USO DE RESIDUOS AGRÍCOLAS DE COSECHA (RAC) COMO COMBUSTIBLE NO CONVENCIONAL PARA GENERAR ENERGÍA

ELÉCTRICA EN CALDERAS DE POTENCIA

Ing. José Luis Castillo, Ingenio La Cabaña

Ing. Julian Esteban Lucuara, Cenicaña

3er Encuentro de Usuarios de Calderas – ColombiaBogotá 12 y 13 de Mayo

CONTENIDO

• Descripción del Sector azucarero Colombiano

• Descripción del Ingenio La Cabaña

• Descripción de Cenicaña

• Cogeneración en la industria sucroenergética

• Residuos Agrícolas de Cosecha (RAC) en el Valle del Rio Cauca

• Ventajas y retos para el aprovechamiento del RAC

• Casos actuales de combustión de RAC.

• Referencias de inversión y costos operativos

• Balance económico del uso de RAC para reemplazo de carbón.

• Análisis ambiental del uso de RAC en reemplazo de carbón

• Conclusiones y proyecciones

DESCRIPCIÓN DEL SECTOR

DESCRIPCIÓN DEL SECTOR

• 15 Ingenios

12 Cogeneradores de energía

6 Destilerías de alcohol carburante

• 3 Asociaciones de Cultivadores de Caña

• Asocaña: Ingenios y cultivadores

• Cenicaña

• Tecnicaña: Sociedad de Técnicos de la Caña de Azúcar

• Ciamsa: Comercializadora Internacional de Azúcares y mieles S.A

• Clúster de la caña de azúcar: Fabricantes vagones, Consumidores de azúcar.

DESCRIPCIÓN DEL SECTOR

• Área

• Caña

• Azúcar

• Ethanol

• Residuos cosecha

232.000 hectáreas

24. 2 millones toneladas

2.86 millones tons/año**

455 millones L/año

9 millones tons/año*

232.000 has

CENICAÑAProceso de producción de azúcar

CENICAÑA

• Programas de Investigación

• Variedades: Obtención de variedades que mejoren la productividad y rentabilidad del sector

• Agronomía: Desarrollo de tecnologías para mejorar la productividad y calidad de la caña. Administración la red meteorológica y de monitoreo de partículas.

• Procesos de fábrica: Proponer y validar tecnologías para mejorar los procesos fabriles en relación a la eficiencia energética y la reducción de las pérdidas de azucares dentro del proceso de obtención de azúcar y etanol.

CENICAÑA: PROGRAMA DE PROCESOS DE FÁBRICA

Cogeneración en la industria sucro-energética

Tanque de condensados

MOLINOS

BAGAZO

VAPOR VIVO

PROCESO DE ELABORACIÓN: Evaporador, tacho, secador

VAPOR DE ESCAPE

1) ENERGÍAELÉCTRICA:Consumida +excedentes ala venta

AGUA ALIMENTACIÓN CALDERA

CALDERA

1) TURBO-GENERADOR

2) ENERGÍA MECÁNICA

2) TURBO-ACCIONADOR

VAPOR DE ESCAPE

BOMBA

Caña

VAPOR VEGETAL

Residuos Agrícolas de Cosecha (RAC) en el Valle del Rio Cauca

Una parte importante de la fibra total producida por la caña de

azúcar puede ser aprovechable como recurso energético renovable.

Las proporciones aproximadas (del total, Base Húmeda) son:

1/3 como bagazo (material restante del proceso de molienda en

la fábrica).

2/3 como Residuos Agrícolas de Cosecha, RAC (su

disponibilidad depende del tipo de cosecha empleado y de la

decisión de cuanto dejar en el campo).

Disponibilidad y potencial energético

Estimación de la cantidad total de RAC disponible en la región del valle geográfico del río Cauca en el año 2010

VARIEDADES COSECHADAS

ÁREA DE PARTICIPACIÓN (%)

AREA COSECHADA (ha)

PRODUCCIÓN DE RAC

(t/ha) RAC TOTAL (t)

CC 85-92 74 127,592 45.3 5,779,897

CC 84-75 12 20,691 45.3 937,281

V 71-51 3 4,828 148.5 716,927

OTRAS 11 19,311 40 772,446

TOTAL: 100 172,421 _ 8,206,550

VARIEDADES COSECHADAS

ÁREA DE PARTICIPACIÓN (%)

AREA COSECHADA (ha)

PRODUCCIÓN DE RAC

(t/ha) RAC TOTAL (t)

CC 85-92 74 127,592 45.3 5,779,897

CC 84-75 12 20,691 45.3 937,281

V 71-51 3 4,828 148.5 716,927

OTRAS 11 19,311 40 772,446

TOTAL: 100 172,421 _ 8,206,550

• Cambio varietal del Sector

Azucarero, necesidad de

actualización de la disponibilidad

de biomasa.

Relación RAC / Caña= tRAC/tCaña = 19%

Producción de biomasa (RAC) en el campo (Brasil)

Potencial energético en Brasil

Características Físico - Químicas del RAC

Material Humedad

Inicial (%)

Humedad

Residual

(%)

Materia

VolátilCeniza (%)

Carbón

Fijo (%)

PC Superior

(Btu/Lb)

Azufre

(%)

Cogollo 78.61 6.04 71.21 7.13 15.62 7704.9 0.20

Hoja Verde 65.7 6.22 66.88 9.75 17.11 7285.4 0.26

Hoja Seca 11.97 5.94 68.57 1.59 13.9 7233.5 0.22

Parámetro Cogollo Hojas Verdes Hojas Secas

Carbono (%) 42.11 43.41 41.76

Hidrogeno (%) 6.25 6.38 6.26

Humedad (%) 76.79 1 66.21 8.8

P.C. Superior (Btu/Lb) 7768.46 4400.6 4439.0

P.C. Inferior (Btu/Lb) 7161.72 4095.6 4001.4

Composición y poder calorífico de la hoja verde, hoja seca y cogollo, Carvajal (2006 )

Análisis elemental y poder calórico de los residuos de caña, Ripoli (1991)

Referencia Brasil

Referencia Colombia

Composición elemental RACElemento "@50% humedad

Carbono 23.06%

Hidrogeno 3.07%

Oxigeno 19.50%

Nitrogeno 0.49%

Azufre 0.06%

Humedad 50%

Cenizas 3.83%

Composición elemental RAC, Lucuara 2016

Riesgos del RAC en combustión directa…

• La presencia de potasio, calcio, sodio, aluminio, fósforo, cloro y azufre pueden causar serios

problemas en el lado gas de las calderas.

• El punto de fusión para la ceniza del RAC es aproximadamente 100 °C menor que para la ceniza del

bagazo.

• Tortosa-Masiá et al. (2005), definen escoria (slagging) como depósitos en áreas de la caldera que

están directamente expuestas à radiación de la llama. La incrustación (fouling) son depósitos en áreas

en la caldera que no están directamente expuestas.

• Como efecto indeseable, tanto de la escoria como de la incrustación, se presenta reducción de la

transferencia de calor entre los gases de combustión y el vapor de agua circulante en los bancos de

tubos.

Ventajas y retos para aprovechamiento del RAC: Combustión

Tipos de Incrustación:

Slagging: Incrustaciones semi-fundidas o fundidas en la zona radiante.

Fouling: Depósitos consecuencia de vaporización y condensación de volátiles inorgánicosespecialmente en zonas convectivas

Mecanismos de formación:

• Deposición particulada

• Difusión de vapor

• Reacción química

El incremento del contenido de cenizas presente en el RAC para la combustión favorece:

• Análisis próximo es similar para residuos y bagazo.

• Diferencia significativa en óxidos de potasio y cloro,

con mayor presencia en cogollos respecto al bagazo.

Elementos incidentes en la formación de cenizas

• Potasio: Permite formación de:

• Óxidos

• Cloruros

• Hidróxidos

• Azufre: Forma sulfatos inestables a temperaturas de

900°C (Temperatura típica del calderas).

Tomado de: Caracterização Físico-química das Cinzas de Palha de Cana-de-Açúcar Através de Análises Térmicas Simultâneas (STA)

Mecanismos y elementos importantes en la formación de incrustaciones.

Como alternativa de determinación cualitativa de la capacidad incrustante de las cenizas producto del proceso de combustión

𝑹 (𝒃𝒂)=𝑭𝒆𝟐𝑶𝟑 +𝑴𝒈𝑶

𝑺𝒊𝑶𝟐 + 𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑

𝒃 = 𝒐𝒙𝒊𝒅𝒐𝒔 𝒃𝒂𝒔𝒊𝒄𝒐𝒔 𝒂 = 𝒐𝒙𝒊𝒅𝒐𝒔 𝒂𝒄𝒊𝒅𝒐𝒔

Indicador para slagging:

• Bajo• Medio• Alto• Severo

Indicador para fouling:

• Por contenido de cloro en cenizas• Por óxidos de sodio y potasio

Cuantificación de impacto de acuerdo a la características de los combustibles

Indicadores para determinación de fusibilidad e incrustación de cenizas.

Indicadores para determinación de fusibilidad e incrustación de cenizas.

1𝑒6

𝑃𝐶 𝐵𝑇𝑈𝐿𝑏

∗ % 𝐶𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠 ∗ % 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑎𝑙𝑘𝑎𝑙𝑖𝑛𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠 =𝑙𝑏 𝐴𝑙𝑘𝑎𝑙𝑖𝑛𝑜

𝑀𝑀 𝐵𝑡𝑢

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

lb A

lkal

ino

s /

MM

Btu

Contenido de cenizas [%]

12.00% 13.00% 14.00% 29.70%% Alcalinos • Valores entre 0 y 0.4 lb/MMBtu indican

bajo riesgo de slagging

• Valores entre 0.4 y 0.8 lb/MMBtu

indican probabilidad de presencia de

slagging

• Valores mayores a 0.8 lb/MMBtu

presentaran indudablemente problemas

de slagging0.4 Lb/MMBtu

0.8 Lb/MMBtu

Ventajas y retos para aprovechamiento del RAC: RecolecciónVentilador secundario

Ventilador Principal

•Nivel bajo (E1): Ventiladores prendidos

•Nivel medio (E2a): Ventilador primario a baja velocidad y secundario prendido

•Nivel medio (E2b): Ventilador primario encendido y secundario apagado

•Nivel alto (E3): Ventiladores apagados

Se evaluaron tres niveles de materia extraña en caña

• Para porcentajes de materia extraña superiores a 20% (E3), se disminuye en 40% la tasa de molienda si no se separa la materia extraña de la caña.

• El nivel medio (E2) se presenta como una alternativa atractiva de aumento de combustible disponible (Aumento materia extraña) sin implementación de estaciones de limpieza en seco.

• Se desarrolló aplicación para cálculos del proceso.

Resultados en Materia Extraña

Experiencias en pruebas de cosecha simultánea de RAC y Caña (2012)

Ventajas y retos para aprovechamiento del RAC: RecolecciónEnfardado: Industria brasilera

Ventajas y retos para aprovechamiento del RAC: RecolecciónPrograma de recolección de RAC en Brasil

• Operación durante la zafra, condiciones de verano

predominantes

• Programación de la recolección de RAC de acuerdo al

clima.

• En coordinación con la zafra y los requerimientos de

combustible en los ingenios

Condiciones climáticas Valle del rio Cauca

• Comportamiento bimodal del clima

• Altas precipitaciones en los meses de Enero –

Abril y Octubre – Diciembre

• Ajustar planes de recogimiento de RAC de acuerdo a

condiciones climáticas predominantes de verano.

Casos actuales de combustión de RAC.

• Ingenio Ledesma, Jujuy, Argentina

• Ingenio Ferrari, Sao Pablo, Brasil.

• Ingenio Abengoa Bioenergy, Sao Pablo, Brasil

Casos actuales de combustión de RAC: Ingenio Ledesma

14 t RAC/hectárea

• Descarga de camiones

• Mesa de dosificación

• Limpieza y tamizado de material

mineral

• Conductores de alimentación a la

caldera

Consumo de 20 a 25 t/h en co-firing con 40 t/h de madera chipeada.

Ahorro de 1000 m3 de gas natural por cada 2.8 toneladas de biomasa

En 2013: 20 millones de metros cúbicos de gas ahorrados con 60.000

toneladas de biomasa.

Casos actuales de combustión de RAC: Usina Ferrari

2 Calderas de 67 bar y 500 °C con venta de excedentes de energía de 40 MW

Estación de recepción de fardos de RAC con capacidad nominal de 100.000 t/zafra

• Mezcla con bagazo para la combustión en una relación 90% bagazo – 10% RAC en masa y contenidos de cenizas en RAC entre 4 y 6%.

• La mezcla esta dada principalmente por la disponibilidad de RAC de acuerdo a su molienda

• Caldera de altura entre 35 a 40 metros

Condiciones de aire de la caldera.

• 60% Aire secundario • 40% Aire Forzado

Casos actuales de combustión de RAC: Usina Abengoa bioenergy

2 Calderas de 250 t/h a 67 bar y 520 °C

Estación de recepción de fardos de RAC con capacidad nominal de 80.000 t/zafra

Mezcla con bagazo para la combustión en una relación 90% bagazo – 10% RAC en masa y contenidos de cenizas en RAC entre 4 y 6%.Condiciones de aire de la caldera.

Caldera de altura entre 35 a 40 metros

• 60% Aire secundario • 40% Aire Forzado

Balance energético de la adopción de RAC

1.88 t 0,62 t Carbón

Consumo de combustible y eficiencias de caldera típicas.

• Las propiedades energéticas del RAC son las determinadas por el sistema de recolección por fardos

• Humedad = 15%• Contenido de cenizas = 10%

Presión (psi) 964

Temperatura (°C) 550

Flujo de vapor (t/h) 150.00

Entalpia Vapor (kj/kg) 3534.35

Temperatura agua (°C) 130

Presión Alimentación (psi) 964

Entalpia agua (kj/kg) 550.63

Combustible

Btu/lb kj/kg Btu/lb kj/kg Btu/lb kj/kg

10000 23260 3800 8838.8 6840 15910

Eficiencia Caldera

Flujo de Combustible (t/h)

Poder Calorifico

RAC

68.00%

41.37

Bagazo

75.00% 65.00%

25.66 77.90

Vapor Vivo

Agua de alimetación

Carbón

1 Tonelada de RAC reemplaza:

Balance energético de la adopción de RAC

3.003.203.403.603.804.004.204.404.604.805.005.205.405.605.806.00

0% 20% 40% 60% 80% 100%

t va

po

r/t

com

bu

stib

le

% mezcla

Carbón -RAC

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80

3.00

3.20

3.40

3.60

0% 20% 40% 60% 80% 100%

t va

po

r/t

com

bu

stib

le

% mezcla

Bagazo - RAC

y = 1,0412x2 - 3,2261x + 5,827R² = 0,9997

y = 0,88x2 + 0,623x + 1,9421R² = 0,9993

• Beneficios ambientales de la mezcla de carbón yRAC

• Reducción de emisiones de efecto invernadero• Disminución de la eficiencia energética

• Mejor desempeño energético del combustibleobtenido de la mezcla

• Mejora en la eficiencia energética de la caldera

Referencias de inversión y costos operativosUSINA JALLES MACHADO

R$ U$Capex Campo $ 1,456,822 $ 407,182 Capex Fábrica $ 1,826,338 $ 510,461 Opex Campo $ 2,625,978 $ 733,961 Opex Fábrica $ 1,261,562 $ 352,607

CTCR$ U$

Capex agrícola $ 2,127,000 $ 594,496.50 Capex Industria $ 1,840,000 $ 514,280.00 Opex agrícola $ 3,834,000 $ 1,071,603.00

Opex Industria $ 1,271,000 $ 355,244.50

20.32%

25.47%36.62%

17.59%

JALLES MACAHADO

Capex Campo Capex Fábrica Opex Campo Opex Fábrica

23.45%

20.28%

42.26%

14.01%

CTC

Capex agricola Capex Industria Opex agricola Opex Industria

Capacidad: 100.000 tRAC (R$ 92.00 / t RAC) Capacidad: 100.000 tRAC (R$ 90.70 / t RAC)

Sensibilidad de la inversión v.s capacidad instaladaRegla de escalamiento de inversión. “six tenths rule”

% de RAC en mezcla con

carbón

Capacidad(t RAC/ año)

R$/t RAC

10% 34276 $ 139.2220% 68553 $ 105.5030% 102829 $ 89.7140% 137106 $79.96 50% 171382 $73.13 60% 205659 $67.99

$38.91

$29.49

$25.07 $22.35

$20.44 $19.00

$15.00

$20.00

$25.00

$30.00

$35.00

$40.00

$45.00

0 30000 60000 90000 120000 150000 180000 210000 240000

Inve

rsió

n U

$/t

RA

C

Capacidad instalación (t RAC/año)

Inversión vs Capacidad Instalada

• La inversión por tonelada de RAC para todo el sistema de aprovechamiento del RAC (Enfardado en campo y combustión en fábrica)

decrece conforme aumenta la capacidad instalada.

• El monto de la inversión se iguala respecto al precio de Brasil para aproximadamente un uso del 30% de RAC en la mezcla con carbón en

base energía

• Satisfacer el 30% de mezcla es posible con aproximadamente 800.000 toneladas de caña al año disponibles de la cosecha mecanizada

Balance económico de reemplazo de carbón

-$60,000

-$40,000

-$20,000

$0

$20,000

$40,000

$60,000

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

Dif

ere

nci

a re

spe

cto

a p

reci

o c

arb

ón

% de mezclaPrecio carbón: $ 140.000 / t

• El punto de equilibrio entre el costo del RAC y el carbón se logra con una mezcla de 19% en base energía.

• Reemplazo del 19% de RAC en calderas carboneras es técnicamente posible con:

• Modificaciones de distribución de aires

• Ajustes de la velocidad de la parrilla.

Análisis ambiental del uso de RAC en reemplazo de carbón

Análisis ciclo de vida de combustión

• Según determinaciones hechas por Cenicaña, por cada kg de carbón usado para combustión se emiten 2,66 kg CO2 equivalentes

• Por cada kg de bagazo para combustión se emiten 0.025 Kg de CO2 equivalentes

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

t C

O2

eq

uiv

alen

te

% mezcla

CO2 Equivalente no emitido

Conclusiones y proyecciones• Definir el sistema de recolección y transporte del RAC para aprovechamiento de la combustión es vital

para establecer la viabilidad de el uso de RAC

• Garantizar unas características de calidad mínima para el RAC son necesarias para evitar problemas de

incrustación en tubos por fenómenos de slagging y fouling.

• Incrementar el porcentaje de reemplazo de RAC en mezclas con bagazo o carbón, hará más viable la

implementación del enfardado como alternativa de aprovechamiento.

• El costo de oportunidad para el reemplazo del carbón con RAC se da con un valor del 19% de la mezcla

en términos de energía.

• Los casos de éxitos presentados, son un claro indicador del potencial de aprovechamiento del RAC

como combustible ambientalmente sostenible

Conclusiones y proyecciones

• Las calderas empleadas para co-firing con RAC se caracterizan por hogares entre 35 y 40 m de altura

que permite el uso de aires secundarios en varios niveles y así controlar la combustión en suspensión

del RAC.

• Las industrias que han adoptado estos combustibles han modificado principalmente

• Relaciones de aire entre secundarios y forzado

• Velocidades de avance de la parrilla

• Una proyección importante es considerar el uso de pellets para incrementar los porcentajes de mezcla

posibles en la caldera.

• Reportes de literatura indican que es posible operar calderas de 60 t/h de generación de vapor con un

100% de combustible de biomasa (agrícola, herbácea o forestal)