28 febrero 2011

Adecuando las viejas centrales térmicas de carbón para usar biomasa (1ª PARTE)



La biomasa está disponible como residuo y si no se utiliza como combustible acaba transformándose en metano, uno de los gases de efecto invernadero más perniciosos. Es por ello que actualmente hay una tendencia al incremento en el uso de la biomasa para diferentes aplicaciones. En este artículo nos vamos a centrar en la descripción de las tecnologías existentes para utilizar biomasa en las centrales térmicas de carbón.

Comparadas con otras plantas con combustibles sólidos, los sistemas y componentes requeridos para manejar y procesar biomasa parecen bastante familiares, pero deben considerarse importantes diferencias. Una planta de biomasa exitosa debe proporcionar flexibilidad para manejar el amplio rango de propiedades y características de los combustibles de biomasa.
Los propietarios de plantas de generación de energía tienen múltiples formas de incluir la biomasa como combustible. Mediante combustión conjunta tienen la opción de añadir biomasa a las plantas de carbón existentes, una opción que no resulta costosa. En las grandes unidades de carbón esta es la alternativa más conveniente. También las unidades más pequeñas pueden modernizarse incorporando calderas más eficientes para poder admitir combustibles sólidos. Una tercera opción son las plantas Greenfield, pero el acondicionamiento  lleva más tiempo y supone más complejidades.
Combustión conjunta en una caldera
Existen actualmente muchas centrales con multi-unidades de carbón. La forma más fácil de adaptarlas es adaptar las plantas existentes para quemar biomasa. Aunque hacer esto requiere adiciones y modificaciones, comparando con comenzar de nuevo, las modificaciones combustión conjunta son una opción relativamente de bajo coste. Aproximadamente un 4 o 5 % de biomasa puede mezclarse con carbón, especialmente si la unidad tiene poca capacidad de molienda. Con mayores porcentajes de biomasa es ventajosa la ignición directa. En realidad, la capacidad de la caldera puede mejorarse mediante combustión conjunta cuando la generación de la unidad está limitada por carbón húmedo.
Ejemplo: En 1996, Electric Power Research Institute y U.S. Department of Energy (DOE) comenzó un programa de investigación de biomasa con proyectos de demostración con plantas de carbón pulverizado y plantas de ciclones. El programa ensayó combustión conjunta de biomasa con tasas de entrada de calor de hasta el 10 %. La cantidad de biomasa aportada varió con el método de alimentación de la biomasa; ya fuese mezclado o inyectado directamente en el horno.
Normalmente, añadir biomasa a la matriz de combustible hace decrecer la eficiencia de la caldera. Este decrecimiento en eficiencia es una función de las características de la biomasa y de los parámetros de diseño de la unidad. Los motivos dominantes de este decrecimiento son el contenido de humedad más alto del combustible y los ratios carbono/hidrógeno en la biomasa en comparación con el carbón. El calor latente de vaporización por humedad, y la pirolisis de los componentes de hidrógeno y oxígeno de biomasa en humedad, se ha demostrado reducen la eficiencia de la caldera entre un 2 % y un 20 % del nivel de combustión conjunta en la base de masa.
Las emisiones de aire están también afectadas por la biomasa de combustión conjunta. El combustión conjunta de biomasa típicamente reduce las emisiones de SOx y NOx debido a que el contenido de nitrógeno y azufre es más bajo en el combustible de biomasa si lo comparamos con el carbón. La biomasa tiene también un menor contenido en cenizas si la comparamos con el carbón.
Otra ventaja del combustión conjunta es que no está limitado por la disponibilidad de biomasa ya que puede trabajar nuevamente un 100 % con carbón en caso de que no sea ventajoso el uso de biomasa.
Desventajas del combustión conjunta de biomasa
La principal desventaja de usar biomasa en estas aplicaciones es que el proceso es más caro que cuando se usa solamente carbón por los siguientes motivos:
  • Deben añadirse sistemas de manejo de biomasa en la planta.
  • El coste por unidad de energía producida es mayor con la biomasa.
  • El alto contenido de humedad en la biomasa hace que el consumo de combustible se incremente.
Combustión conjunta en las calderas CFB
La principal alternativa al combustión conjunta es el uso de calderas de  lecho fluidizado circulante (CFB). Una de las ventajas de la tecnología CFB es su capacidad para utilizar una variedad de combustibles sólidos. Muy a menudo, una caldera CFB se usará con combustibles de alto contenido en azufre y ceniza. Las temperaturas de combustión relativamente bajas, los requerimientos de preparación de combustible reducidos, y el control inherente de emisiones dentro de la caldera en sí misma hacen que esta tecnología sea conveniente para carbón de baja calidad y productos de combustible sólidos alternativos.
La biomasa es una alternativa interesante cuando trabajamos con carbón de baja calidad.
En Europa, la caldera de lecho fluidizado más grande del mundo es una unidad supercrítica once-through de 460 M situada en Lagisza, Polonia. La unidad CFB está diseñada para cofire hasta un 10 % de biomasa en peso. Esta planta entroó en funcionamiento en juno de 2009.
En Estados Unidos se construye otra planta aún mayor. Con una inversión de US $ 1.800 millones de dólares, su capacidad es de 668 MW bruto / 585 MW neto. Virginia City Hybrid Energy Center, cerca de St. Paul, Virginia.
El sistema de alimentación de biomasa para la planta de Virginia tiene cuatro sistemas de alimentación de caldera idénticos que suministran más de 175 toneladas métricas por hora de astillas de madera y residuos forestales a las dos calderas CFB. Esta planta tendrá dos calderas Foster Wheeler CFB que utilizarán carbón de residuos como principal combustible más hasta un 20 % de biomasa.
Ignición directa en calderas CFB
Una variante en el diseño es el lecho fluidizado burbujeante, lecho fluidizado circulante, fixed grate stokers, sloping grate, traveling grate stokers, y water-cooled vibrating grates. Estas tecnologías están disponibles en capacidades de hasta 50 MW en una unidad simple. Para tamaños superiores, la tecnología adecuada es CFB, con unidades para biomasa de hasta 300 MW.
La ignición directa de biomasa puede ser también añadida a unidades antiguas de carbón ineficientes. Para ello se reemplazan una o más de aquellas unidades con una caldera eficiente moderna que está diseñada para quemar mejor combustibles sólidos, incluyendo biomasa.
Para capacidades de nueva generación, hay buenas razones para considerar una caldera CFB. Se trata de una tecnología probada que se usa desde los años 80. Numerosas plantas se equiparon con caldera CFB para utilizar productos agrícolas, forestales, de molienda y urbanos. Una gran cantidad de combustibles pueden ser utilizados.
Continua 2ª PARTE
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