Estrategias de control de la combustión en lecho fluidizado para quemadores de biomasa

La utilización de la biomasa ha mostrado ser una gran promesa pero el desarrollo de su tecnología es lento. Un factor limitante ha sido el sistema de combustión. Para la mayor parte de estos sistemas, las calderas con ignición en hogar han sido la única opción. Pero actualmente disponemos de la tecnología FBC (combustión en lecho fluidizado).

FBC está llegando a ser la tecnología preferida para quemar la mayoría de los combustibles derivados de la biomasa. La tecnología FBC es perfecta para ser utilizada en combustibles difíciles de quemar en cualquier combinación, pero lo más importante es que es una tecnología probada tanto para calderas pequeñas como grandes.

FBC tiene dos configuraciones, el lecho fluidizado burbujeante (BFB) es un tipo de FBC para plantas más pequeñas, hasta 100 MW quemando biomasa al 100 %

La naturaleza de los biocombustibles

Los combustibles de biomasa presentan desafíos en el diseño y operación de las plantas. La biomasa, por su naturaleza, tiene un amplio rango de constituyentes y atributos químicos que determinan el equipo necesario para quemar eficientemente cada tipo de combustible. Independientemente de la tecnología de combustión prescrita para un combustible específico, la combinación de combustible “fuera de diseño” puede causar estragos con los controles de combustión de una planta. Por ejemplo, la carga procedente de residuos agrícolas empapados, incluso si se mezclan con residuos de serrín de baja humedad, pueden tener un rendimiento impredecible.

Los biocombustibles, por su naturaleza, no son homogéneos. Su densidad, contenido de humedad, composición química, y valor del calor varían en gran medida. Además, sus características de combustible pueden variar cada día o incluso con cada entrega de combustible.

La mezcla de biomasa con carbón también es una opción interesante.

Lamentablemente, muchas plantas de biomasa existentes usan estrategias de control convencionales que no están diseñadas para tratar con una amplia variación en atributos de biomasa o combinaciones de combustibles variables.

FBC para manejar combustibles difíciles

Las calderas de lecho fluidizado están diseñadas específicamente para manejar combustibles difíciles de quemar, incluyendo residuos de carbón, antracita, madera, turba, cortezas, restos de neumáticos, lodos de molinos de papel, y otros similares. Este combustor es ideal debido a que opera a temperaturas de horno inferiores, aproximadamente de 815 ºC y 899 ºC, que está por debajo del umbral para la formación térmica de NOx, la fuente primaria de emisiones de aire de NOx. Usando adsorbentes tales como el carbonato cálcico en el lecho del combustor, el FBC puede capturar dióxido de azufre in situ cuando se queman combustibles que contienen azufre. De esta forma se evitan costosos sistemas de desulfurización. Sin embargo, los biocombustibles por su naturaleza no tienen suficientes niveles de azufre para garantizar el uso de aditivos de carbonato cálcico.

El tiempo de residencia de combustible se incrementó significativamente, reduciendo así la temperatura e incrementando la turbulencia, y de esta forma se proporciona la mezcla apropiada de combustible, aire, y cualquier adsorbentes que pueden ser requeridos con carga de azufre. En las temperaturas del lecho a las que opera FBC, típicamente entre 1550 y 1650 F, la humedad contenida en el combustible no es generalmente un problema.

Las emisiones son también una función de la temperatura del lecho, además de la temperatura del sistema. Deben controlarse en un ambiente de operación dinámica, independientemente del tipo de biomasa. Las emisiones de CO son bajas en las calderas de FBC debido a la buena mezcla de aire-combustible, que permite la operación con aire excedente mínimo y por lo tanto una eficiencia de combustión relativa más alta.

El diseño de una caldera FBC proporciona un alto nivel de energía almacenado, permitiendo de esta forma cambios de carga relativamente rápidos.

Consideraciones para el control de la caldera de biomasa

Las calderas BFB emplean altos niveles de aire bajo el fuego (tanto como el 70 %) para empujar el lecho hacia arriba y hacer que se comporte como un fluido. El tiempo de residencia se incrementa, proporcionando una minuciosa mezcla de combustible y aire. La velocidad del aire primario juega un papel importante en mantener el lecho a un nivel apropiado, asegurando de esta forma la mezcla de combustible y aire.

El flujo de aire restante se asigna como aire para sobrefuego o aire secundario. Los controles de los reguladores separados, conocidos como placas de distribución, también sirven para quitar la ceniza del hogar.

Sistemas de distribución de combustible

La distribución de combustible ininterrumpida es otra cuestión clave para dar el rendimiento y fiabilidad que requiere una operación eficiente. En demasiadas plantas, los fallos de equipos de distribución se citan como la razón número uno del rendimiento y disponibilidad pobre. Un reparto inconsistente del combustible puede llevar a la imposibilidad de acoplar la producción de la caldera con los requerimientos de energía de la turbina, mantener la presión del estrangulador, o mantener los niveles de emisión a o debajo de lo requerido por las disposiciones ambientales.

Los sistemas de distribución de combustible están usualmente compuestos por algunas combinaciones de cadenas de arrastre, silos, tolvas de dosificación, tornillos de alimentación, y/o mangas de caída por gravedad – todas las cuales presentan paradas no planificadas o discontinuas.

Objetivos del control

Los siguientes objetivos se aplican a cualquier sistema de control de la turbina de la caldera, sino especialmente a sistemas que tienen calderas que queman biomasa con mucha variación en calidad:

·        Mantener el rendimiento para acoplarse a la demanda. Debe emplearse un control de generación en bucle cerrado empleando presión en primera etapa de la turbina, megavatios, sesos de frecuencia y modos de operación. Debe tener una interface con el control de la turbina y el control coordinado podrá directamente operar las válvulas de gobierno

·        Mantener el equilibrio de la turbina – caldera (presión de estrangulación). El segundo objetivo, la ignición de la caldera para mantener la producción debe ser igual a la demanda de la turbina, algo que no es fácil.

·        Optimizar emisión y eficiencia. Lamentablemente, reducir los niveles de emisión puede llevar a una disminución de la eficiencia; por ello la optimización debe ser compensada. Adicionalmente, hay niveles de emisiones máximas que deben adherirse a una base caso-por-caso para CO, NOx y SOx.

·        Proteger la caldera de condiciones de operación inseguras, especialmente condiciones ricas en combustible. El cuarto propósito del sistema de control es asegurar que el diseño del sistema de control protege la caldera bajo todas las condiciones de operación, específicamente de condiciones peligrosas ricas en combustible.

Bibliografía: FBC Control Strategies for Burning Biomass. Power October 2010

Palabras clave: Fluidized bed boiler