Tecnología Combustión

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FFaaccttoorreess qquuee aaffeeccttaann aall rreennddiimmiieennttoo ddeeuunnaa ccaallddeerraa ddee ccoommbbuussttiióónn ddee bbiioommaassaaEl tipo de madera y el grado de humedad inciden de manera fundamental en el rendimiento de las calderas de combustión

E ntre los procesos productivosdonde es necesaria la aportaciónde calor deben apuntarse: las

prensas de platos calientes, prensascontinuas, secaderos de chapas, seca-deros de tablón y tronco, balsas devaporización y cocción, reactores,intercambiadores de calor, líneas debarnizado o calefacción de naves y ofi-cinas, entre otros. Son, por tanto, múl-tiples las aplicaciones de las calderasde combustión, es decir, los equiposencargados de generar esta energíacalorífica. Los tipos y naturaleza de los combusti-bles que utilizan las calderas son de lomás variado. Sus características funda-mentales dependen de múltiples facto-res, entre los que destacan el tipo demadera de la que proceden, el tamañoy granulometría del residuo y el gradode humedad.En paralelo con la crisis de los combus-tibles derivados del petróleo, los siste-mas de combustión de biomasa han idodesarrollándose para intentar dar solu-ción específica a la utilización de lapráctica totalidad de los residuos dis-ponibles en la industria de la madera.Hoy en día, los sistemas de combustiónque hay en el mercado son muy varia-dos. Entre otros existen:– Hogares prefabricados, monoblock,

cilíndricos verticales: restos de car-

pintería y materiales triturados,como serrines y virutas.

– Hogares prefabricados, monoblock,cilíndricos horizontales: inyección demateriales de granulometría muyligera, como polvo de lijado.

– Hogares enterrados con parrillasinclinadas fijas: restos de carpintería,chapas y tableros sin triturar, mate-riales triturados y polvo de lijado.

– Hogares con parrillas móviles o viaje-ras: cortezas, materiales cuya com-

Las calderas de combustión debiomasa son equipos muyimplantados en la industriamaderera, al serfundamentales en el sistemaproductivo de cada una de lasfábricas del sector. Utilizandolos propios subproductos quela industria genera, lascalderas son las encargadas decalentar todos los procesosproductivos en los que esnecesaria la aportación deenergía térmica. Para ello, seutilizan diversos combustibles,cuyas características físicas yquímicas, así como las de lospropios sistemas decombustión, condicionarán elrendimiento de la instalación.

Por: Enrique Cigalat Navarro, licenciado en ciencias e ingeniería química, del departamento técnico de Opti Thermal

Triturado de madera de chopo, previo a sucombustión.

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bustión generen escorias, materialestriturados y polvo de lijado.

Entre tanto sistema de combustión,cada uno con sus características pro-pias, sólo nos fijaremos en los factoresoperativos que pueden afectar al ren-dimiento de los sistemas de combus-tión, no en aquellos relacionados consu diseño o cálculo (dimensiones, dise-ño del hogar y sus elementos auxiliareso ejecución) ni a los que afectan almantenimiento (como limpieza, acu-mulación de cenizas y escorias).

Factores operativos

Disponer de una caldera de combus-tión de biomasa regulada y optimizadaen todos sus parámetros de funciona-miento no es tarea fácil. La interven-ción de personal especializado se justi-fica por la rentabilidad de las mejorasobtenidas. A grandes rasgos, se tratade mejoras energéticas, que incluyen:el ahorro de combustibles, el ahorro deenergía eléctrica, mejoras medioam-bientales y minimización de emisionesatmosféricas.Los parámetros de una caldera de com-bustión que deben ser optimizadosson: el valor de la depresión o tiro, lacantidad de aire de combustión, la dis-tribución del aire de combustión (tur-bulencia), la temperatura del aire decombustión, la calidad y estado deconservación del material refractario,la calidad y estado de conservaciónmaterial fundición (parrillas) y la tem-peratura del hogar de combustión.

Tiro en cámara de combustión

El tiro o extracción en la cámara decombustión es probablemente el factorque más influencia tiene en el funcio-namiento y en el rendimiento de unainstalación de combustión. Normal-mente, una caldera industrial trabajacon un tiro forzado mediante la actua-ción de un ventilador centrífugo, elcual es el encargado de aspirar losgases del hogar de combustión, hacer-

los pasar por la caldera y por los siste-mas de depuración, y emitirlos a laatmósfera a través de la chimenea. Entre las ventajas de un valor de tiroforzado elevado se encuentran unmenor número de sobrepresiones en elhogar, lo que evita la salida de humos,chispas o llamas por los huecos delhogar de combustión (puertas decarga y toberas); mejor respuesta de lacaldera y, por lo tanto, mayor capaci-dad térmica; y mayor refrigeración deparrillas y material refractario.No obstante, también existen inconve-nientes: posible arrastre de materialesligeros (cenizas, inquemados); mayorconsumo de la caldera en términos dekg/h de material alimentado al hogar(este punto, en algunos casos, podríaser una ventaja); y mayor consumoeléctrico del motor ventilador de tiro.El valor concreto de depresión (presiónnegativa) que requiere un hogar decombustión es una cuestión difícil deestablecer a priori y debe ser evaluadoen cada caso, en función de múltiplesfactores: tipo de material a quemar ysu grado de humedad, granulometría,poder calorífico; sistema de alimenta-ción, ya sea con carga manual, cargaautomática; potencia de la caldera(Kcal/h); consumo energético del pro-ceso (Kcal/h); puntos de consigna enfluido de la caldera: temperatura(agua caliente, aceite térmico) o pre-sión (vapor); presión atmosférica ytemperatura ambiente; tipo y diseñodel hogar de combustión (dimensio-

Tipo de biomasa PCI medio (Kcal/kg) Densidad media Humedad media kg biomasa equivalentesaparente (kg/m3) (% base húmeda) a 1 kg de gasóleo

Serrín húmedo 2.500 220 35 4,0

Serrín seco 3.500 160 10 2,8

Viruta húmeda 2.500 110 35 4,0

Viruta seca 3.250 90 15 3,0

Cortezas no resinosas, verdes 2.000 450 50 5,0

Corteza de pino 2.000 200 40 5,0

Polvo de lijado 4.000 280 5 2,5

Restos de carpintería 3.500 150 10 2,8

Restos maderas duras secas 4.500 300 10 2,2

Chapillas secas tablero contrachapado 3.500 130 5 2,8

Recortes chapas finas o decorativas secas 3.000 120 10 3,3

Combustibles más frecuentes

Biomasa incandescente durante la parada deuna caldera.

El tiro es clave en el rendimiento y funcionamiento de una caldera

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nes, ejecución); estado en que seencuentra el material refractario delhogar de combustión; y otros.

Cantidad, distribución ytemperatura del aire decombustiónPara facilitar la combustión de la bio-masa en el hogar, es necesario garanti-zar la presencia de suficiente cantidadde oxígeno comburente para comple-tar el proceso de combustión. Si la can-tidad de aire en el hogar es inferior a laque el combustible requiere, se produ-ce una combustión incompleta: humonegro, inquemados, monóxido de car-bono (CO), etc.

Si la cantidad de aire en el hogar esmuy superior a la que el combustiblerequiere, se produce un enfriamientodel hogar, que a su vez es compensadocon aporte adicional de combustible:aumento del consumo.El aire de combustión que se aporte alhogar se debe distribuir de tal formaque se garantice que todas las partícu-las de combustible estén “rodeadas”,en todo momento, de oxígeno combu-rente para completar el proceso decombustión.Esto se consigue mediante una elevadaturbulencia en el hogar y optimizandola distribución de aire de combustión através de toberas de inyección dirigi-das a las zonas con presencia de com-bustible y llama.El aire de combustión que se aporte alhogar puede hacerse a temperaturaambiente o por medio de aire preca-lentado. Como base de referenciapodemos establecer que, para una cal-dera convencional, precalentando elaire de combustión antes de su inyec-ción al hogar a una temperatura deunos 100 °C, puede suponer un ahorrode combustible cercano al 5%.

Calidad y estado de losmateriales refractarios Un material refractario deteriorado, oen malas condiciones estructurales,provoca una falta de estanqueidad yaislamiento que afecta al rendimientodel sistema. Disponer de buenos profe-sionales que ejecuten los hogares nue-vos o sus reparaciones con materialesadecuados a las condiciones de traba-jo y con una visión estructural clara, esfundamental para el buen funciona-miento y conservación de estos siste-mas.No sirve de nada colocar un materialrefractario de una calidad magnífica sino tiene una base, apoyos y capacidad

de dilatación adecuados a sus condi-ciones de trabajo.El deterioro prematuro de un materialrefractario puede producirse porvarios factores: la colocación defec-tuosa o falta de apoyo estructural;dilataciones mal calculadas o no pre-vistas; perfiles de temperaturas dellama que inciden directamente sobrealguna de las zonas de refractario,pues la temperatura en el interior deuna llama de biomasa puede alcanzarvalores de hasta 1.600 °C; o el ataquequímico por algún agente externo(álcalis, sílice), ya que las cenizas demuchas maderas tienen en su compo-sición gran cantidad de estos elemen-tos.

Calidad y estado de losmateriales de fundiciónLas parrillas de fundición se incorporana los hogares para facilitar la entradade aire de combustión a través dellecho o talud que forma el combustibleen el interior del hogar de combustión.El estado en que se encuentren estasparrillas es fundamental a la hora detener un buen rendimiento de combus-tión en el hogar.El deterioro prematuro de unas parri-llas puede producirse por: calidad dela fundición inferior a la requeridapor el proceso y refrigeración defec-tuosa. Las parrillas deben estar prote-gidas en todo momento de las altastemperaturas, principalmente de lasllamas. Esto se consigue refrigerandola parrilla por medio del aire de com-bustión que se aporta al hogar, ymanteniendo la parrilla cubierta per-manentemente por combustible.También por diseño defectuoso, dila-taciones mal calculadas o no previs-tas o ataque químico por algún agen-te externo.

Cámara monoblock con caldera de aceite térmico.

Vista interior hogar enterrado.

Sección arco bóveda.

El aire de combustión debeser suficiente y biendistribuido

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Temperatura del hogarPara obtener buenos rendimientos decombustión, es imprescindible mante-ner los niveles térmicos en valores ele-vados de temperatura. Cuando unhogar está en fase de arranque o estámuy sobredimensionado, se ha sobre-cargado de combustible o tiene entra-das parásitas de aire ambiente, la tem-peratura del mismo será baja.Las elevadas temperaturas provocan ladescomposición de la materia orgánicacon que está formada cualquier tipo debiomasa. Se comienzan así a despren-der gases, los cuales, a su vez, tambiénsometidos a las altas temperaturas,comienzan a arder y a generar llama,iniciando el proceso de combustión.En los momentos en que las temperatu-ras son bajas, este proceso de combus-tión no se completa de forma adecua-da y aparecen humo negro, pavesas o

materiales inquemados. Visualizandodesde el exterior la chimenea de cual-quier caldera con una alimentación decombustible discontinua, se observanperfectamente las siguientes fases,todas sucesivas y cíclicas en el tiempo.Primero, la coloración de los humos esimperceptible; después se produce lacarga manual de combustible, normal-mente un gran volumen. Por efecto dela entrada de aire frío por la puerta ypor el enfriamiento que produce laentrada de combustible a temperaturaambiente, baja la temperatura del

hogar y, además, se produce un déficitde oxígeno. Inmediatamente loshumos se van ennegreciendo. Segui-damente, una vez finalizada la carga,el hogar empieza a procesar el com-bustible alimentado: se van recupe-rando los niveles térmicos, se vuelven aestablecer las proporciones combusti-ble/comburente. La coloración de loshumos va disminuyendo, hasta llegar aser imperceptible.

Mejoras

En definitiva, disponer de una calderade combustión de biomasa, regulada yoptimizada en todos sus parámetros defuncionamiento, no es tarea fácil, aun-que se justifica por la rentabilidad delas mejoras obtenidas. Las mejoraspueden ser: energéticas, ahorro decombustible y el ahorro de energíaeléctrica, o medioambientales, esdecir, minimización de emisionesatmosféricas (partículas sólidas, CO…).Los parámetros de una caldera de com-bustión que pueden ser optimizadosson: valor de la depresión o tiro, canti-dad de aire de combustión, distribu-ción del aire de combustión (turbulen-cia), temperatura aire de combustión,calidad y estado de conservación delmaterial refractario, calidad y estadode conservación material fundición(parrillas) y temperatura del hogar decombustión.

Cuello unión cámara-caldera de recuperación. Bóveda de material refractario muy deteriorada.

Vista interior de un hogar monoblock con parrillas en la base.

Vista interior de un hogar con parrillas inclinadas.

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Es rentable tener unacaldera bien mantenida,aunque no es una tareasencilla