Optimización de la
capacidad de cogeneración mediante la adición de residuos de cosecha al bag=
azo
en industria azucarera típica peruanas
Optimization of cogeneration capacity by
adding crop residues to bagasse in typical Peruvian sugar industry
1 I Facultad de Ingeniería
Mecánica, Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
Recibido (Recieved): 07/09/2018 Aceptado (Accepted):
12/12/2018
RESUME=
N
En este trabajo= se realizó la evaluación energética de la mezcla apropiada de residuos de cosecha/bagazo de caña de azúcar, para mejorar la capacidad cogeneradora ta= nto de electricidad como de vapor para el proceso de producción de azúcar en un= a industria azucarera típica peruana. El Perú posee tradición en la industria azucarera caracterizado por su alta productividad de plantación de caña; el problema actual es la deficiente forma de cosecha de caña (pre-quemado de caña en ca= mpo) y, la obsolescencia de tecnología utilizada en el proceso de cogeneración.<= o:p>
La metodología
inicia con la cosecha mecanizada en área piloto de plantación de caña, segu=
ido
de los procesos de preparación y secado de los residuos de cosecha. Muestra=
s de
residuos se llevan al laboratorio para su caracterización fisicoquímica y
energética a diferentes condiciones de humedad, obteniendo ratios de poder
calorífico y contenido elemental. Se seleccionó la mezcla adecuada de
residuos/bagazo que alimenta a la caldera para luego proceder a las pruebas
energéticas de la Planta de Cogeneración.
Como resultados=
se
tiene un combustible mezcla residuos/bagazo optimizado (comparativamente a
bagazo solo), en razón que: maximiza la eficiencia energética, minimiza cos=
tos
de cogeneración, mejora la disponibilidad de caldera y disminuye la polución
ambiental. La mezcla objetivo se logra a proporción volumétrica 1 a 4 con la
que se obtiene: incremento de la producción eléctrica de 13 a 18 MW, increm=
ento
de eficiencia energética en 22.5% y reducción del costo de cogeneración en =
19%.
Palabr=
as
Clave: Optimización, Residuos de Cosecha, Bagazo de Caña, Cogeneración,
Industria Azucarera.
ABSTRACT
In this work, an
energetic evaluation of appropriate mixture of cane harvest waste / sugarca=
ne
bagasse was carried out to improve the cogeneration capacity of both
electricity and steam for the sugar production process in a typical Peruvian
sugar industry. Peru has a tradition in the sugar industry characterized by=
its
high sugarcane plantation productivity; However, the problem that persists =
to
the present is the poor form of cane harvest (pre-burned cane in the field)=
and
obsolescence technology used in cogeneration process.
The methodology
begins with the mechanized harvesting in pilot area of cane plantation,
followed by preparation and drying processes of harvest residues. Samples of
waste are taken to laboratory for physicochemical and energetic
characterization at different moisture conditions, obtaining calorific value
and elemental content values. The appropriate waste / bagasse mixture that
feeds the boiler was selected to proceed with the energy tests of Cogenerat=
ion
Plant.
As result, for =
an
optimized fuel mixture, crop residues / bagasse in a volumetric ratio 1/4, =
the
increase in steam production is achieved comparatively to combustion of bag=
asse
alone. In electricity generated represents an increase from 13 to 18 MW, an
increase in cogeneration efficiency of 22.5% and a reduction in cogeneration
cost of 19%.
Keywor=
ds:
Optimization, Sugarcane harvest waste, Sugarcane bagasse, Cogeneration, Sug=
ar
Industry.
1. &n=
bsp;
INTRODUCCION
1.1. =
Planteamiento del Problema
El Perú se caracteriza por su tradición en la ag=
roindustria
azucarera, tanto por el alto rendimiento productivo de cosecha por área
cultivada como por la diversificación de especies de caña de azúcar, ello
debido a su especial calidad de suelos y condiciones climáticas ubicados en=
la
faja costera. La productividad del parque agroindustrial azucarero peruano =
se encuentra
en 130 - 160 toneladas de caña producida por hectárea cosechada, indicador =
que
lo posiciona con los más altos ratios a nivel internacional. Sin embargo; el
problema que esta industria afronta a lo largo del tiempo es: su ineficaz f=
orma
tradicional de cosecha con pre quemado en campo, el deficiente aprovechamie=
nto
de energía primaria (humedad del bagazo y desuso de residuos de cosecha) y,
altas pérdidas termo-energéticas en cada subproceso; como efecto se tienen:
bajos rendimientos en la cogeneración de electricidad y calor útil, altos
costos del producto final y polución ambiental.
En el 2016 en la industria azucarera peruana se
produjeron 11.6 millones de toneladas de caña cosechada, de donde se estimó=
en
1.6 millones de toneladas de residuos de cosecha de caña que se han dejado =
de
utilizar [1], ello representa un estimado de 1200 GWh de electricidad dejad=
os
de producir. El presente trabajo constituye un ejemplo de caso experimental=
que
demuestra la viabilidad y conveniencia energética de utilizar apropiadamente
los residuos de cosecha en mezcla adecuada con el bagazo.
1.2. =
Objetivos
·&nb=
sp;
Caracterizar,
preparar y evaluar energéticamente los residuos de cosecha de caña de azúcar
para su adición al combustible bagazo de caña, cuya mezcla adecuada sirva p=
ara
mejorar la capacidad cogeneradora de un ingenio azucarero típico representa=
tivo
de la agroindustria peruana.
·&nb=
sp;
Seleccionar y
preparar la adecuada mezcla residuos de cosecha /bagazo de caña de azúcar, =
para
aumentar el rendimiento y economía de generación eléctrica de autoconsumo y=
venta
a la red interconectada nacional peruana. Como beneficio colateral, increme=
ntar
la disponibilidad de planta cogeneradora y mitigar la polución ambiental por
efecto de eliminación de la quema de follaje de caña en campo.
2.
METODOLOGÍA
La metodología se basa en pruebas experimentales=
de
campo y de laboratorio, tomando como material de análisis a los residuos de
cosecha de caña de azúcar desde su adecuado acopio, composición y
caracterización muestral; el análisis fisicoquímico elemental y energético =
del
bagazo y de la mezcla residuos/bagazo. Con la mezcla adecuada residuos/baga=
zo
se procede a su combustión en la caldera, realizando pruebas de operación a=
la
planta de cogeneración en la búsqueda de las mejores condiciones de producc=
ión
de electricidad y calor útil.
2.1. =
Proceso de preparación de los residuos de cosech=
a
Muestreo en c=
ampo
para la determinación de la cantidad de residuos disponibles.
Con las toneladas de residuos disponibles en base
seca y el rendimiento del campo se determinó el porcentaje de toneladas de
residuos por tonelada de caña. Luego se procedió a validar los datos obteni=
dos
con estudios realizados en otros países [3].
Preparación de
los residuos de cosecha como combustible. El plan de aprovechamiento energético de los residuos de cosecha, =
para
alcanzar las condiciones adecuadas del combustible mezcla con el bagazo, pa=
san
por la siguiente secuencia: Recolección y carguío; Transporte y descarga; P=
icado
de hojas y cogollo en campo; Transporte y acopio en fábrica; Desmenuzado (d=
esfibrado,
particulado); Secado y homogenizado; Mezclado y homogenizado de residuos -
bagazo.
El plan de operaciones para la recuperación adec=
uada
de los residuos de cosecha, se realizaron siguiendo la secuencia de flujo
mostrada en la Figura 1, [4, 5].
Figura 1. Operaciones para la recuperación eficiente de
residuos de cosecha
2.2. =
Caracterización fisicoquímica y energética de los
residuos de cosecha y bagazo de caña
La caracterización fisicoquímica y energética de=
los
residuos de caña para su uso como combustible, así como los del bagazo y de=
la
mezcla residuos/bagazo, se realizaron tomando muestras aleatorias las cuales
fueron medidas tanto en el laboratorio de la Planta Azucarera como en labor=
atorio
de la Universidad Nacional de Ingeniería de Lima-Perú.
Humedad. La secuencia de preparación y medición =
se
realizó en base a la norma UNE-EN 14774-3 [6].
Contenido de Cenizas. Se toma referencia de la n=
orma
técnica
UNE-EN 14775. Asimismo, se ha utilizado un
espectrómetro de fluorescencia de Rayos X marca Shimadzu, modelo EDX 800-HS=
.
Composición Elemental. Se toma referencia a la n=
orma
UNE CEN/TS 15104 EX. Asimismo se utiliza el analizador Lecco CHNS-932,
siguiendo los siguientes estándares: Carbono e Hidrógeno (ASTM E-777);
Nitrógeno (ASTM E-778)
Poder Calorífico. Se determinó siguiendo la
secuencia de la norma experimental UNE 164001 EX. Se utilizó una bomba
calorimétrica modelo IKA C CONTROL 5000; asimismo haciendo comparaciones con
referencias [7, 8].
Granulometría. Se realizó el análisis de retenci=
ón
de 100 gramos de residuos muestra en el equipo de tamizado W.S. Tyler modelo
RX-29-8”, con mallas 14, 16, 20, 40, 60, 80 y 100; luego se pesó en balanza
analítica los residuos retenidos en cada malla.
Densidad. La densidad en base húmeda se obtiene =
del
pesaje con una balanza Metler Toledo IND690, de cada muestra volumétrica de
residuos, de bagazo y de la mezcla seleccionada.
2.3. =
Preparación y caracterización de la mezcla
residuos-bagazo
Para alcanzar la mezcla adecuada de los residuos=
de
cosecha y el bagazo, se tomaron en cuenta las siguientes premisas:
·&nb=
sp; Nivel de humedad de mezcla. Los residuos una vez
preparados deben alcanzar un poder calorífico superior cercano al del bagaz=
o, a
un nivel correspondiente de humedad contenida. Para el caso, se ha optado p=
or
la preparación de mezclas residuos-bagazo con porcentajes de humedad extraí=
da
tales que se justifiquen tanto del punto de vista técnico como económico.
·&nb=
sp; El contenido apropiado de cenizas en la mezcla. =
La
cantidad y composición elemental de las cenizas (potasio, sodio, magnesio,
silicio, calcio, azufre y sus óxidos correspondientes), condicionan la
capacidad y disponibilidad de la caldera, dado que propician la formación de
depósitos de sales y minerales, incrementan la erosión y la corrosión y,
reducen el coeficiente de transferencia de calor. Asimismo, con el aumento =
del
contenido de cenizas disminuye al poder calorífico de la mezcla [8].
·&nb=
sp; Con el objetivo de asegurar la confiabilidad,
performance y vida útil de la caldera, dadas los niveles medidos de conteni=
do
de cenizas que poseen los residuos de cosecha, se ha optado por una conform=
ación
de mezcla en volumen de 20% de residuos y 80% de bagazo a humedades cercana=
s,
tomando como referencia [9].
2.4. =
Rendimiento de la caldera con combustión de baga=
zo y
mezcla residuo-bagazo
Para las condiciones de trabajo de la caldera, c= on bagazo solo y luego con mezcla residuos de cosecha/bagazo, tanto la eficien= cia de caldera como el ratio de producción de vapor por flujo de combustible quemado, se realizaron mediante balances energéticos directos e indirectos.= El balance directo se utilizó para la determinación del ratio de producción de vapor por unidad de combustible combustionado, con la siguiente expresión:<= o:p>
=
η Eficiencia de la caldera
ma Flujo de vapor generado
h=
a Entalpía específica del vapor gene=
rado en
la caldera
h=
ec Entalpía del agua de alimentación a=
la
caldera
m=
c Flujo de combustible (de bagazo sol=
o y de
mezcla)
PCc =
Poder
calorífico del combustible (de bagazo solo y de mezcla)
La eficiencia porcentual de la caldera se determ=
inó
con el método indirecto, cuantificando cada una de las pérdidas, mediante la
expresión:
=
ΣQi Sumatoria
de pérdidas específicas de calor en la caldera por masa de combustible, cor=
respondientes
a:
·&nb=
sp;
Flujo de gases
secos
·&nb=
sp;
Humedad del
combustible
·&nb=
sp;
Evaporación d=
el
hidrógeno del combustible
·&nb=
sp;
Combustión
químicamente incompleta
·&nb=
sp;
Combustión
mecánicamente incompleta
·&nb=
sp;
Convección y
radiación a los alrededores
El proceso de cálculo de cada una de estas pérdi=
das,
se realizaron a partir de las mediciones de composición elemental, poderes
caloríficos y análisis de gases de combustión en la caldera, a diferentes
niveles de humedad, tanto del bagazo solo como de la mezcla seleccionada [1=
, 10].
2.5.
Producción eléctrica cogenerada con combustión de
bagazo y mezcla residuo-bagazo
Una vez preparado el combustible, bagazo solo y
luego la mezcla residuos-bagazo a niveles de humedad correspondientes, se s=
uministra
a la caldera para la operación del sistema de cogeneración [11, 12].
Se monitorea la operación con mediciones de fluj=
os
másicos de admisión y salientes de la turbina de extracción-condensación a
diferentes condiciones de generación eléctrica en bornes del generador del
sistema cogenerador, ilustrado en la Figura 2.
Para determinar la relación entre la potencia
eléctrica cogenerada y los flujos másicos de vapor, con las mediciones
realizadas se conformó una correspondencia experimental entre la potencia e=
léctrica
medida en bornes del generador y los siguientes flujos de vapor medidos:
·&nb=
sp;
Flujo másico =
de
vapor de admisión a la turbina, proveniente de la caldera: ma en=
t/h
·&nb=
sp;
Flujo másico =
de
vapor extraído a 9 bar para proceso: m9 en t/h
·&nb=
sp;
Flujo másico =
de
vapor de extracción para proceso de fabricación de azúcar: me en=
t/h
a 9 e s
Figura 2. Turbina de
extracción-condensación del sistema de cogeneración
Esta relación de correspondencia experimental en=
tre
potencia eléctrica cogenerada y los flujos de vapor indicados, obedece a una
regresión expresada de la forma siguiente:
Pele =
Potencia
eléctrica cogenerada
k1, k2, k3 Coeficientes de correlación
ma =
Flujo
másico de vapor de admisión a la turbina, proveniente de la caldera
m9 =
Flujo
másico de vapor extraído a 9 bar para proceso
me =
Flujo
másico de vapor de extracción para proceso de fabricación de azúcar
Por otro lado, realizando el balance energético =
del
sistema de cogeneración mostrado en la Figura 2, se obtiene la siguiente
expresión:
Pele =
Potencia
eléctrica cogenerada
hele Rendimiento del generador eléctrico
hm Rendimiento mecánico del turbogenerador
Dhas Di=
ferencia
de entalpías del vapor entre la admisión a la turbina (a) y entrada al
condensador (s)
Dh9s Dif=
erencia
de entalpías del vapor entre el punto de extracción de vapor a 9 bar de la
turbina (9) y entrada al condensador (s)
Dhas Di=
ferencia
de entalpías del vapor entre el punto de extracción (e) y entrada al
condensador (s)
Haciendo la comparación entre ambas ecuaciones, =
se
tiene que k1 representa la potencia eléctrica producida en borne=
s del
generador eléctrico por unidad de flujo másico de vapor de entrada a la tur=
bina
de extracción condensación, proveniente de la caldera (ma).
A partir de estas expresiones se determinan las
mejoras en la producción de electricidad por unidad de vapor producido en la
caldera, ello mediante comparaciones cuando se combustiona mezcla
residuos-bagazo respecto a la combustión de bagazo solo y a diferentes
condiciones de humedad contenida.
3.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
3.1. =
Potencial disponible de residuos de cosecha
Del muestreo realizado por áreas de 10mx10m, se
obtiene como potencial disponible promedio de residuos de cosecha de 463.44=
kilogramos
por área muestra, lo cual representa 46.344 toneladas por hectárea. La dist=
ribución
por componentes de los residuos de cosecha verde disponibles, se obtienen de
las 37 muestras evaluadas cuyos resultados se presentan en la Tabla 1. El
potencial disponible de residuos secos, estimados para el estudio de caso se
presentan en la Tabla 2
Tabla 1 Distribución
muestral de los componentes de residuos de cosecha
|
Componentes de residuos de cosecha |
Cantidad (t/ha) |
Porcentaje (%) |
|
(1) Hojas secas |
18.0 |
38.8% |
|
(2) Hojas verdes |
19.0 |
40.9% |
|
(3) Cogollo |
0.4 |
1.0% |
|
(4) Caña |
6.6 |
14.3% |
|
(5) Tierra |
2.3 |
5.0% |
|
Total |
46.3 |
100.0% |
|
Residuos (1+2+3) |
37.4 |
|
Tabla 2 Disponibilid=
ad y
productividad de residuos secos de cosecha
|
Composición de Residuos de cosecha |
Peso (t/ha) |
Humedad (%) |
Contenido de Agua |
Peso en Base Seca (t/ha) |
|
Hojas secas |
18.0 |
10.86% |
1.96 |
16.05 |
|
Hojas verdes + Cogoll=
o |
19.4 |
65.80% |
12.77 |
6.64 |
|
Total Residuos |
37.4 |
39.36% |
14.73 |
|
|
Residuos secos
disponibles por hectárea (t/ha) |
22.69 |
|||
|
Peso de caña ingresada
(t) |
9470.98 |
|||
|
Área cosechada (ha) |
67.51 |
|||
|
Rendimiento (t/ha) |
140.3 |
|||
|
Tonelada de residuos
secos/Tonelada de Caña |
0.162 |
A este ratio porcentual alcanzado de toneladas de
residuos en base seca por tonelada de caña (16.2%), se le comparó con estud=
ios
de la Corporación Técnica Canevieira [4] donde determinó 14%; consecuenteme=
nte se
demuestra la alta disponibilidad de los residuos para el aprovechamiento
energético obtenido en el presente trabajo.
3.2. =
Caracterización de los residuos de cosecha y del
bagazo
Combustible
bagazo. Con la finalidad de evaluar la alternativa téc=
nica
y económica del secado previo del bagazo para la mejora de su combustión sin
necesidad de su mezcla con residuos de cosecha, se realizaron mediciones de=
l Poder
Calorífico Superior (PCS) variando el nivel de humedad contenida en cada
muestra, de donde se obtienen los resultados recogidos en la Figura 3. La
composición fisicoquímica del bagazo para un nivel de humedad que comúnment=
e se
alimenta a la caldera, se recoge en la Tabla 3. Del punto de vista económic=
o de
aplicación, la alternativa de secar el bagazo con el uso de procesos
bioquímicos se demuestra no ser factible; es decir, utilizando la reacción
exotérmica del bagazo con sisbiopher la reducción de humedad a un 45% se da=
con
costos cuyas inversiones arrojan un valor actual neto negativo. Con procesos
físicos como secado con gases de escape o vapor generado de caldera, la pro=
pia
característica de caldera moderna que posee precalentadores de agua y de ai=
re,
restringe la posibilidad eficiente de adaptación de secadores de bagazo;
asimismo, de acuerdo con referencias de otras experiencias se han dado más
desventajas que ventajas técnico-económicas [12].
Figura 3. Variación d=
el
PCS del bagazo con su humedad contenida
Tabla 3 Composición
elemental y energética del bagazo a humedad normal
|
Caracterización
elemental de muestras Bagazo |
% |
|
Humedad de muestra Bagazo (%) |
49.2 |
|
Carbono (%) |
48.5 |
|
Hidrógeno (%) |
4.6 |
|
Oxigeno (%) |
41.6 |
|
Nitrógeno (%) |
0.2 |
|
Azufre (%) |
1.2 |
|
Cenizas (%) |
3.9 |
Combustible
residuos de cosecha. Los resulta=
dos experimentales
de la caracterización elemental y energética de los residuos de cosecha se =
dan
a continuación:
La humedad de la hoja seca en promedio alcanza 1=
0.86%
y de la mezcla hojas verdes/cogollo en 65.8%. En una primera fase de Secado=
Natural
al ambiente libre practicado a los residuos picados de hojas verdes/ cogoll=
o, aplicando
una secuencia periódica de remoción o volteo, se logra reducir su humedad de
65.8% inicial a 46.9% en tan solo seis días. Dada las características
climatológicas del lugar de influencia, se tiene como alternativa
complementaria el secado solar utilizando sistemas de invernadero.
El Poder Calorífico Superior en base húmeda de l=
as muestras
de hojas secas fue de 15413 kJ/kg con humedad de 10.85%. En el caso de las
muestras hojas verdes/cogollo se obtuvo 9158 kJ/kg para una humedad de 41.4=
%.
La caracterización fisicoquímica y energética de=
las
muestras de residuos de cosecha, correspondiente a las hojas de caña seca
picada se recoge en la Tabla 4, mientras que de las hojas verdes y cogollo
picado o triturado se presenta en la Tabla 5.
Tabla 4 Composición
fisicoquímica y energética de residuos: hoja seca picada
|
Humedad, % |
10.80 |
|
Cenizas, % |
8.95 |
|
* Dióxido de Silicio, SiO2<= o:p> |
3.82 |
|
* Oxido de dipotasio, K2O |
2.37 |
|
* Oxido de Calcio, CaO |
1.62 |
|
* Trióxido de dihierro, Fe2O3 |
0.75 |
|
* Pentóxido de fósforo, P2O5 |
0.25 |
|
* Dióxido de Titanio, TiO2 |
0.05 |
|
* Trióxido de Asufre, SO3 |
0.04 |
|
* Oxido de Manganeso, MnO |
0.02 |
|
Carbono, % |
44.63 |
|
Hidrógeno, % |
5.39 |
|
Oxigeno, % |
40.31 |
|
Nitrógeno, % |
0.49 |
|
Azufre, % |
0.23 |
|
Poder Calorífico Supe=
rior
(base húmeda), kJ/kg |
15413 |
Tabla 5 Composición
fisicoquímica y energética de residuos: hojas verdes y cogollo picadas
|
Humedad, % |
41.40 |
|
Cenizas, % |
6.91 |
|
Carbono, % |
46.19 |
|
Hidrógeno, % |
5.56 |
|
Oxigeno, % |
40.82 |
|
Nitrógeno, % |
0.38 |
|
Azufre, % |
0.14 |
|
Poder Calorífico Supe=
rior
(base húmeda), kJ/kg |
9158 |
La densidad de los residuos de cosecha, medidos a
las muestras con una humedad del 46.9 % alcanzan un valor promedio de 81.7 =
kg/m3
3.3. =
Caracterización elemental y energética de la mez=
cla
residuos de cosecha-bagazo
Poder Calorífico Superior. Evaluado las muestras
mezcla residuos (hojas verdes y cogollo)/bagazo en proporción volumétrica seleccionada 20% / 80% se ob=
tuvo
un PCS en base húmeda de 9157 kJ/kg para una humedad resultante de 48.1%. En
cuanto a la composición elemental y energética de la mezcla, en la Tabla 6 =
se
presenta la caracterización energética elemental y energética de la mezcla
residuos-bagazo en la proporción volumétrica 1 a 4.
Tabla 6 Composición
fisicoquímica y energética de la mezcla residuos-bagazo
|
Humedad, % |
48.10 |
|
Cenizas, % |
4.42 |
|
Carbono, % |
48.09 |
|
Hidrógeno, % |
4.76 |
|
Oxigeno, % |
41.45 |
|
Nitrógeno, % |
0.25 |
|
Azufre, % |
1.02 |
|
Poder Calorífico Supe=
rior
(base húmeda), kJ/kg |
9157 |
Granulometría. Para lograr la mezcla adecuada, l=
os
resultados del análisis granulométrico de hoja verde/cogollo picados y
desmenuzados, comparados con el del bagazo se presentan en la Tabla 7. Se
determina que los residuos de cosecha alcanzan un particulado menos uniforme
que el del bagazo. Para un particulado de mezcla de 1.3 mm los residuos de
cosecha representan 66.69% y el bagazo el 38.45% de cada 100 gramos
correspondientes, observándose también que las fibras de bagazo son más lar=
gas
pero más finas que las fibras de los residuos.
Tabla 7 Comparación
granulométrica del bagazo y residuos (hoja verde y cogollo)
|
Mesh |
Abertura (mm) |
Bagazo (gr) |
Hoja Verde+Cogollo picados (gr) |
|
14 |
1.30 |
38.45 |
66.69 |
|
16 |
1.13 |
15.14 |
15.38 |
|
20 |
0.86 |
24.78 |
11.33 |
|
40 |
0.38 |
18.40 |
4.19 |
|
60 |
0.23 |
1.85 |
0.03 |
|
80 |
0.19 |
0.53 |
0.00 |
|
100 |
0.14 |
0.06 |
0.00 |
|
Pasa |
Pasa |
0.79 |
2.38 |
|
Total (gr) |
|
100.0 |
100.0 |
3.4. =
Relación potencia eléctrica cogenerada y flujos =
de
vapor
De las pruebas de operación de la planta cogener=
adora
a diferentes condiciones de carga alimentada con el combustible mezcla
seleccionado, se obtiene la siguiente expresión resultante, cuyos coeficien=
tes
regresivos estimados con mínimos cuadrados ordinarios se dan en la Tabla 8.=
De
estos resultados se desprende que, manteniendo los flujos de vapor de 9 bar=
y
de extracción constantes, la potencia eléctrica generada se incrementaría 0=
.2
MW por t/h de vapor de entrada a la turbina.
Tabla 8 Coeficientes
regresivos estimados con programa E-Views
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Variable |
Coefficient |
Std. Error |
t-Statistic |
Prob. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ma |
0.202257 |
0.006159 |
32.84172 |
0.0000 |
|
m9 |
-0.094848 |
0.027607 |
-3.435687 |
0.0010 |
|
me |
-0.071282 |
0.007137 |
-9.987575 |
0.0000 |
|
AR(1) |
0.202010 |
0.113161 |
1.785155 |
0.0783 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R-squared |
0.997243 |
Mean
dependent var |
12.28861 |
|
|
Adjusted R-squared |
0.996732 |
S.D.
dependent var |
1.562010 |
|
|
S.E. of regression |
0.179920 |
Akaike
info criterion |
-0.543301 |
|
|
Sum squared resid |
2.427845 |
Schwarz
criterion |
-0.423329 |
|
|
Durbin-Watson stat |
2.121328 |
|
|
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3.5. =
Eficiencia de caldera y ratio de producción vapo=
r/combustible
operando con bagazo
La eficiencia de caldera y el ratio de producció=
n de
vapor por flujo de bagazo solo, fueron obtenidos para pruebas a diferentes
niveles de humedad de bagazo, cuyos resultados se ilustran en la Figura 4. =
Para
una humedad de 49.19% en el bagazo se obtuvo una eficiencia térmica de 67.8=
8%
en base al poder calorífico superior y un ratio de producción de 2.02 tonel=
adas
de vapor por tonelada de combustible.
Figura 4. Eficiencia =
de
caldera (%) y Ratio vapor (t)/bagazo (t) vs humedad del bagazo
En base a los ratios de producción de vapor por
tonelada de combustible bagazo a diferentes niveles de humedad y las cantid=
ades
en toneladas de bagazo de caña producido por día, se obtiene el rango de va=
por
en toneladas por hora producidas por el caldero en relación con la humedad =
del
bagazo, tal como se aprecia en la Figura 5.
Figura 5. Vapor gener=
ado
por hora según la humedad del combustible bagazo solo (t/h)
3.6. =
Eficiencia de caldera y ratio de producción vapo=
r/combustible
operando con mezcla residuos/bagazo
De acuerdo al procedimiento seguido, tomando una
mezcla con proporción 20% de residuos preparados y 80% de bagazo, con humed=
ades
respectivas de 41.4% y 49.2%, se determinó la proporción de masa seca de
residuos de cosecha / bagazo.
La humedad inicial de la mezcla (wmo) y la relac=
ión
de masa seca de residuos/bagazo (Rrbs), se estiman con las siguientes
expresiones:
Humedad de los residuos (de ensayos), wro
Humedad del bagazo, wb
Densidad de los residuos, dr
Densidad del bagazo, db
Volumen de residuos, vr
Volumen de bagazo, vb
Con esta proporción considerando constante, a efectos de tener la misma
composición elemental en base seca de la mezcla, se calculó la proporción d=
e la
cantidad másica de residuos / bagazo en base húmeda, cuyos resultados se
recogen en la Figura 6. Para las pruebas realizadas con humedad de residuos=
de
41.4%, la proporción en masa de residuos / bagazo es de 0.164.
Figura 6. Proporción =
másica
residuos de cosecha/ bagazo vs humedad de residuos
Se obtuvieron los valores de eficiencia térmica de caldera y ratio de p=
roducción
de vapor por combustible mezcla a diferentes niveles de humedad, manteniend=
o la
proporción de masa de residuos a bagazo en base seca, cuyos resultados se
ilustran en la Figura 7. Por cada
reducción de humedad de la mezcla de 2% se incrementa el rendimiento
vapor/mezcla en 0.12 toneladas de vapor/toneladas de mezcla; mientras que la
eficiencia de caldera crece del 67.5% cuando la humedad de mezcla es 50% a
71.7% cuando la humedad de mezcla es 42 %.
Figura 7. Eficiencia =
de
caldera (%) y Ratio vapor (t)/mezcla (t) vs. humedad de la mezcla
Con los ratios de producción de vapor por tonela=
da
de combustible mezcla a diferentes niveles de humedad y las cantidades de
mezcla producido por día, se obtiene el rango de mejora de producción de va=
por
en toneladas por hora del caldero, cuyos resultados se muestran en la Figur=
a 8.
Figura 8. Vapor gener=
ado
por hora según la humedad final del combustible mezcla (t/h)
3.7. =
Mejora de la energía eléctrica cogenerada con
combustión de mezcla residuo-bagazo
Aumento de energía generada. De los resultados
mostrados en las figuras 5 y 8 se obtiene un aume=
nto de
la generación de vapor en 22.6 toneladas de vapor por hora, al pasar de com=
bustionar
bagazo solo con 49.2% de humedad a combustionar mezcla de residuos/bagazo c=
on
46% de humedad mezcla. Reemplazando en la regresión de correspondencia
potencia/vapor, se tiene un incremento de potencia de 0.20 MW/t/h x22.6 t/h,
esto es un incremento de 4.52 MW.
Considerando =
que
las horas históricas anuales de producción normal de la planta azucarera es=
tán
en 7500 h/a, entonces el incremento en la generación de electricidad cogene=
rada
alcanza 33900 MWh al año. Es decir; quemando el combustible mezcla propuest=
o,
con mínimos costos de inversión en el tratamiento de los residuos de cosech=
a y
con secado natural, se logra aumentar la cogeneración de electricidad en no
menos del 22.5% de la generada quemando sólo bagazo.
Del punto de vista de indicadores económicos, pa=
ra
las condiciones mínimas de aprovechamiento energético, visto en el incremen=
to
de energía eléctrica quemando mezcla frente al bagazo solo, se obtiene una =
tasa
interna de retorno de 26%, un tiempo de recuperación de capital 3.5 años con
utilidad neta de 1.7 millones de dólares al año.
·&nb=
sp;
Se obtuvo
experimentalmente un ratio de disponibilidad de 0.16 toneladas de residuos =
de
cosecha por tonelada de caña cosechada, las cuales luego de ser tratadas co=
nforman
una disponibilidad en planta de 53420 a 71300 toneladas anuales de residuos=
con
humedad respectiva de 19% a 48%.
·&nb=
sp;
Del análisis
energético realizado a partir de pruebas de adición de residuos de cosecha =
al
bagazo en proporción volumétrica 1 a 4, se demuestra la mejora del rendimie=
nto
de la caldera y consecuente incremento de energía eléctrica cogenerada con
respecto a la combustión de solo bagazo. Es decir; se obtuvo un incremento =
de 22.6
toneladas de vapor por hora generados en la caldera al pasar de quemar baga=
zo
con humedad 49.2%, a combustionar mezcla residuos/bagazo con 46% de humedad.
Ello representa un incremento de generación eléctrica de 33900 MWh al año, =
incremento
de la potencia eléctrica de 13 a 18 MW, incremento de eficiencia energética en 22.5% y reducción del costo de
cogeneración en 19%.
[1] Go=
nzales
Salome, Castillo Abraham, Solís Joel, Análisis
energético de la adición de residuos de cosecha al bagazo de caña de azúcar
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Agosto – Diciembre 2018