Uso de Calor de Combustión para Energía

El resultado final de la combustión es energía útil, típicamente en forma de calor, energía o ambos calor y energía. Esto se puede utilizar para proporcionar calefacción de espacios para edificios, calefacción de procesos para necesidades industriales, electricidad para uso en el sitio o venta a la red, o la generación simultánea de calor y electricidad (llamada “calor y energía combinados” o CHP). Lo más común es que el calor de combustión se capture en forma de agua caliente, aire caliente o vapor.

La mayoría de las granjas no tienen necesidades significativas de calor de combustión, con la excepción de la calefacción de la granja durante el invierno en climas fríos. Sin embargo, las granjas deben considerar la posibilidad de suministrar combustible de combustión a clientes residenciales, comerciales o industriales.

Equipo de combustión

El equipo de combustión está disponible en una variedad de tamaños y configuraciones, aunque la selección tiende a ser más pequeña que para la combustión de combustibles fósiles. Por lo general, es más caro que los dispositivos alimentados con petróleo o gas natural, pero el combustible de biomasa suele ser menos costoso, lo que resulta en ahorros a largo plazo para el usuario. Hay muchos ejemplos de sistemas de combustión de biomasa que se utilizan para calentar invernaderos en granjas.

Las dos categorías principales de equipos de combustión de biomasa son los sistemas residenciales y los sistemas comerciales/industriales.

Equipo de Combustión Residencial

Una chimenea es la forma más común de equipo de combustión residencial, sin embargo, también tiende a ser muy ineficiente (la mayor parte del calor se pierde en la chimenea). Hay muchos otros tipos de estufas y hornos disponibles que proporcionan un método de mayor eficiencia para usar calor de combustión en el hogar. Por lo general, el equipo es adecuado para un solo tipo de combustible de biomasa, por lo que es importante seleccionar la estufa adecuada para el combustible que desea quemar.

Las estufas de leña son un medio más eficiente para quemar madera: controlan la velocidad del flujo de aire y maximizan la extracción de calor del combustible en combustión. Sin embargo, estos dispositivos generalmente son adecuados solo para quemar madera de cordón.

Los insertos de chimenea son esencialmente solo estufas de leña que se instalan en la apertura de una chimenea existente. Funcionan como una estufa de leña y tienen índices de eficiencia similares.

Las estufas de pellets están diseñadas para quemar pellets de combustible de madera especialmente fabricados. Estos pellets se fabrican según especificaciones cuidadosas, lo que permite que las estufas funcionen de manera más eficiente y se quemen de manera más limpia que las estufas de leña típicas. Algunas estufas de pellets pueden alimentar combustible automáticamente a la estufa, lo que las hace un poco más fáciles de usar.

Las estufas de biomasa están diseñadas para quemar pellets de combustible hechos de materiales distintos de la madera, como paja de trigo, rastrojo de maíz o hierbas. Asegúrese de saber el tipo de combustible que una estufa puede quemar, ya que otros tipos de combustible podrían dañar la estufa o provocar una condición de funcionamiento insegura.

Estufas de maíz: en algunas partes del país, es popular quemar maíz descascarillado como combustible de combustión. De alguna manera, los granos de maíz son un pellet de combustible fabricado naturalmente. El maíz quema sorprendentemente bien, pero produce cantidades bastante altas de ceniza que es más propensa a la “escoria” (formando trozos duros) que la ceniza de madera. A diferencia de la mayoría de los otros combustibles de biomasa, el maíz contiene cantidades mensurables de azufre (~0,1%, que sigue siendo mucho menor que el carbón, por ejemplo). Por lo tanto, las estufas de pellets de madera generalmente no son adecuadas para maíz, y en su lugar se deben usar estufas de maíz diseñadas específicamente para tal fin. Algunos informes han sugerido que las estufas de maíz también funcionan bien para la biomasa, pero consulte con el fabricante de las estufas para estar seguro.

Equipo de Combustión Comercial/ Industrial

Los equipos de combustión comerciales son más grandes y complejos que los dispositivos residenciales. Por lo general, la entrega de la alimentación en el combustor se automatiza mediante el uso de cintas transportadoras y/o sinfines. El flujo de combustible y aire se controla cuidadosamente, y las condiciones dentro de la combustión se ajustan automáticamente para garantizar la máxima eficiencia. Los dispositivos avanzados de control de la contaminación (por lo general, un separador ciclónico como mínimo) se utilizan para mantener las emisiones de partículas dentro de los límites regulados para equipos grandes.

Estos sistemas suelen fabricarse a medida, en función de los requisitos de calefacción y el combustible disponible. Mientras que la mayoría de los sistemas residenciales producen aire caliente, los equipos a escala comercial generalmente están diseñados para producir agua caliente o vapor.

Eficiencia de combustión

La eficiencia del equipo de combustión es igual a la cantidad de calor útil producido dividido por la cantidad total de calor disponible en el combustible.

La eficiencia de un dispositivo depende de la calidad del equipo y de la forma en que se está operando. La mayoría de los equipos de combustión tienen la mayor eficiencia cuando se ejecutan a plena potencia: la eficiencia disminuye a medida que se reduce la carga de calor. Las eficiencias de combustión a plena carga típicas de los diferentes tipos de equipos se muestran en la siguiente tabla.

Equipo	Eficiencia típica(%)
Chimenea residencial	-10 a 20	Una gran cantidad de aire caliente “se escapa” de la chimenea
Estufa de Leña Interior Residencial	40-70	Los modelos más nuevos tienden a tener una eficiencia mucho mayor que las estufas antiguas. Combustible seco y calor elevado necesarios para una máxima eficiencia.
Estufa de Pellets Residencial	70-80	La calidad constante del combustible permite una alta eficiencia general
Quemador de Leña al Aire Libre	40-70	La eficiencia es menor durante la puesta en marcha y el reabastecimiento de combustible
Quemador de Astillas de Madera Comercial	70-90	Controlado por computadora: funciona bien con una variedad de combustibles y contenido de humedad

Estos valores de eficiencia se basan en el “mayor valor calorífico” del combustible. También tenga en cuenta que la eficiencia de estos dispositivos disminuye si la producción de calor es baja: están diseñados para funcionar mejor en el pico o cerca del pico de producción de calor.

Problemas de contaminación y calidad del aire

La biomasa es un combustible relativamente limpio, en términos de contaminación del aire, SI se quema de manera eficiente. Esto puede parecer sorprendente para las personas que están acostumbradas a los fuegos con humo o a los quemadores de madera. Sin embargo, el humo de esos sistemas ineficientes contiene grandes cantidades de combustible sin combustible, lo que es un signo de baja eficiencia. Los equipos de alta eficiencia generalmente no tienen emisiones de humo visibles ni olores detectables.

Hay cuatro tipos principales de contaminación del aire que se pueden producir al quemar biomasa: 1) productos normales de combustión (dióxido de carbono y agua), 2) compuestos químicos “extra” formados durante la combustión, como dióxidos de azufre (SOx) y compuestos de nitrógeno (NOx), 3) moléculas de biomasa sin combustión, como hollín, y 4) partículas de ceniza lo suficientemente pequeñas como para flotar en el aire (cenizas volantes y partículas).

Dióxido de carbono y Agua

El dióxido de carbono y el vapor de agua son los dos gases primarios que se emiten desde un combustor. La combustión típica de biomasa produce aproximadamente 1,8 kg de CO2 y 0,5 kg de vapor de agua por kg seco de combustible.

El dióxido de carbono y el vapor de agua no se han considerado tradicionalmente contaminantes. Sin embargo, el aumento de la preocupación por el calentamiento global ha dado lugar a preocupaciones gubernamentales sobre las emisiones de dióxido de carbono. Algunos gobiernos han impuesto límites a las emisiones de CO2 para las instalaciones de combustión. Sin embargo, la combustión de biomasa generalmente se considera “neutra en carbono”, lo que significa que el dióxido de carbono emitido por la combustión de biomasa es reabsorbido por los cultivos en crecimiento que luego se utilizarán como combustible. Debido a esto, las emisiones de dióxido de carbono de la combustión de biomasa generalmente no están restringidas.

Las “chimeneas” de combustión de biomasa a menudo tienen penachos de nubes blancas y onduladas que se elevan desde su parte superior. Este es el vapor de agua en el escape de combustión que se condensa en gotas de agua a medida que se enfría. Algunas personas piensan erróneamente que la nube por encima de una combustión de biomasa es un signo de contaminación; en realidad, los gases de la combustión a menudo son muy limpios.

NOx y SOx

Mientras que los quemadores de biomasa modernos generalmente tienen bajas emisiones en comparación con muchos otros combustibles, hay algunos contaminantes de la combustión de biomasa que son motivo de preocupación.

Los principales contaminantes que deben tenerse en cuenta al quemar biomasa son los óxidos de nitrógeno – NO2 y NO3. Se les conoce típicamente como emisiones de “NOx”, y se forman cuando el nitrógeno en el aire se combina químicamente con el oxígeno durante el curso de la combustión. El NOx en la atmósfera puede combinarse con el vapor de agua para formar ácido nítrico, y se ha identificado como una fuente significativa de lluvia ácida. La combustión más caliente produce más NOx, mientras que las condiciones más frías producen menos. Las emisiones de NOx de una combustión de biomasa suelen ser similares a las de una combustión de carbón u otro sistema de combustible fósil, y generalmente dependen más del diseño del equipo de combustión que del tipo de combustible.

Los compuestos de óxido de azufre (“SOx”) son otro producto de combustión que se cree que es una fuente de lluvia ácida: las moléculas se combinan con el agua para formar ácido sulfúrico. Los compuestos de SOx se forman cuando el azufre en el combustible se combina con el oxígeno durante el proceso de combustión. El carbón típicamente tiene altos niveles de azufre, mientras que la mayoría de la biomasa tiene muy poco.

Hollín y creosota

“Hollín” es un término genérico para las partículas sin combustión o parcialmente quemadas en los gases de escape. “Creosota”, por otro lado, se refiere a un líquido alquitranado que se condensa después de una combustión incompleta de biomasa (el carbón también puede producir creosota). Si bien las chimeneas residenciales y las estufas de leña han sido durante mucho tiempo fuentes de estos contaminantes, los equipos de combustión de alta eficiencia producen poco o nada de estos materiales.

Partículas (cenizas)

La mayoría de las cenizas de la combustión permanecen en el quemador. Sin embargo, pequeñas cantidades de la ceniza más fina (llamada “ceniza volante”) se expulsan del quemador con el gas de escape. Los equipos de combustión a escala comercial utilizan dispositivos de captura de cenizas, como “separadores de ciclones” y “casetas de bolsas”, para eliminar la mayor parte de esta ceniza antes de que se libere a la atmósfera.

Normas de calidad del aire

Las emisiones al aire de equipos de combustión muy grandes (es decir, plantas de energía) están reguladas por la ley federal. Los equipos más pequeños están regulados por normas estatales y locales. Estas regulaciones generalmente requieren permiso previo y pruebas regulares de gases de chimenea para garantizar la conformidad con las reglas. A menudo, el equipo de combustión más pequeño (p. ej. equipo residencial) no está regulado de esta manera. En su lugar, los fabricantes de dispositivos pequeños pueden estar obligados a certificar que su equipo cumple ciertos requisitos mínimos.

Para información adicional

Combustión: Introducción / Materias primas / Procesamiento / Utilización

• Recursos de Wood2Energy, Universidad de Tennessee:
  • Un Estado de la Ciencia y la Tecnología. Publicación en profundidad sobre tecnologías de combustión. 2010.
  • Base de datos de Usuarios de Biomasa de Estados Unidos y Canadá. Base de datos de industrias, productores y usuarios de madera a energía, capaz de buscar por varias características. 2010.

• Recursos de BERC, el Centro de Investigación de Energía de Biomasa:
  • Visión General de la Tecnología a Escala Comunitaria.
  • Beneficios del uso de energía de biomasa para escuelas y comunidades. Hoja informativa.
  • Energía de biomasa y dióxido de carbono. Hoja informativa.
  • Hoja informativa sobre emisiones de combustión de biomasa. Hoja informativa.
  • más de 50 estudios de casos de los mejores sistemas de energía de biomasa de su clase en todo el mundo.
  • Guía de calefacción de astillas de madera para entornos comerciales e institucionales.
  • Base de datos nacional de proyectos de energía de biomasa a escala comunitaria

• Recursos de Penn State Cooperative Extension:
  • Equipo de Calefacción de Biomasa a Escala Comercial.
  • Co-Combustión De Biomasa Con Carbón.
• Recursos de Cornell Cooperative Extension, Calefacción con Madera:
  • Comparación de equipos de combustión
  • Seguridad de la estufa de leña
  • Mantenimiento adecuado
  • Mejores Prácticas de Combustión
  • Compra de leña
• Instituto de Combustibles de Pellets: Estándares de la industria y disponibilidad.
• Contaminantes de combustión. Universidad Estatal de Utah, Extensión Cooperativa.

Otros artículos de esta serie de combustión:

• Materias Primas de Biomasa para Combustión
• ¿Cuánto Calor Tiene el Biocombustible?
• Introducción a la Combustión de Biomasa
• Procesamiento de Biomasa para Combustión
• Maíz de cáscara como Combustible para Calor de Invernadero
• Uso de Calor de Combustión para Energía
• Calor de madera para Invernaderos

Colaboradores de este Artículo

Autor

• Daniel Ciolkosz, Asociado de Extensión, Penn State

Revisores por pares