas respecto de las aplicaciones posteriores de

las cenizas, ya que las cenizas de la paja que no contienen sales alcalinas y

otras impurezas, pueden ser utilizadas como materiales de construcción.

2.3. BALANCE DE EMISIONES

El estudio de las emisiones incluye directamente la quema de la paja o de

la descomposición de aquellos relacionados con la energía utilizada en la

contratación y la gestión. El seguimiento de las emisiones se calculan a nivel

mundial e incluyen los principales productos de la volatilización y contaminantes

del medio ambiente: dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO),


Ricardo Lozano 8

metano (CH4), los gases orgánicos reactivos (GOR), amoníaco (NH3), óxidos de

de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx) y partículas (PM10 y PM2.5). Los

resultados se dan en un g/Mg base de paja seca. Estos gases se deben tratar,

en términos de calidad del aire regional y su contribución al efecto invernadero

global.

Los tests realizados en la quema de la paja se muestran en la Tabla 2. La

paja tiene un contenido de nitrógeno del 0,7% en peso. Si se supone que el

25% de este nitrógeno se descompone en NH 3-N en el agua (0,25 m de

profundidad), se obtiene una concentración total de 20 mg/L. de nitrógeno

biogénicas. Existen también en las raíces y rastrojos que se supone que

aportará una cantidad igual a NH3-N.

CO2

(g/Mg) CO

(g/Mg) CH4

(g/Mg) ROG

(g/Mg) NH3

(g/Mg) NOx

(g/Mg) SOx

(g/Mg) PM10 (g/Mg)

PM2.5 (g/Mg)

1,171,50 32,170 770 3,440 0 2,800 760 3,470 3,230

Tabla 2: Sustancias presentes como productos en los gases de combustión de la paja.

Tabla 3 : Emisiones de CO2 combustible. La quema del carbón emite, por ejemplo, 95 kg. de CO2 por GJ de carbón, mientras que los biocombustibles son CO2

neutros. Los valores de CO2 son valores promedio para el combustible tipos mencionados.


Ricardo Lozano 9

2.4. LA ENERGÍA USADA EN EL TRANSPORTE

Ciertamente, el gran número de camiones que transportan la paja hacia las

plantas o para grandes distancias, emiten CO2 a la atmósfera producido por los

motores de los camiones.

Un camión recorre 2,3 km. con un litro de gasoil, y emite 2,7 kg. de CO2.

Por lo tanto, la emisión de CO2 se estima en aprox. 1 kg. por km. recorrido. Un

camión cargado de paja con un valor calórico de 14,5 GJ / tonelada pesa 11-12

toneladas y representa una cantidad de energía de aprox. 170 GJ. Si la

emisión de CO2 del carbón es de aprox. 100 kg/GJ, entonces, a la paja le

corresponde una emisión de CO2 de aprox. 17 toneladas en relación del carbón

quemado en lugar de paja.

Esto significa que el camión debe realizar 17.000 kilómetros de viaje con

una carga de paja con el fin de emitir la misma cantidad de de CO2 que se

ahorra utilizando el camión la carga de paja como combustible en lugar de

carbón. También se lo puede expresar diciendo que el ahorro de CO2 es de

aprox. 0,6% por cada 100 km. de distancia de transporte.

2.5. PRODUCTOS RESIDUALES

La paja normalmente contiene de 3 a 5% en peso de cenizas. Parte de las

cenizas se retira en la parte inferior de la caldera y se llama cenizas de fondo,

mientras que el resto recorre la caldera junto al aire de combustión y se retira

con un sistema de limpieza de gases de combustión. Esta parte de la ceniza se

llama cenizas volantes. En el sistema de limpieza de los gases de combustión,

la mayor parte de las cenizas volantes es separada, mientras que el resto se

libera a través de la chimenea en forma de emisión de partículas. Las cenizas

de fondo obtenidas y las cenizas volantes de la caldera de paja se consideran

productos residuales y deben tener unos valores en conformidad con la

reglamentación ambiental, para su eliminación, el reciclado y/o

almacenamiento.

Las cenizas pueden usarse en la agricultura como fertilizantes porque

contienen nutrientes, principalmente potasio y sustancias que mejoran el suelo,


Ricardo Lozano 10

como el magnesio, el fósforo, y el calcio. La composición de la ceniza debe ser

fijada por las reglamentaciones sobre medio ambiente, por ejemplo, que el

contenido de metales pesados metales en las cenizas no debe exceder los

valores límite que se indica la reglamentación.

3. FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA DE PAJA

3.1. TECNOLOGÍAS DE INCINERACIÓN

Las tecnologías existentes para la incineración de combustibles

biomásicos, normalmente de bajo poder calorífico, tienen características

específicas respecto a los sistemas convencionales de combustión. En

cualquier caso se puede afirmar que estas tecnologías no son excluyentes de

los combustibles convencionales, y derivan normalmente de los métodos

aplicables a carbón de bajo rango, o incluso adaptación de calderas

convencionales.

Las tecnologías para el quemado y la recuperación energética de la

biomasa se puede agrupar en dos grandes grupos: tecnología de parrillas y

tecnología de lecho fluidizado. En el caso que nos ocupa, la tecnología a

aplicar será la de parrillas.

3.1.1. TECNOLOGÍA DE PARRILLAS

El principio de funcionamiento se basa en el avance del combustible

mediante el arrastre de unos elementos provistos de movimiento relativo entre

sí. Estos elementos sostienen al combustible, insuflándose entre los mismos el

aire necesario para la combustión. Según van avanzando los residuos se va

completando la combustión de los mismos, de forma que a la salida el

contenido de inquemados es bajo.

El material de combustión en su avance por la parrilla, pasa por tres

etapas consecutivas de proceso. En la primera de ellas se produce un secado,

evaporándose el agua contenida en el material. La combustión principal tiene


Ricardo Lozano 11

lugar en la segunda fase. La última fase tan sólo sirve para completar la

combustión en aquellas fracciones de mayor temperatura de ignición.

Los gases desprendidos de la combustión se canalizan en una corriente de

aire al abandonar las parrillas.

Las parrillas de las calderas de biomasa pueden ser fijas, móviles o

sistemas mixtos. En el caso de ser fijas, suelen estar dispuestas en forma

inclinada y ser vibratorias, a fin de facilitar la distribución del combustible y

favorecer la evacuación de cenizas al recipiente de recogida de cenizas o

cenicero.

Imagen 2: Esquema de una caldera de biomasa a parrilla móvil.

Los gases calientes de la combustión se hacen pasar a través de la

sección de convección de la caldera, generalmente situada en la parte superior

de la parrilla, donde ceden el calor al agua de circulación y se produce el vapor

que alimenta a la turbina. En ocasiones se instala un economizador que puede

ser exterior o interior a la cámara de combustión y donde se baja la temperatura

de humos hasta unos 100°C.

La alimentación de aire primario se lleva a cabo mediante soplantes,

introduciéndose normalmente el aire a nivel de la cámara de combustión, por


Ricardo Lozano 12

debajo de la parrilla, si bien también a veces se introduce aire primario en la

zona de precombustión en el caso de algunas calderas alimentadas con balas

de paja.

Asimismo, es imprescindible la inclusión de aire secundario en el proceso

a efectos de producir una buena combustión de los volátiles desprendidos de la

biomasa. Como en el caso del aire primario el secundario se introduce con

soplantes, por orificios situados en la parte superior de la cámara de

combustión.

El sistema más extendido de alimentación para biomasa, son tornillos cuya

velocidad regula el flujo de combustible. Asimismo, otro sistema muy difundido

es el de las válvulas alveolares que son utilizadas para lograr un flujo más

homogéneo del combustible, evitando atascos a la entrada de la caldera, así

como el posible revoque de las llamas. Otro método de alimentación, utilizado

sobre todo en pequeñas plantas, es el de pistón hidráulica.

En caso de la paja, el sistema más común de alimentación es por

transporte neumático combinado con un sistema de válvula alveolar que

descarga sobre un tornillo. Dada la alta reactividad de la biomasa, en estos

casos la combustión de las partículas es tan rápida que suele ocurrir estando

las mismas en suspensión, por lo que la superficie de parrilla necesaria es muy

pequeña.

La tecnología de parrillas es el procedimiento más utilizado en Europa y

América y permite alcanzar mayores capacidades horarias. Existen diferentes

tipos de parrillas, siendo este elemento una de las características

diferenciadores más importante de cada fabricante.

En términos generales, se puede distinguir cuatro tipos de parrillas:

• De barras longitudinales.

• De barras transversales.

• De rodillos.

• De alimentación invertida.


Ricardo Lozano 13

3.1.2. TECNOLOGÍA DE LECHO FLUIDIZADO

La combustión en lecho fluidizado consiste en desarrollar la combustión en

el seno de una masa de suspensión de: partículas de combustible, cenizas y, a

veces, un inerte, los cuales son fluidizados por una corriente de aire de

combustión ascensional.

Solamente entre un 2 y 3 % del lecho es carbonoso; el resto está

compuesto de material inerte (arena). Este material inerte proporciona un gran

almacén de calor en el hogar, amortiguando el efecto de las posibles

fluctuaciones en el poder calorífico del combustible, debidas a las variaciones

de humedad o composición del combustible, en la generación de vapor.

Las emisiones de SO2 producidas por la combustión de biomasa y

residuos son generalmente muy bajas, pero cuando el contenido de azufre del

combustible es elevado, se puede añadir caliza al lecho fluido para lograr un

alto grado de retención de azufre en el mismo.

Cuando la velocidad del aire es baja, éste pasará a través de la masa de

partículas sin dar lugar a ninguna distorsión en las mismas. Si se aumenta la

velocidad del aire, llegará un momento en que la fuerza impulsora del aire sea

próxima a la fuerza de la gravedad que mantiene juntas a las partículas en el

fondo del cilindro, momento en el que comienzan éstas a moverse y se observa

un aumento de la porosidad en el lecho. Al aumentar aún más la velocidad del

aire, llega un momento en el que las partículas individuales se ven forzadas a

un movimiento hacia arriba, viéndose suspendida en la corriente de aire y

originando el denominado "lecho suspendido". Un aumento de la velocidad del

aire originará una expansión del lecho, y permitirá el movimiento de las

partículas en su interior, dando lugar a la fluidización.

El tipo de lecho fluido burbujeante o circulante seleccionado depende del

poder calorífico del combustible (bio-fuel) según se quema y del tamaño de la

instalación. Existen dos tipos de combustores de lecho fluidizado, atendiendo al

grado de fluidización del lecho y, por tanto, a la velocidad de fluidización:

a) Burbujeante

Opera con bajas velocidades del aire de fluidización y se caracteriza por

permanecer en el lecho la mayor parte de los sólidos y solamente una parte,


Ricardo Lozano 14

normalmente inferior al 10%, pasan al ciclón. Este tipo de fluidización se

denomina "en fase densa", caracterizándose por la superficie libre del lecho que

permanece definida.

b) Circulante

Con velocidades muy elevadas del aire de fluidización se produce el

arrastre de gran cantidad de sólidos del lecho, pudiéndose reciclar una gran

parte de éstos mediante un ciclón o multiciclón, dando lugar al denominado

"lecho fluidizado circulante".

Imagen 3: Esquema de una caldera de lecho fluidizado circulante.

Desde el punto de vista de la presión de operación del combustor, pueden

hacerse dos divisiones:

Lechos fluidizados atmosféricos, que operan a la presión atmosférica, y

lechos fluidizados a presión (5-20 Kg/cm2). La combustión en lecho fluidizado a

presión aunque es más compleja de operar ofrece la posibilidad de utilizar


Ricardo Lozano 15

turbinas de gas en la generación de electricidad, empleando ciclos combinados

gas-vapor con un alto rendimiento global.

La combustión fluidizada a presión sólo es aconsejable para altas

capacidades de producción térmica (superiores a 200 MW), ya que conlleva en

su diseño una considerable reducción del tamaño del combustor.

En este caso, se dispone de una corriente de aire que impulsa arena y la

mantiene flotando en el horno formando un lecho. El combustible se introduce

en el interior de este lecho, donde se mantiene la suspensión. La temperatura

existente en el mismo, del orden de 850°C, provoca su combustión inmediata.

Se produce un reparto de aire uniforme, lo que impide una atmósfera reductora,

minimizando el rozamiento mecánico, así como la formación de depósitos. Hoy

en día existen diferentes tipos de lechos fluidizados, con aplicación a

combustibles convencionales.

Los lechos fluidizados se diferencian entre sí básicamente según la

velocidad del aire en los mismos. Según se incrementa la velocidad del aire los

lechos pasan de fijo a burbujeante, turbulento y circulante.

3.2. DESCRIPCIÓN DE UN CALDERA DE PAJA

Hay dos tipos de calderas, los de incineración por lotes o “batch-fired” y los

de alimentación automática de la paja. Las calderas de lotes son siempre

instaladas en combinación con un tanque de almacenamiento que puede

absorber el calor de una hoguera (1-4 balas). De este modo, el contenido

energético de la paja se utiliza mejor, porque las calderas pueden funcionar a

plena carga. Las calderas alimentadas automáticamente son alimentadas por

una transportadora que, por ejemplo, carga paja una vez cada 24 horas

aproximadamente. El transportador alimenta las balas o fardos en la caldera de

forma automática, a medida que se lo consume el fuego.

.

3.2.1. CALDERAS DE ALIMENTACIÓN POR LOTES (BATCH-FI RED)

Este tipo de caldera es la más utilizada en las pequeñas granjas o fincas

de los países europeos. Debido a que las balas de paja pequeñas son las más

frecuentes en el mercado, la mayoría de las calderas “batch-fired” son


Ricardo Lozano 16

diseñadas para balas grandes (balas redondas, de tamaño mediano o fardos

grandes). Las calderas son, a menudo, construidas junto con un tanque de

almacenamiento como una solo unidad todo-en-uno para ser localizadas al aire

libre.

La localización al aire libre reduce el peligro de incendio. Las calderas por

lotes se fabrican en una amplia gama de tamaños, que pueden contener desde

una bala de tamaño mediano a tres balas grandes en la cámara de combustión.

La caldera más utilizada es para un tamaño mediana de bala o,

alternativamente, 80-10 pequeñas balas.

Cuando se trabaja con balas pequeñas, la incineración y la eliminación de

cenizas se realiza generalmente por un tractor con cargador frontal.

Imagen 4: Una caldera por lotes para balas redondas o balas grandes ubicada en forma alejada de la vivienda, eliminando así el peligro de incendio para las

construcciones de las fincas.


Ricardo Lozano 17

Imagen 5 : El principio en una caldera por lotes. El tanque de almacenamiento es lo suficientemente grande para contienen la energía generada por la combustión del

paja en la cámara de fuego en donde se lleva a cabo.

3.2.3. CALDERAS DE ALIMENTACIÓN AUTOMÁTICA

Las primeras calderas con dispositivos de alimentación automática se

desarrollaron con el fin de sobre todo de facilitar el trabajo de combustión con

balas pequeñas, ya que al principio las calderas por lotes a menudo sólo

contenían 2-4 fardos pequeños.

En la alimentación automática, un transportador de bala de, por ejemplo,

10 a 20 m de longitud, se llena con balas de paja, una vez cada 24 horas. A

partir de ahí, las balas se transportan lentamente hacia la caldera. Antes de la

incineración, la paja se desintegra por medio de una trituradora-cortadora

giratoria. El sistema de transporte entre la fragmentación y la caldera puede ser

o un transportador de gusano o un sistema de ventilación. El sistema más


Ricardo Lozano 18

utilizado es el sistema de ventilación, ya que ofrece una mayor flexibilidad de

ubicación de la trituradora en relación a la caldera, y además, le da una buena

seguridad contra “backfire/burn-back” entre la caldera y la desfibradora. Sin

embargo, el sistema de ventilación consume más energía que el sistema de

transporte de gusano. La paja se introduce en la caldera por un transportador

de gusano, a menudo llamado tornillo sinfín.

La incineración continua resulta en un una combustión más estable en la

caldera y por lo tanto una mayor eficiencia y una reducción de los

inconvenientes ocasionados por el humo en comparación con calderas

alimentadas por lotes. La transmisión de calor de la caldera se ajusta por la

operación de encendido/apagado, controlada por un termostato que depende

de la temperatura del agua en la caldera.

Imagen 6: Caldera de alimentación automática de pequeño tamaño. El paja está siendo destrozado por una trituradora de baja velocidad y se alimenta a la hoguera a través de un tornillo sinfín hacia la parrilla donde la combustión se lleva a cabo. Los movimientos hacia delante y hacia atrás de la rejilla empuja las cenizas hacia afuera por un canal en donde son retiradas por el transportador de cenizas. Los gases de combustión se enfrían al hacer varias pasadas por los tubos de humos, estos están

rodeados de agua de la caldera.


Ricardo Lozano 19

3.2.4. CALDERAS DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Las calderas de parrilla móvil para la paja por lo general se construyen con

unas características de acuerdo a los requisitos del cliente y en diseño

moderno. La caldera está formada por una cámara de combustión refrigerada

por agua, que se divide en dos partes. La parte delantera sirve para la entrada

de combustible y está equipada con una parrilla itinerante. En la segunda parte,

en la parte posterior de la cámara de combustión, está situada el área ardiente.

Sobre ella se coloca la salida para los gases de escape.

En la cámara de combustión se usa el sistema de división por zonas de

aire primario bajo la parrilla y la colocación del aire secundario por encima e la

parrilla, entonces alcanzamos el quemado correcto del combustible junto con la

producción mínima de NOx y CO.

Los gases que salen de la cámara de combustión, bajan al intercambiador

vertical, con lo cual las partículas que se desprenden de éste caen directamente

a la cámara de combustión y automáticamente se transportan al contenedor de

cenizas mediante tornillo sinfín. La abertura de salida de los gases de

combustión se encuentra en la parte superior de la caldera y se puede ajustar

su posición de acuerdo con la arquitectura de la sala de calderas. La

temperatura de impulsión de agua puede ser de hasta 110 ºC. La parte

estructural de la cámara de combustión está realizada íntegramente en acero,

que también sirve como base para el intercambiador de los gases de

combustión.

Este intercambiador es de doble paso con entrada de los gases de escape

en la parte inferior del lado trasero y el retorno por el lado delantero. Los gases

de escape se desplazan en el paso I del intercambiador volviendo a entrar a los

tubos del paso II de este.

La caldera debe disponer de un sistema de retorno del agua a una

temperatura superior a los 55 ºC para evitar la condensación de los gases de

escape cuando se producen cambios inestables de temperatura. El tratamiento

del agua debe seguir las normas existentes para el agua de consumo.


Ricardo Lozano 20

Luego la generación de electricidad se realizada con una turbina de vapor

como muestra el siguiente diagrama.

Imagen 7: Esquema de una planta generadora de electricidad con paja como

combustible. 4. CASOS REALES

4.1. PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA EN SANGÜESA

(NAVARRA, ESPAÑA)

El desarrollo del proyecto arranco en 1999, con un contrato entre Energía

Hidroeléctrica de Navarra (EHN) como promotor y FLS miljØ como proveedor

de la tecnología necesaria, encargado de operar y mantener la planta durante

diez años. La planta ya se encuentra en funcionamiento (junio 2009).

Está planteada para ser alimentada con paja, proporcionada por los

agricultores de una zona de 75 km de radio. Se espera que evite la emisión de

unas 200.000 t/año de CO2 a la atmósfera. La combustión de la paja produce

vapor que acciona un generador de energía eléctrica. La tecnología ofrece

innovaciones interesantes en el proceso de combustión, en el manejo de la paja


Ricardo Lozano 21

y la alimentación, en los sistemas de depuraciones de humos, etc.,

desarrolladas en Dinamarca.

Imagen 8: Planta de generación de energía en Sangüesa, España.

4.1.1. CARACTERISTICAS

• Es una instalación de 25 MW de potencia instalada que utiliza como

combustible paja de cereal para producir electricidad.

• La planta produce 200 millones de kW/hora al año, que suponen casi el

5% del consumo eléctrico de Navarra en 2005.

• Se necesitan 160.000 toneladas de paja al año como combustible. En

el futuro, podrá complementarse el suministro con residuos madereros.

• La inversión ha sido de 50 millones de euros y ha supuesto la creación

de unos 100 empleos, directos e indirectos.

4.1.2. UBICACIÓN

• La planta se ubica en el polígono industrial de la localidad de Sangüesa

(Navarra), sobre un solar de 105.000 metros cuadrados.

• Está bien situada respecto a zonas de producción importante de paja,

lo que reduce desplazamientos.

• Se halla próxima a la carretera general, lo que facilita la entrada de

camiones.


Ricardo Lozano 22

• Cuenta en sus proximidades con un canal, del que se deriva el agua

necesaria para la refrigeración de la planta.

• Se ubica junto a una subestación eléctrica sita en el polígono industrial,

lo que permite una línea de conexión eléctrica de longitud reducida, que

va enterrada.

4.1.3. LOGISTICA Y FUNCIONAMIENTO

La paja recogida en el campo se acumula en forma de pacas en pajeras

distribuidas por distintas zonas, y los camiones las transportan hasta el almacén

de la planta. A partir de aquí, el proceso es el siguiente:

Tres puentes grúa realizan la descarga de las pacas, registran su peso y

humedad y, tras ser aceptadas, las trasladan a la zona de almacenamiento.

El sistema de control, de forma automatizada y de acuerdo a las

necesidades de suministro, recoge las pacas del almacén y las deposita en una

cinta transportadora que las llevará hasta la caldera.

La paja es desmenuzada antes de entrar en la caldera y cae sobre la parte

superior de una parrilla vibratoria ubicada en la misma, que favorece la

combustión y evacuación de los inquemados.

La combustión de la paja calienta el agua que circula por las paredes y

sobrecalentadores de la caldera, hasta su conversión en vapor.

A partir de este momento se produce un triple proceso concatenado:

El vapor, tras pasar por los sobrecalentadores a 540º y 90 Kg/cm2 de

presión, mueve una turbina conectada a un generador, que produce electricidad

a 11 kV. Esa energía, tras su transformación a 66 kV, se traslada por

canalización subterránea hasta la subestación en red de la compañía

distribuidora de electricidad.

El vapor de agua que ha pasado por la turbina, ya a menor presión y

temperatura, se lleva hasta un condensador, refrigerado por el agua tomada del

canal que recorre el polígono industrial. Merced a ese descenso térmico, el

vapor de agua vuelve a estado líquido y se traslada en circuito cerrado hasta las

paredes de la caldera iniciándose de nuevo el proceso. El agua utilizada para

la refrigeración del condensador vuelve de nuevo al canal. La combustión de la


Ricardo Lozano 23

paja produce inquemados, que se depositan en el fondo de la caldera, y cenizas

volantes, que se retienen en el depósito del filtro de mangas antes de evacuar

los gases por la chimenea. El porcentaje de residuos es del 5% en relación al

combustible empleado.

5. CONCLUSIONES

Las ventajas de usar paja y en general de la biomasa como combustible se

pueden resumir en:

• Es una fuente renovable: No consume recursos naturales, si se

explota de una manera sostenible.

• Crea riqueza en zonas rurales. Creación de empleos directos e

indirectos.

• Potencia labores forestales y agrarias. Evita quema en campos y

posibles enfermedades.

• Cultivos energéticos: Disminuye el abandono de tierras.

• Residuos industria agroalimentaria: eliminación problema

medioambiental.

• Independencia energética a nivel nacional y local.

• Mínimas emisiones gaseosas:

o SO2: Mínimo. Combustible con bajo contenido en azufre.

o NOx: Mínimo. Baja temperatura de combustión.

o CO2: Neutro teniendo en cuenta el ciclo de CO2.

Como inconvenientes se pueden citar:

• Baja densidad energética y poder calorífico dependientes de la

humedad (densificación costosa como briquetas o pellets).

• Depende del precio de los combustibles convencionales.

• Adaptación a la disponibilidad y uso tradicional del recurso.

• El costo en transporte y logística puede ser muy significativo.

• Tamaño óptimo de las plantas de biomasa para la producción de

electricidad no definido, existiendo proyectos que van desde los 3


Ricardo Lozano 24

MWe hasta los 25 MWe. La eficiencia energética y los costos

específicos de una planta grande son mejores a los de una planta

pequeñas, ahora bien, los riesgos son mucho mayores.

El análisis de costos demuestra que la incorporación y eliminación de paja

representan un mayor costo a los productores que el método tradicional de

quema a campo abierto. El balance de emisiones muestra que la utilización de

paja para la producción de energía es una solución "más limpia" que la quema a

campo abierto para todos los contaminantes y en especial para el metano y el

amoníaco. Los modelos de negocios desarrollados se pueden afinar aún más,

sin embargo, los resultados actuales demuestran que la paja para la producción

de energía es viable y racional en términos energéticos y del impacto ambiental

y, muy cerca económicamente viable en el mercado energético actual.

Un punto de vista interesante respecto a lo anterior es la realidad del

proyecto de Sangüesa, que permite generar una serie de reflexiones y

conclusiones para el desarrollo de la biomasa, basándose en una primera

experiencia real del uso de una biomasa “compleja” por su composición y por la

logística de abastecimiento.

Todas las previsiones de desarrollo de la biomasa están

desafortunadamente incumpliéndose. Ello se debe a las enormes dificultades

de desarrollo de los proyectos. Ya hemos apuntado varias de ellas y de forma

resumida podríamos enumerarlas:

� La dificultad de garantizar el combustible en cantidad, calidad y precio.

� La logística del combustible: recogida, tratamiento, almacenaje y

transporte.

� Complejidad de las instalaciones – fiabilidad de las tecnologías –

garantías de rendimiento y disponibilidad.

� Alto costo de las inversiones (2 millones de €/MW instalado en

Sangüesa)

� Costo de Operación y Mantenimiento elevados (12 €/MWh en

Sangüesa)

� Falta de un escenario claro de apoyo a la biomasa (necesidad de

aplicar las medidas establecidas en los planes de fomento de las

EERR)


Ricardo Lozano 25

Y sin duda la clave de la falta de viabilidad de los proyectos de biomasa es

el precio de venta de la energía: hoy es una tarifa claramente insuficiente como

para soportar las inversiones, los costos de operación y que, en definitiva, no

permite un desarrollo de la biomasa en general, la energía renovable que, no

olvidemos, aporta la enorme ventaja de su garantía de potencia. Una revisión

de la tarifa permitirá que se comiencen a concretar proyectos de Biomasa y por

lo tanto se comiencen a cumplir los objetivos que en los planes de fomento de

las Energías Renovables se establecen para la Biomasa.

Sobre la eficiencia de los sistemas de combustión se puede decir que

existen varios sistemas muy buenos para muchas aplicaciones. Desde las

unidades pequeñas a grandes, casi cualquier tipo de material orgánico, en

forma individual o en combinación, pueden ser manejados. Para algunos

combustibles y combinaciones de combustible puede ser necesario un

tratamiento especial.

La solución económica es la clave para que el proyecto tenga éxito. Para

proyectos medianos a grandes las calderas de los diferentes tipos tiene sentido,

mientras que los gasificadores de biomasa están haciendo un impacto en el

rango de tamaño de los pequeños y medianos proyectos.

El costo de combustible de la biomasa tiene un gran impacto en el retorno

de la inversión. Se necesita que la recolección del combustible, entrega y

almacenamiento tengan un costo mínimo para hacer que valga la pena hacer

una gran inversión de capital en los proyectos.

La generación de energía puede mejorar el retorno del proyecto de la

inversión. La cogeneración, siempre que sea posible, produce energía y vapor

agotado para una planta de proceso. Esto puede ser una solución más

económica en comparación con la energía de condensación. La integración en

una instalación existente, las subvenciones de los organismos estatales de

energía o de los servicios públicos, los créditos de energía verde, y los créditos

de carbono, todos pueden hacer un proyecto más viable.


Ricardo Lozano 26

6. REFERENCIAS

- Alfredo Erviti, Planta de Biomasa de Sangüesa 25 MW de potencia neta

mediante combustión de paja (Energía Hidroeléctrica de Navarra

España, 2002)

- Arnie Iwanick, Biomass for Steam and Power (Harris Group Inc. 2010)

- Francisco Javier Romero Rizadle, Proyecto Central Térmica de

Biomasa de 5 Mw de Potencia (Universidad Castilla-La Mancha,

España, 2005)

- Grupo Nova Energía, Apuntes De Calderas De Paja (Grupo Nova

Energia, España 2009)

- Guillermo Duraroña, Posibilidad de Utilización de Subproductos

Agrícolas en la Alimentación de Rumeantes (Jornadas Técnicas de

Actualización en Producción Animal Convenio INTA, Argentina 1999)

- Juan E. Carrasco, Tecnologías energéticas para la biomasa (Seminario

sobre tecnologías energéticas para biomasa y residuos, Ministerio de

Educación y Ciencia, España, 2006)

- Matthew D. Summers, Using Rice Straw for Energy Production:

Economics, Energetics and Emissions (Department of Biological and

Agricultural Engineering, University of California, EE.UU. 2002)

- Rafael Ben Pendones, Energía De La Biomasa (I Jornadas Técnicas de

Ciencias Ambientales. Madrid-España, 2003)

- The Centre for Biomass Technology, Straw for Energy Production

Technology - Environment – Economy (The Centre for Biomass

Technology, Dinamarca, Segunda Edición1999)

- Wikipedia, Apuntes Sobre Paja (http://es.wikipedia.org , 2010)

- http://www.coalpowerplant.us/2011/02/how-circulating-fluidized-bed-

boiler.html

Trabajo CALDERAS PAJA Definitivo

Documents

Transcript of Trabajo CALDERAS PAJA Definitivo