universidad de los andes 1 implementación de un sistema de
TRANSCRIPT
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 1
Implementación de un sistema de monitoreo en un cámara de combustión dual carbón-
biomasa para experimentación en procesos de Reburn y evaluación del potencial del bagazo de
caña de azúcar como combustible para la reducción de los NOx.
Mónica Alexandra Villate Guerrero*
Universidad de los Andes
Programa de Maestría en Ingeniería – Área Mecánica
Tesis de grado
* Aspirante a grado del programa de Maestría en Ingeniería de la Universidad de los Andes.
Egresada del programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Norte en la ciudad de
Barranquilla. E-mail: [email protected]
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 2
Agradecimientos
“El agradecimiento es la memoria del corazón”
- Lao-Tsé -
A Dios por llenar mi existencia de bendiciones y darme fuerzas para seguir adelante. A mis
padres Jorge Alberto y María Auxiliadora por su dedicación, su apoyo incondicional y por
enseñarme a luchar siempre por mis sueños. A mis hermanas María Angélica y Melissa Andrea
quienes son mi inspiración en cada paso de mi vida.
A mi gran amigo, confidente y compañero de camino Jorge Andrés, sin tu guía esta experiencia
no hubiese sido tan enriquecedora. A mi enorme familia: abuelos, tíos y primos que siempre han
compartido conmigo cada uno de mis triunfos. A mi segunda familia Jorge Enrique y Gloria
Inés, porque aunque no existen vínculos de sangre han sido más fuertes los lazos de cariño.
A mi maestro José Preciado por enseñarme desde pequeña que para ser el mejor hay que dar lo
mejor de sí. A la Universidad del Norte por darme excelentes bases durante mis estudios de
pregrado. A la Universidad de los Andes por permitirme explorar y conocer diversas áreas de mi
carrera profesional.
A mi asesor de tesis Gerardo Gordillo por la oportunidad de trabajar en mi área de interés. A
todos los técnicos de los Laboratorios de Manufactura, Fluidos y Conversión de Energía,
especialmente a Omar Amaya, por toda su colaboración en las etapas de este trabajo.
… Este logro es por ustedes y para ustedes.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 3
Resumen
En el presente documento se presenta el informe final del trabajo de Tesis de Maestría en
Ingeniería Mecánica, el cual tuvo como objetivo principal Seleccionar e instalar la
instrumentación requerida para monitorear el sistema de alimentación de combustible y agente
oxidante de una cámara de combustión con quemador dual carbón-bagazo de caña, que opera
bajo las tecnologías de Cofiring y Reburn y la experimentación preliminar bajo la tecnología de
Reburn. Básicamente se desarrolló un banco de pruebas a nivel de laboratorio para quemar
carbón pulverizado y biomasa con el fin de analizar las emisiones de NOx, bajo la técnica de
Reburn. Estudios anteriores han demostrado que el Reburn es una técnica de quemado bastante
efectiva cuando se habla de disminución de emisiones de óxidos de nitrógeno, incluso se ha
llegado a obtener disminuciones del 50-60% de emisiones de NOx con alrededor del 15% del
calor total generado viniendo del combustible de Reburn. En general, el Reburn utiliza como
mecanismo de disminución de NOx, inyectar combustible adicional (de la misma ó de diferente
naturaleza) debajo de la etapa inicial de combustión del combustible principal, esto permite
interacciones químicas a nivel molecular que convierte los NOx generados en la etapa inicial de
combustión, en Nitrógeno molecular N2. Para este caso en particular, se utilizó carbón
bituminoso pulverizado como combustible primario y bagazo de caña de azúcar como
combustible secundario de Reburn. Los resultados obtenidos en esta investigación muestran qué
particularmente para la cámara de combustión utilizada y las condiciones de operación trabajadas
en Reburn, existe un punto óptimo de relación en peso de carbón- bagazo de caña de 95 – 5%
respectivamente, para la disminución de los óxidos de nitrógeno. A continuación se describen
cada una de las etapas de construcción del equipo y experimentación.
Palabras Clave: Reburn, Cofiring, Óxidos de Nitrógeno, Biomasa, Carbón.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 4
Abstract
In this document, it is presented the final inform on the results obtained in the Mechanical
Engineering Magister Thesis, whose principal objectives were Choosing and installing the
instrumentation required for monitoring the fuel and oxidant agent fed into a combustion
chamber with dual burner, which operates under Cofiring and Reburn technologies and the
preliminary experimentation for the Reburn case. Basically, it was developed a low scale
laboratory facility for burning coal and biomass and analyzing simultaneously the NOx
emissions under the Reburn technique. Some studies done before have showed that Reburn is
high effective decreasing NOx emissions technique. In fact under this technique, it have been
achieved reductions up to 50 to 60% with 15% of generated heat coming from the secondary
fuel. Generally, Reburn uses as NOx reduction mechanism an additional fuel (of the same or
different nature) injection after the initial stage of principal fuel combustion. This allows
chemical interactions which convert the generated NOx in molecular nitrogen, N2. For this
particular case, it was used as principal fuel pulverized bituminous coal and sugarcane bagasse as
secondary Reburn fuel. The results obtained shows that particularly for the combustion chamber
used and the worked operation conditions in Reburn, exists and optimum mass relation 95-5% of
coal and biomass respectively for the reduction of nitrogen oxides. Below it is described each
stage of the equipment construction and experimentation.
Key Words: Reburn, Cofiring, Óxidos de Nitrógeno, Biomasa, Carbón
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 5
Introducción
En el mundo el 80% de la energía consumida proviene de combustibles fósiles (Banco Mundial,
2009) [1]. de los cuales el 29% proviene del carbón (Chaize, 2009) [2]. Sólo Estados Unidos
consume anualmente más de 1000 Mt de carbón (Nation Master, 2011) [3], sin mencionar que
este consumo está proyectado a aumentar un 6% para el próximo año 2013 (EIA, 2012) [4].
A la quema de los combustibles fósiles a nivel industrial se le ha asociado la mayor influencia en
cuanto a emisiones de gases contaminantes. El 67% de la energía total consumida en el mundo
es asociado a la industria, principalmente al sector de la generación eléctrica, lo cual nos indica
que en la misma proporción se relacionan sus emisiones contaminantes (Banco Mundial, 2008)
[1].
Particularmente los Óxidos de Nitrógeno (NOx) emitidos a nivel industrial, contribuyen a
problemas de salud pública y ambiental. Este contaminante reacciona con el oxígeno y la
humedad, formando ácido nítrico destruyendo árboles, deteriorando la vida acuática en lagos y
ríos, afectando casas, y en general edificaciones bajo el fenómeno de la lluvia ácida. Por otra
parte también reacciona con hidrocarburos formando ozono y smog fotoquímico que afectan el
medio ambiente y sus poblaciones cercanas provocando enfermedades respiratorias
principalmente en niños. Por estas razones, y teniendo en cuenta la importancia de la
conservación de los recursos naturales, se hace necesario adelantar investigaciones que permitan
disminuir las emisiones de NOX.
Una alternativa que se viene desarrollando es la incorporación de biomasa en quemadores de
carbón para disminuir las emisiones de NOX. Entiéndase por biomasa, cualquier materia orgánica
derivada de organismos vivos (BEC, 2012) [6], la cual puede ser utilizada como combustible
alternativo, siendo neutral en cuanto a emisiones contaminantes. La biomasa al tener menor
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 6
contenido de Nitrógeno en su composición química comparado con el carbón, produce menos
óxidos de nitrógeno. Además, el nitrógeno de la biomasa es mayormente convertido en amoníaco
NH3, el cual actúa como neutralizante catalítico convirtiendo el NOx formado en nitrógeno
molecular N2 (Sami, Annamalai & Wooldridge, 2009) [7].
Para esta investigación, se utilizó como biomasa el bagazo de caña de azúcar que es un desecho
sólido proveniente principalmente de la industria azucarera y panelera, debido a que actualmente
se considera un desecho más del proceso sin tener algún tipo de aprovechamiento. Por otra parte,
en Colombia se producen aproximadamente 21’207.347 toneladas anuales (ASOCAÑA, 2010)
[8] lo cual indica que grandes cantidades de este combustible se desaprovechan en nuestro país.
Este trabajo se concentró en el desarrollo de la cámara de combustión y la experimentación en
Reburn de carbón bituminoso y bagazo de caña de azúcar con el fin de lograr una disminución en
las emisiones de NOx. Se analizaron como variables principales los perfiles de temperatura y las
emisiones de NOx para cada uno de los diferentes parametros de experimentación (relación de
masa de los combustibles).
Justificación
La utilización de biomasa como combustible alternativo puede ser una buena solución a los
problemas de contaminación que se afrontan actualmente, ya que contienen bajos niveles de
sulfuro y metales tóxicos, son neutrales en cuanto a emisiones de CO2 (Baxter, 2004) [9] y se
aprovechan desperdicios que en muchos casos contaminan la tierra, el agua ó simplemente el
entorno.
Aunque muchos autores como (N. Harding, 2000) [10], (K. Han & Chunmei Lu, 2010) [11], y
(Wei-Yin & Gathitu Chen, 2006) [2] han trabajado con la configuración de quemado de
Reburn, y algunos otros han trabajado con utilizar como combustible alternativo biomasa (K.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 7
Annamalai, 2003) [13] y (B. Lawrence, 2009) [14], ninguno se ha interesado hasta el momento
por evaluar y cuantificar el potencial del bagazo de caña de azúcar como agente reductor de NOx
cuando se quema en Reburn.
Teniendo en cuenta que en nuestro país son considerables los desperdicios de la industria
azucarera, sería interesante cuantificar que tan viable sería utilizar el bagazo de caña como
combustible alternativo buscando mejoras en las emisiones contaminantes de NOx. Lo anterior,
es precisamente uno de los objetivos principales de esta investigación.
Objetivos
General
Seleccionar e instalar el sistema de monitoreo de una cámara de combustión con quemador dual,
carbón-gabazo de caña, a nivel investigativo y que opera bajo las tecnologías de Cofiring y
Reburn; con el fin de realizar una experimentación preliminar para estimar el desempeño del
bagazo de caña en las disminuciones de NOx al ser quemado con carbón..
Específicos
· Identificar las variables importantes en el proceso del quemador carbón-bagazo de caña.
· Seleccionar los sistemas de alimentación de combustible, teniendo en cuenta las
características del carbón y la biomasa a quemar.
· Determinar y cuantificar la instrumentación necesaria para monitorear las variables
importantes del proceso tales como flujo de aire, flujo de carbón, temperaturas, emisiones
de gases, entre otros.
· Relacionar variables de proceso-instrumentación evitando que alguna variable quede
fuera del sistema de monitoreo.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 8
· Caracterizar la cámara de combustión operando bajo el esquema de Reburn y Co-firing.
· Experimentación preliminar con bagazo para determinar su potencial en la reducción de
NOx cuando se usa como combustible alternativo en procesos de Reburn.
Metodología
Se seleccionó e instaló la instrumentación necesaria que permitió operar la cámara de
combustión con carbón y bagazo de caña para disminuir emisiones de NOx. Una vez se tuvo el
equipo construido y la instrumentación instalada se procedio con la exprerimentacion bajo la
siguiente metodología: Bajo el esquema de Reburn se manejaron relaciones de combustible
carbón-biomasa de 95-5, 90-10 y 85-15 respectivamente. La cámara de combustión se operó de
de la siguiente manera: El carbón se inyectó en la parte superior de la cámara de combustión
mientras la biomasa se inyectó en las primeras etapas de combustión del carbón (lugar donde se
generan mayormente los NOx´s). Para la combustión se inyecta al sistema aire primario
proveniente del transporte neumático de los combustibles y aire secundario proveniente del
ambiente a la cámara de combustión con un exceso de aire del 15 al 20% ya que generalmente
este es el porcentaje recomendado para la quema conjunta de carbón y biomasa (K. Annamalai,
2006) [15]. Simultáneamente se tomaron datos de temperatura para observar el comportamiento
térmico de la cámara y de la concentración de NOx en los gases de escape para determinar el
efecto de la adicion de biomasa. La idea era ir variando la relación de combustible % carbón - %
biomasa en un mismo puerto de inyección de bagazo de caña (primera etapa combustión). En la
Figura 1 se muestra un esquema del montaje y adquisición de datos:
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 9
Especificación de la Instrumentación
Termocuplas
Las termocuplas tienen como objetivo medir el perfil de temperaturas a lo largo de la cámara de
combustión con el fin de relacionar esta variable con los puntos críticos de generación de NOx.
En la Tabla 1 se muestran las características y especificaciones técnicas de las termocuplas
utilizadas para la experimentación.
Anemómetro de hilo caliente – Medición Aire Secundario
Rotámetro – Medición de Aire de Transporte Carbón y Biomasa
Alimentador de Biomasa – Control tasa
de alimentación
Alimentador de Carbón –
Control tasa de alimentación
7 Termocuplas – Determinar perfil de
Temperaturas
Analizador de gases – Monitoreo de emisiones NOx
Figura 1. Esquema general de la instrumentación en la cámara de combustión
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 10
Tabla 1. Especificaciones de las Termocuplas
Termocuplas
Rango: Hasta 1200°C
Tipo: Termocupla tipo K
Acople: 3/4” NPT en bronce
Geometría: Dia. 3/8” x 35 cm longitud
Otra Especificación: Sin cabezote con 3 mts. de
cable de malla
Cantidad: 10 unidades
Proveedor: Automatización y Control
Se instalaron a lo largo del equipo en cada carrete, en la Figura 2 se muestra la posición de su
ubicación:
Flujómetros de Aire
Aire Primario. Este aire se definió como el aire de transporte neumático que ingresa al
equipo junto con el combustible. Para ello se requirió transporte tanto para el carbón como para
el bagazo de caña por medio de aire comprimido. Debido a que interesa cuantificar el aire total
con el fin de definir la relación aire combustible, un rotámetro bastó para ambas mediciones, ya
que dicta el valor del aire total que entra al sistema por transporte de combustible. En la Figura 3
se muestra el rotámetro instalado en la línea de aire comprimido:
Figura 2. Termocuplas en puertos de monitoreo de la Cámara de Combustión
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 11
Figura 3. Tablero del Rotámetro y válvulas para inyección de carbón y biomasa
En las Figuras 4 y 5 se identifican los sistemas neumáticos instalados para la inyección de los
combustibles carbón y biomasa respectivamente.
Aire Secundario. Para seleccionar el tipo de medidor de flujo a utilizar, se realizaron dos
montajes con dos tipos de instrumentos: Tubo de Pitot y Anemómetro de Hilo caliente. Este
montaje se realizó con el fin de evaluar el desempeño de cada uno de los instrumentos en este
tipo de aplicación experimental.
Para simular el flujo de aire que se tendría en la entrada de la cámara de combustión se utilizó un
secador de cabello en ambas pruebas y se ubicó en línea en una tubería de 2” la cual corresponde
al diámetro real de entrada de aire. Cabe resaltar que se ubicó el secador de tal manera que la
tubería quedara sometida a vacío simulando el ventilador de tiro inducido que se utilizaría más
Carbón Aire
Comprimido
Carbón
+ Aire Entrada a la
Cámara
Aire
Comprimido
Biomasa
Entrada Aire +
Biomasa
Figura 4. Montaje de inyección de Carbón Figura 5. Montaje de inyección de biomasa
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 12
adelante para la extracción de gases.
En las Figuras 6, 7, 8 y 9 se muestran algunas fotografías de estos montajes:
Figura 6. Succión de Aire en la tubería de 2” de prueba
Figura 7. Tubo de Pitot Dwyer instalado en la línea
Figura 8. Manómetro diferencial instalado al tubo Pitot
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 13
Figura 9. Anemómetro de Hilo Caliente utilizado en la prueba
De estas pruebas se obtuvo que para la medición de flujo de aire con presión negativa en una tubería de 2”
es más verídica la medición por parte del anemómetro de hilo caliente, ya que con el Tubo Pitot se pierde
precisión cuando se está trabajando con vacío. Esta información fue confirmada por el soporte técnico del
fabricante Dwyer. El anémometro aunque tarda tiempo en marcar velocidades estables, arrojaba
mediciones más certeras y acorde al cambio de velocidades de aire, razón por la cual se decidió utilizar
este tipo de instrumento.
Las especificaciones técnicas del instrumento utilizado para las pruebas de Reburn se muestran
en la Tabla 2, y en la Figura 10 una fotografía del equipo.
Tabla 2. Especificaciones técnicas Termo- Anemómetro
Termo-Anemómetro de Hilo Caliente
Marca: EXTECH
Modelo SDL350
Rango:
Velocidad:
0.2 – 25 [m/s]
Temperatura:
0 – 50 [°C]
Resolución: Velocidad: 0.1 [m/s]
Temperatura: 0.1 [°C]
Precisión: Velocidad: ±5%
Temperatura: ±0.8°C
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 14
Figura 10. Anemómetro de Hilo utilizado en la experimentación.
Analizador de Gases
Este equipo fue quizá el más importante a la hora de definir sus especificaciones ya que fue el
encargado de cuantificar y monitorear las emisiones de gases contaminantes, entre ellos los NOx,
que fueron nuestra variable de interés. En la Tabla 3 se muestran las especificaciones técnicas del
equipo:
Tabla 3. Características técnicas del Analizador de gases
Analizador de Gases
Marca: TESTO – Serie 330
Temperatura:
Rango: -40 a 1200 °C
Resolución: 0.1°C
Precisión: ± 0.5°C
Medición de O2:
Rango: 0 - 21% Vol.
Resolución: 0.1%
Precisión: ± 0.2%
Medición de CO:
Rango: 0 – 8000 ppm
Resolución: 1 ppm
Precisión: ± 10 ppm
Medición de NOx:
Rango: 0 – 3000 ppm
Resolución: 0.1 ppm
Precisión: ± 5%
Medición de CO2 para
Carbón :
Rango: 0 – 20% Vol.
Resolución: 0.1%
Precisión: ± 0.2%
En las Figuras 11 y 12 se muestran fotografías del analizador de gases y de su montaje durante
las pruebas en el equipo:
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 15
Sistema de Alimentación de Combustibles
Alimentación Carbón. Este equipo se adquirió con el fin de cuantificar y controlar la
cantidad de carbón bituminoso pulverizado que ingresaría al sistema. Se debió considerar en su
adquisición la alta precisión y corto tiempo de respuesta que se requería para las pruebas
experimentales. Las especificaciones técnicas del equipo utilizado se muestran en la Tabla 4:
Figura 11. Analizador de Gases TESTO 330-2
Figura 12. Analizador de gases con sonda en la última etapa de combustión
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 16
Tabla 4. Especificaciones Alimentador de Carbón marca Shenck process
Alimentador Carbón
Especificaciones para la Compra
Material: Carbón Bituminoso
Pulverizado
Densidad Bulk: 0.61 – 0.68 [Kg/Lt]
Tasa de Alimentación: 1 – 20 [Lbs/hr]
Tamaño Particula: < Mesh 200
Especificaciones Proveedor – Schenck Process
Material Alimentador: Acero Inoxidable
Potencia Motor: 0.5 HP
Tornillo Alimentación: 0.75” Dia.
Velocidad Giro Tornillo: 125 rpm máx.
Volumen Tolva
Alimentación: 30 Lts.
Este equipo tiene un sistema de agitación de la
tolva para evitar taponamiento de material. Además
la tolva es antiestática para evitar combustión
espontánea del material.
Alimentación de Biomasa. Se requirió un segundo equipo de alimentación de
combustible para la biomasa. Este equipo permitió modificar la tasa de inyección de biomasa a la
cámara de combustión cuando se opere en Cofiring y Reburn en los diferentes puntos
experimentales. En la Tabla 5 se muestran las especificaciones del alimentador requerido:
Tabla 5. Especificaciones Alimentador para Biomasa marca Shenck process
Alimentador Biomasa
Especificaciones para la Compra
Material: Biomasa – Bagazo de
Caña
Densidad Bulk: 102 [gr/Lt]
Tasa de Alimentación: 0.5 - 15 [Lbs/hr]
Tamaño Partícula: 0.8 Dia. X 10 mm long.
Especificaciones Proveedor – Schenck Process
Material Alimentador: Acero Inoxidable
Potencia Motor: 0.5 HP
Tornillo Alimentación: 0.75” y 1” Dia.
Velocidad Giro Tornillo: 100 rpm máx.
Volumen Tolva
Alimentación: 28 Lts.
Este equipo tiene un sistema de agitación de la tolva
para evitar taponamiento de material.
Sistema de Adquisición de datos para las termocuplas
Este equipo, se utilizará para monitorear el perfil de temperaturas a lo largo de la cámara de
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 17
combustión con el fin de identificar puntos críticos de temperatura en las emisiones de NOx. En
la Tabla 6 se muestran sus características principales:
Tabla 6. Características del lector de termocuplas
Lector de Termocuplas
Marca: Omega Instruments
Modelo: HH - 23
Rango (Tipo K): -200 a 1372 °C
Precisión Termocupla
(Tipo K): ±0.6 °C
Resolución: 0.1 °C
Acoplado a interruptor multiselector
Marca: Omega Instruments
Modelo: HH – 20SW
Pruebas Experimentales
Como se ha mencionado anteriormente, en este trabajo se realizaron pruebas experimentales en
una cámara de combustión para quemar carbón bituminoso pulverizado junto con bagazo de caña
en la configuración de la técnica Reburn. A continuación se presentan algunas características de
las pruebas experimentales y sus resultados.
Cámara de Combustión
La cámara de combustión utilizada para las pruebas fue construida en disposición vertical con
diámetro interno de 6”. Mide alrededor de 3,4 m de alto, 0.5 m de ancho y 1.8 m de largo. La
inyección de bagazo para la configuración Reburn se ubicó a 16,5 centímetros por debajo de la
llama inicial lo cual es bastante cercano a la primera etapa de combustión de carbón.
En la Figura 13 se muestra un esquema del equipo construido y utilizado para las pruebas
experimentales:
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 18
Características de los Combustibles
Con el fin de determinar claramente la naturaleza de los combustibles a quemar se realizaron
análisis próximo y último a cada uno de ellos. En base a los resultados del análisis último se
procedió a calcular el oxígeno como la diferencia del 100% menos cada uno de los elementos y
la humedad así:
Luego teniendo la composición en base húmeda se procede a calcular la composición en base
seca, dividiendo cada valor entre la sumatoria de los compuestos menos la humedad así:
Una vez se obtiene la proporción de cada elemento en base seca se normaliza cada coeficiente en
base a la proporción de carbono, de tal forma que se obtenga una fórmula empírica en base seca
de la siguiente forma:
A continuación se muestran las los análisis y fórmula empírica de cada combustible.
Figura 13. Esquema de la cámara de combustión dual carbón-biomasa
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 19
Carbón. Con el fin de caracterizar el carbón utilizado en las pruebas se le realizaron los
análisis próximo y último. En la Tabla 7 se muestran los resultados:
Tabla 7. Características del Carbón utilizado en las pruebas experimentales
Carbón
Análisis Próximo
Humedad 0.64 %
Cenizas 10.25 %
Materia Volátil 34.06 %
Carbón fijo 55.04 %
Análisis Último
Carbono 76.76%
Hidrogeno 5.05%
Nitrógeno 1.73%
Azufre 0.36%
Poder Calorífico 12745 Btu/Lb
Tamaño de Partícula
Aproximado Mesh 200
Fórmula Empírica en Base seca:
CH0.789N0.019O0.051S0.002
Bagazo de caña. Se utilizó bagazo de caña de azúcar colombiano para realizar las
pruebas de Reburn. En la Tabla 8 se muestran los resultados de análisis químico del combustible.
Tabla 8. Características del Bagazo de caña utilizado en las pruebas experimentales
Bagazo de caña de azúcar
Análisis Próximo
Humedad 6.76 %
Cenizas 3.65 %
Materia Volátil 84.71 %
Carbón fijo 4.78 %
Poder Calorífico 7473 Btu/Lb
Tamaño de Partícula
Aproximado Mesh 20
Análisis Último
Carbono 41.35%
Hidrogeno 5.60%
Nitrógeno 0.31%
Azufre 0.14%
Fórmula Empírica en Base seca:
CH1.625N0.006O0.765S0.001
De los análisis obtenidos para el bagazo de caña de azúcar colombiano, se puede identificar que
comparado con otros tipos de biomasa a nivel mundial el bagazo de caña no tiene un alto poder
calorífico (Demirbas, 2003) [16], (Kuprianov, Janvijitsakul & Permchart, 2005) [17] ya que
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 20
revisando la bibliografía existen tipos de biomasa que pueden tener un poder calorífico hasta de
10000 Btu/Lb (Jenkins, 1985) [18].
Aire de Combustión
Para las pruebas experimentales se trabajó con un exceso de aire del 20%. En la Tabla 9 se
muestran los puntos de operación con los cuales se hicieron las mediciones:
Tabla 9. Condiciones de combustible y aire en las pruebas de Reburn
Prueba
Flujo
carbón
[kg/h]
Flujo
bagazo
[kg/h]
Flujo
Aire
[CFM]
100% carbón 3,1 0 28,79
95% carbón
5% bagazo 2,94 0,155 28,02
90% carbón
10% bagazo 2,79 0,31 27,26
85% carbón
15% bagazo 2,63 0,46 26,50
Cabe resaltar que el exceso de aire trabajado se basó en las recomendaciones realizadas en la
bibliografía para el caso de combustión dual carbón-biomasa (Annamalai, 2006) [15]. El aire que
ingresa al sistema se cuantificó teniendo en cuenta la relación aire combustible estequiométrica
para cada combustible individual. Luego se calculó el aire requerido para la mezcla en las
diferentes proporciones de sustitución así:
Donde es el exceso de aire utilizado (1.2 para este caso), es el porcentaje de carbón,
es el porcentaje de bagazo, es el aire estequiométrico del carbón y es el aire
estequiométrico del bagazo.
Para todos los casos, el aire total es igual a la suma del aire secundario medido con el
anemómetro más la suma de los aires primarios de transporte neumático para cada uno de los
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 21
combustibles (medido con el rotámetro).
Experimentación
La cámara de combustión inicia la etapa de precalentamiento con gas natural durante 3 - 4 horas
a fuego medio hasta alcanzar los 900°C, temperatura a la cual los refractarios se identifican por
un rojo cereza. Una vez se logró esta temperatura, se cerró la válvula de gas y se comenzó la
inyección del carbón con el fin de aumentar aún más la temperatura y llegar al estado estable de
quema 100% carbón. Bajo estas condiciones se tomaron datos de perfil de temperaturas y
emisiones de NOx (prueba 1 – 100% carbón).
Para las pruebas de Reburn, el procedimiento es igual en cuanto al arranque, sin embargo se
modificó la tasa de inyección de carbón para cada una de las pruebas (95% - 90% y 85%) y
luego se abrió la válvula de inyección de biomasa instalada en el primer puerto de Reburn (5%,
10% y 15%), para estos puntos de operación se esperaba el estado estable con el fin de poder
obtener datos confiables (aproximadamente 20 min.)
En todos los casos se establecieron los flujos de entrada de combustible y los aires primario y
secundario. Como variables de monitoreo se tomaron datos de las temperaturas a lo largo de la
cámara de combustión y las emisiones de NOx, las cuales se muestran en este trabajo como los
resultados obtenidos.
Resultados
Perfil de Temperaturas
Se realizaron mediciones de temperatura a lo largo del cuerpo de la cámara de combustión con el
fin de observar cualitativamente la generación de calor. La Figura 14 muestra los perfiles
encontrados.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 22
Figura 14. Perfil de temperaturas de la cámara de combustión en pruebas de Reburn
Se observa que a medida que aumenta la distancia a la llama, se disminuye la temperatura, esto
muestra el hecho de que la biomasa tiene un menor poder calorífico que el carbón.
Emisiones de NOx
Para cada caso de sustitución Reburn se adquirieron valores de NOx en ppm (partes por millón).
En general se pudo observar que cuando se inyecta biomasa al sistema las emisiones tienden a
disminuir hasta un 30%, esto se muestra en la Figura 15, a continuación:
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
20 40 60 80 100 120 140
Tem
per
atu
ra [
°C]
Distancia a la llama [cm]
Perfil de Temperaturas
100% Carbón
Reburn 5%
Reburn 10%
Reburn 15%
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 23
Figura 15. Emisiones de NOx para diferente configuraciones de Reburn
Se visualiza como el mejor punto de operación entre las pruebas realizadas la configuración 95%
carbón – 5% bagazo de caña de azúcar.
Discusión
Luego de este trabajo, se pudo visualizar que el bagazo de caña es un tipo de biomasa que puede
utilizarse con resultados exitosos para la reducción de los NOx cuando se quema junto con
carbón. Se observa que a medida que la proporción de Bagazo de caña aumenta también lo hacen
las emisiones de NOx, esto puede ser debido a que el mismo puerto de inyección de biomasa se
utilizó para inyectar el aire de la zona de neutralización final, haciendo que la temperatura
localmente se aumente y promueva la formación de NOx térmico. El punto de operación óptimo
encontrado en la experimentación está alrededor de la sustitución del 5% en masa de carbón por
biomasa, generando hasta un 30% de disminución en las emisiones. Cabe resaltar que se
recomienda en futuros trabajos trabajar porcentajes de sustitución intermedios que permitan
optimizar este punto de operación en cuanto a emisiones. También sería interesante evaluar
350
400
450
500
550
600
650
700
Carbon 100% Reburn 5%bagazo
Reburn 10%bagazo
Reburn 15%bagazo
Emis
ión
NO
x [p
pm
]
Emisiones NOx - Reburn
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 24
diferentes tipos de biomasa, cambio de condiciones de relación de Aire-Combustible, cambio en
la posición del puerto de Reburn, ángulo de inyección de la biomasa, entre otras variables.
Conclusiones
Luego de realizar este estudio, se pueden afirmar las siguientes conclusiones:
La técnica de quemado Reburn funciona para disminuir las emisiones de NOx cuando se
aplica con carbón bituminoso y biomasa.
Se comprueba que el Bagazo de caña es un posible sustituto en la combustión de carbón,
no solo brindándonos un beneficio energético, sino que permite a través de la técnica de
Reburn disminuir las emisiones de los óxidos de nitrógeno.
Una relación óptima de sustitución en masa del carbón sería 95% del combustible
primario y 5% de bagazo de caña, alcanzando disminuciones del 30% en las emisiones de
NOx.
El Bagazo de caña contiene menos Nitrógeno en su composición química inicial que el
Carbón, razón por la cual al ser quemada se generan menores cantidades de NOx del
combustible.
Cuando se quema 100% carbón se alcanzan temperaturas hasta de 1100°C, y la
temperatura decrece a medida que se inyecta biomasa debido a que tiene un poder
calorífico menor. Sin embargo, para el punto óptimo de operación la temperatura
alcanzada pico fue de 930°C lo cual es bastante cercano a la temperatura original siendo
este un buen indicador para las pruebas.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 25
Referencias
1. Banco Mundial. Estadísticas 2000- 2011. Recuperado de www.databank.worldbank.org.
2. Dr Thomas Chaize. Noviembre de 2009. http://www.dani2989.com/pdf/coal1109es.pdf.
3. Nation Master. “Coal consumption by country". Energy Information Administration. US
Department of Energy. Recuperado http://www.nationmaster.com/graph/ene_coa_con-
energy-coal-consumption
4. EIA. U.S. Coal consumption. November 2012.
5. Banco Mundial. Estadísticas año 2008. Recuperado de www.databank.worldbank.org.
6. Biomass Energy Center. What is Biomass? http://www.biomassenergycentre.org.uk/.
7. M. Sami, K. Annamalai, M. Wooldridge. “Cofiring of coal and biomass fuel blends”.
Progress in Energy and Combustion Science Vol. 27 (2001) pp.171-214.
8. ASOCAÑA, 2010. “Balance azucarero 2000-2010” Recuperado de www.asocana.org
9. Larry Baxter. “Biomass-coal co-combustion: opportunity for affordable renewable
energy”. Fuel Vol. 84 (2005) pp. 1295-1302.
10. N. Stanley Harding & Bradley N. Adams. “Biomass as a reburning fuel: a specialized
cofiring application”. Biomass and Bioenergy Vol. 19 (2000) pp. 429-445.
11. Kuihua Han, Shengli Niu & Chunmei Lu. “Experimental study on biomass advanced
reburning for nitrogen oxides reduction”. Process safety and environmental protection
Vol. 88 (2010) pp. 425-430.
12. Wei-Yin Chen & Benson B. Gathitu. “Design of mixed fuel for heterogeneous
reburning”. University of Mississippi, Department of chemical Engineering. February
2006.
13. K. Annamalai. “Cofiring Coal: Feedlot and Litter Biomass fuels in pulverized fuel and
fixed burners”. University of Texas A&M. Technical Report. 2003.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 26
14. B. Lawrence, K. Annamalai, J.M. Sweeten, K. Heflin. “Cofiring Coal and dairy biomass
in a 29kW furnance”. Appiled Energy Vol. 86 (2009) pp. 2359-2372. 15. K. Annamalai, Ishwar K. Puri. “Combustion Science and Engineering”. December 2006. 16. Ayhan Demirbas. “Combustion characteristics of different biomass fuels”. Progress in
Energy and Combustion Science Vol. 30 Issue 2 (2004) pp. 219-230. 17. Kuprianov, Janvijitsakul, Permchart. “Cofiring of sugarcane bagasse with rice husk in a
conical fluidized-bed combustor”. Fuel Vol. 85 (2006) pp. 434-442. 18. Ebeling, Jenkins. “Physical and chemical properties of biomass”. American Society of
Agricultural and Biological Engineers Vol. 28 No. 3 pp. 898-902.
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 27
Anexos
Formación de los NOx
¿Qué son los NOx?
Fórmula Nombre Propiedades Influencia en
el Ambiente
N2O Óxido Nitroso Sin Color
Soluble en Agua Aporta al calentamiento global.
NO
N2O2
Óxido Nítrico
Dióxido de
Dinitrógeno
Sin Color
Ligeramente soluble en
Agua
Forman ozono al ser expuestos a
luz solar (productos intermedios)
N2O3 Trióxido de
Dinitrógeno
Negro Sólido
Soluble en Agua Al ser soluble en agua, se
descompone en ella
promoviendo la lluvia ácida
NO2 Dióxido de Nitrógeno Gas Rojizo – Café
Soluble en Agua
N2O5 Pentóxido de
Dinitrógeno
Blanco Sólido
Soluble en Agua
NOx
Prompt
Thermal
Fuel
Disociación
del N2 y O
2 a
temperaturas
mayores a
1300°C
Oxidación del
Nitrógeno
contenido en el
combustible. Ej.
Carbón
Reacción del N2
en condiciones
de mezcla rica
N2 + O → NO + N
N + O2 → NO + O
C, CH, and CH2
HCN NO
HCN + O2 → NO *
*reacción no balanceada ni completa
Fuente: EPA- Technical Bulletin “Nitrogen Oxides why and how they are controlled”. Noviembre de 1999.
http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf
Fuente. EPA- Technical Bulletin “Nitrogen Oxides why and how they are controlled”. Noviembre de 1999.
http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf
Tesis de grado Maestría en Ingeniería Área Mecánica – Universidad de los Andes 28
Alternativas de Solución para emisiones de NOx por quema de Combustibles fósiles
Inyección de Urea / amoníaco en etapas
finales de Combustión. SCR
(gas)
Biomasa – Alto contenido volátil que reacciona el oxígeno.
Combustión con O2 puro (costoso)
Control de Temperatura
durante la Combustión.
Inyección Vapor
Recirculación de gases de escape
como aire de combustión. (gas)
Ventiladores para estabilizar la llama de combustión con zonas
de mezcla rica y mezcla pobre.
NOx en N2
Fuente: http://www.combustioncomponents.com/downloads/CCA_Brochure_March_2009.pdf
