Estudio experimental de peletizado en planta piloto y de combustión en caldera de biomasa a baja potencia

Resumo

El sector energético actual afronta una etapa de transición hacia un modelo medioambientalmente más sostenible, en el que las energías renovables juegan un papel fundamental. Dentro de estas fuentes de energía, la biomasa presenta un gran potencial, siendo la combustión la tecnología más extendida para su aprovechamiento energético. No obstante, la combustión directa de la biomasa presenta ciertas dificultades debido a su heterogeneidad en cuanto a tamaño y forma, su baja densidad y su alto contenido en humedad. Una solución inmediata es el peletizado, mediante el cual la biomasa se compacta en pequeños cilindros y se obtiene un biocombustible homogéneo, de alta densidad y bajo contenido en humedad. Las biomasas que se peletizan son predominantemente de origen leñoso, astillas y serrín, subproductos de la industria de la madera. Sin embargo, dado el aumento que se prevé en la producción de pélets, se estima necesario el uso de biomasas alternativas. La presente Tesis Doctoral profundiza en el estudio de los procesos de peletizado y combustión de biomasas procedentes de residuos forestales y agrícolas abundantes y representativos de Castilla-La Mancha y de cultivos energéticos. Éstos son especies leñosas como las coníferas Pinus pinaster y Pinus halepensis y frondosas como los residuos de poda de almendros, sarmientos, chopo y paulownia, y las especies herbáceas sorgo y paja de cebada. El peletizado se ha realizado en una planta piloto con capacidad de producción de 100 kg/h, que consta de sistema de molienda, homogeneización, compresión (matriz anular) y extracción de polvo. El objetivo del estudio de peletizado ha sido la obtención de pélets de biomasa (de un tipo, mezclada o aditivada) con propiedades adecuadas para ser aprovechadas en el sector térmico residencial. Para ello se han evaluado las condiciones de operación del proceso (temperatura, molienda y compresión) y las propiedades de la biomasa (humedad, tipo y aditivado o formulación de mezclas). Respecto a las condiciones de operación, se ha comprobado que cuando la muestra a peletizar está compuesta por partículas pequeñas (biomasa molida con el tamiz de 4 mm de luz de paso) se minimiza la tendencia de los pélets a fracturarse. La longitud de compresión necesaria para peletizar coníferas ha sido de 21 mm, superior al resto de especies frondosas. Además, se ha determinado un intervalo óptimo de humedad de peletizado, con el que obtener pélets con altos valores de durabilidad, densidad aparente y de partícula y con una humedad que no exceda el 10%-m normativo. Para las coníferas éste óptimo se encuentra entre el 25 y el 28%-m de humedad, mientras que para frondosas y herbáceos el óptimo es inferior, entre el 17 y 20%-m. Respecto al tipo de biomasa, con las leñosas se han obtenido pélets con durabilidades más altas que con las herbáceas. Con las coníferas y la paulownia se obtienen los pélets de mayor densidad. Por otro lado, se han llevado a cabo mezclas de chopo o paja de cebada con serrín de pino, el cual ha aumentado la durabilidad y densidad y ha disminuido el contenido en cenizas de los pélets resultantes. También se ha estudiado el uso de un aditivo químico (lignosulfonato), obteniendo como resultado pélets con mayor durabilidad y densidad, pero que por el contrario, contienen más azufre y cenizas. En cuanto a la combustión, se ha llevado a cabo en una caldera de 55 kW térmicos, de lecho fijo, parrilla vibratoria y pirotubular. Se han estudiado las condiciones de operación (exceso de aire, reparto del aire en primario y secundario, potencia de trabajo, continuidad en la alimentación y vibración de la parrilla), con dos combustibles de referencia (pélets de pino y pélets de sarmiento), y el efecto de las propiedades del combustible (tipo de biomasa, densidad, mezclas y aditivado). Los resultados referentes a las condiciones de operación muestran que las condiciones de exceso de aire y su reparto en primario y secundario más favorables para reducir los inquemados gaseosos (CO y COT) y las pérdidas de rendimiento asociadas (φg), son 1.4 y 30/70 respectivamente. Las variaciones en la potencia de trabajo con combustibles estandarizados como los pélets de pino, acompañadas de una regulación del exceso de aire, no afectan negativamente a la combustión. Sin embargo, con los pélets de sarmiento, es conveniente trabajar a potencia nominal para no exceder los límites de emisiones de inquemados gaseosos. La continuidad de alimentación de los pélets afecta a las emisiones gaseosas y a los residuos sólidos generados, siendo, de los niveles estudiados, el medio el más adecuado. La limpieza de la parrilla por vibración disminuye la formación de inquemados sólidos en la combustión de sarmiento, y sin embargo, la aumenta con combustibles con menos contenido en cenizas como el pino. El estudio del efecto del tipo de biomasa en la combustión indica que las biomasas leñosas pueden ser intercambiables, previo ajuste de los parámetros de operación. No es así, en el caso de las biomasas herbáceas, cuyo uso se desaconseja en este tipo de calderas dados los problemas de sinterización generados. También se ha estudiado el efecto la densidad del combustible, sin observar efectos significativos sobre la temperatura de los gases de combustión, las emisiones gaseosas, los residuos sólidos o el rendimiento de la combustión. Por otro lado, se ha estudiado la combustión de mezclas de chopo con serrín de pino y se ha concluido que, respecto al chopo, se reduce el contenido de ceniza y N de los pélets, y por tanto, los residuos sólidos y las emisiones de CO y NOx durante la combustión. Por último, se ha estudiado la combustión de pélets de chopo aditivados con lignosulfonato y se desaconseja el uso de este aditivo, debido a las altas emisiones de SO2 que ocasiona.