Ing. Walter Barreto, Empresa Julio Berkes S.A., Uruguay.
Orígenes del uso energético de la biomasa
La Empresa metalúrgica Julio Berkes S.A., dedicada a la calderería liviana y pesada fue fundada por un inmigrante húngaro, Don Julio Berkes, el cual en la década de los 40 comenzó a fabricar generadores de vapor sobre la base de sus amplios conocimientos acerca de las más modernas tecnologías de la época.
En la misma época, pero en la República Argentina, el entonces joven Ingeniero Jacobo Agrest, comenzaba sus experiencias en el quemado de marlos de maíz y otros productos similares, tratando de reemplazar el petróleo y demás recursos fósiles que a raíz de la Segunda Guerra Mundial comenzaban a escasear.
Agrest consideró que si en Europa la hambruna se sumaba a los otros procedimientos que el conflicto generaba, lo menos que podía hacer desde un punto de vista ético, era quemar bien y con la mayor eficiencia los recursos combustibles originados en los productos alimenticios que él utilizaba como tales.
Así comenzó a desarrollar las bases de un concepto tecnológico ya conocido, como la gasificación, pero no aplicado a los generadores de vapor. Se procuraba la búsqueda de un sistema que permitiera una combustión eficiente y segura de los combustibles sólidos renovables. Dicho concepto fue posteriormente complementado con el desarrollo de una nueva concepción tecnológica de cámara de combustión denominada "Cámara Torsional".
Durante muchos años se conjuntaron esfuerzos para mejorar los sistemas de combustión, ano cuando todavía no se habían generado razones económicas para pensar en la sustitución del petróleo por combustibles renovables.
Las sucesivas crisis petroleras de la década del 70 encontraron a la empresa uruguaya con sus desarrollos consolidados en cuanto a las posibilidades de diseñar, construir y montar generadores de vapor con características de avanzada en cuanto a la utilización de combustibles fósiles.
Cuando nos propusimos la búsqueda de una respuesta para la crisis energética desde la perspectiva de nuestro país, procuramos en primer lugar informarnos de cuáles eran las tecnologías disponibles a nivel mundial aplicables a las nuevas necesidades planteadas.
El país cuenta con condiciones bastante favorables para la producción de madera en plantaciones forestales con fines energéticos, entre otros, además de existir una importante disponibilidad de desechos de origen vegetal provenientes de diversas industrias.
Estos desechos constituyen otra fuente de abastecimiento, con la particularidad de que hasta su posible combustión eficiente, es una fuente de problemas para las empresas que los producen al tener que disponer de recursos para su eliminación, a la vez que contribuyen a un indeseable proceso de contaminación.
En consecuencia, la búsqueda de las tecnologías que permitieran una combustión eficiente de los combustibles sólidos renovables autóctonos, pasó a ser para nosotros relevante y a ello nos abocamos.
A tales efectos se dispuso una gira por Europa de uno de los Directores de la Empresa, el Ing. Walter Barreto, participando en seminarios y ferias específicamente orientados al uso energético de la madera, en procura de conocer los últimos avances en la materia.
De allí surgieron dos conclusiones importantes:
La primera fue que el tema no era de interés o de importancia para los países desarrollados, que por su propia condición tenían otras soluciones para la crisis, razón por la cual no habían orientado sus esfuerzos para encontrar soluciones como las que nosostros necesitábamos.A diferencia del Uruguay, esos países de sólidos recursos, estructurados para trasladar y no absorber los efectos negativos de las crisis petroleras, disponían además, de abundantes recursos fósiles sustitutivos en sus propios territorios.
En consecuencia, las tecnologías disponibles en ese campo en los años setenta no estaban actualizadas y se remontaban a los esfuerzos que la propia conflagración mundial de los cuarenta provocó en su momento.
Adicionalmente, se comprobó que no existía una solución satisfactoria para dos problemas vinculados fuertemente.
1. Una combustión eficiente.
2. Una combustión limpia y protectora del medio ambiente.La segunda conclusión resultante, fue la de que se debía hacer uso de las capacidades creativas propias del país para desarrollar una tecnología apropiada a las condiciones específicas requeridas.
Resultaba clarísimo que las condiciones geográficas, territoriales, climáticas, económicas, disponibilidad de recursos, entre otras consideraciones, eran tan diferentes, que lo que resultaba inviable para los países europeos como solución energética podía no serlo para un país como Uruguay.
Como resultado de ese proceso, nos fuimos convenciendo que el mejor aprovechamiento de nuestros recursos dependía de nosotros mismos, que el camino emprendido durante los años anteriores era el correcto y que debíamos concentrar nuestros esfuerzos en llevar adelante el perfeccionamiento de las nuevas tecnologías, ya consolidadas a nivel industrial operativo: la gasificación para quema de leña y la cámara torsional para uso de residuos agroindustriales de pequeña granulometría.
En el primer rubro, el esfuerzo se debía orientar a la adecuación de un proceso físico-químico conocido, la gasificación, para lograr su utilización en calderas y otras aplicaciones de transformación energética con fines industriales.
En el segundo, el objetivo consistía en optimizar las condiciones aerodinámicas para el quemado de los gases combustibles y, especial y particularmente, para los combustibles sólidos de pequeña granulometría.
Aplicaciones prácticas a nivel industrial
El conjunto de las tecnologías desarrolladas según se ha expresado, con sus distintas variantes, constituyen la base de los proyectos ejecutados durante los últimos 15 años y han significado el centro de la actividad de la empresa, tanto en lo que se refiere al mercado local como al extranjero.
Estas tecnologías fueron reconocidas como innovadoras a través del Certámen "100 Empresas Innovadoras en Iberoamérica", donde obtuvo el segundo puesto en la categoría empresas pequeñas.
Ciencia y Tecnología de España para el Desarrollo (CYTED), BID, Banco Mundial y otras importantes organizaciones, constituyeron los sostenedores de dicho certamen, cuyo resultado hizo posible la presencia de la Empresa en la Feria Internacional de Sevilla, como premio a su condición de ganadora del segundo lugar.
Los diseños de los distintos equipos están protegidos por las patentes U753 para la Cámara de Combustión Torsional, la cual también tiene el premio Génesis otorgado por el Ministerio de Industria y Energía en 1982 y por la U834 para el equipo gasificados refrigerado por agua.
La versatilidad de estas tecnologías se pone de manifiesto por la diversidad de sectores industriales que las han adoptado, de lo que pasamos a destacar lo más significativo:
Industrias frigoríficas
Frigorífico Canelones, Frigorífico Colonia, CYBARAN, Frigorífico Tacuarembó, Carlos Schnek, y Frigorífico Las Piedras. Generadores de vapor humotubulares de hasta 10 t/h con gasógeno para leña.
Industrias azucareras
Azucarera del Litoral. Generador de vapor acuotubular 35 t/h, 25 bar, vapor sobrecalentado a 350°, con gasógeno para leña. Adaptación de gasógenos a calderas acuotubulares existentes de 15 t/h. Adaptación de gasógenos y cámaras torsionales a secaderos de pulpa de remolacha, capacidad 9 x 106 kilocal/h.
Industrias lácteas
CONAPROLE. Generador de vapor humotubular 9.5 t/h. 20 bar con gasógeno nata leña
Industrias aceiteras
Industrias Torino, SAIM, MANZANARES, y C.A.P.S.A. (Paraguay). Adaptación de cámaras de combustión torsionales a calderas acuotubulares existentes de 10 t/h y 15 t/h, 30 bar, para cáscara de algodón y carozo de coco molido. Generadores de vapor humotubulares de 2 t/h, 4 t/h y 6 t/h, 16 bar, con cámara torsional para cáscara de girasol.
Industrias textiles
CEDETEX, MARTEX, C. Cibils, y Layfa. Generadores de vapor humotubulares de 1 a 5 t/h, 10 bar, con gasógeno para leña.
Industrias del cuero
Paycueros. Generadores de vapor humotubulares 10 t/h, 10 bar, con gasógeno para leña.
Industrias madereras
Fibromadera, y Defor (Chile). Generadores de vapor 4 t/h, 12 bar, con gasógeno para leña. Adaptación de cámara torsional a caldera existente de 3 t/h, para quemar aserrín de madera.
Secaderos de té
CASA FUENTES (Argentina), B. Okulovich (Argentina), L. Rogaczewsky, (Argentina), y Schuchartt (Argentina). Generador de vapor 9 t/h, 10 bar, con gasógeno para leña. Adaptación de gasógenos y cámaras torsionales a secaderos de té por intercambio directo, capacidad 1.800.000 kcal/h.
Proyección de las nuevas tecnologías
La gran motivación que dio impulso al desarrollo de las tecnologías reseñadas fue sin duda el factor económico.
La optimización en el aprovechamiento energético de los recursos renovables alentó a una gran diversidad de industrias a efectuar inversiones de alta rentabilidad, al tiempo que significaban un importante ahorro de divisas para el país.
Con el transcurso del tiempo han ido variando los parámetros de la ecuación económica. La baja del precio internacional del petróleo y las políticas impositivas internas han priorizado nuevamente, en términos generales, el uso de combustibles fósiles.
Por otro lado, en la medida que el factor económico ha perdido relevancia, comienza a prevalecer con inusitada gravitación el factor ecológico. Las disposiciones en cuanto a contaminación ambiental son hoy determinantes en cuanto a las posibilidades de funcionamiento y en esa dirección avanza el desarrollo en todos los países del mundo.
Y allí también nuestras tecnologías encuentran un campo de acción muy propicio.
En el último año, técnicos chilenos han efectuado diversas auditorías técnicas con la finalidad de medir las características de las emisiones de gases.
El resultado concreto ha sido la realización de un proyecto, hoy en la etapa de puesta en marcha, para una industria maderera en Santiago de Chile, sobre la base exclusiva del comportamiento protector del medio ambiente.
Pensamos que la conjunción de ambos factores, el económico y el ecológico, cada uno de por sí decisivo en las políticas de desarrollo industrial, jugará un papel preponderante en cuanto a las posibilidades de aplicación de las tecnologías a que hemos hecho referencia.
Tecnología de la gasificación
La combustión es un fenómeno químico perfectament definido, que consiste en la reacción exotérmica de determinados elementos químicos con el oxígeno. Lo que determina si un elemento es o no combustible es su posibilidad de reaccionar químicamente con el oxígeno, liberando energía calórica. Esta es condición necesaria pero no suficiente; para que la combustión se pueda hacer efectiva se deben cumplir varias condiciones físicas: estado, temperatura, dosificación de la mezcla, turbulencia y tiempo.
En primer lugar, el fenómeno químico se produce en fase gaseosa. Basta pensar cómo un combustible gaseoso se quema de inmediato no bien se le aporta el aire y la temperatura que necesita, mientras que un combustible líquido debe pasar por una etapa previa de pulverización, antesala del estado gaseoso, sin lo cual la combustión no se produce. Y si el estado líquido, por su conformación molecular exige condiciones especiales, mucho mayores serán las exigencias del estado sólido, en el cual la pulverización es, o imposible, o muy compleja para realizarse.
Si nos referimos concretamente a un trozo de madera, éste está formado por una mezcla de materiales orgánicos cuyos elementos naturales principales son el carbono, el hidrógeno y el oxígeno. Bajo la acción del calor, estos materiales orgánicos se descomponen, por un lado en productos volátiles y por otro lado en carbonos fijos.
Este primer proceso de destilación (pirólisis) genera gases de diversa composición, todos a partir de carbono e hidrógeno, aparte del vapor de agua y por tanto combustibles. En el momento que estos gases dispongan de la correspondiente temperatura de ignición, entrarán en combustión. A partir de allí, dada la condición exotérmica de esta reacción, se transforma en su propia fuente de calor y el fenómeno se auto-mantiene.
El proceso se puede dividir en cuatro etapas:
1. Leña + calor = Desprendimiento volátiles + carbono fijo
2. Volátiles + temp. = CO2 + calor
3. Carbono fijo + calor = CO + calor
4. CO + temp. = CO2 + calor
Las etapas 1 (pirólisis) y 3 (gasificación) son preparatorias de elementos combustibles (volátiles y monóxido de carbono).
Las etapas 2 (combustión de los volátiles) y 4 (combustión del monóxido de carbono) son los fenómenos de combustión propiamente dichos.
Cuando esto se realiza sobre una parrilla simple, se cumplen con simultaneidad las cuatro funciones, pero con un nuevo ingrediente sin el cual las etapas 2 y 4 no son posibles: el aire con su aporte de oxígeno.
La reacción química de combustión completa: C + 2 O = CO2 + calor
Implica una relación cuantitativa entre el elemento combustible (en este caso el carbono) y el oxígeno del aire de manera tal que una dosificación inapropiada, por exceso o por defecto, tiene como consecuencia una operación ineficiente, en un caso por desaprovechamiento del combustible y en otro caso, por un incremento de las pérdidas a través de un mayor volumen de gases de salida. El problema está entonces en incorporar la cantidad de aire suficiente, de acuerdo a la cantidad de combustible a quemar, con el menor exceso posible.
Si además se pretende hacerlo dentro de la simultaneidad de las cuatro funciones que abarca el fenómeno de combustión, parece bastante obvio que no se podrá realizar todo al mismo tiempo en forma eficiente, dada la distinta naturaleza de los fenómenos que se producen. El análisis de antecedentes de los sistemas convencionales lo confirma.
El camino a seguir también resulta bastante obvio. Si la dificultad está en la pretensión de pirolisar, gasificar y quemar en forma simultánea, para lo cual necesitamos aumentar el exceso de aire para evitar que alguno de los procesos se interrumpa, lo que corresponde es hacerlo en dos etapas: la segunda en la que se terminen de quemar estos gases remanentes con la mínima dosis suplementaria de aire.
Esto requiere espacio físico y condiciones aerodinámicas adecuadas (mezcla, turbulencia, tiempo). La optimización de dichos aspectos se logra separando, tempera y físicamente, las etapas 1 y 3 (productoras de gas combustibles) de las etapas 2 y 4 (combustión propiamente dicha). En esta última, la dosificación del aire se debe hacer en condiciones mucho más favorables, pues el combustible ya se dispone en estado gaseoso.
Esta es la idea del gasógeno. Un equipo en el cual se pirolisa la leña y se gasifica el carbón. A partir de allí los gases de pirólisis y el monóxido de carbono se envían a la cámara de combustión de la caldera para ser quemados con un mínimo exceso de aire.
Aplicación
La materialización de estas ideas fue lograda por la empresa a partir del año 1980.
Los únicos antecedentes de gasógenos conocidos se referían a su aplicación en motores de combustión interna o en hornos de cerámica, generalmente para carbón y en todos los casos con un sistema previo de purificación de gases.
En el caso de las calderas de vapor, ese sistema resultaría complicado y costoso, lo que anularía la ventaja que se pretendía lograr en cuanto a eficiencia.
Se ideó entonces y se llevó a la práctica un sistema totalmente distinto, basados en los siguientes principios:
1. Los gases de gasógeno son totalmente combustibles. Por lo tanto, se envían directamente a la cámara de combustión de la caldera y allí se queman suministrando el aire de combustión necesario. Con ello se evita el sistema intermedio de purificación de gases y los problemas derivados de los destilados livianos condensables (alquitranes).2. Los problemas de mantenimiento del gasógeno desaparecen al sustituir el recubrimiento refractario por camisa de agua, por la que circula, por termosifón, la propia agua de la caldera. El conjunto caldera-gasógeno se transforma, desde el punto de vista de la fuente fría, en un sistema cerrado con aprovechamiento integral de la energía calorífica liberada; desde el punto de vista de la fuente caliente, se dividen las funciones de gasificación y combustión para lograr la máxima eficiencia.
3. La combustión se logra mediante un diseño especial de la cámara de combustión de la caldera (tipo torsional), con camisa de agua que permite precalentar el aire de combustión; este aire pasa a través de una serie de toberas dispuestas de modo de imprimir un movimiento rotacional dentro de la cámara, aumentando el tiempo de permanencia dentro de la misma y creando condiciones óptimas de turbulencia para la mezcla aire-gas.
4. La evacuación de cenizas se realiza mediante una grilla rotativa escalonada, de platos excéntricos, la que a su vez permite uniformar el lecho de leña.
Luego de nueve años de actividad en el campo de la gasificación en los que se han logrado resultados prácticos totalmente satisfactorios, con unidades instaladas con capacidades entre 800 y 35.000 kg de vapor por hora, se han comprobado los siguientes resultados:
Eficiencia
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Exceso de aire |
7 a 15% |
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CO2 en gases de chimenea |
17 a 19% |
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Rendimiento térmico |
86 a 90% |
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Relación kg leña/kg fuel oíl |
3 a 3,2 (humedad 25%) |
Operación
Se puede trabajar indistintamente con leña o con fuel-oil; el cambio de combustible es inmediato. La respuesta a variaciones de carga es inmediata; la llama responde inmediatamente a la regulación del registro del ventilador primario (generador de gases). El tipo de leña puede ser cualquiera. El tamaño de la leña se limita, por razones de eficiencia, a 25 cm de diámetro y 50 cm largo.
Mantenimiento
Se realiza una extracción de cenizas cada tres o cuatro horas de cenicero del gasógeno, con el equipo funcionando. La ceniza es totalmente limpia, exenta de carbono. El intervalo limpieza de caldera oscila entre 2 y 4 semanas, dependiendo del régimen de funcionamiento y de la calidad de la leña utilizada. No existen condicionantes especiales para el agua de alimentación.
Personal
El personal se adapta fácil y rápidamente a la operación. No requiere ningún adiestramiento especial, aparte de las instrucciones normales de manejo.
Uso de la cámara de combustión torsional para combustibles sólidos
Antecedentes
El objetivo fundamental en la utilización de un combustible es lograr la mejor transformación energética posible (o sea la mejor combustión posible), atendiendo a la eficiencia térmica, a la seguridad, a la limpieza y a los costos de operación y mantenimiento.
Sabido es que los combustibles sólidos crean mayores dificultades en su utilización que los líquidos o gaseosos.
La combustión, como fenómeno químico exotérmico, exige el cumplimiento de condiciones físicas específicas para su desarrollo, a saber:
1. Dosificación de aire
2. Temperatura
3. Pulverización
4. Turbulencia
5. Tiempo
Los factores 1 y 2 se deben regular en función del tipo de combustible. El factor 3 se debe lograr por tratarse de un fenómeno químico a nivel molecular, con elementos que se combinan en fase gaseosa.
Luego, para culminar el proceso, asegurar una mezcla íntima entre el combustible y el aire mediante turbulencia y darle tiempo para que la reacción se complete en la cámara de combustión.
Es claro además que los cinco factores están inter-relacionados. Por ejemplo, el no tener una buena turbulencia y tiempo de residencia en la zona donde se tiene la temperatura adecuada, exige trabajar con dosificación de aire inadecuada, mayor exceso y por lo tanto menor eficiencia, al tiempo de tener partículas no quemadas en la chimenea (monóxido de carbono o carbonilla).
El motivo central de dificultad en la utilización del combustible sólido radica en lograr el factor 3, o sea llegar al estado en el cual la reacción química se haga posible y de ahí los problemas inherentes a los sistemas convencionales de parrilla y/o parvas, caracterizados por una necesidad de elevado exceso de aire y por consiguiente baja eficiencia de contaminación que exigen sistemas de depuración sumamente costosos.
Cámara torsional
La cámara de combustión torsional se plantea como solución para optimizar algunos de los factores que gobiernan la combustión (Turbulencia-Tiempo), de manera de poder trabajar con el mínimo exceso de aire (máxima eficiencia) y asegurar la combustión completa (máxima limpieza y seguridad).
El sistema consiste en mantener las partículas combustibles, dentro de la zona de combustión, en sustentación aerodinámica, rotando dentro de la misma, mezcladas con el propio aire de combustión.
Esto permite que las partículas combustibles, primero en vías de pirolización pérdida de los volátiles y luego en la gasificación del carbono fijo, dispongan de las mejores condiciones de intercambio a través de la turbulencia y disgregación provocadas por la rotación y por un tiempo de permanencia dentro de la zona de alta temperatura, que no es menos de 30 voces el correspondiente a los gases en trayectoria normal.
El resultado es una combustión prácticamente perfecta con un mínimo exceso de aire 10% y ausencia total de partículas carbonosas, equivalentes a máxima eficiencia y limpieza, mínimos costos operativos y de mantenimiento.
Desde el punto de vista constructivo, la cámara consta de una pared de apara, conformada por doble camisa o tubos, dependiendo de la presión de diseño, comunicada al sistema agua-vapor de la caldera, con un mínimo de materiales refractarios en zonas de baja temperatura, con lo que prácticamente se eliminan los costos de mantenimiento refractario.
Una envolvente exterior comunicada al ventilador forzado, conforma un múltiple de aire, el cual es enviado al interior de la cámara a través de varias filas de toberas. La disposición de éstas crean en la mezcla aire-combustible un flujo turbulento de trayectoria helicoidal, con lo que se logra una óptima calidad de la mezcla y un elevado tiempo de permanencia dentro de la cámara.
Esta forma de dosificación del aire, permite además uniformar las temperaturas dentro de la misma, minimizando la fusión de cenizas, con lo que se logra separar y evacuar parte de las mismas en la propia cámara de combustión.
Aplicaciones
La cámara torsional es específicamente apropiada para la quema de combustibles sólidos de pequeña granulometría: cáscara de girasol, cáscara de algodón, aserrín, viruta, cáscara de arroz, etc., estando su tamaño limitado por la posibilidad de sustentación aerodinámica. No obstante, también se ha utilizado con grandes ventajas en combustibles líquidos (fuel oíl) y especialmente como complemento de los gasógenos para la quema de gas de leña. En este caso las características de la cámara torsional permiten obtener una combustión de alto rendimiento y estabilidad con excesos de aire menores del 10% más allá de las variaciones en la calidad del combustible.
También es posible el uso simultáneo de combustibles de distintas características, por ejemplo, fuel oíl y gas de leña o combustible sólido y gas de leña.
La cámara torsional es aplicable a calderas de cualquier tipo, nuevas o existentes, humo o acuotubulares, con capacidades hasta 100 t de vapor por hora.
También es aplicable a hornos y secadores, ya sea para utilización de los gases de combustión en forma directa o indirecta.
