Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF...

27
Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas para una bodega. Laura de Pablo Lorenzo C/ Paseo de Zorrilla nº 196 – 4 J, 47006 Valladolid [email protected] Gregorio Antolín Giraldo Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Paseo del Cauce s/n 47011 Valladolid, 983423362, [email protected] Resumen La búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas para satisfacer las necesidades energéticas crecientes, y al mismo tiempo disminuir las emisiones contaminantes, ha contribuido a considerar la biomasa como un recurso de gran importancia, a corto y medio plazo, dentro del ámbito de las energías renovables. Poco a poco se ha ido perdiendo la sostenibilidad que caracterizaba tradicionalmente a la industria vitivinícola, por lo que con este proyecto se intentará recuperarla, creando una planta de aprovechamiento energético de biomasa, para aprovechar los subproductos generados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, raspones, barricas y además, de este modo, se contribuye también a disminuir las emisiones de CO 2 , principal causante del efecto invernadero y cuyas emisiones, en la actualidad, distan mucho de cumplir los objetivos marcados en el Protocolo de Kyoto. Palabras Clave: Biomasa, efecto invernadero, caracterización energética, potencial energético, planta de combustión. Abstract The search for new alternative sources of energy in order to satisfy the increasing energetic needs and to diminish contaminant emissions has contributed to consider biomass as a short- and medium-term important resource as regards renewable energies. Gradually, the sustainability that characterized wine industry has been lost. Thus, this project aims to recover it by the construction of a biomass energy recovery plant, where by- products resultant from wine production – such as vine shoots, stems and barrels - will be exploited. Moreover, CO 2 emissions will be diminished, as they are the main responsible

Transcript of Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF...

Page 1: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas para una bodega.

Laura de Pablo Lorenzo

C/ Paseo de Zorrilla nº 196 – 4 J, 47006 Valladolid [email protected]

Gregorio Antolín Giraldo

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Paseo del Cauce s/n 47011 Valladolid, 983423362, [email protected]

Resumen

La búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas para satisfacer las necesidades

energéticas crecientes, y al mismo tiempo disminuir las emisiones contaminantes, ha

contribuido a considerar la biomasa como un recurso de gran importancia, a corto y medio

plazo, dentro del ámbito de las energías renovables.

Poco a poco se ha ido perdiendo la sostenibilidad que caracterizaba tradicionalmente a la

industria vitivinícola, por lo que con este proyecto se intentará recuperarla, creando una

planta de aprovechamiento energético de biomasa, para aprovechar los subproductos

generados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos,

raspones, barricas y además, de este modo, se contribuye también a disminuir las emisiones

de CO2, principal causante del efecto invernadero y cuyas emisiones, en la actualidad,

distan mucho de cumplir los objetivos marcados en el Protocolo de Kyoto.

Palabras Clave:

Biomasa, efecto invernadero, caracterización energética, potencial energético, planta de

combustión.

Abstract

The search for new alternative sources of energy in order to satisfy the increasing energetic

needs and to diminish contaminant emissions has contributed to consider biomass as a

short- and medium-term important resource as regards renewable energies.

Gradually, the sustainability that characterized wine industry has been lost. Thus, this

project aims to recover it by the construction of a biomass energy recovery plant, where by-

products resultant from wine production – such as vine shoots, stems and barrels - will be

exploited. Moreover, CO2 emissions will be diminished, as they are the main responsible

Page 2: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

for the greenhouse effect and, currently, they do not fulfil the objectives of the Kyoto

Protocol.

Keywords:

Biomass, greenhouse effect, energetic characterization, energetic potential, plant of

combustion

1. Introducción

La producción de energía, obtenida a partir de materiales de origen fósil en su mayor

parte, está asociada a la liberación de una gran cantidad de emisiones cuya acción tiene

múltiples e importantes efectos negativos sobre los ecosistemas y para las que en

determinadas ocasiones, como ocurre en el caso del CO2 o de los residuos de las

centrales nucleares, no existen soluciones satisfactorias para su adecuado tratamiento y

eliminación.

Esta situación hace que se plantee cada vez de una forma más acuciante la necesidad de

evitar los productos residuales derivados de la producción energética y para ello las

posibles soluciones apuntan hacia tres vías principales como son el ahorro energético, la

mejora de la eficiencia en los procesos de producción y consumo energético y el

incremento del empleo de las energías renovables.

Es por esto que una mayor implantación de las energías renovables se presenta como un

elemento imprescindible y de gran significación para aumentar la independencia de los

combustibles tradicionales evitando, a su vez, los efectos insostenibles a medio plazo

que los mismos pueden producir sobre el medioambiente.

Mediante el presente trabajo se pretende demostrar la necesidad de la utilización de las

energías renovables, y así mismo la viabilidad de la biomasa como fuente de energía útil

mediante una correcta gestión de los residuos. Todo ello para:

• Promover inversiones para una producción de energía más limpia y eficiente.

• Minimizar la producción de residuos.

• Suscitar el uso de materiales inocuos para el medio natural.

Page 3: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

La biomasa debe aumentar su tanto por cien de utilización para cumplir los objetivos el

Plan Nacional de Fomento de las Energías Renovables (12%), y así colaborar en la

disminución de la dependencia energética del petróleo de la Unión Europea (≈ 50%) y

en concreto de España (≈ 78%), así como en la disminución en la emisión de

contaminantes.

Esta dependencia acarrea una serie de riesgos económicos, sociales, ecológicos y físicos

para la Unión Europea que podrían minimizarse si se emplearan en mayor medida las

energías renovables para la producción de energía calorífica o eléctrica.

2. Parte experimental

2.1. Cálculo del potencial de biomasa y energía

2.1.1. Cálculo del potencial de biomasa

La caracterización de la biomasa que va a ser empleada como combustible es

fundamental para elegir el sistema más adecuado de aprovechamiento energético de la

misma, puesto que algunos parámetros físico – químicos son limitantes a la hora de

seleccionar la tecnología a emplear.

Los distintos combustibles que se van a utilizar se obtienen de los residuos que se

generan en el proceso de producción del vino, considerando también el cultivo de la vid,

se obtendrán una serie de sustancias susceptibles de aprovechamiento, pasando de tener

consideración de residuos a la de subproductos.

Las normas de referencia para el muestreo y preparación de la muestra, son: ISO 1.998:

“Hard Coal. Sampling” y DIN 5.860: “Testing of solid fuels. Sampling and sample

preparation”.

El objetivo marcado es el de analizar y calcular con la mayor fiabilidad posible el

potencial biomásico existente en el lugar de estudio, para una vez conocida la demanda

energética determinar si el proyecto es viable energéticamente.

Para el estudio del potencial se debe conocer toda la cantidad de residuos de los que se

dispone y de los análisis de dichos residuos, para caracterizar la biomasa, determinando

así su humedad, cenizas, volátiles, etc. y poder determinar el PCI de la mezcla que se va

Page 4: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

a utilizar posteriormente en la caldera y así obtener el potencial energético del que se

dispone.

En el proceso de producción del vino, considerando también el cultivo de la vid, se

producen una serie de sustancias susceptibles de aprovechamiento, pasando de tener la

consideración de residuos a la de subproductos. Este estudio se centrará en los

sarmientos, raspones, barricas y palets, que serán considerados como fuente de

suministro principal.

Se debe tener en cuenta, que si se consigue aprovechar la energía procedente de estos

subproductos se estará produciendo por un lado un ahorro por el combustible

convencional que deja de comprarse y, por otro, se está utilizando un residuo que de

otra forma habría que eliminar.

2.1.2. Cálculo del potencial de biomasa

El potencial energético de la instalación se determinará a partir del poder calorífico

inferior del combustible y de la producción estimada.

El potencial energético se obtendrá del producto del poder calorífico inferior por la

producción obtenida en cada caso y debemos considerar un PCI del 80% del obtenido a

presión constante, esto es debido a que hay que tener en cuenta las diferencias entre las

condiciones en las que se realizan los análisis en el laboratorio y las reales que se van a

tener en la cámara de combustión de la caldera.

2.2.Cálculo de la demanda energética

El siguiente paso es calcular el consumo energético de las instalaciones a las cuales se

pretende dar servicio.

Las zonas con necesidades de calefacción de la bodega son las siguientes:

• - Zona administrativa (zona técnica, vestíbulo principal y salón de actos).

• - Nave de embotellado.

• - Nave de destilación.

Page 5: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

• - Vestuarios.

• - Aseos.

Los cálculos de calefacción han sido realizados con el programa “dp clima” teniendo en

cuenta los datos que aporta la norma UNE.

El agua caliente se utiliza, según fuentes de la propia bodega, principalmente utilizado

para el lavado de barricas y maquinaria como embotelladora, bombas de trasiego,

conducciones, etc.

Estas necesidades se pueden estimar de la manera siguiente:

2.2.1 Agua de lavado.

El agua de lavado se utiliza a una temperatura de 80º C, por ello la temperatura de

preparación del agua será de 90º C. De este modo, no se llegará a temperaturas entre 20

y 50º C, prohibidas según Real Decreto 909/2001, de 27 de julio, por el que se

establecen los criterios higiénicos-sanitarios para la prevención y control de la

legionelosis.

El agua de lavado se utiliza para:

• - Limpieza de la embotelladora tanto antes como después de su uso.

• - Limpieza de barricas en el tren de lavado.

2.2.2 Agua caliente sanitaria.

Este cálculo no puede valorarse mediante fórmula matemática alguna. Por este motivo,

el cálculo deberá establecerse sobre la base de datos estadísticas que cubren las

necesidades en el momento más desfavorable de la demanda.

El consumo estimado para persona y día es 57l/día a 45º C.

Pero si tenemos en cuenta que se va a emplear únicamente en los aseos y salvo raras

excepciones para ducha con un consumo aproximado de 6l/día persona a 40º C para el

aseo y en ducha 35l a 45º C, este consumo no modificará apreciablemente los resultados

obtenidos para el agua de lavado y se puede considerar despreciable.

Page 6: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

2.3 Cálculos iniciales

En este apartado se desarrollan y explican todas las operaciones necesarias para

dimensionar la planta térmica.

Es necesario la realización de unos cálculos iniciales que van a permitir resolver los

balances de energía de todas las corrientes del circuito. Estos parámetros dependen de la

biomasa, por lo que habrá que tener en cuenta los resultados obtenidos en la

caracterización de la misma.

Se deben determinar también experimentalmente las composiciones de los restos del

ciclón, con el fin de conocer su comportamiento al introducirlos en el interior del hogar

de la caldera.

La característica más importante a destacar en los restos del ciclón es que tienen una

humedad mucho menor que la biomasa de alimentación a la caldera y todavía poseen un

alto contenido en carbono, por lo que es interesante su recirculación a la caldera porque

de esta manera se aumentará el rendimiento térmico de la instalación. Además, se

produciría de este modo, un descenso de la cantidad de NOx emitidos, puesto que los

restos del ciclón tienen un comportamiento similar al carbón vegetal y el carbono de los

restos del ciclón reacciona con los NOx formados en la combustión, de modo que se

transformarían en CO2.

A la hora de hacer los cálculos se considera que un 2,5 % en masa de la biomasa

introducida se podrá recircular como restos del ciclón.

2.3.1 Determinación del aire necesario para la combustión.

En primer lugar, es necesario calcular el oxígeno estequiométrico para efectuar la

combustión de la biomasa y los restos del ciclón introducidos en la caldera. Para ello, es

necesario considerar las reacciones de oxidación que tienen lugar en el proceso de

combustión.

Se ha supuesto que el 90% del carbono se oxida de forma completa para dar CO2 y sólo

el 10% restante se oxida parcialmente para dar CO. Por otro lado, se ha considerado que

el 50% del nitrógeno se oxida para dar NO2 y el restante 50% para dar NO.

Page 7: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Además, no todo el C, H, N y S contenidos en la biomasa reaccionarán en la

combustión. Se ha estimado que reacciona el 95% de cada uno de ellos, quedando el

resto en las cenizas.

Por último, el oxígeno contenido en la biomasa contribuirá en parte en el proceso de

combustión, por lo que hay que considerarlo a la hora de calcular el oxígeno total. Se ha

supuesto que el 30% del oxígeno de la biomasa interviene en el proceso.

La cantidad de oxígeno estequiométrico que es necesario introducir en la caldera se

calcula teniendo en cuenta las reacciones expuestas a continuación.

95,0100

S323250,0

100N

141650,0

100N

1432

100H

21610,0

100C

121690,0

100C

1232O tricoestequiomé,2

⋅⎥⎦⎤⋅+⋅⋅+⋅⋅+

⎢⎣⎡ +⋅+⋅⋅+⋅⋅=

(1)

Los distintos elementos están expresados en porcentajes en base seca y el oxígeno

estequiométrico en kg oxígeno/kg biomasa o restos ciclón, según sean los

correspondientes a uno o a otro. Se calcula la cantidad de oxígeno necesario para

realizar la combustión de la biomasa y de los restos del ciclón, sumando ambos

resultados para obtener el oxígeno estequiométrico total.

Teniendo en cuenta que el oxígeno de la biomasa y de los restos del ciclón reacciona en

la oxidación, el oxígeno mínimo necesario para la combustión es:

10030.0,2,2

OOO tricoestequiomémínimo ×−= (2)

El aire mínimo necesario en la combustión es:

233,0,2 mínimo

mínimo

OAire =

(3)

Para conseguir que la combustión sea apropiada, en todos los casos se añade oxígeno en

exceso. En el caso de combustibles gaseosos, el exceso de aire empleado es del 20%,

para líquidos del 30% y para sólidos aproximadamente del 60%. Por tanto, se va a

trabajar con un exceso de aire del 60% para garantizar la correcta combustión de la

biomasa.

mínimoreal AireAire ×= 6,1 (4)

Page 8: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

2.3.2 Determinación de los humos de combustión.

Para la determinación de la composición de los humos es necesario tener en cuenta las

reacciones que se producen durante la combustión (expuestas en el apartado anterior).

Estarán formados por el O2 que no haya reaccionado, el N2 del aire, el H2O evaporada

(procedente de la humedad del combustible) y los productos de reacción: CO2, CO,

NO2, NO, SO2 y H2O.

Las cantidades de cada uno de los compuestos presentes en los humos de combustión se

calculan a través de las siguientes expresiones:

95,09,0100

C1244CO 2 ⋅⋅⋅=

(5)

100Humedad%OH nevaporació2 =

(6)

100%7,76AireN real2 ⋅=

(7)

100%3,23)AireAire(O imomínrealexceso2 ⋅−=

(8)

Todos los compuestos estarán expresados en kg/kg biomasa (o restos del ciclón),

mientras que los elementos están expresados en % en base seca.

A partir de estos datos y teniendo en cuenta el porcentaje de humedad tanto de la

biomasa, como de los restos del ciclón, además del flujo de biomasa y de residuo de

ciclón, se puede calcular la composición de los humos de combustión debidos a la

combustión de la biomasa y los restos del ciclón así como el total, que es el dato

realmente importante.

Así, por ejemplo el cálculo del flujo de CO2 debido a la combustión de la corriente de

biomasa se realizará de la siguiente forma:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

××=100

%100)/( 122HumedadmKgbiomasaKgmasaCOFlujoCO (9)

Por otro lado el H2O debido a la humedad se calcula del siguiente modo:

100%

12HumedadmOFlujoH ×= (10)

Page 9: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

De esta forma se puede obtener el valor de los humos a la salida de la caldera.

La capacidad calorífica de los humos se calcula como media ponderada de las de los

componentes individuales con la siguiente ecuación:

32 T·DT·CT·BACp +++= (11)

T está expresada en K y Cp en J/mol·K.

Debemos de considerar las constantes para un valor de la temperatura de los humos a la

salida de la caldera de 210º C que es la temperatura a la que se ha considerado que

entran los humos, y para los humos a la entrada del ciclón, se tiene en cuenta que entran

a una temperatura de 140º C.

Una vez obtenidas se realiza una media ponderada de todas ellas para conseguir la

capacidad calorífica de los humos en función de la temperatura.

Una vez determinadas las temperaturas y calores específicos es posible calcular la

entalpía de las corrientes para los meses de invierno y para los meses de verano.

Mediante balances de materia y energía se calcularán los flujos de biomasa así como el

resto de flujos que se tendrán en la caldera, y en el precalentador de aire.

2.4 Selección de las distintas tecnologías aplicables y principales elementos

constituyentes de la planta

En este apartado se explicarán cuáles son los procesos o técnicas seleccionadas para el

aprovechamiento energético de los subproductos, así como el tipo de caldera y

tratamiento de humos que es más aconsejable utilizar.

Para determinar la tecnología más adecuada solamente se estudiaron los métodos

termoquímicos por ser los más apropiados para biomasa secas como sería este caso.

- Dentro de estas técnicas, se ha elegido la combustión, porque permite alcanzar

rendimientos superiores a las demás técnicas y representa una técnica ampliamente

conocida y con experiencias positivas en otras plantas. Además la combustión es el

proceso más adecuado por tratarse de biomasa con alto contenido en carbono y oxígeno.

Por otro lado, la mayor parte de la biomasa llegará a la planta en condiciones

Page 10: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

granulométricas adecuadas para combustión, debido a su tratamiento previo para

facilitar el transporte, por lo que no será necesario acondicionar la biomasa en la planta.

Requiere una menor inversión inicial, así como una mayor versatilidad, que es lo que

nos interesa debido a que vamos a emplear distintos tipos de biomasa, menor coste de

mantenimiento y una menor complejidad del proceso.

- Se ha elegido combustión en quemador con tornillo, puesto que el combustible está

formado por componentes agrícolas y leñosos de distintas características físicas y

químicas a lo que este sistema se adapta muy favorablemente, debido a su escaso

contenido en cenizas. Otra razón para elegir combustión con quemador de tornillo es

que es una técnica mucho más sencilla que en parrilla, así mismo, para llevar a cabo la

combustión en lecho fluidizado, es necesario realizar una molienda de la biomasa hasta

un tamaño menor, con el consiguiente aumento de los costes de operación, al igual que

ocurre con el ciclón, ya que el combustible debe ser pulverizado. Además, el coste de un

combustor en lecho fluidizado, y de un quemador ciclónico son mucho más elevados

que el de una caldera convencional de tornillo.

- Se ha seleccionado una caldera de agua caliente debido a que la temperatura que se

necesita en nuestro caso no será superior a 100º C y según la experiencia con otras

plantas térmicas de biomasa se ha podido comprobar que se obtienen buenos

rendimientos y con un menor costo que si se instalará una caldera de aceite térmico, que

además no estaríamos aprovechando en su totalidad al no necesitar altas temperaturas.

En cuanto a la posición relativa del fluido de trabajo y la de los gases calientes se ha

optado por elegir una caldera acuotubular, en las cuales circula por el interior de los

tubos el agua que se pretende calentar y lo que facilita su posterior limpieza. Este tipo

de calderas permiten obtener vapor a alta presión (40 bar) mientras que en las calderas

pirotubulares está alrededor de los 25 bar.

- Se ha seleccionado un depósito cerrado de un volumen aproximado de 80 litros,

porque presenta innumerables ventajas respecta a los abiertos, destacando:

-. Su fácil montaje. Se instalan en la misma sala de calderas.

-. No es necesario aislarlos.

-. Al instalarse en circuito cerrado, no absorben oxígeno del aire

Page 11: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

-. Eliminan la necesidad de colocar conductos de seguridad.

-. Se eliminan las pérdidas de agua por evaporación, evitando la corrosión e

incrustación provocada por el agua de reposición.

- Se puede concluir que se ha planteado la instalación de un sistema multiciclónico

para realizar el tratamiento de los humos de combustión, puesto que esta técnica alcanza

buenos rendimientos y presenta un bajo coste.

3 Resultados

3.1 Cálculo del potencial de biomasa

Los resultados de los análisis de componentes e inmediato realizados a las muestras son

los que se muestran en las siguientes tablas.

Tabla 1: Análisis de componentes de las muestras de biomasa.

Análisis de componentes Muestra Humedad

Volátiles Cenizas Carbono fijo

Raspón 20,00 60,04 5,50 26,47

Sarmiento 27,60 77,65 3,25 19,10

Barrica 9,10 75,00 0,63 15,41

Palet 28,75 60,43 0,26 10,58

Page 12: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla 2: Análisis elemental de las muestras de biomasa.

Análisis elemental Muestra Humedad

Carbono Hidrógeno Nitrógeno Azufre Cloro

Raspón 20,00 47,91 5,58 1,07 0,08 0,00

Sarmiento 27,60 48,40 6,10 0,60 0,06 0,02

Barrica 9,10 44,96 6,60 0,06 0,05 0,00

Palet 28,75 35,54 7,56 0,06 0,05 0,00

Una vez conocidos estos análisis de cada componente se realiza el calor medio teniendo

en cuenta la cantidad de cada muestra (tabla 3) obteniendo el resultado de la tabla 4.

Tabla 3: Biomasa disponible en cada caso analizado.

Subproducto mi

Raspón (kg) 22.641

Sarmiento (kg) 72.000

Barricas (kg) 43.850

Palets (kg) 4.902

TOTAL (kg) 143.393

Page 13: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla 4: Potenciales de biomasa.

ANÁLISIS SÓLIDO

SECO

Humedad total (%masa) 20,78

Volátiles (%masa) 73,47

Cenizas 550º C (%masa) 2,70

Carbono Fijo (%masa) 18,84

Carbono (%masa) 46,83

Hidrogeno (%masa) 6,22

Nitrógeno (%masa) 0,49

Azufre (%masa) 0,06

Cloro (%masa) 0,01

Oxigeno (%masa) 43,74

PCS (kJ/kg) 19.171,33

PCI (kJ/kg) 17.734,31

Cantidad total

año(kg/año)

143.393,00

Page 14: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Con todo ello ya se puede calcular el potencial energético del que se dispone (ver tabla

5).

Tabla 5: Energía total disponible.

PCIi * miSubproducto

kJ/año kcal/año

Raspón 378.897.135,00 90.645.247,61

Sarmiento 1.281.600.000,00 306.602.870,81

Barrica 794.737.400,00 190.128.564,59

Palet 87.740.898,00 20.990.645,45

Calor total

∑0,80*PCIi*mi

2.034.380.346,40 486.693.862,78

Si se tiene en cuenta que la calefacción estará funcionando 10 h al día durante 200 días

al año aproximadamente durante el período de invierno, se dispondrá de: 68.752,55

kJ/h (231.758,98kcal/h).

3.2 Cálculo de la demanda energética

3.2.1 Demanda térmica.

Los resultados obtenidos con el programa “Dp Clima” para las distintas zonas

consideradas se muestran en la tabla 6.

Page 15: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla.6: Demanda térmica.

Demanda térmica Instalación

(kJ/kg) (kcal/h)

Zona administrativa 346.989,57 87.318,08

Nave de embotellado 69.192,00 16.553,11

Nave de destilación 52.885,83 12.652,11

Vestuarios 13.543,20 3.240,00

Aseos 6550,06 1.567,00

TOTAL 507.168,65 121.330,30

3.2.2 Agua caliente.

3.2.2.1.-Agua de lavado.

• Limpieza de la embotelladora tanto antes como después de su uso: se estima que

las necesidades son de 2.500l/día en meses alternativos.

• Limpieza de barricas en el tren de lavado: las barricas se lavan unas 3 veces al

año y se dispone de 2.000 barricas. En cada lavado de barrica se consumen 60l de agua

a 75-80º C.

Su consumo no es homogéneo en el tiempo y se distribuye según se muestra en la tabla

7.

Page 16: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla 7: Distribución en el tiempo del consumo de agua.

(l/día) E F M A M J J A S O N D

Embotelladora 2500 2500 2500 2500 2500

Barricas 5400 5400 5400

TOTAL 7900 2500 5400 2500 7900 2500

Se necesitan un total de 28.700 l/día, si consideramos 24 día/mes, la demanda de agua

caliente asciende a 688.800 l/año

La energía necesaria para calentar una cantidad de agua será:

( )ifc TTCmE −××= (12)

Dado que las necesidades totales anuales son de 688.800 l, la energía total demandada

será:

E= 688.800 kg * 4,18 kJ/kg º C*(90º C- 7º C) = 239*103 MJ (57.170,4 103 kcal)

3.2.3 Demanda total.

Por todo lo citado anteriormente, se tendrá que la demanda para los meses de invierno

será la suma de 507.168,65 kJ/h (121.330,3 kcal/h) necesarias para calefacción y

64.010,43 kJ/h (15.295,7 kcal/h) necesarias para el agua caliente, por lo que se obtiene

un valor de 571.179,08 kJ/h (136.626 kcal/h).

Si se supone un 90% de rendimiento de los intercambiadores, el valor de la demanda es

de 634.552 kJ/h (151.806,67 kcal/h). Con este valor se puede calcular el tamaño de la

caldera, simplemente multiplicando este valor por un factor de seguridad y posibles

reenganches futuros de nuevas instalaciones. Se ha tomado como factor de seguridad

1,3. Por lo tanto la caldera tendrá una potencia de 233 kW (200.000 kcal/h)

En los meses de verano únicamente se tiene que considerar la demanda de agua

caliente, luego la demanda será: 109.529 kJ/h (26.228 kcal/h).

Page 17: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Si se tienen en cuenta las demandas de las diferentes instalaciones en las diferentes

épocas del año se obtiene la demanda total anual del conjunto (tabla8)

Tabla 8: Demanda térmica de las instalaciones.

Invierno Verano Total Demanda

kJ kcal kJ kcal kJ kcal

Calefacción 10,7*108 2,55*108 ---- 10,7*108 2,55*108

Agua caliente 10,8*107 25,7*106 13,2*107 31,5*106 24*107 5,72*107

TOTAL 11,8*108 2,8*108 13,2*107 31,5*106 13,1*108 3,12*108

Luego la demanda total anual de todas las instalaciones es de 13,1*108kJ (3,12*108

kcal)

Pero se debe tener en cuenta que se va a tener un consumo mayor debido a que la

caldera tiene un rendimiento del 85% y entre los intercambiadores y las perdidas de

calor en la tubería vamos a suponer un rendimiento del 85%.

Con estas aportaciones, la demanda total anual asciende a 182,58*107 kJ/año (4,72*108

kcal/año), y considerando que la biomasa posee un PCR de 14.188,78 kJ/kg, el gasto

anual de biomasa será de 128.678,21 kg/año, de las cuales se consumirán 102.942,56

kg en los meses de invierno y 25.735,65 kg en los meses de verano.

Al calcular la cantidad total disponible de biomasa se había obtenido un total de

143.393 kg de biomasa, por lo que las necesidades de residuo para satisfacer la demanda

de energía son ampliamente cubiertas.

3.3 Cálculos iniciales

Los resultados obtenidos se muestran a continuación siguiendo el orden de exposición

que se enunció en el apartado anterior.

Page 18: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

• Determinación del aire necesario para la combustión.

O2, estequiométrico biomasa = 1,61 kg O2 /kg biomasa seca

O2, estequiométrico restos ciclón = 1,03 kg O2 /kg de residuo de ciclón seco

O2, mínimo biomasa = 1,48 kg O2 /kg biomasa seca

= 25,02 kg/h biomasa seca

O2, mínimo restos ciclón = 1,02 kg O2 /kg de residuo de ciclón seco

= 0,44 kg/h de residuo de ciclón seco

O2, mínimo total = 25,46 kg/h

Aire mínimo biomasa = 6,35 kg aire / kg biomasa seca

= 107,38 kg/h biomasa seca

Aire mínimo restos ciclón = 4,36 kg aire / kg de residuo de ciclón seco

= 1,87 kg/h de residuo de ciclón seco

Aire mínimo total = 6,35 kg aire / kg biomasa seca + 4,36 kg aire / kg de residuo de ciclón

seco

= 109,25 kg/h totales

Aire real biomasa = 10,16 kg aire / kg biomasa seca

Aire real restos ciclón = 6,97 kg aire / kg de residuo de ciclón seco

Aire real = 10,16 kg aire / kg biomasa seca + 6,97 kg aire / kg de residuo de ciclón

seco

Aire real = 174,80 kg aire/h.

Page 19: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

• -.Determinación de los humos de combustión.

Tabla 9: Composición de los humos de combustión debido a la biomasa.

Compuesto Masa

(kg/kg de biomasa seca)

CO2 1,4706

CO 0,1040

NO2 0,0078

NO 0,0051

SO2 0,0011

H2O reacción 0,5313

H2O evaporación 0,2114

N2 7,7890

O2 0,8876

TOTAL 11,0074

Page 20: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla 10: Composición de los humos de combustión debido a los restos del ciclón.

Compuesto Masa

(kg/kg de biomasa seca)

CO2 1,2656

CO 0,0895

NO2 0,0041

NO 0,0026

SO2 0,0004

H2O reacción 0,0616

H2O evaporación 0,0221

N2 5,3511

O2 0,6096

TOTAL 7,4065

Page 21: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla.11: Composición de los humos de combustión para los meses de invierno.

Compuesto Debido a la

biomasa (kg/h)

Debido a los restos del

ciclón (kg/h)

Masa total

(kg/h)

CO2 56,8505 1,5167 58,3672

CO 4,0185 0,1072 4,1257

NO2 0,2998 0,0049 0,3047

NO 0,1954 0,0032 0,1986

SO2 0,0439 0,0005 0,0444

H2O reacción 20,5377 0,0738 20,6115

H2O evaporación 10,3604 0,0271 10,3875

N2 301,0997 6,4129 307,5126

O2 34,3006 0,7305 35,0312

TOTAL 427,7067 8,8767 436,5834

Page 22: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla 12: Composición de los humos de combustión para los meses de verano.

Compuesto Debido a la

biomasa (kg/h)

Debido a los restos del

ciclón (kg/h)

Masa total

(kg/h)

CO2 24,8765 0,6637 25,5401

CO 1,7584 0,0469 1,8053

NO2 0,1312 0,0021 0,1333

NO 0,0855 0,0014 0,0869

SO2 0,0192 0,0002 0,0194

H2O reacción 8,9868 0,0260 9,0129

H2O evaporación 4,5335 0,0119 4,5453

N2 131,7542 2,8061 134,5603

O2 15,0092 0,3197 15,3288

TOTAL 187,1544 3,8780 191,0324

Una vez se hayan determinado las temperaturas y calores específicos es posible calcular

la entalpía de las corrientes para los diferentes casos.

• Para los meses de invierno:

kgkJTCh p /64,227210*084,1* 66 6=== kgkJTCh p /32,152140*088,1* 77 7

===

kWmhE 32,51600.31** 666 == & kWmhE 33.34

600.31** 777 == &

Page 23: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

• Para los meses de verano

kgkJTCh p /64,227210*084,1* 66 6=== kgkJTCh p /32,152140*088,1* 77 7

===

kWmhE 68,24600.31** 666 == & kWmhE 52,16

600.31** 777 == &

3.3.1 Balances de materia y energía

Tabla 13: Balance de energía de la caldera para los meses de verano.

BALANCE DE ENERGÍA EN LA CALDERA( meses de verano)

Flujo de agua en la

caldera (kg/h)(m5) m5 = 96,69 Caudal (kg/h) Caudal (kg/h) Entalpía (kJ/kg)

ENTRADAS Biomasa(1) 21,45 13.986,59

Agua alim.(5) 96,69 442,93

Aire(6) 174,80 26,45

SALIDAS

Vapor

sobrec.(3) 95,72 3.214,00

Humos ent.

ciclón (7) 192,35 151,84

Cenizas (12) 0,59 1.045,00

Purgas (14) 0,97 1.018,70

Pérdidas :3% Energía

biomasa 9.000,37

Purgas : 1% de

m5 0,97

Page 24: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla 14: Balance de energía de la caldera para los meses de invierno.

BALANCE DE ENERGÍA EN LA CALDERA (meses invierno)

Flujo de agua en la

caldera (kg/h)(m5) m5= 220,97 Caudal (kg/h) Caudal (kg/h) Entalpía (kJ/kg)

ENTRADAS Biomasa (1) 49,02 13.986,59

Agua

alim.(5) 220,97 442,93

Aire (10) 399,47 26,45

SALIDAS

Vapor

sobrec.(3) 218,76 3.214,00

Humos ent.

ciclón (7) 439,58 151,84

cenizas 1,34 1.045,00

purgas 2,21 1.018,70

Pérdidas :3% Energía

biomasa 20.568,68

Purgas : 1% de

m5 2,21

Page 25: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

Tabla15: Balance de energía al precalentador de aire para los meses de verano.

BALANCE DE ENERGÍA PRECALENTADOR DE AIRE (meses de verano)

Entalpía aire tras precalentador h11 (kJ/kg) 96,81 Caudal (kg/h) Entalpía (kJ/kg)

ENTRADAS Aire a precalentador (10) 174,80 26,45

Humos entrada precalentador (6) 192,35 219,86

SALIDAS Aire a la salida (11) 174,80 96,81

Humos salida precalentador (7) 192,35 151,84

T11 = 96,954 Cp = 1,165 Q=785,02

Tabla 16: Balance de energía al precalentador de aire para los meses de invierno.

BALANCE DE ENERGÍA PRECALENTADOR DE AIRE (meses de verano)

Entalpía aire tras precalentador h11 (kJ/kg) 96,81 Caudal (kg/h) Entalpía (kJ/kg)

ENTRADAS Aire a precalentador (10) 399,47 26,45

Humos entrada precalentador (6) 192,35 219,86

SALIDAS Aire a la salida (11) 399,47 96,81

Humos salida precalentador (7) 192,35 151,84

T11 = 96,954 Cp = 1,165 Q=1.794,02

4 Conclusiones

Las energías renovables van a tener gran importancia en los próximos años porque nos

ofrecen una menor dependencia energética del exterior, así como una importante

reducción de la contaminación.

Page 26: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

La biomasa debe aumentar su % de utilización como fuente de energía para cumplir lo

establecido en el Plan Nacional de fomento de las Energías Renovables, y además ha

quedado demostrado en el presente trabajo que es una solución viable ya no solo

energéticamente sino también económicamente.

Al utilizar la biomasa como combustible estamos aprovechando energéticamente un

residuo que en muchos casos debería ser incinerado con la consiguiente repercusión al

medio ambiente.

En este caso se dispondrá de una instalación de calefacción y agua caliente sin que ello

signifique un gasto anual de combustible.

5 Referencias

1. American Society for Testing and Materials, Manual de Aguas para Usos

Industriales, Ed. Limusa, 3ª edición (1976).

2. Austin George T., Manual de Procesos Químicos en la Industria, Ed. McGraw- Hill

(1993).

3. CADEM grupo EVE, Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria,

Tomos I y II, , Bilbao (1984).

4. Ciemat, Junta de Castilla y León, La Biomasa como Fuente de Energía y Productos

para la Agricultura y la Industria, Volumen I y II (1990).

5. Coulson J.M., Richardson J. F., Chemical engineering, Vol I, II y VI, 4ª edición, Ed.

Pergamon (1993).

6. De Juana, José Mª, Energías Renovables para el Desarrollo, Ed. Paraninfo S.A.

(2002).

7. Douglas, M., Conceptual design of Chemical Processes, Ed. McGraw- Hill (1988).

8. Ferrero G.L., Pyrolysis and Gasification, Elsevier Science Pub. Ltd, Luxemburgo

(1989).

9. Foro de la Industria Nuclear Española, Energía 2001, Ed. Algor (2001).

10. Haywood, R. W., Ciclos Termodinámicos de Potencia y Refrigeración, Limusa

Noriega Editores (1999).

11. IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), Plan de Fomento

de las Energías Renovables en España, Diciembre 1999.

Page 27: Diseño de una planta térmica de residuos vitivinícolas ... · PDF filegenerados en el proceso de elaboración del vino contribuyendo, como son los sarmientos, ... • Suscitar el

12. Junta de Castilla y León, EREN, Energía en Castilla y León, (2000)

13. Kadambi V., Prasad Manohar, Conversión de Energía. Turbomaquinaria, Ed.

Limusa, 1ª edición (1984).

14. Lapuerta Amigo, Magín- Hernández Adrover, Juan José, Tecnologías de la

Combustión, Colección Ciencia y Tecnología, ediciones de la Universidad de

Castilla la Mancha. Cuenca (1998).

15. Manual Técnico del Agua, ed. Degrémont, 4ª edición (1979).

16. Mariño, Rafael P., Producción y Transmisión Industrial del Calor, editorial Dossat,

S. A., 2ª edición (1947).

17. Ollero y Fernández, Control e Instrumentación de Procesos Químicos, editorial

Síntesis (1997).

18. Raznjevic, Kuzman, Handbook of Thermodynamic Tables and Charts, Hemisphere

Publishing Corporation (1976).

19. Santamaría J.M., Braña Aisa P.A, Análisis y Reducción de Riesgos en la Industria

Química, Ed. Mafre (1995).

20. Tillman, David A., The Combustion of Solid Fuels and Wastes, editorial Academic

Press, Inc (1991).