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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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),
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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.
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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,
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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
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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
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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.
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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,
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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• 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
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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
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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)
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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.
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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