Análisis y optimización del proceso de peletización de biomasa y estudio de su comportamiento como combustible en una caldera del sector doméstico

Resum

La producción y utilización energética de los combustibles obtenidos a partir de biomasa lleva asociadas una serie de ventajas sociales y medioambientales cuando se comparan con el uso de los combustibles fósiles. Con respecto a la biomasa sólida, es preciso tener en cuenta que tal y como se obtiene en origen, esta materia prima no suele presentar unas características apropiadas para su uso energético directo, por lo que muy frecuentemente es necesario desarrollar un proceso o etapa de adecuación o pretratamiento de la misma, dentro de la cual, se enmarcaría el proceso de peletización. Las materias primas que habitualmente se utilizan en Europa para la fabricación de pélets son los serrines y las virutas procedentes de aserraderos e industrias de tratamiento de la madera. Sin embargo, debido al crecimiento que se está produciendo en la demanda de biomasa peletizada, especialmente para equipos térmicos de pequeña potencia, existe un interés creciente en el empleo de nuevas materias primas. En España y en otros países del sur de Europa, la disponibilidad de serrín y viruta no es tan amplia como en los países del centro y norte de Europa, por lo que la búsqueda de materias primas alternativas que puedan introducirse en el mercado de pélets ha adquirido una especial importancia en los últimos años. Con esto, se han seleccionado cinco biomasas con el objeto de llevar a cabo el estudio de su comportamiento durante la peletización y la combustión. Las biomasas se han divido a su vez en tres grupos: 1. Material de referencia: serrín de pino. 2. Cultivos energéticos: brassica y chopo. 3. Residuos agrícolas e industriales: sarmiento y residuo industrial del corcho. Con la finalidad de evaluar la importancia de la distribución de tamaños en el proceso de peletización, se han empleado dos grados de molienda: un primer tamaño, definido por la utilización de un molino de cuchillas (de 35 kW de potencia) con un tamiz con luz de malla de 10 mm, y un segundo tamaño, definido por una molienda posterior en un molino de martillos (de 11 kW de potencia) con un tamiz de luz de malla de 4 mm. Previamente a la molienda en molino de cuchillas, se ha acondicionado el material mediante dos equipos diferentes, una rotopicadora (con potencia de 15 kW) para la biomasa herbácea empacada y una trituradora (con potencia de 22 kW) para las materias primas leñosas Los ensayos de peletización se han llevado a cabo en una planta piloto que cuenta con una prensa peletizadora de matriz plana y cuya potencia es de 30 kW. Las variables que se han estudiado para cada una de las biomasas han sido: tamaño de molienda de la materia prima, superficie específica de granulación, compresión (que está definida por la matriz empleada) y calidad de los pélets obtenidos (la cual se determina a partir de su caracterización física y química). Con objeto de mejorar la peletización del chopo, se han introducido dos aditivos durante este proceso: almidón de maíz y lignosulfonato (subproducto de la obtención de celulosa a partir de la madera por el proceso al sulfito ácido). Los ensayos de combustión se han realizado en una caldera para pélets de alimentación superior con una potencia de 17,5 kWt. Durante estos ensayos, se ha evaluado el comportamiento de los pélets con respecto a la acumulación de ceniza en el quemador, la cantidad de inquemados existentes en los productos sólidos derivados de la combustión, la formación de sinterizados y/o escorias y las emisiones producidas. Con la finalidad de mejorar la combustión de algunas de las biomasas utilizadas, se han realizado los siguientes ensayos: - Introducción de 2,5 kg caliza por cada 100 kg de brassica durante la peletización. - Mezcla de brassica con chopo en las proporciones: 30% de brassica + 70% de chopo, 20% de brassica + 80% de chopo y 10% de brassica + 90% de chopo. - Utilización de dos tipos de sarmiento: uno que fue recogido y manipulado sin ningún cuidado especial (sarmiento A); y el otro que se recogió y manipuló poniendo especial interés en evitar la introducción de piedras o tierra antes del proceso de peletización, con objeto de evitar así la contaminación de la biomasa (sarmiento B). - Mezcla de sarmiento con residuo industrial del corcho en las proporciones: 60% de sarmiento + 40% de corcho, 50% de sarmiento + 50% de corcho, 40% de sarmiento + 60% de corcho y 30% de sarmiento + 70% de corcho. Los resultados obtenidos han permitido seleccionar las condiciones de peletización más apropiadas para cada uno de los tipos de biomasa utilizada, de cara a obtener el mayor rendimiento posible durante el proceso y una calidad aceptable para los pélets. Con esto, en cuanto a la molienda, se ha seleccionado para todas las materias primas (excepto para el serrín de pino, puesto que no precisa molienda) una luz de malla de 4 mm. Para el proceso de peletización, la superficie específica de granulación óptima ha resultado ser la de 5,6 cm2/kW en todos los casos y la compresión ha dependido de la materia prima a peletizar. Así, la compresión de 24 mm ha resultado óptima para el serrín de pino, el sarmiento y el residuo industrial del corcho, la de 26 mm para el chopo y la de 29 mm para la brassica. En cuanto a la peletización del chopo, se ha demostrado que la adición de almidón o lignosulfonato aumenta la estabilidad del proceso de peletización y reduce la energía específica demandada entre un 42% y un 49% en el caso del almidón y entre un 7% y un 23% en el caso del lignosulfonato, dependiendo de la dosis de aditivo añadida. Además, cabe destacar que con la incorporación de lignosulfonato, la calidad física de los pélets es mayor que cuando se añade almidón. Con respecto a la dosis óptima de aditivos a añadir, se ha considerado una limitación de azufre en el combustible del 0,10% en masa (limitación para el gasóleo de calefacción), y se ha concluido que la mejor opción para peletizar el chopo es la incorporación de los dos aditivos simultáneamente y en la menor dosis posible, de modo que la demanda energética sea baja y la calidad de los pélets sea aceptable. Con esto, la dosis de aditivos que se ha seleccionado es de un 4%, formada por un 3% de almidón y un 1% de lignosulfonato. Considerando las mezclas de biomasas realizadas, se ha apreciado que la adición de brassica al chopo facilita el proceso de peletización, reduciendo la energía específica demandada en aproximadamente un 15% para las mezclas ensayadas, pero empeora la calidad física de los pélets; y la adición de residuo industrial del corcho al sarmiento apenas influye en el rendimiento del proceso de peletización y reduce la calidad física de los pélets. Con respecto a las conclusiones extraídas de los ensayos de combustión en la caldera, puede destacarse que únicamente se pueden considerar como apropiados de cara a la combustión durante 10 horas consecutivas sin problemas de operación, los pélets de serrín de pino, de chopo, de residuo industrial del corcho, de mezcla del 30% de sarmiento A y 70% de corcho y de mezcla del 60% de sarmiento B y 40% de corcho. En cuanto a las emisiones en los ensayos descritos en el párrafo anterior, se puede concluir que tanto los pélets de serrín de pino como los de chopo presentan valores bajos de monóxido de carbono (por debajo de 3000 mg/Nm3 para O2 de referencia del 10%v) y partículas (por debajo de 150 mg/Nm3 para O2 de referencia del 10%v), pero, sin embargo, si se quisiera quemar pélets de residuo industrial del corcho, de su mezcla con el 30% de sarmiento A y de su mezcla con el 60% de sarmiento B, sería preciso llevar a cabo una disminución de las emisiones de partículas (que se encuentran por encima de 150 mg/Nm3 para O2 de referencia del 10%v). Por otro lado, los pélets de chopo obtenidos con los aditivos anteriormente indicados (3% de almidón y 1% de lignosulfonato) generan un ensuciamiento importante en las paredes y los tubos de la caldera, por lo que se precisaría una limpieza más frecuente de estos puntos de la caldera, o bien, la utilización de mecanismos de limpieza automática. Con respecto a las mezclas realizadas durante el proceso de peletización, puede concluirse que la adición de caliza a la brassica no mejora la combustión de los pélets de esta biomasa. Por otro lado, la incorporación de brassica al chopo empeora considerablemente la combustión del chopo, no siendo apropiado ni siquiera el uso de pélets del 90% de chopo y el 10% de brassica; mientras que la incorporación de residuo industrial del corcho al sarmiento mejora la combustión del sarmiento, habiéndose obtenido como mezclas más apropiadas para la caldera ensayada la del 30% de sarmiento A + 70% de corcho y 60% de sarmiento B + 40% de corcho. Por último, considerando la tecnología de combustión empleada en los ensayos, puede concluirse que la utilización de un determinado tipo de pélets en la caldera se encuentra limitada por el porcentaje de ceniza de los pélets y por la capacidad de elutriación, por parte del aire de combustión, de la ceniza acumulada en el quemador. Éste es un fenómeno físico-químico complejo que se basa en la capacidad del aire de combustión para oxidar la materia orgánica de los pélets y para arrastrar los productos de combustión y cenizas que permanecen temporalmente en el quemador. Si estas capacidades se ven limitadas, se produce acumulación en el quemador, lo que conduce a una combustión deficiente que puede generar sinterización y escorificación de la ceniza acumulada y, finalmente, la parada total de la caldera.