Viabilidad Biomasas

“ANÁLISIS DE VIABILIDAD TÉCNICA DE UN PROYECTO DE VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE RESIDUOS” (CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO) Autor: Miguel Díaz Troyano Combustion Biomass Service, S.L.(CBS) C/ Dr. Pariente, 24 – CP 11500. Puerto de Santa María - Cádiz Tfno: 956 871066 email: [email protected]

Extracto: El presente artículo pretende analizar los principales factores que intervienen en la viabilidad de un proyecto relacionado con la valorización energética de residuos y biomasa. Factores de tipo económico, pero sobre todo técnicos, que pueden condicionar el éxito de la fase de explotación del proyecto. Es necesario detectar los factores de riesgo para la viabilidad técnica y reducirlos o incluso eliminarlos si es posible. Se teoriza mucho sobre el término “viabilidad”. En este artículo lo trataremos además con un tono más gráfico y cercano como “despejar” las dificultades o “dejar vía libre” al proyecto de futuras complicaciones en su explotación. Es absolutamente necesario que quienes elaboran estos planes incluyan estas consideraciones para no incurrir en el peligro de realizar un análisis teórico aparentemente correcto pero alejado de la realidad.

Abstract: The actual article tries to analyze the main factors involved into the viability study of a project related to biomass and waste to energy. Factors are of economic type, but mainly of technical type, which can condition the success in the running phase of the project. It is necessary to detect risk factors of technical viability and reduce them or even eliminate if possible. The term “viability” has been much theorized. In this article it shall be treated from a closer and more graphical point of view, as “to clear” difficulties or “to keep clear the way (via)” of potential complications into the operation phase. It is quite necessary that those who perform viability studies include these considerations in order to not incur into the danger to make a theoretic analysis apparently correct but far away from reality.

Introducción: Son muchos y de naturaleza muy variada los factores que intervienen en el análisis de la viabilidad de un proyecto de valorización energética de residuos. Consideraremos el término “residuo” extendido a la gran familia de la biomasa que constituye en muchas ocasiones un verdadero residuo natural o industrial.

1

El éxito de un proyecto depende en buena medida de su génesis. El proyecto tiene que ser engendrado sobre una base sólida y realista que aúne los criterios convencionales de una rentabilidad económica razonable con un estudio técnico no menos realista y a ser posible contrastado.

En algunas ocasiones existe un divorcio entre estos dos aspectos, cargándose casi siempre la atención del estudio a aspectos puramente financieros y asumiendo unos parámetros técnicos fuera de toda realidad. El resultado de este fenómeno se traduce en que una vez que la instalación entra en funcionamiento, no se consiguen los resultados esperados.

Existen casos reales que tras varios años después del estudio, ya nadie se acuerda de cómo se elaboró éste y la principal preocupación en esos momentos reside en resolver el problema técnico y de explotación. Experiencias de este tipo contribuyen a sembrar cierta desconfianza en los promotores y han contribuido a retrasar el desarrollo de la biomasa en España. La biomasa es la energía de régimen especial que posee el mayor potencial de desarrollo y la mejor contribución sostenida en horas-año al sistema eléctrico del estado.

La viabilidad técnica debe acompañar siempre a la económica. Podríamos decir que las previsiones de éxito son el producto de ambas. De nada vale un fabuloso plan financiero basado en una quimera técnica y viceversa.

Es aquí, en los aspectos técnicos, dado sus particularidades, donde se centrará la segunda parte del contenido del artículo.

1.- Naturaleza de los factores Podemos distinguir los siguientes tipos de factores: Unos de naturaleza puramente económico-financiera como son la modalidad de financiación, el tipo de interés del crédito, precio de venta de la energía generada, precio

2

de la biomasa, amortizaciones, subvenciones a la inversión y a otros como por ejemplo la reducción del tipo de interés, plazo de estudio del proyecto en años ( 12, 15, 20 años) etc.

Otros de naturaleza mixta, puesto que en su consideración se fijan criterios tanto técnicos como económicos. Tales son la selección de la tecnología y consecuentemente la correspondiente inversión que ello conlleva, el estilo de explotación de la planta etc.

Y finalmente otros que pueden ser considerados puramente técnicos y que afectan principalmente a aspectos relacionados con la disponibilidad anual en términos de horas de funcionamiento real de la planta a pleno rendimiento.

2.- Viabilidad Económica de un proyecto

2.1.

Indicadores Económicos de Rentabilidad.

Valor Actual Neto (VAN) Consiste en actualizar a valor presente los flujos de caja futuros que va a generar el proyecto, descontados a un cierto tipo de interés (“la tasa de descuento”), y compararlos con el importe inicial de la inversión. 2

1 1

1

….

1

Siendo: A: desembolso inicial FC: flujos de caja n: número de años (1, 2 … n) r: tipo de interés (“la tasa de descuento”) Si VAN > 0: El proyecto es rentable. Si VAN < 0: El proyecto no es rentable.

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A la hora de elegir entre dos proyectos, elegiremos aquel que tenga el mayor VAN. Este método se considera el más apropiado a la hora de analizar la rentabilidad de un proyecto.

Tasa Interna de Retorno (TIR) Se define como la tasa de descuento o tipo de interés que iguala el VAN a cero. 1 1

2 1

….

1

0

Si TIR > tasa de descuento (r): El proyecto es aceptable. Si TIR < tasa de descuento (r): El proyecto no es aceptable.

Es el indicador más utilizado aunque el método pueda presentar más dificultades. Se suele usar como complementario al VAN.

Período de Retorno de una inversión (PR) o Payback Se define como el período que tarda en recuperarse la inversión inicial a través de los flujos de caja generados por el proyecto.

La inversión se recupera en el año en el cual los flujos de caja acumulados superan a la inversión inicial.

No se considera un método adecuado si se toma como criterio único. Pero, de la misma forma que el método anterior, puede ser utilizado complementariamente con el VAN.

2.2. Financiación del proyecto. Normalmente los proyectos se ejecutan con una financiación parcial externa. Dicha financiación suele cubrir en torno a un 80% quedando el resto de la inversión por parte de la propiedad como fondos propios. Al margen de las amortizaciones anuales del

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capital principal y del pago de los intereses, habrá que considerar durante el período de ejecución del proyecto (normalmente unos dos años aproximadamente antes de la conexión a la red eléctrica y venta de electricidad) el consumo escalonado de línea de crédito aplicado al pago de las inversiones y del IVA.

En este apartado las variables a considerar son: •

El porcentaje de la inversión total de la planta financiada.

•

Las condiciones de financiación y en especial el tipo de interés aplicado.

2.3.

Disponibilidad de combustible.

Es obvio que si no se puede garantizar unas toneladas/año poco se puede hacer para garantizar la rentabilidad económica del proyecto

Es preciso garantizar el suministro de biomasa a largo plazo, mediante acuerdos con empresas de logística de biomasa, agricultores, etc.

2.4.

Precio de mercado de la biomasa.

Este parámetro incide directamente sobre los costos de explotación de una central térmica. En una economía de mercado libre, ocurre que empresas de logística de la biomasa desvían sus ventas a mercados más atractivos que los nacionales, como ha ocurrido con los numerosos cargamentos de orujillo desde Andalucía a puertos británicos, belgas o suecos, donde se paga más por la biomasa.

De esta forma si en España no se dan las circunstancias para que se pueda pagar a un precio razonable, la biomasa se escapará a otros países donde además de generar electricidad y/o calor beneficiará a éstos, de la cuota verde que no se queda en nuestro país.

5

2.5.

Precio del Kwh

Puesto que la única fuente de ingresos de una planta de biomasa es la generada de la venta del Kwh, es obvio que este parámetro es de suma importancia, en cuanto a viabilidad de la inversión se refiere. Este precio está regulado por el RD 661/2007 y las tarifas se actualizan, normalmente, a finales de cada año.

Tabla 1.- Tarifas eléctricas para el año 2009.1

1

ORDEN ITC/3801/2008, de 26 de diciembre, por la que se revisan las tarifas eléctricas a partir de 1 de enero de 2009.

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2.6.

Subvencciones

mas en las diferentes d coomunidadess autónomass a través dee las agenciias de Existten program energgía encamiinadas a suubvencionaar una partte de la innversión. D Dependiendo o del volum men de la innversión y el e tipo de applicación pu ueden llegarr a cotas dee hasta el 50 0% en térmiinos de inceentivos a fondo perdidoo, además de d una bonifficación del tipo de inteerés. A niivel nacionnal se puedde consultarr al IDAE (www.idae.es) y finnalmente al ICO (Instiituto de Créédito Oficiaal) y comuniidades autón nomas.

2.7 Cálculo C de la l Viabilidaad Norm malmente esstos proyecttos se prom mueven por iniciativa i prrivada, paraa lo cual se forma f una empresa nueva n cuyo objeto soccial es la de generaddor eléctricco en “Rég gimen Espeecial”. Esta empresa soolicita el perrmiso correespondiente al Ministerrio de Econ nomía o a laa consejeríaa corresponddiente, segúún la potenccia de la plannta y una veez que obtieene el correespondientee permiso juunto con el punto de enganche e dee la compaññía eléctricaa más cercaana, comiennza la fase de d búsquedaa de financiación. Norm malmente esstos proyecttos se finanncian bajo laa modalidadd de “Projecct Finance”. El banco, tras una valloración rig gurosa del estudio e de viabilidad v ecconómica, suele s llevar a cabo, de forma particular, un esstudio de viiabilidad téccnica, para asegurarse que detrás de la idea técnica estáán tecnólog gos de experiencia probbada y que el e proyecto tiene garan ntías técnicaas suficientees de éxito.

Figura 1.- Valoración V d proyecto previa del p a su financiación. f .

7

Podeemos distingguir varias fases f en el desarrollo d del d proyecto. Fase 1.- Constitucióón de la sociiedad y seleección del teerreno de em mplazamien nto. Fase 2.- Elaboraciónn del proyeccto básico y obtención de permisoos Fase 3.- Financiacióón del proyeecto y subveenciones Fase 4.- Construccióón de la plaanta. Fase 5.- Recepción de la plantaa, pruebas y comienzo de d la explottación. Año cero

Figura 2.- Fases princiipales del deesarrollo de un u proyecto.

n, en torno a dos Para el estudio de d la rentabbilidad incluuimos la úniica fase de construcció c años.

Duraante esta fasse vamos a considerar c q gastamo que os el primerr año parte de la inverssión y por lo tanto utiliizamos partte de los fonndos de la líínea de créddito obtenidaa en el bancco. Al princcipal de la inversión i h habrá que suumar las caantidades neecesarias dee necesidad des de fondoo de maniobbra para suffragar los gastos g de IV VA y del perrsonal mínim mo asignad do a la superrvisión de la construccción del proyyecto.

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El segundo año se utilizará el resto de la línea de crédito y se repetirán las necesidades de fondo de maniobra (NFM).

De los tres indicadores citados anteriormente (VAN, TIR y periodo de retorno), el más comúnmente utilizado es el TIR.

De forma práctica, para el cálculo del TIR intervienen los siguientes factores: •

La inversión inicial, entendida como la parte aportada como fondos propios

•

El tipo de interés sobre el cual se calculará el TIR

•

La vida en años considerada para el proyecto

•

Los flujos de caja durante la vida del proyecto

•

El valor residual de la planta. Se puede considerar una depreciación anual del 5%. El valor residual se considera como un ingreso extraordinario en el último año considerado.

A su vez el cálculo de los flujos de caja (cash-flows) se calculan de la siguiente manera:

Figura 3.- Estructura del cálculo de los cash-flows.

9

El reesultado de los l flujos dee caja graficcado por añ ños mostraríía un aspectto similar all de la siguiiente figura..

Figgura 4.- Gráfficos de los flujos fl de cajaa en la fase de d construcciión y 15 añoss de explotacción. (Para unn crédito en 12 años)

Una vez ajustaddo un marcoo de variablees que sopo orten la viabbilidad, se ppuede efectu uar un mportantes como son el precio de la estuddio de senssibilidad dee algunos factores im biom masa y los foondos propios por ejem mplo.

Este estudio lo que hace es mostrarr como varría la rentabbilidad (TIIR) del pro oyecto cuanndo se cam mbia el valoor de la variable v a estudiar e maanteniendo el resto de d las conddiciones connstantes. De esta form ma podemos obtener resultados r ccomo los de d las siguiientes gráficcas.

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(TIR/% de fondos propios)

Figura 5.- Gráfico de sensibilidad de la variable “Fondos propios”

Figura 6.- Gráfico de sensibilidad de la variable “Precio de la biomasa”

(TIR/céntimos de € por termia)

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3.- Factores de naturaleza Mixta En primer lugar estaría la elección de la tecnología a aplicar. Por ejemplo una central termoeléctrica de biomasa se podría plantear hipotéticamente con las siguientes soluciones técnicas. Combustión con: •

Parrilla

•

Lecho fluido

•

Biomasa pulverizada

Otras en fase aún de desarrollo: •

Gasificación + motores de gas

•

Turbinas de biomasa

La elección marcará para cada proyecto sus niveles de certidumbre en términos de disponibilidad operatividad, gastos de explotación; parámetros que lógicamente influyen en la viabilidad económica de la planta. Por último, contar con un equipo humano que garantice la operación de la planta hasta niveles reales y razonables. A pesar de parecer obvio este punto, la experiencia demuestra en ocasiones lo contrario. Paradas por falta de mantenimiento, manipulación incorrecta de los equipos, etc.

4.- Viabilidad técnica del proyecto. Se podría decir que el elemento que más llama la atención en una planta de biomasa es la caldera de vapor debido a su gran tamaño en relación con el resto de los componentes.

Este hecho aún se enfatiza más cuando observamos los equipos auxiliares necesarios para complementar el buen funcionamiento de la caldera dentro de unos parámetros aceptables de funcionamiento.

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Estas características particulares que se aprecian a primera vista son el resultado de la solución técnica a los problemas específicos que plantea el uso de las biomasas, y en particular las biomasas complejas, en plantas de alto rendimiento derivados de su manejo y combustión.

Un estudio y análisis físico-químico de la biomasa a quemar y de sus cenizas son indispensables para establecer las primeras bases de diseño del generador de vapor, que es el componente de la planta que determinará en mayor medida la disponibilidad de ésta, en términos de horas de funcionamiento anual.

Independientemente de las razones de tipo logístico (como puede ser el radio de recogida de residuos, su transporte y por ende la cantidad de biomasa disponible) que limitan el tamaño y ubicación de una planta de biomasa, existen otras de tipo técnico que podrían afirmarse que son prácticamente inherentes todas ellas a la biomasa en si misma.

En este sentido, el equipo componente de la Planta de mayor peso especifico es la caldera de vapor y sus auxiliares, al ser éste el equipo en el que incide toda la influencia de la biomasa (como combustible y posteriormente como cenizas) y sobre el que gira mayormente la disponibilidad global de la planta, al considerarse el resto de quipos normales y comunes en cualquier Planta de energía.

4.1. Aspectos físico-químicos de las biomasas. Una vez fijado el tipo de biomasa a quemar en cuanto a su cantidad, habremos de hacer las consideraciones técnicas necesarias en cuanto a su calidad, estudio éste que condicionará el sistema de combustión más apropiado, conjuntamente con el diseño térmico-químico de la caldera y el de sus equipos auxiliares.

Los principales parámetros a analizar en una biomasa combustible son:

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En el combustible: Físicos : •

Granulometría

•

Humedad a efectos de transporte y manejo

Químicos: •

Composición

•

% en volátiles

•

Humedad

•

Materiales nocivos

•

% de Cenizas

En las cenizas: Químicos: • Composición •

Alcalis (Na y K)

Físicos: •

Puntos de fluencia y sinterización.

Granulometría. La granulometría va a establecer la necesidad de instalar o no determinados equipos de preparación de combustible. Podría ser el caso de una picadora de la biomasa en función también de que el sistema de combustión admita también determinados tamaños de ésta.

Como veremos más adelante respecto a otros parámetros, estas decisiones van ligadas al concepto de flexibilidad que deseemos de la Planta.

Por ejemplo, si nuestra planta va a quemar sólo cortezas en parrilla se admitirían unos tamaños relativamente grandes, pero si en cambio la corteza supone una contribución parcial al combustible total de la Planta, compuesto además por troncos y ramas 14

troceadas y astilladas y por serrín, habría que plantearse su disminución de tamaño. Esto es así por razones de homogenización del combustible, almacenamiento, transporte y alimentación a caldera.

En general, en la medida en que se prepare mejor la biomasa, obtendremos niveles de homogenización y flexibilidad mejores en las Plantas por la utilización de diferentes biomasas.

Dependiendo de la granulometría, se puede quemar biomasa en diferentes sistemas de combustión que van desde los quemadores de polvo a modo de carbón pulverizado (como por ejemplo en los serrines y en las harinas animales) hasta diferentes tipos de parrillas (vibrantes, viajeras, oscilantes, refrigeradas etc.) que admiten granulometrías más variadas.

Figura 7.- Proceso de picado de la biomasa para reducir su granulometría.

Humedad: La humedad por un lado junto con la granulometría determinan la textura de la biomasa. Estas características físicas de tamaño, humedad, consistencia etc, van a fijar el tipo de almacenamiento, transporte y alimentación al sistema de combustión más adecuado para cada caso. 15

Biomasas muy secas ( < 10% de humedad) y de baja granulometría (< 3 a 5 mm.) permiten transportes mecánicos sencillos o incluso neumáticos.

A medida que se incrementa la humedad a una determinada granulometría, se deben utilizar equipos más potentes y resistentes al desgaste para su transporte. Al mismo tiempo la cinética de introducción en el hogar de la caldera tiene que reforzarse para asegurar un reparto homogéneo en el lecho de combustión. Una mala distribución inducirá a variaciones no esperadas de carga en la caldera.

El grado de humedad va a influir de forma muy directa en la temperatura adiabática de la combustión y por consiguiente en la distribución de temperaturas a lo largo de los pasos radiantes hasta el ataque del primer paso convectivo, normalmente el sobrecalentador de alta temperatura.

Luego el diseño térmico de la caldera habrá que modelarlo para un intervalo de humedades posibles de la biomasa, si bien habrá que acotarlo de forma realista dentro de unos límites que permitan el funcionamiento efectivo y seguro de la caldera.

Para ello sistemas como el control de exceso de aire o sistemas de recirculación de gases deberán ser provistos para controlar las temperaturas de gases de forma eficaz.

Un contenido alto en humedad dificultará el encendido de la biomasa puesto que ésta deberá pasar previamente por un proceso de secado antes de su ignición.

Esto supone que la cámara de combustión debe garantizar un flujo de calor estable y suficiente para llevar a cabo esta evaporación del agua y posterior combustión de la biomasa, en caso contrario el lecho de combustión se volvería inestable y no progresaría.

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Algunas biomasas efectúan este secado antes de llegar al lecho de combustión por ejemplo durante la inyección neumática a través de los spreaders (alimentadores) de parrilla.

En otras ocasiones las partículas del lecho fluido cumplen este objetivo. O simplemente lo que tradicionalmente hemos estado acostumbrados a ver: el recubrimiento de la cámara de combustión con material refractario para evitar la disipación de calor.

Se debe tender a eliminar al máximo las partes con refractario, adecuando en cada caso el diseño del sistema de combustión y siempre que no existan restricciones legales de tiempos de permanencia de los gases a alta temperatura1.

% Volátiles La cantidad de volátiles que contiene una biomasa da una idea de la facilidad de ignición de ésta. Al entrar en contacto la biomasa con el ambiente a alta temperatura de combustión de la cámara, ésta se calienta liberando los compuestos volátiles y perdiendo al mismo tiempo la humedad inherente.

Con biomasas con un bajo contenido en volátiles será necesario el aporte de aire primario precalentado. Por el contrario no será necesario el aporte de precalentamiento en el aire para contenidos en volátiles (altos superiores al 60% aproximadamente).

Componentes corrosivos y ensuciantes Las biomasas complejas normalmente contienen altos porcentajes de potasio y otros álcalis y metales alcalinos que se vaporizan o reaccionan con otros elementos a su paso por la caldera, condensando parcialmente para formar depósitos adherentes sobre las superficies metálicas y refractarios. Esto supone uno de los mayores problemas a tratar no solamente en el diseño de la caldera sino en la concepción preliminar de la planta,

1

RD 653/2003 sobre incineración de residuos.

17

debido a la influencia que este fenómeno tiene sobre la disponibilidad de la planta (horas efectivas de funcionamiento al año).

El potasio y el sodio, metales alcalinos en forma de óxidos, hidróxidos o compuestos metalo-orgánicas formarán compuestos de bajo punto de fusión con los silicatos.

Determinadas biomasa complejas, hierbas y pajas contienen álcalis y silicio en proporciones que favorecen la formación de estas mezclas inorgánicas que funden a bajas temperaturas.

El silicio aislado funde a 1700ºC. El punto de fusión de diferentes mezclas de K2O con SiO2 se muestra en el diagrama de fase siguiente:

Cristal

Liquido

Tridimita

Figura 8.- Diagrama eutéctico K2O con SiO2

En el diagrama se observa un punto eutéctico con una temperatura mínima de fusión de 770ºC para una mezcla del 35% de K2O y SiO2. Estas combinaciones eutécticas son variadas y comunes en ciertas biomasas.

Es muy frecuente encontrar biomasas cuyas cenizas contienen un valor de la relación (K2O + Na2O)/SiO2 entre el 25 y el 35% , valores muy cercanos al punto eutéctico del

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diagrama. Se ha observado que una parte del potasio contenido en el combustible (1540%) se volatiliza durante la combustión. A modo de referencia en la siguiente tabla se incluyen los puntos de fusión de compuestos encontrados en las biomasas.

Tabla 2.- Puntos de fusión de componentes presentes en cenizas volantes.

Grupo Cloridios

Carbonatos

Cloratos

Sulfatos

Hidróxidos

Sulfatos

Fosfatos

Mineral NaCl CaC12 KCL MgCL2 FeCL3 Na2CO3 CaC03 K2CO3 MgCO3 FeCO3 NaClO3 Ca(CL03)2 KCL03 MgCLO3•6H2O Iron Fe (Cl04)2 Na2SO4 CaSO4 K2SO4 MgSO4 Fe(SO4)3 Na(OH) Ca(OH)2 KOH Mg(OH) Fe(OH)2 Na2S K2S MgS FeS2 Ca2P2O7 K3PO4 Mg3(PH4)2

Temperatura de fluido, ºC 801 782 770 714 306 851 1339 891 Decomp. 350 Decomp. 350 248-261 340 356,Decomp. 400 35 Decomp. >400 _ 750-950 (pres. de silicatos) 1069 Tr. 558 1124 Decomp. 480 Decomp. 318 580-H2O 360 350-H2O 1180 470 1171 1230 1340 1184

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Elementos no metálicos Cl, S, P. El cloro juega un papel importantísimo en la transformación de los materiales inorgánicos durante la combustión. El cloro reacciona con los materiales alcalinos para formar cloruros alcalinos relativamente volátiles y estables. En este proceso es normal que la concentración de cloro limite la cantidad de vaporización más que la concentración de álcalis.

Aparte del efecto ensuciante, el cloro es culpable de la corrosión por alta temperatura en las zonas de parrilla y banco sobrecalentador.

El efecto de corrosión sobre parrillas no refrigeradas por agua es devastador y muy difícil de eliminar por su efecto permanente (memoria) sobre las piezas de fundición.

Figura 9.- Efectos de la corrosión del cloro sobre piezas de parrilla (30% de cromo). Véase el deteriroro de la parte frontal y la destrucción de los orificios de aire primario, ambos señalados por las flechas.

S

El azufre es también un factor importante en el depósito de cenizas. Muchos

depósitos sobre la superficie de tubos de pasos convectivos están formados por sulfatos.

20

El azufre se oxida durante la combustión. Parte reacciona con materiales alcalinos formando sulfatos.

El sulfato potásico (SO4K2) y el cloruro potásico ClK se suelen condensar en las paredes superiores del hogar donde se mezclan con las cenizas volantes.

P

El comportamiento del fósforo no está bien caracterizado durante la combustión

de las biomasas. Suele formar una pequeña fracción del combustible y parece comportarse como un material relativamente refractario. El fósforo es un contribuyente importante en el depósito de cenizas de algunos abonos y pajas de establo. El volumen de hogar limitado y las altas temperaturas de salida de gases del hogar de la mayoría de las calderas de biomasa provocan el ensuciamiento o depósito de las cenizas de aquellos biocombustibles que contienen cantidades importantes de potasio, sodio, cloro y silicio.

Aquellas biomasas que contengan suficiente álcalis volátiles bajan la temperatura de fusión de sus cenizas, de forma que se funde en la combustión, o los elementos vaporizan y condensan en las superficies de la caldera y refractario.

El “índice de ensuciamiento” (fouling factor) indica la concentración de álcalis en cenizas respecto al PCS del combustible. Se establece que valores por debajo de 0,17 Kg/GJ no son problemáticos. Entre 0.17 Kg/GJ y 0,34 Kg/GJ existe un riesgo de ensuciamiento y por encima de 0,34 Kg/GJ de la biomasa será problemática en relación con el ensuciamiento.

A continuación se dan algunos valores y composiciones típicos de algunas biomasas.

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Tabla 3.- Coeficientes de ensuciamiento, composición química de algunas biomasas y sus correspondientes cenizas.

Combustible

Análisis aproximado Carbono fijo Materia volátil Ceniza Humedad TOTAL Análisis último Carbono Hidrógeno Oxígeno Nitrógeno Azufre Ceniza Humedad TOTAL PCS Kj/Kg

Residuos Bagazo Cáscara Piel Hueso Trigo forestales de Caña de de de de de azúcar almendra almendra aceituna madera

Cascarilla de arroz

seco

seco

seco

seco

seco

seco

seco

13.62 82.41 3.97

11.95 85.61 2.44

20.71 76 3.29

20.07 73.8 6.13

16.28 82 1.72

19.34 71.11 9.55

16.22 63.52 20.26

100

100

100

100

100

100

100

50.31 4.59 39.99 1.03 0.11 3.97

48.64 5.87 42.85 0.16 0.04 2.44

49.3 5.97 40.64 0.76 0.04 3.29

47.53 5.97 39.18 1.13 0.06 6.13

52.8 6.69 38.29 0.45 0.05 1.72

42.9 5.11 41.62 0.53 0.29 9.55

38.83 4.75 35.59 0.52 0.05 20.26

100 20161

100 18989

100 19482

100 18880

100 21584

100 16808

100 15838

CENIZAS Álcalis soluble en agua % NA2O

0.022

K2O CaO

0.665 0.008 Composición elemental

SiO2

17.78

46.61

8.71

9.28

30.82

37.06

91.42

AL2O3

3.55

17.69

2.72

2.09

8.84

2.23

0.78

TiO2

0.5

2.63

0.09

0.05

0.34

0.17

0.02

Fe2O3 CaO MgO

1.58 45.46 7.48

14.14 4.47 3.33

2.3 10.5 3.19

0.76 8.07 3.31

6.58 14.66 4.24

0.84 4.91 2.55

0.14 3.21 <0.01

Na2O

2.13

0.79

1.6

0.87

27.8

9.74

0.21

K2O

8.52

4.15

48.7

52.9

4.4

21.7

3.71

SO3

2.78

2.08

0.88

0.34

0.56

4.44

0.72

P2O5

7.44

2.72

4.46

5.1

2.46

2.04

0.43

CO2/otros Indeterminado

2.78

1.39

17.38 -0.53

20.12 -2.89

-0.7

14.32

TOTAL Kg/GJ

100 0,21

100 0,06

100 0,85

100 1,74

100 0,25

100 1,78

100.64 0,50

22

El mecanismo de formación depósito de ensuciamiento observado en las calderas sigue el siguiente esquema: ƒ

Impacto de la partícula

ƒ

Condensación

ƒ

Termoforesis

ƒ

y reacción química

La forma en la que los elementos del combustible y de otros orígenes son incorporados a los depósitos en las superficies de transferencia de calor de una caldera no está del todo claros pero se han desarrollado secuencias de mecanismos físicos y conceptos químicos.

Condensación y reacción química Los álcalis, el azufre y el cloro se vaporizan durante la combustión y condensan como sulfatos o cloratos en las cenizas volantes, o depósitos sobre las paredes de agua.

Impacto de partículas y termoforesis1

Los impactos de las cenizas volantes en las paredes es el factor principal de depósito en las superficies de paredes.

Al encontrarse la fase líquida en la superficie de la ceniza volante, ésta será adhesiva, el depósito se producirá en principio por impacto inercial de grandes partículas y por difusión química o termoforética de las pequeñas partículas. Por debajo de la temperatura de ablandamiento el ensuciamiento es aparentemente mínimo y se puede controlar por soplado 1

Termoforesis: movimiento de una partícula en un gradiente de temperatura desde la región caliente a la fría.

23

La temperatura de salida del hogar en la mayoría de las calderas de biomasa suelen ser altas y las superficies de las cenizas tienen una tendencia adherente.

La efectividad del soplado depende de la tenacidad de los depósitos.

Consideraciones relativas al diseño de la caldera. Las calderas de vapor diseñadas de forma convencional no son aptas para quemar combustibles con alto contenido de álcalis.

Figura 11.- Efecto de un ensuciamiento severo en banco sobrecalentador.

Un diseño especial de estas calderas exigen: Una cámara de radiación con una baja temperatura de salida de gases. Este efecto se logra incidiendo en varios parámetros.

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Ante todo es necesario una amplia cámara de combustión y cámara radiante consiguiendo un mayor enfriamiento de los gases con un aumento del volumen y superficie de transferencia. Se podría decir que en este tipo de calderas el mecanismos de transferencia de calor por radiación es mayor que en las convencionales, llegándose a modelos en los que se suprime por completo el haz evaporador convencional. De esta forma se evita un problema adicional por ensuciamiento de banco convectivo evaporador.

Estableciendo un exceso de aire adecuado para cada biomasa en función de su poder calorífico y de su humedad. De esta forma se actuará directamente sobre la temperatura adiabática de la llama, procurando que sea relativamente baja.

Cambiando los dos puntos anteriores con la recirculación de gases si fuese necesario. Esta recirculación permite diluir los gases de combustión con gases de salida de caldera (ya limpios, tomadas después del filtro de gases) a una temperatura relativamente baja en torno a los 160/180ºC.

Superficies de intercambio de calor en flujo paralelo en el banco o bancos del sobrecalentador de más alta temperatura o sea en las etapas finales de sobrecalentamiento. Con esta práctica se consigue controlar en todo momento la temperatura del metal de las filas más críticas en donde se puede producir corrosión por alta temperatura. En el diagrama siguiente se muestran tres zonas diferenciadas: •

Zona de corrosión segura

•

Zona indiferente de corrosión

•

Zona libre de corrosión

Los sobrecalentadores de las calderas deben trabajar siempre dentro de la zona segura, aunque para ello se tenga que sacrificar la eficiencia del dimensionamiento térmico frente a la seguridad y disponibilidad de la caldera.

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Utilizzación de parrillas p adeecuadas paraa evacuar gran g cantidaad de cenizaas. Estas parrrillas seránn del tipo viiajeras de ciinta continuua o del tipo o de escalonnes oscilantees, que imprrimen al lecho un moovimiento de d avance en e vaivén, o incluso refrigeradas r s vibrantes, muy indiccadas contraa la corrosióón.

Salida

Temperatura metal lado gases ºC.

S 3 SH Salida

Entrada E Salida

S SH 2

SH 1 Entrada Entraada

Teemperatura de gases ºC C. Figura 12.- Gráfico dee las zonas dee riesgo de corrosión c porr cloro en funnción de las temperaturras de gases y de metal.

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El diseño de un sistema de limpieza eficiente tanto en la ubicación de los sopladores de hollín como en el número total de ellos, garantizándose que no existan zonas de sombra en el radio de actuación de los sopladores. La limpieza no sólo se puede o debe restringir a las zonas convectivas sino que en algunos casos se ha utilizado con gran éxito la limpieza de las paredes membranadas de las cámaras radiantes.

Un hogar sucio puede elevar la temperatura de salida de los gases del mismo más de 100ºC en comparación a su estado limpio, lo que se puede traducir en problemas de ensuciamiento en el sobrecalentador.

Conclusión. El plan de viabilidad debe basarse en unos valores de las principales hipótesis que sean “realistas”. Principalmente inversión, costes de explotación y horas de funcionamiento real de la planta.

Debe existir un compromiso técnico a la hora de seleccionar el combustible a quemar. No se puede pretender “quemarlo todo” y valorizarlo dentro del estudio de rentabilidad de la planta.

Es necesario y conveniente saber, comprender y asumir que “todo lo que es susceptible de quemarse o de arder no siempre es adecuado para el funcionamiento de la planta”.

El requerimiento de una disponibilidad en torno a las 7.800 horas año obliga por un lado al cliente y por otro al tecnólogo a efectuar una selección y preparación adecuada de los combustibles e incluso a rechazar aquellos más perjudiciales desde un punto de vista de corrosión y de ensuciamiento.

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