Tesis caldera de biomasa

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN[pic 1]

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Química        

OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE LA CALDERA DE BIOMASA DEL COMPLEJO FORESTAL NUEVA ALDEA.

GONZALO EDUARDO CORONADO LEIVA

Informe de Memoria de Título

para optar al Título de

Ingeniero Civil Químico

Marzo de 2014

Contenido

Introducción        

Objetivos.        

Objetivo General.        

Objetivos Específicos.        

Principios teóricos        

Estado del arte        

La biomasa y el proceso de combustión        

Reacción de combustión        

La caldera de vapor        

Rendimiento        

Situación actual        

Medición de propiedades importantes        

Caldera de Poder Celulosa Arauco y Constitución S.A.        

Características técnicas.        

Referencias        

Anexo        

Anexo A: Subsistemas Caldera de biomasa Nueva Aldea.        

Anexo B: Mezclas de diseño y datos operacionales manual.        

Introducción

ARAUCO es una compañía forestal chilena y una de las mayores empresas forestales del mundo que posee  45 años de historia. Cuenta con operaciones en Chile, Argentina, Brasil, Uruguay, Estados Unidos y Canadá.

Con el fin de producir y autoabastecerse de energía, ARAUCO emplea calderas que generalmente utilizan biomasa, subproductos de la misma empresa, como combustible renovable, cogenerando el vapor y la electricidad requerido para sus operaciones industriales.

La capacidad instalada de la compañía en Chile, a diciembre de 2012, era de 606 MW. Lo que, junto con cumplir el objetivo de autoabastecerse completamente de energía, le permite entregar 231 MW de excedentes al Sistema Interconectado Central (SIC) [1], convirtiendo a ARAUCO en un importante proveedor de Energía Renovable No Convencional.

La generación mencionada se efectúa mediante 10 plantas en Chile, agrupando a tres de ellas en el Complejo Forestal Nueva Aldea, ubicado en la comuna de Ránquil, región del Bío-Bío.

Dentro de planta Nueva Aldea destaca la Superintendencia de Energía y Recuperación que, entre otros objetivos, se encarga de suministrar el vapor requerido tanto por el proceso productivo, como para la generación de energía eléctrica, la que también es usada en parte para el proceso. Para ello se utilizan dos calderas, una de ellas es la de poder o también llamada de biomasa, que combustiona corteza, aserrín y astillas; y, eventualmente, algún combustible auxiliar, cuando la exigencia de la demanda lo requiere.

Es preciso notar que el complejo Nueva Aldea fue diseñado para de ser autosustentable, lo cual, junto con lo anteriormente mencionado, se aplica hasta al origen de los combustibles usados. Hoy en día, el suministro hacia la caldera de biomasa es generado en un 92% en el mismo complejo industrial y en un 8% de proveedores externos a la planta, pero pertenecientes al grupo ARAUCO.

Es por ello que la Superintendencia de Energía y Recuperación está en constante búsqueda de mejorar la generación de vapor mediante un uso más eficiente de los recursos, disminuyendo tanto el aporte de los combustibles auxiliares, como la emisión de gases contaminantes por la chimenea de la caldera; contribuyendo así, al desarrollo sustentable.

En este contexto es que surge la necesidad de optimizar los parámetros de operación de la caldera de biomasa de acuerdo a las mezclas de combustible disponibles en el complejo forestal Nueva Aldea. Para ello es imprescindible identificar los actuales problemas de alimentación y mezclado, las brechas entre el diseño y la operación; para finalmente, sugerir un plan de acción enfocado en mejorar la operación de la caldera.

Objetivos.

Objetivo General.

Optimizar los parámetros de operación de la caldera de biomasa de acuerdo a las mezclas de combustible disponibles en el complejo forestal Nueva Aldea.

Objetivos Específicos.

1. Identificar los actuales problemas de alimentación y mezclado de combustible en la caldera de biomasa.

1. Determinar la eficiencia de operación de la caldera y comparar con datos de diseño.

1. Elaborar y validar planilla de cálculo del balance de materia y energía de la caldera de biomasa. Con el fin de detectar problemas en la operación.

1. Establecer un plan de mejoras para la operación de la caldera de biomasa.

Principios teóricos y antecedentes

Estado del arte

La biomasa y el proceso de combustión

Definida como todo material de origen biológico excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un proceso de mineralización [2]. La biomasa corresponde a un tipo de energía renovable que posee un balance neutro de CO2, es decir, no contribuye al aumento del efecto invernadero y por ende, en los últimos años, ha concentrado grandes esfuerzos para optimizar su uso con fin de aumentar la eficiencia energética en los procesos que la utilizan.

Uno de estos procesos es el proceso de combustión, que involucra un gran número de aspectos físicos y químicos de gran complejidad. Su naturaleza depende tanto de las propiedades del combustible como de la aplicación de la combustión propiamente tal. Este proceso puede ser dividido en una serie de etapas generales: secado, pirolisis, gasificación y combustión que, dependiendo de la tecnología empleada, adquieren mayor o menor importancia. Existen procesos tanto continuos como batch, dependiendo generalmente del uso de este mismo [3].

En el caso de los procesos continuos, destaca la combustión en lecho fluidizado de biomasa que desde 1960 opera quemando generalmente residuos industriales.

A continuación se describen algunas propiedades importantes de la biomasa que afectan el proceso de combustión:

Factor estéreo (TSS/m3st)

En inglés, bulk density. Es la masa total de la muestra de biomasa dividida por el volumen total que ocupa, incluyendo el espacio intersticial entre las partículas y el volumen ocupado por los poros internos de las partículas (TSS/m3st).

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El procedimiento más sencillo para cuantificarla consiste en considerar el peso neto de una carga de biomasa y dividirla por el volumen estéreo de dicha carga. Un segundo procedimiento es el descrito en el estándar ASTM E-873. Consiste en verter una muestra dentro de una caja a una altura dada, luego dejar caer la caja tres veces para que la muestra deposite y finalmente verter más biomasa hasta llenar el volumen. El factor estéreo consiste en la masa de la muestra dividida por el volumen de la caja.

Contenido de humedad h.b.

Consiste en la fracción másica porcentual de agua que está presente dentro de la biomasa, pudiendo encontrarse en dos formas, libre e inherente. Cuando las paredes de las celdas que conforman la biomasa se encuentran saturadas de agua, se alcanza la humedad de equilibrio dentro de la celda (humedad inherente) y cualquier humedad adicional permanece fuera de las celdas (humedad libre). La humedad inherente depende principalmente de la humedad relativa del ambiente. El estándar ASTM E-871 entrega un protocolo para cuantificar el contenido de humedad en base seca para combustibles conformados por partículas de madera de tamaño máximo 16,39 cm3. Consiste en determinar la pérdida de masa cuando la muestra es sometida a un proceso de calentamiento controlado, evaporándose el agua presente en la muestra. Este protocolo exige como mínimo:

• Uso de un horno de secado con temperatura fija en 103°C.
• Contenedores abiertos de vidrio, metal o cerámica.
• Un desecador.

De esta manera el contenido de humedad puede expresarse en base seca (dry basis, subíndice db) o húmeda (wet basis, subíndice wb):

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Poder calorífico (kJ/kg)

Consiste en la energía liberada durante la combustión de una cantidad dada de biomasa. Normalmente se reporta el poder calorífico superior en donde la diferencia entre ambos es la energía adicional que suministra la condensación del vapor de agua presente en los productos de combustión. El poder calorífico superior puede medirse en una bomba calorimétrica (bomb calorimeter), sin embargo esta medición no da cuenta de la energía que realmente entrega la biomasa al no evaluar adecuadamente las condiciones reales dentro de la caldera. Por lo tanto, aparece el concepto de poder calorífico efectivo (effective heating value EHV), propiedad que es posible de medir dentro de calorímetros especialmente diseñados que simulan un entorno más realista al imponer un flujo de calor por radiación que promueve la pirolisis de la muestra y su posterior ignición. Esta radiación es emitida normalmente por un arreglo de calefactores eléctricos capaces de emitir hasta 100 kW/m2 a la muestra, cuya pérdida de masa es registrada mediante una celda de carga. Los gases de combustión se recolectan mediante una campana, midiéndose su caudal, temperatura y composición. Existen tres principios físicos que permiten cuantificar la potencia térmica liberada instantáneamente durante la combustión de la muestra:

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