Adecuando las viejas centrales térmicas de carbón para usar biomasa (2ª PARTE)

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Combustibles para las grandes calderas

Al comienzo de cualquier proyecto, es necesario estudiar con el fabricante de la caldera la variedad de parámetros que definen la base de diseño para la caldera. Las condiciones del sitio, tales como la temperatura de aire, humedad, elevación y la temperatura del agua de refrigeración afectan al diseño de la planta. Conocer el tipo de combustible que será suministrado a la caldera es muy importante debido a que las características del combustible afectan al diseño y las propiedades de la caldera. Por ejemplo, el combustible inyectado en una caldera PC tiene un tamaño inapropiado para el stoker de una caldera. El tamaño de la partícula, el porcentaje de volátiles, cenizas totales y contenido de humedad, constituyentes de ceniza, y valor calorífico son todos parámetros clave a considerar en el diseño.

Las calderas CFB son diferentes a otras tecnologías de combustión. La caldera CFB tiene temperaturas de combustión relativamente bajas, largo tiempo de residencia de combustión, y la inyección de caliza en el horno permite a las calderas CFB usar un amplio rango de combustibles a la vez que se controlan las emisiones usando tecnologías estándar.

En una caldera CFB, el combustible generalmente se quema en un lecho de material (típicamente arena) que se expande a una velocidad/presión que está por encima de la velocidad de mutación, pero debajo de la velocidad de transporte de partículas, para sostener las partículas de combustible en el estado fluidizado. Esta turbulencia realzada permite una turbulencia realzada que permite un tiempo de residencia más largo para quemar completamente el combustible. La masa, volumen, y forma de las partículas son importantes para la eficiencia de este proceso.

Los fabricantes de calderas y organizaciones de normalización han desarrollado curvas de tamaño de partículas para identificar los requerimientos de combustible para CFBs.

Propiedades de la biomasa que deben tenerse en cuenta

Cuando hablamos de biomasa estamos refiriéndonos a una tipología de combustibles muy heterogénea. La elección de una sobre otra usualmente se determina por la opción que puede proporciona el contenido en energía deseado antes que por el peso del combustible comprado.

Algunos combustibles de biomasa presentan unas características de utilización únicas. La paja de trigo, por ejemplo, tiene muy altos niveles de cloro, y la química de su ceniza está dominada por sílice de estructuras inorgánicas que tienen potasio en cantidades significativas. Para otras formas de biomasa, la degradación del combustible y la combustión espontánea son una preocupación importante. La cantidad de humedad en el combustible es un factor a tener en cuente en la compra, almacenamiento, y uso de todos los combustibles de biomasa.

Los problemas relacionados con la temperatura y la humedad

La biomasa está sujeta a dos procesos naturales diferentes, un proceso a baja temperatura y otro a alta temperatura. El proceso a baja temperatura implica el crecimiento y respiración de microorganismos. El proceso a altas temperaturas se debe a la oxidación de materiales celulósicos. El calentamiento biológico, bajo la influencia del contenido de agua o humedad del aire, puede incrementar la temperatura de la biomasa lo bastante como para disparar oxidación del material de celulosa, que puede comenzar a arder.

La biomasa húmeda no genera el problema de la combustión espontánea ya que con un contenido de humedad superior al 60 %, se necesita mucha energía para incrementar la temperatura del agua a 100 ºC y evaporarla.

Cuando los niveles de humedad de la biomasa se encuentran entre el 20 y el 60 %, son una preocupación tanto la degradación como la combustión espontánea. Este rango de humedad es el que más habitualmente encontramos en las plantas.

Las áreas de superficies grandes de partículas como las astillas de madera proporcionan un medio ambiente casi ideal para la descomposición de fibras. Por ello se incrementan las temperaturas superficiales y el potencial de combustión espontánea. Las astillas de pequeño tamaño incrementan el área de superficie total y la probabilidad de calentamiento biológico.

Por el contrario, si trabajamos con biomasa seca podemos considerar la opción de almacenamiento durante largos periodos. La biomasa seca tiene demasiada poca humedad como para soportar actividad biológica y, sin calentamiento biológico u otra fuente de ignición, es relativamente estable.

Densidad de energía

Para productos de biomasa tales como las astillas de madera, una limitación a considerar es su valor calorífico volumétrico o densidad de energía bajos. Esta es una propiedad que no es normalmente una preocupación para otros combustibles sólidos.

La mezcla de combustibles

Combustión conjunta biomasa, carbón, y posiblemente otros combustibles sólidos permite a las plantas mitigar sus preocupaciones por el uso de combustibles. Mezclando múltiples combustibles podemos ayudar a conseguir que una planta mitigue sus problemas en el uso de combustibles.

No todos los productos de biomasa son completamente convenientes, ya que productos como la paja o los pellets de micanthus pueden estar limitados debido a su alto contenido en cloro o potasio, que crea problemas de corrosión/deposición.

Pretratamiento de la biomasa

En la mayor parte de los casos, las grandes plantas de biomasa no pueden depender solamente de la industria local para el suministro de combustible. Una de las variables más importantes a tener en cuenta en estos proyectos es la distancia de la fuente de combustible a las instalaciones de generación. Cuando la biomasa debe ser transportada largas distancias el pretratamiento ofrece varias ventajas.

La industria de tratamiento se está desarrollando para cumplir algunos de los siguientes factores clave:

• Ayudar a una gran variedad de productores de biomasa a cumplir con las especificaciones exigidas por las grandes plantas.
• Disminuir los costes relativamente altos del transporte, manejo y almacenamiento.
• Reducir la inversión en las plantas y disminuir los costes de mantenimiento y laborales.

Peletización

Un ejemplo de pretratamiento de la biomasa es la peletización. Los pellets de biomasa están disponibles de un creciente número de fuentes. Una gran variedad de vegetales pueden ser utilizados para pellets, incluyendo bagazo, mazorcas de maíz, cáscaras de nuez, serrin, switch-grass y trigo de mala calidad.

El proceso de peletización consiste en secar la materia original, moler el material sobredimensionado, compactarlo y extrusionar las partículas finas, y luego enfriar el producto para conseguir un combustible de alta densidad. Los pellets tienen forma cilíndrica y un diámetro que va de 6 a 8 mm y 15 – 25 mmm de longitud. Los pellets son un producto conveniente para combustión conjunta en una planta de carbón.

Torrefacción

Otra forma de biomasa son las briquetas. Las briquetas de biomasa son pellets de mayor tamaño, típicamente de 30 a 100 mm en diámetro, y pueden ser un producto compuesto formado por una mezcla de biomasa y carbón.

Para formar briquetas, se usa un proceso de torrefacción. La torrefacción es un proceso termoquímico que altera las propiedades de la biomasa, mejorando sus propiedades físicas. El proceso de torrefacción calienta la biomasa entre 200 y 300 ºC, típicamente durante una hora en un ambiente reducido. Se consumen volátiles, y la biomasa se convierte en un producto carbonizado con densidad de energía, facilidad de molienda y durabilidad mejoradas.

El proceso de torrefacción minimiza algunos de los asuntos relacionados con el control de calidad que pueden encontrarse en otras situaciones:

• Pueden usarse diferentes materias primas.
• Las reacciones de descomposición de la torrefacción relajan la estructura fibrosa de la biomasa, lo cual mejora la capacidad de molienda de la biomasa, reduciendo la energía necesaria para el tamaño de las partículas de biomasa.

El  siguiente paso del pretratamiento es procesar la biomasa tras la torrefacción, que mejora las propiedades físicas de la biomasa.

La torrefacción y peletización son procesos complementarios. La torrefacción incrementa la duración del producto y se reduce la degradación biológica, mientras que la peletización incrementa su densidad de energía.

Bibliografía: Designing Fuel Systems for Large Biomass Plants. Power Vol. 155 – Nº 2 – February 2011

Palabras clave: Multi-unit coal-fired power plant, CFB Boiler, circulating fluidized bed (CFB)