Tecnología para la combustión directa de los residuos biomásicos de la agroindustria azucarera

Resumen
La tecnología que se presenta es el resultado de las investigaciones realizadas durante una larga etapa de trabajo dedicada al estudio de la biomasa como fuente de energía.
Los quemadores y el secador de biomasa que integran la tecnología han sido desarrollados especialmente para trabajar con partículas finas de los residuos biomásicos de la agroindustria azucarera. El diseño de estos equipos fue realizado aplicando un nuevo método aerodinámico, de estabilización o frenado de las corrientes de gases, basado en un novedoso principio físico, al cual se le ha denominado «Principio de las secciones de paso en rotación».
Palabras clave: Residuos biomásicos, biomasa, quemador de biomasa, secador de biomasa, combustión directa, agroindustria azucarera.

Introducción
En las últimas décadas el uso de la biomasa como fuente de energía ha estado presente en el escenario internacional, como una atractiva y promisoria vía para producir potencia con mínimo impacto ambiental. Sin lugar a dudas, grandes potencialidades de biomasa se concentran en los residuos agroindustriales de las producciones de azúcar de caña; esto ha motivado el interés de prestigiosas instituciones científicas que hoy en día invierten cuantiosas sumas de dinero en el desarrollo de ambiciosos proyectos energéticos dedicados a la gasificación y a los ciclos combinados. Actualmente varias empresas líderes en el campo de la energía exhiben extraordinarios resultados en instalaciones demostrativas de ciclos combinados con gasificación de biomasa.

Sin embargo, los pronósticos internacionales sobre el tema proyectan crecimientos en el uso de los sistemas de combustión directa de biomasa para los países con infraestructura en desarrollo. De ahí la importancia que tiene para la mencionada industria, en esta etapa de transición, poder disponer de tecnologías que permitan alcanzar altos rendimientos en la combustión directa de los residuos agroindustriales destinados a la producción de potencia en las fabricas de azúcar. En el presente trabajo se exponen los resultados obtenidos, a partir de la implementación de una nueva tecnología que permite quemar eficientemente los residuos biomásicos de la producción de azúcar de caña. Los residuos biomásicos de la agroindustria azucarera son el bagazo con su médula y los residuos agrícolas cañeros (RAC).

El bagazo es el residuo lignocelulósico fibroso que se obtiene al moler la caña de azúcar, y lo conforma una masa heterogénea de partículas con un tamaño promedio de 20 mm. Se le denomina médula al tejido parenquimatoso que envuelve los haces vasculares donde se encuentra el jugo; en la industria se le denomina médula a la mezcla de partículas de este tejido con fibras de corta longitud, tierra y otras materias extrañas. Cuando se utiliza la fibra del bagazo con destino a la producción de pulpas y madera artificial es necesario enriquecer la fracción fibrosa extrayendo la mayor cantidad de médula posible.

Los residuos de la agricultura cañera (RAC) están constituidos principalmente por paja y cogollo, y pueden ser empleados en la producción de alimento animal directo, o con fines energéticos. Según algunos especialistas las cantidades disponibles de RAC a nivel mundial sobrepasan los cincuenta millones de toneladas por año, lo que representa un equivalente en petróleo que supera los diecisiete millones de toneladas. Las dificultades para lograr el aprovechamiento de esta reserva potencial están relacionadas fundamentalmente con la recolección, los tratamientos mecánicos y químicos, la transportación, la manipulación y la conservación. En la tabla 1 se presentan los intervalos de variación de los componentes de los residuos agroindustriales de la producción de azúcar de caña en el análisis inmediato. Los resultados de este análisis van acompañados del valor calórico.

El bagazo, al salir de la estación de molida, tiene una alta humedad equivalente (6,59%kg/MJ), por lo que se hace necesario utilizar un esquema de secado abierto para su preparación.

En 1993 se logró poner en marcha el primer sistema demostrativo con quemadores rotatorios y esquema de secado abierto, en una caldera «combustión» con capacidad de 45 t/h de vapor (Fig. 1). Los quemadores y el secador fueron diseñados aplicando un nuevo método aerodinámico de estabilización basado en un novedoso principio, al cual se le ha denominado «Principio de las secciones de paso en rotación».

Fig. 1. Sistema de combustión directa de los residuos biomásicos de la agroindustria azucarera. 1. Alimentador de bagazo al quemador. 2. Horno. 3. Ventilador.
4. Entrada de gases al secador. 5. Alimentador del bagazo húmedo.
6. Secador dinámico. 7. Ciclón. 8. Ventilador de tiro inducido.
9. Ventilador de tiro forzado. 10. Quemador rotatorio.
11. Alimentador de los RAC.

La instalación cuenta con un secador dinámico de 12 t/h de residuos industriales y cuatro quemadores rotatorios de primera generación, que disponen de una potencia térmica de
5 MW cada uno. El secador dinámico (Fig. 2) para partículas inferiores a 10 mm es un equipo compacto cuyas características de diseño y funcionamiento lo diferencian de los modelos de secadores utilizados tradicionalmente para el bagazo.

Fig. 2. Secador dinámico. 1. Sistema motriz. 2. Entrada de gases.
3. Conducto de alimentación del bagazo húmedo.
4. Impelente estabilizador. 5. Segundo cuerpo.
6. Tercer cuerpo. 7. Estabilizador estático.

El equipo consta de tres cuerpos acoplados entre sí, con una longitud total aproximada de 5 m. En el primer cuerpo está ubicado el sistema motriz (impelente estabilizador), la entrada de gases y el conducto de alimentación de combustible. En el segundo cuerpo transcurre la primera etapa de secado y en el tercero tiene lugar el resto del proceso. Al girar el impelente estabilizador a alta velocidad y con la ayuda del vacío creado por el tiro inducido del sistema, el gas caliente y el combustible dosificado son succionados y lanzados al interior de la primera cámara de secado, en la cual se desarrolla un proceso turbulento caracterizado por una alta componente tangencial de la velocidad, con un valor mínimo en la componente axial de dicha cámara.

A medida que la mezcla gas-sólido se aproxima a la salida de la primera etapa tiene lugar un debilitamiento creciente de las corrientes circulares de los gases, cuando aún éstos disponen de la energía suficiente para continuar el proceso de secado. Para utilizar el potencial energético disponible en los gases, en ese punto, fue montada otra etapa de secado, en la cual se instaló un estabilizador estático para lograr una segunda zona de retención. El proceso de secado termina en el ciclón (ver Fig. 1), donde además se separa el combustible de la corriente de gases. Los quemadores instalados en el sistema son de tipo torbellino con dispositivos de estabilización rotatorios, especialmente diseñados para quemar residuos biomásicos (Fig. 3).

Fig. 3. Quemador rotatorio para residuos biomásicos.1. Estabilizador rotatorio.
2. Precámara de combustión. 3. Campo de la componente axial de la velocidad.
4. Zona de recirculación. 5. Cuerpo del quemador.

La estabilidad del proceso de combustión de estos quemadores se logra a partir de un dispositivo giratorio (principio de las secciones de paso en rotación), detrás del cual se forma una estructura aerodinámica que depende de la acción de dos mecanismos: el efecto provocado por el contorneo de la corriente de aire al pasar por el diámetro mayor del cono, y los chorros giratorios que aparecen cuando se ponen a girar las secciones de paso del dispositivo estabilizador.

Los resultados de las investigaciones realizadas han demostrado que en estos sistemas el tamaño de la zona de recirculación y su índice de turbulencia están en función de la velocidad de rotación, de la forma del estabilizador y de la velocidad de la corriente de aire. En la figura 4 se presenta el comportamiento del largo y el diámetro relativo de la zona de recirculación que se forma en la huella turbulenta, detrás del estabilizador rotatorio. Como se puede observar, para velocidades de la corriente de aire superior a 20 m/s, la velocidad de rotación del quemador tiende a incrementar el diámetro de la zona de recirculación y, por consiguiente, a reducir el largo relativo de la llama.

Fig. 4. Comportamiento de las dimensiones relativas de la zona de recirculación, en función de la velocidad de rotación, para diferentes valores de la corriente de aire.

Las áreas de paso por donde sale el aire a la cámara de combustión de un quemador convencional por lo regular son fijas y están determinadas por las velocidades necesarias para que las corrientes de aire puedan lograr el campo aerodinámico seleccionado. De esta forma, los flujos de aire podrán variar sólo dentro de los límites donde la eficiencia del quemador no sea afectada, ni por problemas aerodinámicos, ni por variaciones en las cantidades de aire.

El principio de funcionamiento del dispositivo de estabilización rotatorio permite un campo de regulación alto debido a que la aerodinámica del sistema mantiene un comportamiento estable para un amplio rango de variación de la cantidad de aire que participa. Para la preparación de los RAC se diseñó una planta piloto demostrativa (Fig. 5), que fue montada en un centro de preparación y limpieza de caña, previo a la fábrica de azúcar, donde se producen diariamente entre 15 y 20 t de residuos. El secado natural utilizado necesitó un área relativamente pequeña en la que los RAC, con un tiempo de exposición nunca superior a los cuatro días, alcanzaron niveles de humedad entre 10 y 15%.

Fig. 5. Sistema de preparación de los RAC. 1. Mesa alimentadora.
2. Transportador de banda. 3. Picadora. 4. Molino de martillos.
5. Ventilador. 6. Tolva. 7. Separador ciclónico. 8. Descarga del polvo.
9. Área de secado.

El sistema tiene una capacidad de 4 t/h y consta de una picadora, un molino de martillos y un sistema de alimentación de los RAC. La picadora tiene como objetivo densificar el residuo antes de que éste pase al molino de martillos, donde se convierte en polvo.
Las características granulométricas del producto final que se obtiene se presentan en la tabla 2. El polvo obtenido logra una densidad promedio entre 80 y 100 kg/m3, lo cual demuestra la necesidad de una compactación adicional para buscar eficiencia en el almacenaje y en la transportación.

El consumo específico de energía está en el orden de 40 kWh por tonelada de residuo molido. El análisis conjunto, molida-transportación, suponiendo un destino a una distancia de 20 km del lugar de molida y sin compactación, arrojó que por cada tonelada de combustible equivalente consumido se pueden producir 22 toneladas de este último. Como se explicó anteriormente, son conocidos los factores que se deben tener en cuenta para lograr la combustión eficiente de un combustible sólido; sin embargo, en los hornos actuales utilizados para quemar el bagazo no se logra que todas las partículas que lo integran puedan quemarse completamente de manera estable. Las mayores pérdidas que se producen en los hornos de bagazo de la industria azucarera están relacionadas con los arrastres de partículas pequeñas, que no logran quemarse en la zona de alta temperatura.

En los últimos años ha existido la tendencia en las fábricas de azúcar a elevar los niveles de preparación de la caña, con el objetivo de lograr mayores rendimientos en la producción de azúcar, lo que trae consigo una disminución en el tamaño de la partícula de bagazo. Desde el punto de vista teórico, la disminución en la granulometría del combustible es favorable y debe contribuir al mejoramiento del proceso de combustión; sin embargo, en los hornos actuales destinados a la quema del bagazo sucede todo lo contrario debido a que su aerodinámica no asegura el tiempo de permanencia mínimo requerido para que las partículas finas de bagazo se quemen completamente. La contradicción antes expuesta queda resuelta con la aplicación del esquema de secadores y quemadores, que puede ser implementado tanto en los nuevos diseños de calderas como en los hornos actuales.

La instalación demostrativa de la figura 1 fue evaluada quemando 12 t/h de médula de bagazo con un contenido de humedad promedio de 55% a la entrada del secador. La humedad en el combustible a la entrada de los quemadores osciló entre 15 y 20%. Para completar la energía necesaria para producir las 45 t/h de vapor se utilizó bagazo integral como combustible en el sistema de combustión original de la caldera. La eficiencia térmica alcanzada se elevó en siete unidades debido a la nueva organización lograda a partir de la quema en llama de la médula de bagazo. El sistema permite quemar bagazo fino, RAC molido, médula de bagazo y otros residuos biomásicos que cumplan los parámetros requeridos por la tecnología.

En la actualidad el Centro de Tecnologías de Combustión, del Ministerio de la Industria Básica, ha logrado desarrollar, a partir de este nuevo principio aerodinámico, novedosos modelos de quemadores de gran utilidad en la quema de residuos biomásicos. Un ejemplo de ello son los quemadores combinados o mixtos que tienen la posibilidad de quemar de forma independiente combustible líquido o sólido, así como diferentes combinaciones entre ellos. En la figura 6 se puede observar un quemador rotatorio de 1 MW tipo monobloque, con ventilador incorporado y atomización mecánica, para hornos de pequeña capacidad; en la figura 7 se muestra un quemador combinado de 17 MW térmicos para calderas de vapor de la industria azucarera, el cual atomiza el combustible con fluido auxiliar y puede trabajar con aire caliente para la combustión.

Fig. 6. Quemador rotatorio combinado de 1 MW, diseñado para quemar combustible líquido y residuos biomásicos pulverizados (Patente: 22526).
1. Caña del combustible líquido.2. Conducto de entrada del combustible sólido.
3. Cuerpo del ventilador.4. Válvula del aire.
5. Estabilizador rotatorio de dos corrientes.
6. Boquilla del combustible.

Fig. 7. Quemador rotatorio combinado de 17 MW para quemar combustible
líquido y residuos biomásicos pulverizados de la agroindustria azucarera.
1. Caña del combustible. 2. Conducto de aire de limpieza.
3. Visor. 4. Conducto de entrada del combustible sólido.
5. Cuerpo. 6. Estabilizador rotatorio de tres canales.
7. Portacaña. 8. Boquilla del combustible.

Los quemadores combinados o duales, como también se les conoce, pueden ser de gran utilidad en los sistemas de quema directa de biomasa, pues posibilitan una alta estabilidad en la regulación de la carga. La opción del combustible líquido, en determinados momentos del proceso (cuando se presentan dificultades en el suministro de la biomasa), elimina las afectaciones en el sistema de generación.

Conclusiones

• Los rendimientos obtenidos en las instalaciones demostrativas aseguran un futuro promisorio para la aplicación de la tecnología en países con infraestructuras en desarrollo.
• La nueva tecnología resuelve la contradicción existente en la industria azucarera, entre el grado de preparación de la caña y la producción de azúcar.
• El sistema puede ser instalado tanto en los hornos actuales como en los nuevos diseños.
• La aplicación de esta nueva tecnología permite reducir el tamaño de los hornos que hoy se emplean para quemar el bagazo en la industria azucarera.

Bibliografía
Baum, M. M. y P. J. Street. «Predicting the Combustion Cehavior of Coal Particles», Comb Sci and Tech., 3. 1971. pp 231-243.
Drarar, J. S. y J. W. Allen. «The Evaluation of Fuel and Burners for Power Generation Boiler». British Flame Research Committee British Flame Days. 21st / 22nd September, 1992.
Dixon, T. F.; C. Palmer, S. y D. Domanti. «Bagasse Swirl Burner Development. Sugar Research Institute, Mackay Qld». Proceeding of Australian Society of Sugar Cane Technologists, 1986. pp. 295-302.
Elliot, P. y R. Booth. Brazilian Biomass Power Demonstration Project. Biomass Integrated Gassification-Gas Turbine (BIT -GT). Technology Project -Phase II. 1993. 10 pp.
Fung, Y. H. Wood Energy Prospects. Energy From Forest Biomass. Academic Press, New York, 1982.
Johansson, T. B. Renewable Energy. Sources for Fuels and Electricity. Island Press. Washington DC. Unites States, 1993. 1160 pp.
Lamb B. W. y R. W. Bilger. «Combustion of Bagasse: Literature Review». Sugar Tech. Review, 4, 1977. pp. 89-130.
Lou M. y B R. Stanmore. «The Combustion Characteristics of Char from Pulverised Bagasse». Fuel, 71, 1992. pp. 1074-1076.
McIntosh M. J. «Mathematical Models of Drying in a Brown Coal Mill System: 1 Formulation of Model». Fuel, 55, 1976. p. 52.
Rodríguez Arias, A. D. Nuevo principio aerodinámico de las secciones de paso en rotación. Centro de Tecnologías de Combustión, Cuba, 1995. 40 pp.
—————. Quemador rotatorio para líquidos y sólidos pulverizados. (Certificado de Autor No. 22526), Cuba, 1998.
—————. Secador de sólidos pulverizados. (Certificado de Autor No. 22485), Cuba, 1997.
Rodríguez Arias, A. D.; L. B. Rosabal Ponce y P. B. Martínez de Villiers. Estudio granulométrico y de las propiedades físicas de las partículas de bagazo. Centro de Tecnologías de Combustión, 1996. 15 pp.
—————. Teoría y práctica de los procesos de combustión. Combustibles sólidos. La Habana: Ed. Academia, 2000. 453 pp.
Rodríguez Arias, A. D. y V. A. Jristich. Quemador universal para el quemado de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. (Certificado de Autor No 21753). Cuba, 1987.
Rodríguez Arias, A. D., et al. Silo dosificador paras sólidos pulverizados (Certificado de Autor No. 2288). Cuba, 1996.