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Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 1
Diseño, construcción y puesta en marcha de una cámara de combustión, para Co-firing y Reburn,
con el fin de determinar la viabilidad del bagazo de caña como reductor de emisiones de NOx
cuando se quema con carbón bajo la tecnología de Co-firing.
Jorge Andrés Roncancio Gómez*
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Mecánica
Programa de Maestría en Ingeniería: Área Mecánica
*Ingeniero Mecánico de la Universidad Nacional de Colombia y aspirante a grado del programa
de Maestría de la Universidad de los Andes. Correo electrónico: [email protected]
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 2
Agradecimientos
A la disciplina, la paciencia, la constancia y la firme y férrea convicción de querer superarse e ir
un poco más allá en el infinito mundo del conocimiento. A la terca persistencia que se aferra a
pesar de tantas y tan múltiples adversidades y sinsabores que se encuentran al recorrer la vida
misma.
A la paciencia, comprensión y ayuda de todos y cada uno de los que tomaron parte de este
proyecto.
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 3
Resumen
Bajo el marco de Tesis de Maestría, se desarrolló el proyecto de investigación: Diseño y puesta
en marcha de una cámara de combustión a nivel de laboratorio que permite realizar estudios de
Co-firing y Reburn con biomasas producidas en Colombia. Particularmente, este estudio evaluó
la viabilidad de usar bagazo de caña de azúcar para reducir las emisiones de NOx cuando es
utilizado como combustible de Co-firing en la quema de carbón bituminoso. Se encontró que
para las condiciones de operación establecidas, a medida que se aumenta el porcentaje de
sustitución de masa de carbón por bagazo, decrecen las emisiones de Óxidos de Nitrógeno. Para
sustituciones del 10 al 15% se obtuvieron reducciones de NOx de aproximadamente 30% . A
continuación se muestra el diseño y construcción del equipo y la metodología utilizada para la
experimentación en detalle.
Palabras Clave: Co-firing, Reburn, Carbón Bituminoso, Bagazo de caña, Óxidos de Nitrógeno.
Abstract
Under the context of Magister Thesis, it was developed the research project: Design and Start-up
of a combustion chamber to perform studies on Co-firing and Reburn using Colombian biomass
wastes. Particularly, this study evaluates the potential of sugarcane bagasse for NOx emission
reduction when it is used as a Co-firing fuel with bituminous coal. It was found, that for the
operating conditions established, when the mass fraction substitution of coal with sugarcane
bagasse is increased by 10 to 15%, the Nitrogen Oxides emissions decrease by about 30%. This
document presents the design and construction of the experimental facility along with the
methodology used for a detailed experimentation.
Key words: Co-firing, Reburn, Bituminous Coal, Sugarcane Bagasse, Nitrogen Oxides.
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 4
Marco Teórico y Contexto
El mundo afronta un progresivo desabastecimiento de combustibles de origen fósil, ampliamente
utilizados dentro de la mayoría de actividades y procesos industriales desarrollados por el ser
humano. El uso intensivo de dichos combustibles no solo ha conducido a una significativa
reducción en las reservas a nivel mundial, sino también a toda una problemática relacionada con
la emisión de gases tóxicos, como son las emisiones de NOx y SOx. Particularmente, las
emisiones de NOx son muy perjudiciales para el medio ambiente ya que aportan al calentamiento
global, producen enfermedades respiratorias, deterioran ríos y lagos y promueven el fenómeno
de la lluvia ácida. Los óxidos de nitrógeno emitidos por la combustión de combustibles fósiles
tienen básicamente tres fuentes: NOx térmico (thermal), NOx del combustible (fuel) y NOx
pronto (prompt). El NOx térmico se produce cuando en la combustión existen temperaturas
mayores a los 1200°C ya que bajo estas condiciones el nitrógeno y el oxígeno presente en el aire
de combustión se disocia formando radicales de N y O altamente reactivos que forman óxidos de
nitrógeno así:
El NOx del combustible va asociado directamente a la composición química del mismo.
Específicamente va relacionado con la cantidad de Nitrógeno que trae el combustible antes de ser
quemado y que se libera y reacciona durante la combustión para producir HCN que
posteriormente reacciona con el oxigeno libre para producir NO.
Por otra parte, el NOx pronto es emitido durante la combustión en zonas de mezcla rica, las
cuales emiten hidrocarburos no quemados que reaccionan con el nitrógeno del aire ambiente y
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 5
generan una estructura molecular HCN que se comporta igual que la formación de NOx del
combustible. Algunas alternativas a nivel industrial se han desarrollado con el fin de reducir las
emisiones de NOx tales como la inyección de NH3 en las últimas etapas de la combustión y
realizar la combustión con 100% (muy costoso), sin embargo estas soluciones a veces son
muy difíciles de implementar ó en su defecto muy costosas. Otras posible solución como la de
controlar la temperatura dentro del quemador para evitar generación de NOx térmico son
efectivas pero a un alto costo en cuanto a pérdidas de energía.
Bajo este contexto es necesario desarrollar e implementar nuevas tecnologías sobre el uso de
combustibles alternativos que permitan mitigar y reducir el impacto de los fenómenos
anteriormente descritos e igualmente, que permitan mejorar el uso sostenible de los recursos
actualmente disponibles. Dentro de este proceso es necesario identificar las tecnologías
disponibles, sus aplicaciones, ventajas y desventajas. Una de estas tecnologías es el Co-firing,
tecnología consistente en la utilización de mezclas de biomasa con Carbón o Gas para la
reducción en las emisiones de NOx y SOx en las plantas de potencia que queman carbón.
Se entiende por Co-firing, mezclar dos combustibles antes de su combustión con el fin de
encontrar un nuevo combustible con mejores propiedades ambientales y/o energéticas que el
inicial. Algunas ventajas del Co-firing de carbón-biomasa son: disminución de emisiones de
NOx, disminución de CO2 neto generado y uso adecuado de desechos que actualmente son
subutilizados (biomasa) entre otros beneficios (Sweeten, Annamalai, Thien y McDonald,
2002)[1].
Gracias a la tecnología del Co-firing, se reducen las emisiones de NOx debido a que se reducen
las temperaturas de combustión (European Biomass Association, 2007) [2], con lo cual se
bloquean los mecanismos de formación de NOx térmico. Paralelamente a esto, se produce una
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captura de los NOx generados, debido a la presencia de NH3 en la biomasa, por medio de las
siguientes reacciones:
El interés en la tecnología del Co-Firing y el acotamiento de dicho término tuvo sus inicios en la
década de los 80´s, tanto en Europa, como en U.S.A. Para principios de los años 90´s, se
observan las primeras aplicaciones a nivel industrial del Co-firing, y a partir de ese momento, su
éxito ha sido tal, que diversas experiencias a nivel mundial han demostrado su viabilidad: Países
como Holanda, Dinamarca, Finlandia, Alemania, Austria, Hungría, entre otros han
implementado mayoritariamente en plantas de generación termoeléctrica el Co-Firing,
obteniendo resultados exitosos (European Biomass Association, 2007) [2]. Para el caso
colombiano, si bien es conocida la utilización de la biomasa como combustible alterno para la
generación de energía térmica y eléctrica en plantas de reducido tamaño, aún no se observan
casos en los cuales el uso de la biomasa se extienda a aplicaciones industriales de gran
envergadura.
Aunque se han desarrollado amplios estudios en esta área como Co-firing de carbón y papel
(Tsai, Wu, Huang y Lee, 2002) [3], carbón y paja (Pedersen, et al., 1996) [4], carbón y estiércol
de ganado (Sami, Annamalai y Wooldridge, 2000) [5], aún no se ha evaluado la capacidad para
el caso de Co-firing de carbón y bagazo de caña de azúcar.
Actualmente, estudios realizados en Brasil proponen el Co-firing como una alternativa para
utilizar los desechos de la agricultura obteniendo un beneficio ambiental, ya que quemar 100%
biomasa no es aún técnica ni económicamente viable (Hoffmann, Szklo, Schaeffer, 2012) [6].
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 7
Debido a esto, se considera muy ventajoso y provechoso profundizar en estudios alrededor de la
tecnología del Co-firing con biomasa colombiana, con el objetivo de validar los resultados
obtenidos a nivel internacional y generar la posibilidad de utilizar esta técnica a nivel nacional.
Justificación del Proyecto
Colombia siendo el séptimo mayor productor de caña de azúcar a nivel mundial con 21’207.347
toneladas anuales en promedio (ASOCAÑA, 2010) [7] de las cuales sólo el 11,69% es
aprovechada para la producción de azúcar (CENICAÑA, 2011) [8], debe encontrar una
alternativa de solución que permita encaminar estos residuos con el fin de mejorar la
contaminación ambiental. Por su parte, algunos autores proponen el bagazo de caña como una de
las biomasas más viables económicamente para la co-combustión con combustibles fósiles
debido a su alta capacidad de regeneración y rendimiento (Pandey, Soccol, Nigam y Soccol,
2000) [9].
El Co-firing es quizá la respuesta más económica y viable para la disminución de los NOx a
nivel industrial, ya que la inversión inicial requerida para su implementación es muy poca, sin
mencionar que la posibilidad de sustitución de combustible primario por biomasa representa
ventajas energéticas y ambientales (Hansson, Berndes, Johnsson y Kjarstad, 2009) [10].
Bajo este contexto, y teniendo en cuenta la necesidad de encontrar nuevas opciones de
combustibles y/o fuentes de energía sostenibles que disminuyan sus emisiones de gases
contaminantes, este proyecto busca determinar a groso modo la capacidad del bagazo de caña de
azúcar para disminuir las emisiones de NOx cuando se quema con carbón bituminoso bajo la
técnica del Co-firing.
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Objetivos
Objetivo General
Diseño, construcción y operación de una cámara de combustión a nivel experimental que permita
realizar estudios de Co-Firing y Reburn para distintas mezclas de carbón y biomasas producidas
en Colombia. Experimentación con porcentajes de 5, 10 y 15% de bagazo de caña, para
determinar el potencial del Co-Firing en la reducción de las emisiones de NOx.
Objetivos Específicos
Revisión bibliográfica de los diseños existentes de cámaras de combustión que operan bajo
el esquema de Cofiring y Reburn.
Realizar un diseño sencillo, versátil y flexible, que permita operar la cámara de combustión
con distintas mezclas de Carbón-Bagazo de Caña para el caso del Co-Firing.
Diseñar una configuración de la cámara de combustión que permita hacer la inyección de la
biomasa en distintas posiciones de la llama principal, para el caso del Reburn.
Fabricación y montaje del diseño final seleccionado.
Caracterizar de forma básica el desempeño del sistema al operarlo en los diversos modos
de operación para el esquema de Co-Firing de carbón con bagazo de caña. Específicamente
bajo el esquema de Co-Firing, se experimentará con relaciones de combustible
Carbón/Bagazo de 100/0 (línea base), 95/5, 90/10 y 85/15, monitoreando perfiles de
temperatura y emisiones de NOx.
Metodología
Equipo Construido
Para el proceso de diseño de la cámara de combustión se partió del hecho de que debía tener una
potencia de 25 KWh. Luego, se procedió a buscar en la bibliografía diferentes configuraciones
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 9
que permitieran operar el equipo tanto en Co-firing como en Reburn y utilizando los mismos
combustibles: Carbón y biomasa. Algunos de los diseños que más influenciaron la propuesta
final con sus respectivos aportes significativos fueron: Co-firing carbón pulverizado (Spliethoff,
Hein, 1998) [11], Swirler para turbulencia del aire (Damstedt, et al., 2007) [12], Ignitor de la
cámara de combustión (Casaca y Costa, 2009) [13], Configuración Reburn (Annamalai et al.,
2005a) [14], Características generales refractarios (Harding, Adams, 2000) [15].
La cámara de combustión construida cuenta con: ducto de escape lateral en la parte inferior del
equipo. 6 puertos laterales para inyección de combustible para operación bajo esquema de
Reburn. 10 puertos para instalación de instrumentación. Sección de atemperación de gases de
combustión y captura de material particulado por aspersión de agua. El diseño final del equipo y
sus características principales se muestran en la Figura 1 y la Tabla 1:
Figura 1. Diseño resultante Cámara de Combustión
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 10
Tabla 1. Características principales Cámara de Combustión
Característica Valor Unidades
Potencia Calorífica 25 [kWh]
Combustibles Carbón Bituminoso / Biomasa -
Agua Refrigeración 4,5 [lt/min]
Aire de Combustión
Primario 1 – 10 [CFM]
Secundario 6 – 50 [CFM]
TOTAL 60 (máximo) [CFM]
Servicios eléctricos
Ventilador aire secundario de combustión 1/220/3,5 [hp/VAC/amp]
Alimentador de carbón
Motor tornillo alimentador 0.5/230/1,9 [hp/VAC/amp]
Motor agitador tolva 0,33/230/1,5 [hp/VAC/amp]
Alimentador de Biomasa
Motor tornillo alimentador 0.5/230/1,9 [hp/VAC/amp]
Motor agitador tolva 0.16/230/0,84 [hp/VAC/amp]
Emisiones
Gases de Escape 70 (máximo) [CFM]
Temperatura de salida gases escape 150 [ºC]
Dimensiones generales del equipo
cámara de combustión
Alto 3360 [mm]
Ancho 560 [mm]
Largo 1803 [mm]
Peso Equipo
Cámara de combustión 930 [kg]
Alimentadores de combustible 90 x 2 [kg]
Instrumentación
De acuerdo a las variables que se requerían monitorear en el sistema se seleccionaron las
especificaciones técnicas de los instrumentos. En la Tabla 2 se describen cada uno de ellos con
sus respectivas variables a monitorear:
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 11
Tabla 2. Especificaciones técnicas de la instrumentación utilizada
Variable Instrumento
Temperaturas
llama
Termopar industrial
Clase: tipo K,
Max. Temp: 1200ºC.
Diámetro sonda: 3/8”
Acero inoxidable AISI 304.
Adquisición lectura
temperaturas
Lector de termopares tipo K, J, T.
Marca: Omega Instruments.
Modelo: HH-23.
Rango (tipo K): -200 – 1372 [ºC]
Resolución: 0,1 [ºC]
Precisión (tipo K):
±(0,1% v.m.+0,6ºC)
Flujo aire primario
(transporte
neumático
carbón/biomasa)
Rotámetro de aire
Marca: Cole Palmer,
Modelo: EW-32458-26,
Flujo:0-10 [SCFM],
Resolución: 0,25 [SCFM]
Precisión: ±3%
Flujo aire
secundario
Termo-Anemómetro de hilo caliente
Marca: Extech Modelo: SDL350
Rango de velocidad: 0,2-20 [m/s]
Resolución: 0,1 [m/s]
Emisiones
gaseosas
Analizador de combustión portátil
Marca: Testo.
Modelo: Serie 330.
Rango medición NOx: 3000 ppm
Precisión:
±5 ppm (0 … 100 ppm)
±5% del v.m. (101- 2000 ppm)
±10% del v.m. (2001- 3000 ppm)
Resolución: 1ppm.
Alimentación combustible
Carbón
Alimentador volumétrico
Marca: Schenck Process
Modelo: Mechatron LC
Rango Alimentación: 1-20 [lb/hr]
Alimentación combustible
bagazo de caña
Alimentador gravimétrico
Marca: Schenck Process
Modelo: Mechatron LS
Rango Alimentación: 0,5-15 [lb/hr]
Combustibles
Para la experimentación con Co-firing se utilizó carbón bituminoso pulverizado y bagazo de
caña de azúcar. Con el fin de conocer con certeza la naturaleza de los combustibles se realizaron
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 12
análisis próximo y último que permitieran llegar a la fórmula empírica normalizada que permitió
realizar los cálculos asociados a excesos de aire en la experimentación. Una vez se obtuvieron
los resultados se conoció la proporción de cada uno de los elementos que conforman el
combustible (C,H,N,S) excepto el oxígeno. Para calcularlo se utilizó la siguiente expresión:
Lo anterior indica que la sumatoria de los elementos más la humedad presente en el combustible
son el 100% de la composición. Luego de esto se calcularon las proporciones en base seca y libre
de ceniza con el fin de estandarizar la fórmula empírica ya que la humedad presente en el
combustible es una variable. Para ello se dividió cada porcentaje de elementos entre la sumatoria
de ellos menos la humedad. Después, con las nuevas composiciones, se normalizó la formula
empírica en base al coeficiente del carbono de tal forma que la fórmula empiríca en base seca
normalizada quedó de la forma . En las Tablas 3 y 4 se muestran los análisis
próximo, último y la fórmula empírica calculada de cada combustible.
Tabla 3. Análisis próximo/último Combustible Carbón
Propiedades combustible carbón
Propiedad Valor
Humedad (%) 0,64
Cenizas (%) 10,25
Materia Volátil (%) 34,06
Carbón fijo (%) 55,04
Poder Calorífico (BTU/lb) 12745,8
(cal/g) 7081
Carbono como C (%) 76,76
Hidrógeno como H (%) 5,05
Nitrógeno como N (%) 1,73
Azufre como S (%) 0,36
Fórmula empírica
calculada (Base seca) CH0,789N0,019O0,051S0,002
Tamaño de partícula 100% mesh 200 (0,075mm)
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 13
Tabla 4. Análisis próximo/último combustible Bagazo de Caña
Propiedades combustible bagazo de caña
Propiedad Valor
Humedad (%) 6,76
Cenizas (%) 3,65
Materia Volátil (%) 84,71
Carbono fijo (%) 4,88
Poder Calorífico (BTU/lb) 7473
(cal/g) 4151,7
Carbono como C (%) 41,35
Hidrógeno como H (%) 5,60
Nitrógeno como N (%) 0,31
Azufre como S (%) 0,14
Fórmula empírica
calculada (Base seca) CH1,625N0,006O0,765S0,001
Tamaño de partícula 97% Mesh 20 (0,85 mm)
Configuración de las Pruebas
Para evaluar la capacidad del bagazo de caña de azúcar colombiano cuando es quemado con
carbón bajo la técnica de Co-firing, y teniendo en cuenta la configuración del equipo construido,
la secuencia de las pruebas se realizó de la siguiente manera:
Inicialmente se precalienta la cámara de combustión a través del quemador de Gas Natural
durante un tiempo de 3,5 horas, hasta alcanzar una temperatura interna de los refractarios de
900ºC. Se conforman tres mezclas de combustible carbón-bagazo con porcentajes en masa de 95-
5, 90-10 y 85-15 respectivamente. El combustible premezclado se dosifica con el alimentador
volumétrico de carbón bituminoso Schenck Mechatron LS y se inyecta a través de transporte
neumático al equipo para posteriormente ser quemado dentro de la cámara de combustión. Se
utiliza un exceso de aire del 20% (Φ=0,833) ya que para este tipo de pruebas es el recomendado
(Annamalai, 2005b) [16]. Para cada una de las pruebas, las termocuplas a lo largo del equipo
permiten cuantificar el perfil de temperatura, y el analizador de gases mide las emisiones de
NOx. En las Figuras 2 y 3 se muestran esquemas generales de la experimentación.
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 14
Figura 3. Configuración de Inyección de combustible (carbón + biomasa)
Puerto no
utilizado en las
pruebas
Carbón + Biomasa + Aire
Aire
Secundario
(ambos extremos)
Puerto Reburn
no utilizado en
las pruebas Termocupla 1
(Ubicada a 20 cm de la inyección de
combustible)
Aire
Transporte
Carbón + Biomasa
Inyección Combustible
Carbón + Bagazo de
caña
Aire Secundario:
Medido con Termo
anemómetro
Puerto de análisis de
emisiones
Termocuplas: Perfil de
Temperaturas
Salida gases de escape
Figura 2. Esquema general del equipo y la prueba
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 15
Experimentación
A partir de los análisis de combustibles, se calcula la relación Aire/Combustible estequiométrica
para cada uno de los combustibles, obteniéndose:
A partir de estos valores, se considera un exceso de aire de 20% (Φ=0,833), obteniéndose
finalmente la relación Aire/Combustible a usar:
En la Tabla 5 se muestra en resumen la matriz de la experimentación realizada. Los flujos de aire
requeridos fueron calculados basados en las condiciones del sitio y en la proporción en masa de
cada una de las mezclas de combustible.
Tabla 5. Matriz de Experimentos
Experimento
Flujo
carbón
[kg/hr]
Flujo
bagazo de
caña [kg/hr]
Aire
Comb.
[kg/h]
Flujo Aire
[CFM]
Prueba 1:
Línea base (100% carbón)
3,1 0 42,81 28,79
Prueba 2:
95% carbón 5% bagazo
2,94 0,155 41,68 28,02
Prueba 3: 90% carbón 10% bagazo
2,79 0,31 40,54 27,26
Prueba 4: 85% carbón 15% bagazo
2,63 0,46 39,41 26,50
Condiciones de combustión
Exceso de aire usado: 20%.
Condiciones del sitio
Densidad Aire: 0,887kg/m3 , Temperatura Aire: 293K
Variables a monitorear
Flujo de aire de combustión. Flujo de combustibles. Emisiones de NOx.
Perfil de temperatura.
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 16
Resultados
Perfil de Temperaturas
En la Figura 4 se muestran los resultados obtenidos a partir de la experimentación mencionada
en la Tabla 5.
Figura 4. Perfil de temperaturas a lo largo de la cámara para las pruebas de Co-firing
Tabla 6. Posición de las termocuplas
Temperatura
Punto de medición
(medido desde el punto de
inyección de combustible)
[mm]
T1 200
T2 400
T3 600
T4 800
T5 1000
T6 1200
T7 1400
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7
Tem
peratu
ra lla
ma [
C]
Posición temperatura
Cofiring - Perfil de Temperaturas
100% Carbón
Cofiring 5%
Cofiring 10%
Cofiring 15%
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 17
En la figura 4 se puede observar que a medida que la termocupla se aleja del punto de ignición la
temperatura decrece lo cual era de esperarse. Por otra parte, la temperatura máxima censada por
la termocupla en la prueba 100% es alrededor de los 1150°C y la mínima de 800°C. Para las
pruebas con Co-firing se puede observar que en la prueba con 5% de bagazo en sustitución la
temperatura es muy cercana a la de 100% carbón lo cual muestra poca pérdida de calor generado.
La incertidumbre asociada a cada punto de medición es de ±(0,1%+0,6ºC) del valor medido, lo
cual es un valor muy pequeño, razón por la cual no es posible visualizar dicho error en la Figura
4.
Emisiones de NOx
La Figura 5 muestra los resultados de emisiones de NOx, obtenidos usando un analizador de
gases Testo Serie 330-2.
Figura 5. Emisiones de NOx para pruebas Co-firing
300
350
400
450
500
550
600
650
Carbon 100% Cofiring 5% Cofiring 10% Cofiring 15%
Em
isió
n N
Ox [
pp
m]
Cofiring - Emisiones NOx
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 18
La prueba de 100% carbón emite alrededor de 580 ppm. Cuando se sustituye 5% en masa de
carbón por bagazo las emisiones de NOx caen hasta un 30% lo cual muestra que el bagazo de
caña ayuda a disminuir las emisiones. Para las pruebas de 10 y 15% de Co-firing no se detectan
grandes cambios en la disminución de emisiones. La incertidumbre mostrada en el gráfico es
±5% del valor medido.
Discusión de resultados
Perfil de Temperaturas
En la Figura 4 se puede observar que una reducción en las temperaturas de llama, debido a la
introducción de biomasa en la mezcla de combustible. Para el caso de Co-firing con 5% de
biomasa, la reducción en el inicio de la llama (punto 1) es de 2,61% con respecto a la operación
con 100% Carbón, llegando a una reducción máxima de 14,35% correspondiente al punto No. 6.
(T6). Para los casos de Co-firing de 10 y 15% de biomasa, se observa una reducción de la
temperatura al inicio de la llama de 10,9 y 11% respectivamente, con respecto a la operación
100% carbón. De igual forma, a todo lo largo del tubo de combustión se observa que los perfiles
de temperatura correspondientes a los casos Co-firing de 10 y 15% están por debajo del caso Co-
firing 5%. Se identifica que la máxima reducción de temperatura con respecto al caso 100%
Carbón es de 18,5% en el punto 6 (T6) para la operación Co-firing 10%, y de 17,8% en el punto
2 (T2) para el caso Co-firing 15%.
En general, de lo anterior se puede decir que las temperaturas disminuyen para el Co-firing
alrededor del 10% lo cual es un porcentaje pequeño, indicando que el calor generado es menor
que la prueba 100% carbón, sin embargo, este valor es pequeño comparado con los beneficios
ambientales que se pueden lograr como se ve en los resultados de emisiones de NOx.
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 19
Por otra parte, la incertidumbre asociada a estas mediciones es tán solo de ±(0,1%+0,6ºC),
teniendo en cuenta la precisión de las termocuplas y el sistema lector.
Emisiones NOx
En la Figura 5 es posible observar una reducción en la generación de NOx en los diversos casos
de Co-firing, con respecto a la operación con 100% Carbón. Estos resultados concuerdan con los
esperados teniendo en cuenta resultados de estudios anteriores que también usan bagazo de caña
de azúcar como agente reductor de emisiones (Kuprianov, Janvijitsakul, Permchart, 2005) [17].
De manera específica, se observa una reducción de 22,2% en la emisión de NOx para el caso de
Co-firing con 5% de biomasa. Para los casos de Co-firing con 10 y 15% de Biomasa, se observa
una reducción aún mayor en la emisión de NOx , llegando hasta un valor de 29,3%. Es de
resaltar que al incrementar el porcentaje de biomasa de 10 a 15% no se percibe cambio en las
emisiones de NOx.
Para el caso de las emisiones de NOx, se puede observar que para el punto de Co-firing 5% se
encuentra el mejor punto de operación hallado en las pruebas. Esta disminución se da ya que el
Nitrógeno presente en el bagazo es menor que el presente en el carbón, reduciendo así la
cantidad de este elemento que podría reaccionar con los radicales de Oxígeno presentes en el aire
de combustión generando óxidos de Nitrógeno. De igual forma se observa que las temperaturas
de combustión en todos los casos se encuentran por debajo de los 1200ºC, punto en el cual se
inicia la generación de NOx térmico; razón por la cual no se puede concluir que por la reducción
en la temperatura hay una disminución del NOx térmico. Sin embargo se puede atribuir también
la disminución de NOx a la captura química de los mismos por la presencia de NH3 en la
biomasa introducida.
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 20
Recomendaciones
Para futuros trabajos relacionados con el Co-firing de bagazo de caña se tienen las siguientes
recomendaciones: Realizar experimentación con porcentajes de sustitución más radicales con el
fin de identificar una tendencia más marcada en los resultados en cuanto a perfiles de
temperatura y emisiones. En trabajos anteriores se ha concluido que con porcentajes de
sustitución de carbón con biomasa bajos, la tendencia es muy pareja y no se visualizan
disminuciones de NOx muy altas (Sami, Annamalai y Wooldridge, 2000).
Utilizar otros tipos de biomasa para Co-firing los cuales por su alto contenido de amoníaco/úrea
pueden neutralizar los NOx generados por el carbón. Variar la relación aire combustible con el
que se quema la mezcla con el fin de visualizar mejores puntos de operación en cuanto a
emisiones y/o temperaturas. Variar el tamaño de partícula de los combustibles, esto es un factor
muy importante en la combustión, ya que si la partícula es muy grande puede no quemar bien y
se podrían tener hidrocarburos no quemados en la recolección de lodos y emisiones.
Conclusiones
- Quemar carbón bituminoso con bagazo de caña de azúcar bajo la técnica de Co-firing,
permite disminuir las emisiones de NOx.
- Los perfiles de temperatura de Co-firing con biomasa son similares para el caso de 100%
carbón, lo cual indica que la generación de calor de la combustión de la mezcla puede ser
utilizada en aplicaciones industriales que requieran altas temperaturas.
- El punto de operación que reduce mayormente las emisiones, corresponde a la relación en
masa de 90% carbón, 10% bagazo de caña cuando se quema bajo el es quema de Co-
firing.
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 21
- Las emisiones de NOx no presentan disminución importante al incrementar el porcentaje
de bagazo de caña del 10 al 15% presente en la mezcla del combustible.
- El bagazo de caña colombiano tiene un poder calorífico de 7473 Btu/lb que comparado
con el del carbón de 12745 Btu/lb es significativo en cuanto a potencial energético. Esto
permite que se obtengan beneficios ambientales sin perder mucha potencia.
Referencias
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Anexos
Fotografías Equipo construido.
Cuerpo General cámara de combustión Co-firing y Reburn
Parte superior del equipo
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Ventilador de succión: extractor de gases
Alimentador volumétrico de carbón marca Schenck Process
Puertos alimentación Reburn
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Arreglo general equipo
Informe final de Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica 26
Detalle quemador
