Desempeño de la combustión de desechos industriales en un reactor de lecho fluidizado burbujeante^*

Industrial Waste Combustion Performance in a Bubbling fluidized Bed Reactor^**

Desempenho da combustão de dejetos industriais em um reator de leito fluidizado borbulhante^***

^* El artículo es resultado del proyecto de investigación del mismo nombre, financiado por la Universidad de Pamplona, Pamplona, Colombia, con código de radicación SIUP P1-0027.
^** This article results from the research project of the same name, financed by the Universidad de Pamplona, Pamplona, Colombia, registration SIUP-P1-0027.
^*** Data de aceitação para publicação: 3 de julho de 2009. O artigo é resultado do projeto de pesquisa denominado Desempenho da combustão de dejetos industriais em um reator de leito fluidizado borbulhante, financiado pela Universidade de Pamplona, Pamplona, Colômbia, com código SIUP P1-0027.
^**** Ingeniero mecánico. Magíster en Ingeniería Mecánica, Universidad de Pamplona, Pamplona, Colombia. Profesor auxiliar del Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Pamplona. Correo electrónico: gmoren@unipamplona.edu.co.
^***** Ingeniero mecánico. Magíster en Ingeniería Mecánica, Universidad de Pamplona, Pamplona, Colombia. Profesor asistente del Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Pamplona. Correo electrónico: jcserrano@unipamplona.edu.co.
^****** Ingeniero mecánico. Magíster en Ingeniería Mecánica, Universidad de Pamplona, Pamplona, Colombia. Profesor asistente del Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Pamplona. Correo electrónico: japalacios@unipamplona.edu.co.

Fecha de recepción: 29 de enero de 2009. Fecha de aceptación para publicación: 3 de julio de 2009.
Submitted on: January 29, 2009. Accepted on: July 3, 2009.
Data de recepção: 29 de janeiro de 2009.

Resumen

El presente estudio muestra los resultados obtenidos al medir el desempeño de la combustión de biomasa (cisco de café y cascarilla de arroz) en un reactor de lecho fluidizado burbujeante. Al analizar los porcentajes de CO₂, O₂ y CO obtenidos en los gases de escape, se definieron las variables que afectan la combustión de esta biomasa y también los puntos óptimos de combustión y operación del reactor. Se sugieren alternativas para la utilización y aprovechamiento de este tipo de materia prima, ya que sus particulares características dificultan su aprovechamiento.

Palabras clave: Combustión en lecho fluidizado, residuos industriales, biomasa.

Abstract

This study presents the results obtained after measuring the performance of biomass combustion (coffee husks and rice husks) in a bubbling fluidized bed reactor. By analyzing the percentages of CO₂, O₂ and CO obtained from its emissions, it is possible to define the variables that affect the burning of such biomass as well as the optimum operation and combustion points of the reactor. Since the particular characteristics of this type of raw materials hinder its potential benefits, this study suggests alternatives for its better use and exploitation.

Key words: Fluidized bed combustion, factory and trade waste, biomass.

Resumo

O presente estudo mostra os resultados obtidos ao medir o desempenho da combustão de biomassa (cisco de café e casca de arroz) em um reator de leito fluidizado borbulhante. Ao analisar as porcentagens de CO₂, O₂ e CO obtidos nos gases de saída, definiram-se as variáveis que afetam a combustão desta biomassa e também os pontos ótimos de combustão e operação do reator. Sugerem-se alternativas para a utilização e aproveitamento deste tipo de matéria-prima, já que suas características particulares dificultam seu aproveitamento.

Palavras-Chave: Combustão em leito fluidizado, resíduos industriais, biomassa.

Introducción

El gran consumo de energía proveniente de combustibles fósiles y los efectos ambientales que esto acarrea ha hecho que se mire detenidamente la implementación de tecnologías limpias que usen biomasa como sustituto de estos combustibles en algunos procesos de generación de energía.

Una importante e inagotable fuente de energía renovable se encuentra en los residuos generados por los procesos agroindustriales. La combustión de esta biomasa, además de ser una buena solución para producir energía, contribuye a una significativa reducción de la contaminación, en contraste con la causada por el uso de otros combustibles.

La biomasa se obtiene a partir de residuos generados de la trilla de café y de arroz, lo cual representa una atractiva fuente de energía e ingresos para sus productores. Su bajo contenido de humedad hace que tales residuos sean utilizados eficientemente en sistemas de combustión. La combustión en un reactor de lecho fluidizado burbujeante (RLFB) permite transformar la energía química almacenada en estos residuos en energía térmica.

1. Disponibilidad de los recursos

El arroz paddy seco y el café verde son ampliamente cultivados en el mundo. En las tablas 1 y 2 se detalla el promedio anual de producción mundial de los últimos años y los porcentajes de cascarilla de arroz y de cisco de café que resultan de la producción de café y de arroz, respectivamente, así como el potencial energético de dichos subproductos. Para ambos casos se estima que la cascarilla y el cisco representan el 20% de la producción (Natarajan et al., 1997; Roa, 1999).

En la Tabla 3 se detalla la composición química por componentes de la biomasa que se va a utilizar. Tal composición es de vital importancia, debido a que de esta dependen algunos de los parámetros que es necesario tener en cuenta para conseguir los puntos óptimos de combustión y funcionamiento del reactor. Las características físicas de estos subproductos hacen que se tengan que utilizar excesos de aire altos durante la combustión, lo cual favorece la fluidización dentro del lecho y, por ende, la combustión de estos es más eficiente.

El RLFB se diseñó y construyó según los datos obtenidos de los estudios realizados por (Natarajan et al., 1997; Barriga, 1996; Permchart y Kouprianov, 2004), en los cuales se detallan las dimensiones y recomendaciones sobre este tipo de aplicaciones. El RLFB consta principalmente de tres zonas: la zona de fluidización, la de alimentación del residuo agroindustrial y una última zona que comprende la cámara de combustión y el ciclón. En la Figura 1 se muestra el RLFB.

La cámara de combustión diseñada es de tipo cilíndrico, porque la combustión es más eficiente en comparación con las cámaras cuadradas o rectangulares (Natarajan et al., 1997). La cámara tiene un recubrimiento interno de manta cerámica y ladrillo refractario. Cuenta con tres termocuplas tipo K, las cuales se pueden observar en la Figura 1. La primera mide la temperatura en la parte inferior del lecho donde ocurre gran parte de la combustión, la segunda está ubicada en la parte superior y una tercera se encuentra en la salida de los gases de combustión.

Los principales factores que influyen en la eficiencia de la combustión en el RLFB son: la velocidad de fluidización de las partículas, la temperatura de la combustión y la carga de alimentación. En la Figura 2 se puede observar el montaje del reactor en el cual se realizaron las pruebas de combustión.

Para la cascarilla de arroz se realizaron pruebas de combustión dentro de un rango de temperatura de 700-850°C (mostró mayor estabilidad a 780°C) y de 726-1025°C para el cisco de café (mostró mayor estabilidad a 870°C). En la Figura 3 se muestra el perfil de temperatura del RLFB para cada tipo de biomasa, según las termocuplas.

En la Figura 4, y a partir de los porcentajes de emisión de O₂ y CO, se hallaron los porcentajes de exceso de aire que se presentaron durante la operación del RLFB para ambos tipos de biomasa (Nogueira, 2003). Son importantes porque con ellos se detallan mejor los puntos donde la combustión de la biomasa es mejor. En la figura se puede observar que el exceso de aire es muy variable para la cascarilla de arroz, en comparación con el cisco de café. Esto se debe a que se presentan problemas de aglutinamiento, que hacen que su alimentación no sea fluida y, por consiguiente, la temperatura de combustión sea variable.

En las figuras 5 y 6 se muestra la composición de los gases a la salida del ciclón para la cascarilla de arroz y el cisco de café, respectivamente. En ellas se puede apreciar muy claramente el efecto de la temperatura y el exceso de aire sobre las emisiones y, por consiguiente, sobre la eficiencia de la combustión. Las figuras muestran claramente cómo la temperatura y la alimentación están claramente relacionadas e influyen en el comportamiento del lecho: al aumentar la temperatura, se observa cómo el CO₂ aumenta y los otros componentes (O₂ y CO) disminuyen sustancialmente; esto indica que la combustión es más eficiente.

En las tablas 4 y 5 se muestran los resultados que determinan los porcentajes de reducción en peso y en volumen de la biomasa después del proceso de combustión, convertida en ceniza como sale del ciclón y posteriormente compactada, para ambos tipos de biomasas.

Los porcentajes de reducción de peso son importantes, porque con ellos se hizo el balance de masa del reactor y también el cálculo aproximado de la eficiencia de la combustión. En las figuras 7 y 8 se pueden apreciar con mayor detalle los porcentajes de reducción en volumen para ambos tipos de biomasa.

En las figuras 9 y 10 se muestra la eficiencia de la combustión para los dos tipos de biomasa utilizados. De acuerdo con lo expuesto, se establecieron unos puntos óptimos de combustión para cada tipo de biomasa: para la cascarilla de arroz, a una temperatura de 780°C y un exceso de aire del 46%, la eficiencia de la combustión es de aproximadamente el 93,5%, y para el cisco de café, a una temperatura de 870°C y un exceso de aire del 31%, la eficiencia es de aproximadamente el 97,3%. Estas eficiencias son excelentes y comparables a las obtenidas en otros estudios referentes al tema.

En la Figura 11 se observa el equipo de mediciones de material particulado, el cual se encuentra todavía en etapa de desarrollo. En la Figura 12 se pueden observar algunas de las muestras que se tomaron; por lo tanto, se presentan únicamente los resultados más significativos. Para el cisco de café, la emisión de material particulado fue de 243,7 x 10^-6 kg/m³ y para la cascarilla de arroz fue de 418,7 x 10^-6 kg/m³. Estos datos no son alentadores, ya que la norma fija la emisión de material particulado para fuentes fijas en 0,15 x 10^-6 kg/m³ (Ministerio del Medio Ambiente de Colombia, 2006).

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