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Biomasa

Quemadores de pellets, una óptima solución para reducir las emisiones contaminantes

Aitor Jausoro, ingeniero y director técnico de E&M Combustión09/02/2016
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Con la reciente firma del tratado de París en el que los países adquieren nuevos compromisos en el avance en la utilización de las energías renovables con el marcado de nuevos hitos en la reducción de emisiones contaminantes, se hace cada vez más necesario el desarrollo de nuevos equipos que utilicen combustibles alternativos a los tradicionales. En este sentido E&M propone una nueva línea de quemadores cuyo combustible sea la biomasa.

Existen diferentes biomasas: pellet, astilla, orujillo, hueso aceituna….. De entre todas las biomasas, el pellet es la más fácil de utilizar como combustible en los quemadores de biomasa, es la más homogénea y presenta un PCI de los más elevados.

Debido a esta mayor homogeneidad del combustible, se obtienen mejores resultados de combustión con quemadores que utilizan el pellet como combustible.

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Quemador de pellet de E&M Combustión.

Ventajas del uso de la biomasa como combustible:

  • Es un combustible abundante e inagotable                                      
  • Tiene unos precios competitivos y bastante estables                
  • Contribuye a generar puestos de trabajo locales            
  • Genera riqueza en la zona de consumo                               
  • Emisiones netas nulas de CO2

Uno de los inconvenientes de la utilización de biomasa como combustible es la formación de cenizas. Usando pellets, el contenido en cenizas puede oscilar entre el 0,5 y el 1,5%, según sea la procedencia del material utilizado para la elaboración del pellet. Aunque existen sistemas automáticos de limpieza de cenizas, siempre es preciso hacer periódicamente una limpieza manual del quemador y la caldera. Esta frecuencia puede oscilar entre diaria y semanalmente, según el tipo de horno, horas de funcionamiento, niveles de potencia….

Desde E&M Combustión hemos desarrollado unos quemadores para pellets que pueden instalarse en el lugar donde antes había un quemador de combustible fósil, y en algunos casos no hace falta ni modificar la puerta de la caldera.

Desde el inicio del proyecto E&M Combustión pensó en que los quemadores de pellets a desarrollar pudiesen fácilmente sustituir a unos convencionales, sin tener que reducir la potencia útil de la caldera.

La mayoría de los quemadores de pellets existentes en el mercado, introducen la cámara de combustión de pellets dentro del hogar de la caldera, lo que produce una reducción de la potencia útil de la caldera de un 20-30%, ya que se elimina parte del calor cedido por radiación en el hogar. Además, los quemadores existentes trabajan con unos excesos de aire muy importantes, O2 del 10-12%, un motivo que reduce aún más el rendimiento de la caldera.

En el desarrollo de E&M se optó por ubicar la cámara de combustión de pellets fuera del hogar de la caldera para evitar tener que reducir la potencia de la misma.

También se diseñó cuidadosamente la cámara de combustión para conseguir trabajar con unos niveles de O2 similares a los de un combustible convencional con el fin de evitar penalizar en exceso el rendimiento de las instalaciones. Para reducir las emisiones, se realiza una combustión por etapas, aportando el aire en la cámara en 3 diferentes zonas.

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Sistema de regulación.

Se pueden diferenciar tres diferentes flujos de aporte de aire:

  • Aire primario: se introduce por debajo de la parrilla y es el primero en reaccionar con los pellets.
  • Aire secundario: se aporta directamente en la cámara de combustión por la zona de entrada de pellets a dicha cámara.
  • Aire terciario: Se conduce a través de una doble pared existente en la cámara de combustión y se introduce hacia la mitad-final de la cámara de combustión.

Ensayo quemador de pellets 750 kW

A continuación se exponen una serie de resultados, obtenidos por el Laboratorio de Combustión Industrial perteneciente al LIFTEC (Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión), Centro mixto CSIC-Universidad de Zaragoza, después de ensayar un quemador de pellets de 750 kW de E&M Combustión en una caldera convencional de agua caliente de 600 kW de retorno de llama en el hogar.

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Vista panorámica de la instalación.
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Instrumentación para medición de emisiones.

Como se puede apreciar en la siguiente gráfica de medición de emisiones en el quemador de pellets de 750 kW, las mejores emisiones de CO se obtienen con unos excesos de aire comparables a los de cualquier combustible líquido, p.e. gasóleo de calefacción C.

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Gráfica 1. Evolución típica de la composición de gases; XO2 <2%.

En la anterior gráfica se puede apreciar cómo el quemador puede trabajar con valores de O2 muy bajos, similares a los ajustados para trabajar con combustibles líquidos o gaseosos. El O2 no debiera descender nunca de valores de un 1,5%. Por razones de seguridad, la zona de trabajo debiera rondar entre el 2% y el 4% de O2

Respecto a las emisiones de NOx, la siguiente gráfica refleja las emisiones según el exceso de aire. El rango de ordenadas es estrecho (80-115 ppm). La línea de ajuste crece con el exceso de aire pero reduciendo su pendiente, hasta alcanzar un máximo en torno al 9% de oxígeno. En este momento se invierte la tendencia, reduciéndose las emisiones.

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Los ensayos se repiten para diferentes cargas y tipos de pellets de origen España y Portugal. En general puede decirse que se muestra la misma tendencia y valores para las emisiones de CO, mientras que las emisiones de NOx son ligeramente mayores con pellets de origen gallego y portugués.

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Emisión de partículas

Se han realizado varios ensayos de medida de emisión de partículas, tomando como referencia la norma UNE-EN 13284-1: Emisiones de fuentes estacionarias. Determinación de partículas a baja concentración. Parte 1: Método gravimétrico manual.

Entre las variables de operación que influyen en la recogida de datos de emisiones, se encuentran el tiempo de ensuciamiento de la caldera y los controles de aire y combustible del quemador. Un mayor nivel de ensuciamiento supone una mayor acumulación de cenizas que pueden arrastrarse, favorecido este hecho por mayores caudales y velocidades de los humos a través de la caldera y chimenea de evacuación de humos.

A partir del total de 11 ensayos realizados resulta difícil extraer conclusiones generales sobre la influencia de cada una de estas y otras posibles variables en la tasa de partículas emitida. La siguiente figura recoge los resultados obtenidos en la combustión de pellets de diferentes procedencias. Los resultados se grafican en función del oxígeno en humos.

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En general, la emisión se encuentra entre 40 y 60 mg/m3N al 10% de oxígeno. Como referencia, la norma ‘EN 303-5:2012 Calderas de calefacción. Parte 5: Calderas especiales para combustibles sólidos, de carga manual y automática y potencia nominal útil hasta 500 kW’ marca como valores límite 40, 60 y 150 mg/m3N al 10% de oxígeno para diferenciar entre clases de calderas.

Generación de residuos sólidos

Una cuestión de gran importancia en quemadores de pellets son los procesos relativos a la formación de residuos sólidos. La presencia de inquemados reduce el aprovechamiento del combustible y el rendimiento térmico. La emisión de partículas tiene como inconveniente principal su potencial contaminante (de hecho, deben cumplirse los límites legales) y el ensuciamiento que en general influye negativamente en todas las prestaciones de la instalación e incrementa las necesidades de mantenimiento y limpieza.

E&M, en su desarrollo de quemadores para pellets, prestó un especial cuidado en este aspecto, para ello se coloca en los quemadores de más de 300 kW un dispositivo que limpia periódicamente de cenizas la parrilla donde se produce la combustión de los pellets. De esta manera se trata de eliminar en lo posible la acumulación de cenizas tanto en el interior de la caldera como en la parrilla de combustión. Estas cenizas son llevadas a depósito estanco donde se van acumulando hasta su vaciado.

No obstante, durante la operación normal del quemador, se observa un pequeño arrastre de pellets hacia el interior de la caldera. Son pellets a medio quemar que al aligerar su peso debido a la gasificación de volátiles y su combustión parcial son más fáciles de transportar. En algunos casos chocan contra la pared trasera de la caldera y posteriormente se depositan en el fondo del hogar.

En la limpieza de la instalación se observa que la parrilla contiene una pequeña cantidad de residuos varios, relativos a su estado en el momento del apagado pero que no representan una acumulación estacionaria. En el hogar de la caldera es donde se localiza la mayor cantidad de inquemados y cenizas, que representan la principal masa de residuos sólidos recolectados. En los tubos de paso de los humos no se aprecian grandes cantidades de residuos, mientras que en el colector de humos situado a su salida, puede verse una segunda acumulación de menor volumen que la detectada en el hogar. Se observan diferencias apreciables entre el tipo de material que se encuentra en cada una de estas zonas.

En la parrilla destaca la presencia habitual de depósitos de pellets sinterizados, aunque en general no se han apreciado en una cantidad excesiva de residuos. Un fenómeno que puede producirse, si no se ajusta bien el quemador, es la creación de bloques sólidos que pueden alcanzar gran tamaño. Este proceso se encuentra asociado al calentamiento excesivo de las cenizas (p.ej. por encima de 1100°C para pellets de madera) dando lugar a su ablandamiento y posible fusión.

Por el contrario, los residuos depositados en el hogar de la caldera son una mezcla de cenizas (en tonos grises) e inquemados (tonos negros). Se depositan en forma de banda longitudinal, en la figura adjunta puede verse la curiosa estructura por capas que adquiere. En el fondo, la parte más próxima a la caldera, predomina la presencia de inquemados de gran tamaño. Al depositarse los pellets a medio quemar, la caldera tiende a enfriarlos y apagarlos antes de que se consuman completamente. Conforme la capa de residuos va creciendo, a su vez actúa como aislante térmico y dificulta la transferencia de calor desde los nuevos pellets que se van depositando. Ello favorece la combustión completa y las sucesivas capas incorporan tonos grisáceos, hasta alcanzar un espesor a partir del cual todos los residuos son prácticamente ceniza. La capa más superficial es representativa del estado en el momento del apagado y por ello se aprecian inquemados.

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Este proceso transitorio de acumulación de residuos va a tener influencia en la combustión, en especial mientras se forman las primeras capas con mayor presencia de inquemados. Este hecho se manifiesta durante la operación en una variación del exceso de oxígeno en humos, alcanzándose los mayores valores tras el arranque con la instalación limpia. Conforme se reduce la presencia de inquemados (que a efectos del balance estequiométrico es similar a ceniza) se consume más oxígeno y se reduce su contenido en los humos.

Temperaturas en el quemador

Como punto final y no por eso menos importante, al menos para el diseño del quemador, se realiza un exhaustivo estudio de la evolución de las temperaturas en el interior del quemador y en la caldera. De este estudio se han determinado cómo son los transitorios en el calentamiento de la caldera y se han obtenido referencias sobre las exigencias térmicas que deben soportar los materiales del quemador en diversas condiciones de operación.

La cámara donde se produce la combustión de los pellets y el tubo de llama, es la zona del quemador que soporta una mayor temperatura y desgaste a la erosión. Las temperaturas en la cámara de combustión no son homogéneas y difieren bastante de la zona inferior (parrilla de combustión) a la bóveda de la cámara o a las que tenemos en las paredes laterales ó trasera y delantera. Las temperaturas pueden oscilar en general, entre los 800°C y los 1.200°C, según la zona, potencia y exceso de aire aportado a la combustión. Es por eso que estas zonas deben realizarse en unos materiales que sean capaces de reaccionar correctamente a las rápidas variaciones de temperaturas que se producen y a la oxidación producida por la llama de la combustión.

De hecho en los quemadores de cierto tamaño se han observado picos en la combustión de hasta casi 1.300 °C, lo que hace necesario la utilización de materiales especiales, como se ha mencionado, que aguanten esta temperatura.

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Temperatura media del cajón del quemador según exceso de oxígeno.

Conclusiones finales

Tras los estudios y pruebas realizadas para el estudio de quemadores de pellets en calderas de un tamaño mediano (calderas desde 300 kW hasta 1500 kW) se han obtenido las siguientes conclusiones:

  • Se pueden conseguir en este tipo de calderas rendimientos y emisiones similares a los de los combustibles tradicionales, pero para ello es necesario que la llama tenga formas similares a las de los quemadores de gas o gasóleo para que la relación de transmisión de calor por radiación y convención sea similar a la obtenida por los combustibles tradicionales. Para que este hecho se produzca es necesario aprovechar toda la superficie de transmisión de calor de la caldera, y por tanto que la cámara de combustión de la biomasa no esté ocupando parte del hogar de la caldera. También es necesario que el exceso de aire en la combustión se mueva en el entorno de un 20% (valores de O2 en el entorno del 3%). Con excesos de aire de un 70-80% (valores de O2 en el entorno del 10%), el rendimiento de la caldera disminuye en un 8-10%.
  • Los rendimientos de los equipos van a estar siempre condicionados por la limpieza de los equipos. A pesar de que se pueden instalar sistemas de limpieza automática que alarguen los periodos de limpieza, siempre va a ser necesario antes o después la limpieza manual de la caldera o generador.
  • A partir de potencias térmicas de unos 300-400 kW es necesaria la utilización de materiales especiales para soportar las altas temperaturas que se generan en la combustión de la biomasa. Los aceros refractarios tradicionales no garantizan una vida media apropiada de los equipos.

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